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      物聯網

      助力千億終端互聯互通,無源物聯網創新和商業化進展如何?

      2022-11-02 17:14:02  信息編號:K225781  瀏覽次數:108

      隨著物聯網技術的使用和發展,越來越多的產品和服務接入到物聯網系統中,產生的能耗問題也是越來越受到人們的關注。




      物聯網設備需要部署在設備現場,通過有線或者無線的方式實現工廠組網和實時的數據傳輸,因此,保證物聯網設備的能源供電十分重要,所以“無源物聯網”概念被提出來。




      無源物聯網其實很容易理解,就是指沒有電源、能量源的物聯網系統。從硬件設備的層次來講,無源物聯網設備是指不帶電源線、沒有內置電池,而是通過過環境中獲取能源的物聯網設備,如光、無線電波,從而減少能耗保證數據的實時采集傳輸。




      1、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。




      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。




      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。




      2.無源物聯網創新和商業化進展




      嚴格來說,RFID是無源物聯網其中一個技術方向,也是截至目前商業化最為成果的無源物聯網的業態。不過,RFID存在的嚴重依賴專門閱讀器、有效通信距離短等短板,使其應用場景非常受限?;诃h境能量收集和環境反向散射技術的系統是未來無源物聯網發展的核心方向,各類無源物聯網領域的典型企業也主要是在這兩個方向上進行創新和商業化。




      2.1 環境能量采集:芯片化提供通用供能模塊




      環境能量采集技術已有多年的商用化歷程,目前這一領域多家代表性的企業均通過芯片化的形式將其環境能量采集技術封裝起來,形成通用的供能模塊,為各類無源感知節點提供能源收集、儲存、管理的功能。




      近兩年,能量采集技術的創新逐漸得到國內外市場的認可。例如,國內一家名為飛英思特的廠商在環境能量采集技術上進行創新,推出多款微能管理模塊產品,可以對微光能、射頻能量、壓電、溫差能進行采集、轉換、管理,為無源節點解決能量來源;海外也有多家典型企業,如Atmosic公司核心技術為受控能量收集,并基于藍牙5平臺,開發出超低功耗無源藍牙芯片;另一家名為Wiliot的廠商,借助射頻能量采集技術,將自供電管理單元與超低功耗藍牙MCU和傳感器接口集成到一個芯片上,借助其能量轉化和管理的效率,該芯片還配備存儲器和安全加密引擎,形成一款具備感知、計算和通信功能的無源物聯網器件。




      在部分需要電池供電的場景,這一通用供能模塊的方案一定程度上替代了傳統的電池,給這些場景帶來了永久供電的方案,大幅降低維護成本,延長了物聯網節點生命周期。例如,荷蘭一家名為Nowi的半導體廠商推出的能量采集芯片就與多家物聯網芯片廠商NB-IoT解決方案合作,形成自供電NB-IoT平臺,通過其環境能量采集芯片為NB-IoT傳輸提供無限期的能量來源。




      2.2 環境反向散射通信:從局域通信向廣域通信擴展




      相比于環境能量收集技術,環境反向散射通信技術的商用化進程相對緩慢,目前有部分初步商業化。隨著無源物聯網需求增加和相關技術的突破,環境反向散射通信從最初的僅有米級的局域通信距離,向著百米級甚至公里級的廣域通信距離擴展。近年來的技術探索主要包括:




      (1)基于WiFi的反向散射通信




      美國華盛頓大學電子工程學院的研究人員在2016年研發出一種全新的WiFi技術,稱之為Passive WiFi[7]。該技術基于反向散射通信,當附近WiFi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。Passive WiFi無源節點傳輸速率為1Mbps和11Mbps的數據時,所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW,只有正常WiFi節點電量消耗的萬分之一,而且能夠實現30米的回傳距離,甚至有一定的穿墻能力。




      (2)基于LoRa的反向散射通信




      同樣是美國華盛頓大學電子工程學院的研究團隊,在一篇論文中闡述了其將反射調制技術擴展到遠距離傳輸的系統中[8],研究人員利用了LoRa信號高靈敏度和擴頻編碼技術,提升無源標簽回傳能力,并與商用的LoRa設備兼容,形成基于LoRa的反射調制系統。在測試中,研究人員成功的從射頻源和接收器之間相隔475米的任何位置實現無源節點反射調制并回傳傳感器信息。若將無源節點與射頻源置于同一位置時,接收器最遠可部署在2.8公里處,實現了遠距離的傳輸。在這個過程中,節點消耗的電量僅為10μW級別,研究人員估計大規模使用后每一節點標簽的成本僅為10-20美分。




      (3)基于蜂窩網絡的反向散射通信




      5G Advanced和6G系列技術中,無源物聯網已明確為其中方向之一。在5G和6G大規模蜂窩基礎設施部署的基礎上,無源物聯網節點擁有大量射頻來源,支持無源物聯網節點大規模部署和集中控制。




      2021年9月,3GPP RAN#93e全會期間討論了R18版本的候選課題,其中無源物聯網就被多家代表提出。2021年12月召開的3GPP RAN#94e全會上,與會相關代表對無源物聯網關注點和技術反向進行多輪深入討論[9],其中反向散射通信就是重要候選技術。當前,業界對6G的愿景、技術和場景討論中,無源物聯網被認為是6G時代的典型場景,反向散射技術為實現無源物聯網提供了可能[10],而反向散射通信技術也與6G的很多候選技術融合,構建綠色節能的下一代通信網絡[5]。




      2.3 無源物聯網創新和商用發展思考




      近期,國內產學研各界對無源物聯網的關注達到了一個新高度,組織了多場研討會。綜合近期動態,不難發現無源物聯網形成了以下趨勢:一是需求不斷提升,此前廣泛應用RFID的領域,對于擺脫讀寫器、提升傳輸距離的新型無源物聯網系統充滿期待,其他相關領域也高度關注,在物流、倉儲、醫療、工業等行業形成潛在市場;二是融合性技術應用快速發展,根據不同場景和環境條件,相關企業和研究人員設計多種靈活性技術組合,形成低成本、高效支持無源物聯網部署,如根據不同環境條件,靈活調節能量采集技術和通信距離的方案;三是不同組織開始爭奪技術主動權,在3GPP RAN全會討論中,多個代表提出3GPP陣營現有的技術無法支持無源物聯網的愿景,需要進一步增強3GPP陣營在該領域的技術和標準輸出,形成對其他技術組織的競爭優勢。




      面對新型無源物聯網帶來的廣闊市場前景,我國產業界應及時布局,持續提升我國在該領域的實力。第一,積極進行前沿技術研發,聚焦當前無源物聯網商用中面臨的主要技術難點,進行技術攻關,并積極參與3GPP等國際組織的標準制定,形成技術和標準的“中國力量”;第二,積極推進政產學研合作,擴大無源物聯網產業生態,尤其是在無源物聯網芯片、讀寫設備、控制平臺等環節增加自主創新企業數量和比例,擺脫傳統RFID產業以代工為主的局面;第三,發揮中國廣闊市場優勢,充分挖掘潛力,推進規?;痉稇?,并對傳統有源方案進行部分替代。


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