零功耗！無源物聯(lián)網(wǎng)助力千億終端互聯(lián)互通
“萬物互聯(lián)”是IoT行業(yè)的終極理想，IoT Analytics統(tǒng)計當前全球活躍的IoT終端數(shù)量為123億臺，預計在2025年物聯(lián)網(wǎng)終端突破270億臺。想要實現(xiàn)更多數(shù)量的終端互聯(lián)，當前僅僅依靠NB-IoT、LoRa等LPWAN技術遠遠不夠。面對復雜的通信環(huán)境、多變的終端形態(tài)、聯(lián)網(wǎng)通信成本等問題，如何進一步提升終端覆蓋率，成為影響物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關鍵點。
隨著連接數(shù)量的暴增，物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗、信號抗干擾問題成為技術突破的重要方向，當下自RFID技術衍生的無源物聯(lián)網(wǎng)概念也火熱起來。無源物聯(lián)網(wǎng)是指IoT終端的網(wǎng)絡節(jié)點無需外接“能量源”，而采用獲取環(huán)境能量進行供能的物聯(lián)網(wǎng)技術，這類技術被視為實現(xiàn)“千億級互聯(lián)”愿景的關鍵。
零功耗無源物聯(lián)網(wǎng),助力千億終端互聯(lián)互通
無源物聯(lián)網(wǎng)最早是在軍事領域應用，后逐步滲透到工業(yè)、交通等民用商用領域，隨著新興數(shù)字標簽技術的出現(xiàn)，在RFID的基礎上，無源物聯(lián)網(wǎng)進一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術的無源互聯(lián)。無需電池供電即可聯(lián)網(wǎng)通信，是無源物聯(lián)網(wǎng)最大的優(yōu)勢，憑借極低的部署和維護成本、靈活多變的應用場景，無源物聯(lián)網(wǎng)成為解決更廣范圍內(nèi)終端供能需求的希望。
無源物聯(lián)網(wǎng)的研究主要依托這三類底層技術：
其次是低功耗計算。無源物聯(lián)網(wǎng)終端運行時可利用的能量有限，這決定了驅動電路或芯片用于計算的功耗需求不能太高，目前成熟應用低功耗計算的MCU芯片一般功耗在 μW 級別。
最后是依靠低功耗通信——“反向散射”實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。無源物聯(lián)網(wǎng)終端往往以低耗能的近距離低速率通信技術為主，更多依靠反向散射的方式反射接收到的射頻信號以傳輸數(shù)據(jù)。
首先是環(huán)境能量采集。無源物聯(lián)網(wǎng)標簽側設備不依賴電池或電源線供電，而是通過捕捉環(huán)境中的能量，轉化為電能使用，能量的來源可包括光能、熱能、動能、射頻等。太陽能是目前轉換效率最高的方案，電磁波在單一頻段下能量轉化效率可達到50%，在多頻段的復雜場景下只有1~2%，溫度差熱能采集對使用環(huán)境有要求，轉化效率低于10%。以下是幾種成熟的能量采集技術優(yōu)缺點：
當前正處于無源技術革新的關鍵期，中國移動研究院IoT研究所認為無源物聯(lián)技術演進路徑可分為單點式無源1.0、組網(wǎng)式無源2.0、蜂窩式無源3.0三個階段，傳統(tǒng)RFID應用采取點對點近距離讀寫一體的架構，存在較強的自干擾和互干擾問題，主要應用在快銷品、倉儲領域。新型組網(wǎng)式無源2.0技術采取收發(fā)分離式系統(tǒng)，支持組網(wǎng)部署，解決干擾問題提升了接受距離，在一定程度上拓展RFID應用場景。
在3.0階段,可以進一步發(fā)揮蜂窩網(wǎng)絡優(yōu)勢，利用基站拓展通信距離，為更大范圍和更復雜場景的組網(wǎng)應用需求，如資產(chǎn)全生命周期管理提供可能。如2021年華為提出5.5G無源物聯(lián)網(wǎng)Passive IoT的方案構想，通過蜂窩網(wǎng)絡將RFID支持的場景傳輸距離由10米級擴大至百米級別，砍掉專用的讀寫器，使終端向蜂窩網(wǎng)關節(jié)點進行自我回傳。
憑借零功耗、小體積等優(yōu)勢，無源物聯(lián)網(wǎng)可以在工業(yè)傳感器、智能交通、智慧物流、智能倉儲、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、能源領域等產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域以及智能穿戴、智能家居、醫(yī)療護理等消費物聯(lián)網(wǎng)領域有廣泛的應用前景。
典型場景如工業(yè)傳感器領域要實現(xiàn)工業(yè)自動化、環(huán)境傳感、安全監(jiān)控等場景應用，需要在復雜危險環(huán)境布置大量的傳感器節(jié)點，成本低、功耗低、體積微小是該領域對通信設備的基本要求，無源物聯(lián)網(wǎng)可以通過能量采集和反向散射等技術，延長傳感器節(jié)點的生命周期，降低維護成本。
又如物流倉儲、商超零售行業(yè)要對海量非昂貴物品進行智能管理，給物品賦予聯(lián)網(wǎng)通信的能力。當前如零售類標簽的成本已低至三毛錢，物流類標簽有望降低至一毛錢左右。在頻繁運轉的場景中使用無源物聯(lián)網(wǎng)技術可以節(jié)省大量的硬件成本、供電成本與人力管理成本，顯著提高物流與倉儲管理效率。
各大無源物聯(lián)網(wǎng)技術：RFID獨占百億，關聯(lián)技術方興未艾
從技術成熟度上看，無源物聯(lián)網(wǎng)技術可分為以RFID、NFC為代表的成熟應用，與以采集Wi-Fi、藍牙、5G、LoRa等為能量供電的理論研究路線兩大類。
基于RFID的無源物聯(lián)網(wǎng)：
RFID技術是我們最為熟悉、應用最廣泛的無源物聯(lián)網(wǎng)技術，其原理非常簡單。當RFID標簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，產(chǎn)生感應電流，獲得能量。通過收集的能量，標簽通過內(nèi)置天線發(fā)送信息，實現(xiàn)與閱讀器的通信。
作為無源物聯(lián)網(wǎng)底層核心技術，RFID技術應用在倉儲物流、智慧零售、智能制造、服裝管理、智慧醫(yī)療、航空運輸?shù)刃枰R別管理的千百行業(yè)，這些數(shù)量龐大的物理終端都可以成為千億物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋節(jié)點。根據(jù)AIoT星圖研究院統(tǒng)計分析，在2021年，僅UHF RFID的全球出貨量就到達了230億左右，加上低頻和高頻，全球當年無源RFID的總出貨量接近300億。
憑借成本優(yōu)勢，RFID是千億級無源物聯(lián)網(wǎng)技術當下的最優(yōu)解決方案，但也存在傳輸數(shù)據(jù)儲存數(shù)量小、相比藍牙、NFC、5G技術和手機互動性差的局限性。在不同的場景需要結合其他的無源物聯(lián)網(wǎng)技術滿足應用空間。
5月10日，調(diào)研了超過100家RFID無源物聯(lián)網(wǎng)各個頻段與各個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的代表企業(yè)與行業(yè)專家，完成了《中國RFID無源物聯(lián)網(wǎng)市場調(diào)研報告(2022版)》，現(xiàn)識別下方二維碼即可立即獲取報告。
基于Wi-Fi的無源物聯(lián)網(wǎng)：
研究人員在2016年研發(fā)出一種Passive Wi-Fi技術，Passive Wi-Fi無源節(jié)點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，能夠實現(xiàn)30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。
這種方案設計原理類似RFID芯片，利用射頻信號的后向反射通信技術，當附近Wi-Fi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。
基于5G/6G蜂窩的無源物聯(lián)網(wǎng)：
當前大量的物聯(lián)應用基于無源連接，通過網(wǎng)絡化技術提升無源物聯(lián)的識別率、覆蓋范圍、定位精度，是5G網(wǎng)絡未來的演進創(chuàng)新方向。蜂窩信號是環(huán)境中最廣泛的無線射頻信號之一，實現(xiàn)無源的核心難點有兩個，第一是如何獲取能量，另一個在于如何實現(xiàn)長距離回傳，尤其是后者保持高效通信的難度更大。無源終端通過各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過長，信號會快速衰減。
目前在實驗室階段最先進的技術，已經(jīng)可以做到在180米的范圍內(nèi)，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6μW的電力。
基于LoRa、NB-IoT的無源物聯(lián)網(wǎng)：
LoRa、NB-IoT等LPWAN終端本身就將低功耗作為核心技術，無源化是功耗研究的升級方向。
以上種種新型無源技術，很多處于實驗室研究階段，也有如藍牙方案已經(jīng)開始投入商用。一旦大規(guī)模商業(yè)化應用，無源物聯(lián)網(wǎng)不僅能優(yōu)化資源配置、提升效率，在疫情持續(xù)影響 “遠程經(jīng)濟”發(fā)展之下，甚至對工業(yè)環(huán)境的組織形態(tài)和產(chǎn)業(yè)形態(tài)產(chǎn)生顛覆性的影響。
無源通信技術展望
在IoT技術的演進中，零功耗通信、無源化是一個關鍵且長期的目標，當前雖然受制于通信技術發(fā)展、商用成本、應用場景定制化等因素，RFID之外的商用方案還不成熟，但國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一批基于光伏、藍牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G為研究的創(chuàng)新企業(yè)，逐步建立生態(tài)，在更多應用中搭載低功耗無源的連接網(wǎng)絡。以下是針對無源物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的幾點愿景：
1、更豐富的無源標簽功能。當前無源標簽功能單一，亟需開發(fā)融合識別、感知、定位、通信等多功能于一體的無源標簽，以便未來在生產(chǎn)制造、倉儲物流、醫(yī)療健康等行業(yè)廣泛應用。
2、更成熟的“開源節(jié)流”技術。反向散射技術目前處于商業(yè)化早期，其通信距離、吞吐量、安全性等方面尚不完善，能夠應用的場景相對有限。未來，要實現(xiàn)更成熟的、大規(guī)模的無源物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應用，需要在提升能量利用率、提升系統(tǒng)通信效率、升級安全保障機制這三個方向。
3、統(tǒng)一的通用協(xié)議標準。無源物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型通信技術，有望作為下一代通信網(wǎng)絡技術標準與6G深度融合，成為加更加智能高效的通信標準。