“萬(wàn)物互聯(lián)”是IoT行業(yè)的終極理想，IoT Analytics統(tǒng)計(jì)當(dāng)前全球活躍的IoT終端數(shù)量為123億臺(tái)，預(yù)計(jì)在2025年物聯(lián)網(wǎng)終端突破270億臺(tái)。想要實(shí)現(xiàn)更多數(shù)量的終端互聯(lián)，當(dāng)前僅僅依靠NB-IoT、LoRa等LPWAN技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。面對(duì)復(fù)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(wèn)題，如何進(jìn)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(guān)鍵點(diǎn)。
隨著連接數(shù)量的暴增，物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗、信號(hào)抗干擾問(wèn)題成為技術(shù)突破的重要方向，當(dāng)下自RFID技術(shù)衍生的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)概念也火熱起來(lái)。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)是指IoT終端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)需外接“能量源”，而采用獲取環(huán)境能量進(jìn)行供能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)被視為實(shí)現(xiàn)“千億級(jí)互聯(lián)”愿景的關(guān)鍵。
零功耗無(wú)源物聯(lián)網(wǎng),助力千億終端互聯(lián)互通
無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最早是在軍事領(lǐng)域應(yīng)用，后逐步滲透到工業(yè)、交通等民用商用領(lǐng)域，隨著新興數(shù)字標(biāo)簽技術(shù)的出現(xiàn)，在RFID的基礎(chǔ)上，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍(lán)牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術(shù)的無(wú)源互聯(lián)。無(wú)需電池供電即可聯(lián)網(wǎng)通信，是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)，憑借極低的部署和維護(hù)成本、靈活多變的應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)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(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的研究主要依托這三類(lèi)底層技術(shù)：
其次是低功耗計(jì)算。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)終端運(yùn)行時(shí)可利用的能量有限，這決定了驅(qū)動(dòng)電路或芯片用于計(jì)算的功耗需求不能太高，目前成熟應(yīng)用低功耗計(jì)算的MCU芯片一般功耗在 μW 級(jí)別。
最后是依靠低功耗通信——“反向散射”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。無(wú)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(shù)為主，更多依靠反向散射的方式反射接收到的射頻信號(hào)以傳輸數(shù)據(jù)。
首先是環(huán)境能量采集。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽側(cè)設(shè)備不依賴(lài)電池或電源線供電，而是通過(guò)捕捉環(huán)境中的能量，轉(zhuǎn)化為電能使用，能量的來(lái)源可包括光能、熱能、動(dòng)能、射頻等。太陽(yáng)能是目前轉(zhuǎn)換效率最高的方案，電磁波在單一頻段下能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到50%，在多頻段的復(fù)雜場(chǎng)景下只有1~2%，溫度差熱能采集對(duì)使用環(huán)境有要求，轉(zhuǎn)化效率低于10%。以下是幾種成熟的能量采集技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：
當(dāng)前正處于無(wú)源技術(shù)革新的關(guān)鍵期，中國(guó)移動(dòng)研究院IoT研究所認(rèn)為無(wú)源物聯(lián)技術(shù)演進(jìn)路徑可分為單點(diǎn)式無(wú)源1.0、組網(wǎng)式無(wú)源2.0、蜂窩式無(wú)源3.0三個(gè)階段，傳統(tǒng)RFID應(yīng)用采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)近距離讀寫(xiě)一體的架構(gòu)，存在較強(qiáng)的自干擾和互干擾問(wèn)題，主要應(yīng)用在快銷(xiāo)品、倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域。新型組網(wǎng)式無(wú)源2.0技術(shù)采取收發(fā)分離式系統(tǒng)，支持組網(wǎng)部署，解決干擾問(wèn)題提升了接受距離，在一定程度上拓展RFID應(yīng)用場(chǎng)景。
在3.0階段,可以進(jìn)一步發(fā)揮蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，利用基站拓展通信距離，為更大范圍和更復(fù)雜場(chǎng)景的組網(wǎng)應(yīng)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(wú)源物聯(lián)網(wǎng)Passive IoT的方案構(gòu)想，通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)將RFID支持的場(chǎng)景傳輸距離由10米級(jí)擴(kuò)大至百米級(jí)別，砍掉專(zhuān)用的讀寫(xiě)器，使終端向蜂窩網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自我回傳。
憑借零功耗、小體積等優(yōu)勢(shì)，無(wú)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(cāng)儲(chǔ)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、能源領(lǐng)域等產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域以及智能穿戴、智能家居、醫(yī)療護(hù)理等消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
典型場(chǎng)景如工業(yè)傳感器領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境傳感、安全監(jiān)控等場(chǎng)景應(yīng)用，需要在復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，成本低、功耗低、體積微小是該領(lǐng)域?qū)νㄐ旁O(shè)備的基本要求，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)能量采集和反向散射等技術(shù)，延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期，降低維護(hù)成本。
又如物流倉(cāng)儲(chǔ)、商超零售行業(yè)要對(duì)海量非昂貴物品進(jìn)行智能管理，給物品賦予聯(lián)網(wǎng)通信的能力。當(dāng)前如零售類(lèi)標(biāo)簽的成本已低至三毛錢(qián)，物流類(lèi)標(biāo)簽有望降低至一毛錢(qián)左右。在頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)景中使用無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(cāng)儲(chǔ)管理效率。
各大無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：RFID獨(dú)占百億，關(guān)聯(lián)技術(shù)方興未艾
從技術(shù)成熟度上看，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可分為以RFID、NFC為代表的成熟應(yīng)用，與以采集Wi-Fi、藍(lán)牙、5G、LoRa等為能量供電的理論研究路線兩大類(lèi)。
基于RFID的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)：
RFID技術(shù)是我們最為熟悉、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其原理非常簡(jiǎn)單。當(dāng)RFID標(biāo)簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量。通過(guò)收集的能量，標(biāo)簽通過(guò)內(nèi)置天線發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)與閱讀器的通信。
作為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)底層核心技術(shù)，RFID技術(shù)應(yīng)用在倉(cāng)儲(chǔ)物流、智慧零售、智能制造、服裝管理、智慧醫(yī)療、航空運(yùn)輸?shù)刃枰R(shí)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(diǎn)。根據(jù)AIoT星圖研究院統(tǒng)計(jì)分析，在2021年，僅UHF RFID的全球出貨量就到達(dá)了230億左右，加上低頻和高頻，全球當(dāng)年無(wú)源RFID的總出貨量接近300億。
憑借成本優(yōu)勢(shì)，RFID是千億級(jí)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)下的最優(yōu)解決方案，但也存在傳輸數(shù)據(jù)儲(chǔ)存數(shù)量小、相比藍(lán)牙、NFC、5G技術(shù)和手機(jī)互動(dòng)性差的局限性。在不同的場(chǎng)景需要結(jié)合其他的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滿(mǎn)足應(yīng)用空間。
5月10日，AIoT星圖研究院調(diào)研了超過(guò)100家RFID無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)頻段與各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的代表企業(yè)與行業(yè)專(zhuān)家，完成了《中國(guó)RFID無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告(2022版)》，現(xiàn)識(shí)別下方二維碼即可立即獲取報(bào)告。
這是來(lái)自以色列的Wiliot公司的產(chǎn)品Wiliot IoT Pixels，通過(guò)捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信號(hào)供電，再將數(shù)據(jù)回傳云平臺(tái)，這款標(biāo)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(yīng)用在疫苗瓶、食品包裝等消費(fèi)生產(chǎn)和零售場(chǎng)景中。
基于Wi-Fi的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)：
美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究人員在2016年研發(fā)出一種Passive Wi-Fi技術(shù)，Passive Wi-Fi無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，能夠?qū)崿F(xiàn)30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。
這種方案設(shè)計(jì)原理類(lèi)似RFID芯片，利用射頻信號(hào)的后向反射通信技術(shù)，當(dāng)附近Wi-Fi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)吸收射頻信號(hào)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(wú)源物聯(lián)網(wǎng)：
華為ICT總裁汪濤認(rèn)為，當(dāng)前大量的物聯(lián)應(yīng)用基于無(wú)源連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提升無(wú)源物聯(lián)的識(shí)別率、覆蓋范圍、定位精度，是5G網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的演進(jìn)創(chuàng)新方向。蜂窩信號(hào)是環(huán)境中最廣泛的無(wú)線射頻信號(hào)之一，實(shí)現(xiàn)無(wú)源的核心難點(diǎn)有兩個(gè)，第一是如何獲取能量，另一個(gè)在于如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離回傳，尤其是后者保持高效通信的難度更大。無(wú)源終端通過(guò)各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)會(huì)快速衰減。
目前在實(shí)驗(yàn)室階段最先進(jìn)的技術(shù)，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(wú)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(shù)，無(wú)源化是功耗研究的升級(jí)方向。
在2021年日本村田公司與Nowi公司合作推出無(wú)電池LoRa方案參考平臺(tái)，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(lèi)無(wú)源方案大多是模組廠商和能源芯片企業(yè)定制合作，推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊，采用線性擴(kuò)頻技術(shù)提升回傳能力，借助反射調(diào)制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)永久供能。
以上種種新型無(wú)源技術(shù)，很多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，也有如藍(lán)牙方案已經(jīng)開(kāi)始投入商用。一旦大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，無(wú)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(yuǎn)程經(jīng)濟(jì)”發(fā)展之下，甚至對(duì)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(wú)源通信技術(shù)展望
在IoT技術(shù)的演進(jìn)中，零功耗通信、無(wú)源化是一個(gè)關(guān)鍵且長(zhǎng)期的目標(biāo)，當(dāng)前雖然受制于通信技術(shù)發(fā)展、商用成本、應(yīng)用場(chǎng)景定制化等因素，RFID之外的商用方案還不成熟，但國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一批基于光伏、藍(lán)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(yīng)用中搭載低功耗無(wú)源的連接網(wǎng)絡(luò)。以下是針對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的幾點(diǎn)愿景：
1、更豐富的無(wú)源標(biāo)簽功能。當(dāng)前無(wú)源標(biāo)簽功能單一，亟需開(kāi)發(fā)融合識(shí)別、感知、定位、通信等多功能于一體的無(wú)源標(biāo)簽，以便未來(lái)在生產(chǎn)制造、倉(cāng)儲(chǔ)物流、醫(yī)療健康等行業(yè)廣泛應(yīng)用。
2、更成熟的“開(kāi)源節(jié)流”技術(shù)。反向散射技術(shù)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(yīng)用的場(chǎng)景相對(duì)有限。未來(lái)，要實(shí)現(xiàn)更成熟的、大規(guī)模的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用，需要在提升能量利用率、提升系統(tǒng)通信效率、升級(jí)安全保障機(jī)制這三個(gè)方向。
3、統(tǒng)一的通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型通信技術(shù)，有望作為下一代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與6G深度融合，成為加更加智能高效的通信標(biāo)準(zhǔn)。
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