6类无源IoT技术分析,千亿级的连接谁是最佳答案

标签:IoT技术
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“万物互联”是IoT行业的终极理想,IoT Analytics统计当前全球活跃的IoT终端数量为123亿台,预计在2025年物联网终端突破270亿台。想要实现更多数量的终端互联,当前仅仅依靠NB-IoT、LoRa等LPWAN技术远远不够。面对复杂的通信环境、多变的终端形态、联网通信成本等问题,如何进一步提升终端覆盖率,成为影响物联网产业快速发展的关键点。

随着连接数量的暴增,物联网终端的功耗、信号抗干扰问题成为技术突破的重要方向,当下自RFID技术衍生的无源物联网概念也火热起来。无源物联网是指IoT终端的网络节点无需外接“能量源”,而采用获取环境能量进行供能的物联网技术,这类技术被视为实现“千亿级互联”愿景的关键。

 

 

 

物联网连接数量分布模型

 

 

零功耗无源物联网,助力千亿终端互联互通

 

无源物联网最早是在军事领域应用,后逐步渗透到工业、交通等民用商用领域,随着新兴数字标签技术的出现,在RFID的基础上,无源物联网进一步延伸拓展至 Wi-Fi、蓝牙、UWB、LoRa、5G等蜂窝/非蜂窝技术的无源互联。无需电池供电即可联网通信,是无源物联网最大的优势,凭借极低的部署和维护成本、灵活多变的应用场景,无源物联网成为解决更广范围内终端供能需求的希望。

 

 

无源物联网的研究主要依托这三类底层技术:

首先是环境能量采集。无源物联网标签侧设备不依赖电池或电源线供电,而是通过捕捉环境中的能量,转化为电能使用,能量的来源可包括光能、热能、动能、射频等。太阳能是目前转换效率最高的方案,电磁波在单一频段下能量转化效率可达到50%,在多频段的复杂场景下只有1~2%,温度差热能采集对使用环境有要求,转化效率低于10%。以下是几种成熟的能量采集技术优缺点:

 

 

 

其次是低功耗计算。无源物联网终端运行时可利用的能量有限,这决定了驱动电路或芯片用于计算的功耗需求不能太高,目前成熟应用低功耗计算的MCU芯片一般功耗在 μW 级别。

最后是依靠低功耗通信——“反向散射”实现数据通信。无源物联网终端往往以低耗能的近距离低速率通信技术为主,更多依靠反向散射的方式反射接收到的射频信号以传输数据。

 

 

反向散射通信原理图 图源OPPO《零功耗通信》报告

 

当前正处于无源技术革新的关键期,中国移动研究院IoT研究所认为无源物联技术演进路径可分为单点式无源1.0、组网式无源2.0、蜂窝式无源3.0三个阶段,传统RFID应用采取点对点近距离读写一体的架构,存在较强的自干扰和互干扰问题,主要应用在快销品、仓储领域。新型组网式无源2.0技术采取收发分离式系统,支持组网部署,解决干扰问题提升了接受距离,在一定程度上拓展RFID应用场景。

 

在3.0阶段,可以进一步发挥蜂窝网络优势,利用基站拓展通信距离,为更大范围和更复杂场景的组网应用需求,如资产全生命周期管理提供可能。如2021年华为提出5.5G无源物联网Passive IoT的方案构想,通过蜂窝网络将RFID支持的场景传输距离由10米级扩大至百米级别,砍掉专用的读写器,使终端向蜂窝网关节点进行自我回传。

 

 

 

 

凭借零功耗、小体积等优势,无源物联网可以在工业传感器、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等产业物联网领域以及智能穿戴、智能家居、医疗护理等消费物联网领域有广泛的应用前景。

典型场景如工业传感器领域要实现工业自动化、环境传感、安全监控等场景应用,需要在复杂危险环境布置大量的传感器节点,成本低、功耗低、体积微小是该领域对通信设备的基本要求,无源物联网可以通过能量采集和反向散射等技术,延长传感器节点的生命周期,降低维护成本。

 

 

图源:乐鑫科技

又如物流仓储、商超零售行业要对海量非昂贵物品进行智能管理,给物品赋予联网通信的能力。当前如零售类标签的成本已低至三毛钱,物流类标签有望降低至一毛钱左右。在频繁运转的场景中使用无源物联网技术可以节省大量的硬件成本、供电成本与人力管理成本,显著提高物流与仓储管理效率。

 

 

在服装吊牌中安装的RFID标签 图源:优衣库

 

 

各大无源物联网技术:RFID独占百亿,关联技术方兴未艾

 

从技术成熟度上看,无源物联网技术可分为以RFID、NFC为代表的成熟应用,与以采集Wi-Fi、蓝牙、5G、LoRa等为能量供电的理论研究路线两大类。

基于RFID的无源物联网:

RFID技术是我们最为熟悉、应用最广泛的无源物联网技术,其原理非常简单。当RFID标签靠近阅读器后,接收阅读器发出的射频信号,产生感应电流,获得能量。通过收集的能量,标签通过内置天线发送信息,实现与阅读器的通信。

作为无源物联网底层核心技术,RFID技术应用在仓储物流、智慧零售、智能制造、服装管理、智慧医疗、航空运输等需要识别管理的千百行业,这些数量庞大的物理终端都可以成为千亿物联网的覆盖节点。根据AIoT星图研究院统计分析,在2021年,仅UHF RFID的全球出货量就到达了230亿左右,加上低频和高频,全球当年无源RFID的总出货量接近300亿。

凭借成本优势,RFID是千亿级无源物联网技术当下的最优解决方案,但也存在传输数据储存数量小、相比蓝牙、NFC、5G技术和手机互动性差的局限性。在不同的场景需要结合其他的无源物联网技术满足应用空间。

5月10日,AIoT星图研究院调研了超过100家RFID无源物联网各个频段与各个产业链环节的代表企业与行业专家,完成了《中国RFID无源物联网市场调研报告(2022版)》,现识别下方二维码即可立即获取报告。

 

 

 

 

 

基于NFC的无源物联网:

NFC(近场通信技术)是一种短距离高频无线通信技术,属于高频RFID技术的变种,可以实现设备在10cm内的非接触式数据交换。不同于RFID,NFC是高集成单体芯片,价格相对昂贵,主要用于安全性较高的信息传输场景,常用于交通、门禁、手机支付等功能。

 

基于蓝牙的无源物联网:

BLE低功耗蓝牙我们并不陌生,无需供电也可完成感知、存储和通信的无源蓝牙低功耗传感器标签也已成功面市,该标签通过收集周围的无线射频能量来为其供电,并借助这些能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。

 

 

 

 

这是来自以色列的Wiliot公司的产品Wiliot IoT Pixels,通过捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信号供电,再将数据回传云平台,这款标签不需要外加电池,尺寸仅邮票大小,能便捷地粘贴在各种物品之上,目前应用在疫苗瓶、食品包装等消费生产和零售场景中。

 

基于Wi-Fi的无源物联网:

美国华盛顿大学的研究人员在2016年研发出一种Passive Wi-Fi技术,Passive Wi-Fi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5μW和59.2μW,能够实现30米的回传距离,甚至有一定的穿墙能力。

这种方案设计原理类似RFID芯片,利用射频信号的后向反射通信技术,当附近Wi-Fi路由器发射功率相对较高的射频信号后,无源物联网节点吸收射频信号并调制天线反射系数,将传感器信息传递出去。

 

基于5G/6G蜂窝的无源物联网:

华为ICT总裁汪涛认为,当前大量的物联应用基于无源连接,通过网络化技术提升无源物联的识别率、覆盖范围、定位精度,是5G网络未来的演进创新方向。蜂窝信号是环境中最广泛的无线射频信号之一,实现无源的核心难点有两个,第一是如何获取能量,另一个在于如何实现长距离回传,尤其是后者保持高效通信的难度更大。无源终端通过各种方式获得的能量是非常微弱的,回传路径过长,信号会快速衰减。

目前在实验室阶段最先进的技术,已经可以做到在180米的范围内,收集特定频段的5G射频能量,采集到约6μW的电力。

 

基于LoRa、NB-IoT的无源物联网:

LoRa、NB-IoT等LPWAN终端本身就将低功耗作为核心技术,无源化是功耗研究的升级方向。

在2021年日本村田公司与Nowi公司合作推出无电池LoRa方案参考平台,使用村田的LoRa模块再加上Nowi的能量采集电源管理(PMIC)芯片供给能量。这类无源方案大多是模组厂商和能源芯片企业定制合作,推出兼容LoRa/NB-IoT模组的模块,采用线性扩频技术提升回传能力,借助反射调制系统来实现永久供能。

 

 

 

环境反向散射通信系统 图源OPPO《零功耗通信》报告

 

以上种种新型无源技术,很多处于实验室研究阶段,也有如蓝牙方案已经开始投入商用。一旦大规模商业化应用,无源物联网不仅能优化资源配置、提升效率,在疫情持续影响 “远程经济”发展之下,甚至对工业环境的组织形态和产业形态产生颠覆性的影响。

 

无源通信技术展望

在IoT技术的演进中,零功耗通信、无源化是一个关键且长期的目标,当前虽然受制于通信技术发展、商用成本、应用场景定制化等因素,RFID之外的商用方案还不成熟,但国内外已经出现了一批基于光伏、蓝牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G为研究的创新企业,逐步建立生态,在更多应用中搭载低功耗无源的连接网络。以下是针对无源物联网技术发展的几点愿景:

1、更丰富的无源标签功能。当前无源标签功能单一,亟需开发融合识别、感知、定位、通信等多功能于一体的无源标签,以便未来在生产制造、仓储物流、医疗健康等行业广泛应用。

2、更成熟的“开源节流”技术。反向散射技术目前处于商业化早期,其通信距离、吞吐量、安全性等方面尚不完善,能够应用的场景相对有限。未来,要实现更成熟的、大规模的无源物联网商业应用,需要在提升能量利用率、提升系统通信效率、升级安全保障机制这三个方向。

3、统一的通用协议标准。无源物联网作为一种新型通信技术,有望作为下一代通信网络技术标准与6G深度融合,成为加更加智能高效的通信标准。

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