从“入门”到“头秃”,一文搞懂“无源物联网”

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导读

随着物联网在各行业的深入应用,在一些场景中大规模部署受到环境、成本、节能环保等限制,传统供电方式无法满足需求,无源物联网成为有效解决方案,也将成为未来5G Advanced和6G技术体系中的重要组成部分。本文通过对无源物联网的需求和场景进行研究,分析无源物联网核心技术,并梳理了无源物联网商业化创新的进展,系统性总结了当前无源物联网的技术和产业发展趋势,为业界在这一领域的研究提供参考。

 

“本文首发于《中国电信业》2022年第10期”

0引言

随着物联网技术与各行业深入融合,物联网连接规模增长迅速。2020年底,全球物联网连接数达到113亿,首次超越了包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑以及固定电话在内的非物联网连接数,预计到2025年连接数将超过270亿[1]。

过去10余年,降低终端节点功耗一直是物联网核心研究方向之一,催生了多项创新技术并形成相关标准。在蜂窝物联网领域,第三代移动通信标准化组织(3GPP)针对LTE的优化和剪裁,形成了LTE Cat 1、LTE Cat M以及NB-IoT标准,5G R17版本标准中引入了RedCap(缩减能力终端),也是为了降低接入5G网络的物联网终端功耗;在非授权频谱物联网领域,LoRaWAN、Sigfox等标准支撑了大量低功耗终端快速接入,WiFi、蓝牙等均开发低功耗技术来支持物联网发展,如WiFi联盟推出的WiFi Halow标准。

以上各类低功耗的技术和标准,支持海量物联网的接入,成为满足大连接的主力,业界已经形成共识。不过,现有低功耗物联网技术大部分需普通电池或纽扣电池供电,百亿级物联网节点意味着需要消耗百亿级电池,这并不符合低碳经济的要求,同时,现有技术无法满足很多不具备电池供电条件场景的需求,无源物联网正是解决这些需求的有效手段。

1.对无源物联网的需求

万物互联的愿景首先需要对物理世界进行有效感知,广泛部署海量的传感节点。在多个行业应用实践中,电池供电的有源节点在大量场景部署时会受到明显限制,需要免电池的无源物联网方案。目前,无源物联网的多个场景需求已逐渐清晰,这些场景拥有远高于现有低功耗物联网技术所能支持的节点数。因此,无源物联网将成为支撑更大规模连接的主力。

1.1 有源传感节点部署面临的痛点

当前,大多数无线传感节点是通过电池供给能量,而这些有源传感节点面对很多海量部署场景时,其弊端逐渐暴露,多方面痛点制约了物联网向着更广阔场景的扩展。

(1)低碳经济的要求

从低碳环保角度看,若未来大部分传感器节点都采用电池作为能量源,当能量耗尽后,遗留在环境中的废弃电池会对环境造成污染,因此业界需要发展绿色物联网技术,支持海量物联网节点接入的同时,不会造成更高碳排放或污染。

(2)极端环境部署受限

在大量极端的环境中,无线传感网络的部署具有重要意义,但这些场景往往不适合供电或更换电池,主要包括两类环境:一类是人们很难长期活动的场所,如森林、山丘、战场等场所,对这些场所部署大量无线传感节点,将对森林防火、灾情监测、山体滑坡、敌情侦查等产生至关重要的作用,然而这些场所分布地域广且往往人迹罕至,无线传感节点若采用电池供电,电量耗尽后对其补充能量的成本极高;另一类是相对恶劣的工作环境,如工业生产现场、高压电站、锅炉泵房等监测场景,面临着高空、高温、高辐射等极端环境,不利于对传感节点进行电池更换。

(3)极低成本的限制

近年来,虽然低功耗广域网络(LPWAN)的快速发展,已经大幅降低了节点成本,但相关模组成本依然在10-20元人民币区间,进一步下降的空间非常有限。随着物联网应用场景的扩展,一些低价值物品的场景也产生了连接的需求,这些场景往往拥有海量的终端,但单个终端的价值并不高,如对物流包裹的追踪,这就要求传感和通信模组能够做到极低成本。在实践中,需要在保持感知和通信性能基础上,对原有节点进行大幅裁剪,减少多个器件的使用,才能实现成本的实质性下降,电池也将成为裁剪的对象。

(4)终端尺寸的限制

在很多场景中,终端尺寸也是制约应用部署的因素。例如,一些植入体内的芯片对尺寸要求非常严苛,对电池和其他器件的剪裁能够明显减少终端体积;又如,在物流和仓储管理中,往往需要以标签的形态贴在物品上,对标签厚度的要求使其无法进行电池供电。

这些相应的痛点存在,需要无线传感节点在其生命周期内可以满足免维护、低功耗、低成本、小尺寸、环保的需求,这些正是无源物联网所要解决的问题。

1.2 无源物联网主要场景

过去几年,物联网从业者对物联网节点的三个不同速率档位分类已形成共识,即高速物联、中速物联和低速物联。其中,高速物联主要通过5G eMBB、4G Cat.4+、WiFi 6等技术来承载,中速物联目前主要通过4G Cat.1、3G、2G等技术来承载,低速物联主要由NB-IoT、LoRaWAN、BLE等技术来承载,不同速率同时也对应不同功耗等级,形成明显的三大类场景,也面对三类不同量级的物联网连接数。

业界比较熟悉的低速物联标准NB-IoT、LoRaWAN、BLE等可以支撑百亿级连接,中速和高速物联标准能够带来的连接规模远低于低速物联连接规模。在以上三类物联网场景基础上,无源物联这一类别将成为千亿级物联网连接场景的主要来源(见图1)。

 

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图1 不同分类档物联网连接规模

业界对无源物联网开展了前期探索,一些场景已逐渐明晰,如快消品、物流包裹、产品外包装、仓库货物盘点等需要联网的场景,构成了千亿级无源物联网节点的基础。OPPO研究院发布的《零功耗通信白皮书》中,总结了无源物联网工业传感器网络、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等应用以及面向个人消费者的智能穿戴、智能家居以及医疗护理等方面的应用。目前,一些企业已经实现无源物联网小范围落地,包括物流仓储管理、药品追踪等场景。

以物流为例,国家邮政局发布数据显示,2021年全年,我国快递业务量达1083亿件,同比增长29.9%,包裹数量占全球一半以上。通过超低成本的无源物联网方案,其中相当比例的包裹可以实现有效追踪,则这一领域每年就能实现海量连接。

2.无源物联网主要技术

无源物联网主要是通过能量采集、反向散射通信、低功耗计算三方面技术来实现。其中,能量采集和反向散射通信是无源物联网方案实现的必选技术,部分简单的方案主要是实现传感器数据直接上传,不一定需要太多计算资源,因此本节主要讨论前两个技术。

2.1 能量采集技术

无源物联网系统并不意味着无需能量供给就能工作,而是基于自供能的设计,形成长期稳定的能量来源驱动传感器节点感知和通信。自供能主要是通过环境能量采集技术来实现,外界环境中存在着很多能量来源,能量采集技术将其采集并转化为可供传感节点工作的能量,也满足低碳经济的要求。主要的能量采集技术包括:

(1)环境光能采集:太阳能是最为常见的环境光能,环境光能量采集技术可以将太阳能转化为电能,当前太阳能光伏发电已初具规模,为未来能源结构变化做出贡献。当然,环境光能采集的局限性非常明显,对光能量收集的强度往往受时间、天气等外界因素的影响。

(2)振动能量采集:震动能广泛存在于桥梁、楼宇、车辆、机器、家电等场合,震动能技术可以通过多种方式进行能量转换,如压电转换、静电转换和磁电转换等。其中,静电转换方式是借助静电感应将机械能转化成电能;压电转换方式是通过压电效应发电,借助初始的电压差进行设备供电的能量转换;磁电转换方式通过振动使导体切割磁感线产生能量。

(3)热能采集:热能转化一般基于热电材料的赛贝克效应,根据两个不同导体接合处的温度差而产生电压。一些可穿戴设备在探索使用热能采集技术,将人体作为发热端,环境作为冷的一端,高低温度之间的差值决定产生的能量大小。

(4)射频能量采集:射频能采集的能量可以来源于移动通信基站、电视塔、WiFi路由器、微波炉等,我们每天被这些射频信号包围,可以随时作为能量来源。其基本原理是通过电磁感应实现对空间电磁波能量的采集,本质是将射频能量转化为直流电压,以有效地用于对感知节点负载电路的驱动。

由于环境本身的特点,各类能量采集技术获得的能量密度差别很大,以下为典型场景下四类环境能量的密度[2]。

表1 典型场景下环境能量密度

环境能量

场景

能量密度(μW/cm3)

太阳能

光照场景

10(室内)

10000(室外)

振动能

工厂

200

热能

热管

15(10℃温度梯度)

射频能

射频发射器附近

0.1

环境能量采集存在着很多技术挑战,集中体现在能量微弱和随机性明显,尤其是大部分情况下仅有微瓦级的能量供应,在这样的条件下驱动传感器数据采集、通信和计算的稳定工作是一项巨大的挑战。因此,除了采集外,也需要对这些微弱能量进行有效管理,一般来说,能量采集系统的基本模块包括三部分[3]:

换能部分:能量转换器件从不同环境来源中获取能量并转化为电能,如热电装置转化热能、压电元件转化振动动能等;

电源管理部分:电源管理电路通常由稳压器组成,根据系统的要求对微弱能量进行管理;

能量储存部分:转换的能量可以直接为感知节点供电,也可以被存储到能量存储单元中供将来使用,有利于持续性为感知节点供电。

其中,射频能量虽然能量密度低,但由于传感节点数据需要借助射频传输,借助环境射频信号,可以同时解决能量获取和信号传输调制两个功能,因此成为无源物联网研究的重点。射频能量采集研究经历了多年的探索,射频能量的强度、能量转换效率、供能稳定性、系统兼容性等一直是其设计中最关注的问题,也给射频能量采集带来诸多挑战。

2.2 反向散射通信技术

从环境获取的能量可驱动感知节点数据传输和无线通信,当前主流的低功耗物联网通信芯片(如BLE、LoRa、NB-IoT)的收发功耗都在数十毫瓦甚至数百毫瓦级别,而环境能量采集获取能量仅有微瓦级,无法驱动这些类型节点工作,因此需要全新的无线通信技术,使通信能耗下降至数十微瓦甚至十微瓦以下,目前主流的方式采用反向散射通信技术。

反向散射通信是利用射频信号反向散射原理,设计出极低功耗的调制与传输技术。反向散射通信最早由Stockman提出[4],由于射频信号到达物体表面时一部分会被反射,而发送节点按照拟发送信息调整接收天线和阻抗之间的匹配,增强对入射射频信号的反射,并将自身获取的感知数据调制到该反射信号上,完成对数据的发送。这一过程类似于反光镜,相对于其他通信技术,反向散射通信无需复杂的射频结构,减少功率放大器、高精度晶振、双工器、高精度滤波器等器件使用,也不需要复杂的基带处理[5],因此,能够简化终端设计,大幅降低终端节点成本。

反向散射通信已经广泛应用于RIFD(射频识别)系统中,形成很多规模化商用的案例。其工作原理是接收机(一般为RFID阅读器)发送射频激励信号,激活无源节点(一般为RFID电子标签),电子标签利用反向散射通信将自身信息调制到该射频信号上,阅读器接收到无源电子标签的反射信号并进行解调,实现信息传输(见图2)。

 

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图2 传统反向散射通信系统

不过,以RFID为代表的传统反向散射通信技术存在多方面的不足,集中表现在:一方面,射频激励信号源和接收机位于同一设备中,导致发射和接收自干扰而限制通信距离;另一方面,该系统需要专用的射频激励信号来源,限制了无源物联网部署的区域和场景。因此,业界提出了环境反向散射通信技术[6],即利用周边环境中广泛存在的射频信号,如蜂窝基站、WiFi路由器、电视塔等作为射频信号来源,向无源节点发送激励信号,结合射频能量采集技术,无源节点可以从环境射频信号源获取足够能量,完成数据调制并主动向接收机发送信号(见图3)。通过这一设计,能够显著降低干扰和功耗,大幅提升通信距离。

 

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图3 环境反向散射通信系统

虽然环境反向散射通信是无源物联网最为理想的通信技术,但仍然存在诸多技术挑战,限制其大规模应用。这些挑战包括更加轻量级的调制和编码技术、更高效的多址方式、更灵活的资源管理方式、更轻量协议栈、更轻量安全管理机制以及简化的网络架构等,每一项挑战都需要投入大量资源进行研发和工程化试验[5]。

以灵活的资源管理方式为例,无源物联网面向的很多场景典型特点是传感器节点的海量、密集部署,例如在仓储环境中,大量的货物需要频繁在一个固定仓库进行储存、盘点,产生海量仓储信息,一般会将无源物联网标签贴在包裹或货物上面,便于记录、保存、更新货物的信息。在这一场景下,智慧仓储管理要求通信技术支持批量读取、写入标签数据的能力,如在数秒内完成数千乃至上万节点数据读取上报,这种短时间、小范围内海量终端数据传输的需求,对通信资源管理能力形成巨大压力。资源管理设计中,一方面必须考虑所有无源节点身份如何快速识别,另一方面必须考虑节点数据在有限信道的有序传输,从而避免数据碰撞和干扰。当前,NB-IoT、LTE Cat M等成熟的物联网通信技术无法支持这一要求,因此要求无源物联网在能源供给非常有限的前提下,变革资源管理方式。

2.3 低功耗计算技术

由于无源物联网节点需要在终端侧进行简单的资源管理、控制、编码以及加密,因此也需要极低功耗的计算技术。这一领域主要集中在低功耗计算芯片的研究上,而低功耗计算芯片已形成阶段性成果,具备很多成熟方案。例如,目前一些成熟的低功耗MCU(微控制单元)和传感器芯片能够达到微瓦级别的能耗,能够为无源物联网提供支持,相应的无源物联网技术方案厂商也在低功耗计算领域深入研发,进一步降低计算的功耗。

3.无源物联网创新和商业化进展

严格来说,RFID是无源物联网其中一个技术方向,也是截至目前商业化最为成果的无源物联网的业态。不过,RFID存在的严重依赖专门阅读器、有效通信距离短等短板,使其应用场景非常受限。基于环境能量收集和环境反向散射技术的系统是未来无源物联网发展的核心方向,各类无源物联网领域的典型企业也主要是在这两个方向上进行创新和商业化。

3.1 环境能量采集:芯片化提供通用供能模块

环境能量采集技术已有多年的商用化历程,目前这一领域多家代表性的企业均通过芯片化的形式将其环境能量采集技术封装起来,形成通用的供能模块,为各类无源感知节点提供能源收集、储存、管理的功能。

近两年,能量采集技术的创新逐渐得到国内外市场的认可。例如,国内一家名为飞英思特的厂商在环境能量采集技术上进行创新,推出多款微能管理模块产品,可以对微光能、射频能量、压电、温差能进行采集、转换、管理,为无源节点解决能量来源;海外也有多家典型企业,如Atmosic公司核心技术为受控能量收集,并基于蓝牙5平台,开发出超低功耗无源蓝牙芯片;另一家名为Wiliot的厂商,借助射频能量采集技术,将自供电管理单元与超低功耗蓝牙MCU和传感器接口集成到一个芯片上,借助其能量转化和管理的效率,该芯片还配备存储器和安全加密引擎,形成一款具备感知、计算和通信功能的无源物联网器件。

在部分需要电池供电的场景,这一通用供能模块的方案一定程度上替代了传统的电池,给这些场景带来了永久供电的方案,大幅降低维护成本,延长了物联网节点生命周期。例如,荷兰一家名为Nowi的半导体厂商推出的能量采集芯片就与多家物联网芯片厂商NB-IoT解决方案合作,形成自供电NB-IoT平台,通过其环境能量采集芯片为NB-IoT传输提供无限期的能量来源。

3.2 环境反向散射通信:从局域通信向广域通信扩展

相比于环境能量收集技术,环境反向散射通信技术的商用化进程相对缓慢,目前有部分初步商业化。随着无源物联网需求增加和相关技术的突破,环境反向散射通信从最初的仅有米级的局域通信距离,向着百米级甚至公里级的广域通信距离扩展。近年来的技术探索主要包括:

(1)基于WiFi的反向散射通信

美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员在2016年研发出一种全新的WiFi技术,称之为Passive WiFi[7]。该技术基于反向散射通信,当附近WiFi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。Passive WiFi无源节点传输速率为1Mbps和11Mbps的数据时,所消耗的电量分别仅为14.5μW和59.2μW,只有正常WiFi节点电量消耗的万分之一,而且能够实现30米的回传距离,甚至有一定的穿墙能力。

(2)基于LoRa的反向散射通信

同样是美国华盛顿大学电子工程学院的研究团队,在一篇论文中阐述了其将反射调制技术扩展到远距离传输的系统中[8],研究人员利用了LoRa信号高灵敏度和扩频编码技术,提升无源标签回传能力,并与商用的LoRa设备兼容,形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中,研究人员成功的从射频源和接收器之间相隔475米的任何位置实现无源节点反射调制并回传传感器信息。若将无源节点与射频源置于同一位置时,接收器最远可部署在2.8公里处,实现了远距离的传输。在这个过程中,节点消耗的电量仅为10μW级别,研究人员估计大规模使用后每一节点标签的成本仅为10-20美分。

(3)基于蜂窝网络的反向散射通信

5G Advanced和6G系列技术中,无源物联网已明确为其中方向之一。在5G和6G大规模蜂窝基础设施部署的基础上,无源物联网节点拥有大量射频来源,支持无源物联网节点大规模部署和集中控制。

2021年9月,3GPP RAN#93e全会期间讨论了R18版本的候选课题,其中无源物联网就被多家代表提出。2021年12月召开的3GPP RAN#94e全会上,与会相关代表对无源物联网关注点和技术反向进行多轮深入讨论[9],其中反向散射通信就是重要候选技术。当前,业界对6G的愿景、技术和场景讨论中,无源物联网被认为是6G时代的典型场景,反向散射技术为实现无源物联网提供了可能[10],而反向散射通信技术也与6G的很多候选技术融合,构建绿色节能的下一代通信网络[5]。

3.3 无源物联网创新和商用发展思考

近期,国内产学研各界对无源物联网的关注达到了一个新高度,组织了多场研讨会。综合近期动态,不难发现无源物联网形成了以下趋势:一是需求不断提升,此前广泛应用RFID的领域,对于摆脱读写器、提升传输距离的新型无源物联网系统充满期待,其他相关领域也高度关注,在物流、仓储、医疗、工业等行业形成潜在市场;二是融合性技术应用快速发展,根据不同场景和环境条件,相关企业和研究人员设计多种灵活性技术组合,形成低成本、高效支持无源物联网部署,如根据不同环境条件,灵活调节能量采集技术和通信距离的方案;三是不同组织开始争夺技术主动权,在3GPP RAN全会讨论中,多个代表提出3GPP阵营现有的技术无法支持无源物联网的愿景,需要进一步增强3GPP阵营在该领域的技术和标准输出,形成对其他技术组织的竞争优势。

面对新型无源物联网带来的广阔市场前景,我国产业界应及时布局,持续提升我国在该领域的实力。第一,积极进行前沿技术研发,聚焦当前无源物联网商用中面临的主要技术难点,进行技术攻关,并积极参与3GPP等国际组织的标准制定,形成技术和标准的“中国力量”;第二,积极推进政产学研合作,扩大无源物联网产业生态,尤其是在无源物联网芯片、读写设备、控制平台等环节增加自主创新企业数量和比例,摆脱传统RFID产业以代工为主的局面;第三,发挥中国广阔市场优势,充分挖掘潜力,推进规模化示范应用,并对传统有源方案进行部分替代。

4 结语

降低节点功耗一直以来是物联网领域最关心的话题之一,无源物联网为物联网节点摆脱电池依赖、实现持续供能提供新的思路。本文从有源物联网节点在海量连接部署中存在的短板出发,分析多个领域对无源物联网的需求、场景和连接规模,并重点对环境能量采集技术和反向散射通信技术等无源物联网核心技术进行研究,在此基础上整理了当前产业界对无源物联网创新和商业化的进程。无源物联网虽然目前仍处于商用初级阶段,但这一领域已受到高度关注,随着5G Advanced和6G研究的进展,无源物联网将成为支撑千亿级连接规模的核心技术。

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