六类无源IoT技术分析,千亿级的连接谁是最佳答案

  “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。

  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。

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