6類無源IoT技術(shù)分析，千億級的連接誰是最佳答案

隨著連接數(shù)量的暴增，物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗、信號抗干擾問題成為技術(shù)突破的重要方向，當(dāng)下自RFID技術(shù)衍生的無源物聯(lián)網(wǎng)概念也火熱起來。無源物聯(lián)網(wǎng)是指IoT終端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無需外接“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)，這類技術(shù)被視為實現(xiàn)“千億級互聯(lián)”愿景的關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量分布模型

無源物聯(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)的無源互聯(lián)。無需電池供電即可聯(lián)網(wǎng)通信，是無源物聯(lián)網(wǎng)最大的優(yōu)勢，憑借極低的部署和維護(hù)成本、靈活多變的應(yīng)用場景，無源物聯(lián)網(wǎng)成為解決更廣范圍內(nèi)終端供能需求的希望。

無源物聯(lián)網(wǎng)的研究主要依托這三類底層技術(shù)：

首先是環(huán)境能量采集。無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽側(cè)設(shè)備不依賴電池或電源線供電，而是通過捕捉環(huán)境中的能量，轉(zhuǎn)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(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)雜場景下只有1~2%，溫度差熱能采集對使用環(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：

其次是低功耗計算。無源物聯(lián)網(wǎng)終端運行時可利用的能量有限，這決定了驅(qū)動電路或芯片用于計算的功耗需求不能太高，目前成熟應(yīng)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(xiàn)數(shù)據(jù)通信。無源物聯(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以傳輸數(shù)據(jù)。

反向散射通信原理圖 圖源OPPO《零功耗通信》報告

當(dāng)前正處于無源技術(shù)革新的關(guān)鍵期，中國移動研究院IoT研究所認(rèn)為無源物聯(lián)技術(shù)演進(jìn)路徑可分為單點式無源1.0、組網(wǎng)式無源2.0、蜂窩式無源3.0三個階段，傳統(tǒng)RFID應(yīng)用采取點對點近距離讀寫一體的架構(gòu)，存在較強的自干擾和互干擾問題，主要應(yīng)用在快銷品、倉儲領(lǐng)域。新型組網(wǎng)式無源2.0技術(shù)采取收發(fā)分離式系統(tǒng)，支持組網(wǎng)部署，解決干擾問題提升了接受距離，在一定程度上拓展RFID應(yīng)用場景。

在3.0階段,可以進(jìn)一步發(fā)揮蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，利用基站拓展通信距離，為更大范圍和更復(fù)雜場景的組網(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無源物聯(lián)網(wǎng)Passive IoT的方案構(gòu)想，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)節(jié)點進(jìn)行自我回傳。

憑借零功耗、小體積等優(yōu)勢，無源物聯(lián)網(wǎng)可以在工業(yè)傳感器、智能交通、智慧物流、智能倉儲、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)理等消費物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

典型場景如工業(yè)傳感器領(lǐng)域要實現(xiàn)工業(yè)自動化、環(huán)境傳感、安全監(jiān)控等場景應(yīng)用，需要在復(fù)雜危險環(huán)境布置大量的傳感器節(jié)點，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，無源物聯(lián)網(wǎng)可以通過能量采集和反向散射等技術(shù)，延長傳感器節(jié)點的生命周期，降低維護(hù)成本。

圖源：樂鑫科技

又如物流倉儲、商超零售行業(yè)要對海量非昂貴物品進(jìn)行智能管理，給物品賦予聯(lián)網(wǎng)通信的能力。當(dāng)前如零售類標(biāo)簽的成本已低至三毛錢，物流類標(biāo)簽有望降低至一毛錢左右。在頻繁運轉(zhuǎn)的場景中使用無源物聯(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，顯著提高物流與倉儲管理效率。

在服裝吊牌中安裝的RFID標(biāo)簽 圖源：優(yōu)衣庫

從技術(shù)成熟度上看，無源物聯(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。

RFID技術(shù)是我們最為熟悉、應(yīng)用最廣泛的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其原理非常簡單。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，產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量。通過收集的能量，標(biāo)簽通過內(nèi)置天線發(fā)送信息，實現(xiàn)與閱讀器的通信。

作為無源物聯(lián)網(wǎng)底層核心技術(shù)，RFID技術(shù)應(yīng)用在倉儲物流、智慧零售、智能制造、服裝管理、智慧醫(yī)療、航空運輸?shù)刃枰R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。根據(jù)AIoT星圖研究院統(tǒng)計分析，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)年無源RFID的總出貨量接近300億。

憑借成本優(yōu)勢，RFID是千億級無源物聯(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)儲存數(shù)量小、相比藍(lán)牙、NFC、5G技術(shù)和手機互動性差的局限性。在不同的場景需要結(jié)合其他的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滿足應(yīng)用空間。

5月10日，AIoT星圖研究院調(diào)研了超過100家RFID無源物聯(lián)網(wǎng)各個頻段與各個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的代表企業(yè)與行業(yè)專家，完成了《中國RFID無源物聯(lián)網(wǎng)市場調(diào)研報告（2022版）》，現(xiàn)識別下方二維碼即可立即獲取報告。

NFC（近場通信技術(shù)）是一種短距離高頻無線通信技術(shù)，屬于高頻RFID技術(shù)的變種，可以實現(xiàn)設(shè)備在10cm內(nèi)的非接觸式數(shù)據(jù)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。

BLE低功耗藍(lán)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(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)簽也已成功面市，該標(biāo)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(fā)送標(biāo)簽唯一標(biāo)識碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。

這是來自以色列的Wiliot公司的產(chǎn)品Wiliot IoT Pixels，通過捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信號供電，再將數(shù)據(jù)回傳云平臺，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、食品包裝等消費生產(chǎn)和零售場景中。

美國華盛頓大學(xué)的研究人員在2016年研發(fā)出一種Passive Wi-Fi技術(shù)，Passive Wi-Fi無源節(jié)點傳輸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)計原理類似RFID芯片，利用射頻信號的后向反射通信技術(shù)，當(dāng)附近Wi-Fi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。

華為ICT總裁汪濤認(rèn)為，當(dāng)前大量的物聯(lián)應(yīng)用基于無源連接，通過網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提升無源物聯(lián)的識別率、覆蓋范圍、定位精度，是5G網(wǎng)絡(luò)未來的演進(jìn)創(chuàng)新方向。蜂窩信號是環(huán)境中最廣泛的無線射頻信號之一，實現(xiàn)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(xiàn)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(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。

LoRa、NB-IoT等LPWAN終端本身就將低功耗作為核心技術(shù)，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(yè)定制合作，推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊，采用線性擴頻技術(shù)提升回傳能力，借助反射調(diào)制系統(tǒng)來實現(xiàn)永久供能。

環(huán)境反向散射通信系統(tǒng) 圖源OPPO《零功耗通信》報告

以上種種新型無源技術(shù)，很多處于實驗室研究階段，也有如藍(lán)牙方案已經(jīng)開始投入商用。一旦大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，無源物聯(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”發(fā)展之下，甚至對工業(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。

在IoT技術(shù)的演進(jìn)中，零功耗通信、無源化是一個關(guān)鍵且長期的目標(biāo)，當(dāng)前雖然受制于通信技術(shù)發(fā)展、商用成本、應(yīng)用場景定制化等因素，RFID之外的商用方案還不成熟，但國內(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)用中搭載低功耗無源的連接網(wǎng)絡(luò)。以下是針對無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的幾點愿景：

1、更豐富的無源標(biāo)簽功能。當(dāng)前無源標(biāo)簽功能單一，亟需開發(fā)融合識別、感知、定位、通信等多功能于一體的無源標(biāo)簽，以便未來在生產(chǎn)制造、倉儲物流、醫(yī)療健康等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

2、更成熟的“開源節(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)用的場景相對有限。未來，要實現(xiàn)更成熟的、大規(guī)模的無源物聯(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、升級安全保障機制這三個方向。

3、統(tǒng)一的通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。無源物聯(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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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(lián)網(wǎng)市場調(diào)研報告（2022版）》

艾瑞咨詢，《物聯(lián)網(wǎng)賽道觀察之無源物聯(lián)網(wǎng)》

移動Labs，《專家說：無源物聯(lián)網(wǎng)熱潮已起，會帶來多大的想象空間？》

物聯(lián)網(wǎng)智庫，《NB-IoT和LoRa不用電池也可以工作：無源物聯(lián)網(wǎng)為LPWAN開辟新機遇》