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6類無源IoT技術分析,千億級的連接誰是最佳答案

2022-05-13 17:48 物聯傳媒

導讀:隨著連接數量的暴增,物聯網終端的功耗、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網概念也火熱起來。

“萬物互聯”是IoT行業的終極理想,IoT Analytics統計當前全球活躍的IoT終端數量為123億臺,預計在2025年物聯網終端突破270億臺。想要實現更多數量的終端互聯,當前僅僅依靠NB-IoT、LoRa等LPWAN技術遠遠不夠。面對復雜的通信環境、多變的終端形態、聯網通信成本等問題,如何進一步提升終端覆蓋率,成為影響物聯網產業快速發展的關鍵點。

隨著連接數量的暴增,物聯網終端的功耗、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網概念也火熱起來。無源物聯網是指IoT終端的網絡節點無需外接“能量源”,而采用獲取環境能量進行供能的物聯網技術,這類技術被視為實現“千億級互聯”愿景的關鍵。


物聯網連接數量分布模型



零功耗無源物聯網,助力千億終端互聯互通


無源物聯網最早是在軍事領域應用,后逐步滲透到工業、交通等民用商用領域,隨著新興數字標簽技術的出現,在RFID的基礎上,無源物聯網進一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術的無源互聯。無需電池供電即可聯網通信,是無源物聯網最大的優勢,憑借極低的部署和維護成本、靈活多變的應用場景,無源物聯網成為解決更廣范圍內終端供能需求的希望。

無源物聯網的研究主要依托這三類底層技術:

首先是環境能量采集。無源物聯網標簽側設備不依賴電池或電源線供電,而是通過捕捉環境中的能量,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缺點:


其次是低功耗計算。無源物聯網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”實現數據通信。無源物聯網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據。

反向散射通信原理圖 圖源OPPO《零功耗通信》報告


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技術演進路徑可分為單點式無源1.0、組網式無源2.0、蜂窩式無源3.0三個階段,傳統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。新型組網式無源2.0技術采取收發分離式系統,支持組網部署,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,可以進一步發揮蜂窩網絡優勢,利用基站拓展通信距離,為更大范圍和更復雜場景的組網應用需求,如資產全生命周期管理提供可能。如2021年華為提出5.5G無源物聯網Passive IoT的方案構想,通過蜂窩網絡將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,使終端向蜂窩網關節點進行自我回傳。



憑借零功耗、小體積等優勢,無源物聯網可以在工業傳感器、智能交通、智慧物流、智能倉儲、智慧農業、智慧城市、能源領域等產業物聯網領域以及智能穿戴、智能家居、醫療護理等消費物聯網領域有廣泛的應用前景。

典型場景如工業傳感器領域要實現工業自動化、環境傳感、安全監控等場景應用,需要在復雜危險環境布置大量的傳感器節點,成本低、功耗低、體積微小是該領域對通信設備的基本要求,無源物聯網可以通過能量采集和反向散射等技術,延長傳感器節點的生命周期,降低維護成本。

圖源:樂鑫科技

又如物流倉儲、商超零售行業要對海量非昂貴物品進行智能管理,給物品賦予聯網通信的能力。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網技術可以節省大量的硬件成本、供電成本與人力管理成本,顯著提高物流與倉儲管理效率。

在服裝吊牌中安裝的RFID標簽 圖源:優衣庫



各大無源物聯網技術:RFID獨占百億,關聯技術方興未艾


從技術成熟度上看,無源物聯網技術可分為以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的無源物聯網:

RFID技術是我們最為熟悉、應用最廣泛的無源物聯網技術,其原理非常簡單。當RFID標簽靠近閱讀器后,接收閱讀器發出的射頻信號,產生感應電流,獲得能量。通過收集的能量,標簽通過內置天線發送信息,實現與閱讀器的通信。

作為無源物聯網底層核心技術,RFID技術應用在倉儲物流、智慧零售、智能制造、服裝管理、智慧醫療、航空運輸等需要識別管理的千百行業,這些數量龐大的物理終端都可以成為千億物聯網的覆蓋節點。根據AIoT星圖研究院統計分析,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。

憑借成本優勢,RFID是千億級無源物聯網技術當下的最優解決方案,但也存在傳輸數據儲存數量小、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網技術滿足應用空間。

5月10日,AIoT星圖研究院調研了超過100家RFID無源物聯網各個頻段與各個產業鏈環節的代表企業與行業專家,完成了《中國RFID無源物聯網市場調研報告(2022版)》,現識別下方二維碼即可立即獲取報告。



基于NFC的無源物聯網:

NFC(近場通信技術)是一種短距離高頻無線通信技術,屬于高頻RFID技術的變種,可以實現設備在10cm內的非接觸式數據交換。不同于RFID,NFC是高集成單體芯片,價格相對昂貴,主要用于安全性較高的信息傳輸場景,常用于交通、門禁、手機支付等功能。


基于藍牙的無源物聯網:

BLE低功耗藍牙我們并不陌生,無需供電也可完成感知、存儲和通信的無源藍牙低功耗傳感器標簽也已成功面市,該標簽通過收集周圍的無線射頻能量來為其供電,并借助這些能量發送標簽唯一標識碼的數據以及傳感器讀數。



這是來自以色列的Wiliot公司的產品Wiliot IoT Pixels,通過捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信號供電,再將數據回傳云平臺,這款標簽不需要外加電池,尺寸僅郵票大小,能便捷地粘貼在各種物品之上,目前應用在疫苗瓶、食品包裝等消費生產和零售場景中。


基于Wi-Fi的無源物聯網:

美國華盛頓大學的研究人員在2016年研發出一種Passive Wi-Fi技術,Passive Wi-Fi無源節點傳輸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路由器發射功率相對較高的射頻信號后,無源物聯網節點吸收射頻信號并調制天線反射系數,將傳感器信息傳遞出去。


基于5G/6G蜂窩的無源物聯網:

華為ICT總裁汪濤認為,當前大量的物聯應用基于無源連接,通過網絡化技術提升無源物聯的識別率、覆蓋范圍、定位精度,是5G網絡未來的演進創新方向。蜂窩信號是環境中最廣泛的無線射頻信號之一,實現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,已經可以做到在180米的范圍內,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的無源物聯網:

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。

在2021年日本村田公司與Nowi公司合作推出無電池LoRa方案參考平臺,使用村田的LoRa模塊再加上Nowi的能量采集電源管理(PMIC)芯片供給能量。這類無源方案大多是模組廠商和能源芯片企業定制合作,推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊,采用線性擴頻技術提升回傳能力,借助反射調制系統來實現永久供能。


環境反向散射通信系統 圖源OPPO《零功耗通信》報告


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開始投入商用。一旦大規模商業化應用,無源物聯網不僅能優化資源配置、提升效率,在疫情持續影響 “遠程經濟”發展之下,甚至對工業環境的組織形態和產業形態產生顛覆性的影響。


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,但國內外已經出現了一批基于光伏、藍牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G為研究的創新企業,逐步建立生態,在更多應用中搭載低功耗無源的連接網絡。以下是針對無源物聯網技術發展的幾點愿景:

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,以便未來在生產制造、倉儲物流、醫療健康等行業廣泛應用。

2、更成熟的“開源節流”技術。反向散射技術目前處于商業化早期,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,要實現更成熟的、大規模的無源物聯網商業應用,需要在提升能量利用率、提升系統通信效率、升級安全保障機制這三個方向。

3、統一的通用協議標準。無源物聯網作為一種新型通信技術,有望作為下一代通信網絡技術標準與6G深度融合,成為加更加智能高效的通信標準。

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參考資料:

OPPO,《零功耗通信白皮書》

AIoT星圖研究院,《中國 RFID無源物聯網市場調研報告(2022版)》

艾瑞咨詢,《物聯網賽道觀察之無源物聯網》

移動Labs,《專家說:無源物聯網熱潮已起,會帶來多大的想象空間?》

物聯網智庫,《NB-IoT和LoRa不用電池也可以工作:無源物聯網為LPWAN開辟新機遇》


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