千亿级互联愿景的关键技术：揭秘6类无源IoT技术的优势和应用

来源：博观科技日期：2022-12-08 10:56:16

“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

那么，究竟什么是无源？无源物联网的发展现状如何？无源物联网的技术有哪些……带着一系列问题，我们一起来看看吧！

何为无源？

目前，无源技术顾名思义也就是没有电源、能量源，与承载网的无源光网络和无源波分的无源概念类似。因为包括工业物联网在内的物联网领域的部分场景对于低功耗的需求较为旺盛，加上双碳计划的逐步推行，目前无源技术应用较为热门领域主要是集中在物联网领域，可以称为“无源物联网”。

需要指出的是，无源物联网并不是网络无源，而是终端节点无源，也就是说接入网络终端节点设备不带电源线和电池。但是芯片、传感器、模组等节点设备始终都是要用电来收发信号的，所以准确来说这种无源技术实际上是需要获取外部能量，例如太阳能、动能、热能等，而且在智慧路灯、共享单车等领域已经开始应用上述能源形式。

但是，今天所被热议的无源物联网更多的是指基于无线电磁能量捕捉技术，这项技术是通过互联互通的终端利用采集网络侧发射过来的无线电波，捕捉和收集能量。

以这种技术实现无源应用其实早已成熟，在工业和物流场景中已经大量应用，那就是RFID（射频识别）技术。简单来说，当标签靠近阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，产生感应电流，获得能量。通过这点能量，标签发送信息，实现与阅读器的通信。

不仅是RFID，在蓝牙、WiFi等重要通信技术领域上，很多学术机构都已经做出相关技术模型。美国华盛顿大学电子工程学院层表示，通过对射频信号的反射调制技术，可以实现无源设备供电和传输数据。他们正在研发除了Passive WiFi的无源技术，并进一步将该技术用于LoRa中，实现数百米长距离无源节点传输。

2021年8月，华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛也曾在会议上提出了面向5.5G的无源物联网设想，希望5G网络能够实现无源物联网。

无源物联网的发展现状

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。

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。

6类无源IoT技术的优势和应用

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。

1、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）-物联网新闻频道-AIoT库。

2、基于NFC的无源物联网

NFC（近场通信技术）是一种短距离高频无线通信技术，属于高频RFID技术的变种，可以实现设备在10cm内的非接触式数据交换。不同于RFID，NFC是高集成单体芯片，价格相对昂贵，主要用于安全性较高的信息传输场景，常用于交通、门禁、手机支付等功能。

3、基于蓝牙的无源物联网

BLE低功耗蓝牙我们并不陌生，无需供电也可完成感知、存储和通信的无源蓝牙低功耗传感器标签也已成功面市，该标签通过收集周围的无线射频能量来为其供电，并借助这些能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。

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。

4、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14.5?W和59.2?W，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。

5、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6?W的电力。

6、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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