6类无源IoT技术分析，千亿级的连接谁是最佳答案
- 来源：物联传媒
- 2022/5/16 10:22:12
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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。
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：
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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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