随着物联网技术在各类消费终端和行业领域的规模化应用,全球物联网连接数已经突破144亿,我国也于去年成为全球主要经济体中率先实现“物超人”的国家。在数字经济和绿色低碳经济的浪潮之下,未来物联网应用的广度和深度还将进一步拓展,向万物互联加速迈进。在此背景下,具有功耗、成本、尺寸等方面优势的无源物联网技术再次走进公众视野,被认为是实现千亿级物联网连接的关键技术。“产学研”各界正围绕技术、标准、产业、应用积极布局,推动新型无源物联网快速发展。

无源物联网由来已久,正在迸发全新生机

无源物联网是利用环境能量采集技术,将周围可用的信号和能量转化为驱动自身电路的电能,同时利用以反向散射为核心的通信模式,实现向目标节点传递信息的技术。相较于其他物联网技术,无源物联网主要具备4方面优势。

一是节能环保,无源物联网通过采集环境能量维持正常工作,不依赖电源供电,有效降低了碳排放,避免了废弃电池对环境的污染。

二是价格低廉,无源物联网省去了电源和高功耗元器件的成本,目前无源物联网标签的价格已经能够控制在0.2~0.3元的水平,远低于NB-IoT、LoRa、BLE等低功耗物联网技术的模组价格,有利于物联网连接数的进一步大规模提升。

三是尺寸精简,无源物联网终端无需为电源等硬件预留空间,形态更为轻薄美观,整体更加便携且易于部署。

四是广泛适用,无源物联网无需考虑常规电源对工作环境的要求,可在高温、高辐射、高湿度等极端环境中正常工作,大大拓宽了应用场景。

无源物联网并不是一个新兴概念。早在20世纪40年代,雷达技术的发展和进步就催生了具代表性的无源物联网技术——RFID,其主要用于军事领域。1980年后,RFID开始商用,并于2010年进入规模化推广阶段,产品种类不断丰富,生产成本进一步下降,至今已发展成应用最为广泛的无源物联网技术。然而,随着应用需求的升级,RFID逐渐暴露出通信距离短、读写能力弱等“短板”。借此契机,业界于近期提出了新型无源物联网概念——基于蜂窝的无源物联网。

与RFID相比,在终端侧,新型无源物联网技术对RFID协议进行了优化,且将工作频率更改至蜂窝移动通信频段,因此需要基于全新的芯片和天线打造新型无源标签;在读写器侧,新型无源物联网技术利用5G基站替代传统一体式读写器,基于5G基站更高的发射功率激励新型无源标签,使其能够在更远的距离将感知信息直接回传至5G网络,便于实现大规模组网和集中调度,极大地降低了无源物联网系统的部署成本。与此同时,无源物联网与5G蜂窝网络相结合,还将进一步拓展移动物联网的范畴和边界,助力移动物联网加速发展。

无源物联网应用范围正进一步扩大

凭借在能耗、成本、尺寸等方面的优势,无源物联网已经得到了较大规模的应用。当前,RFID主要应用于商超、零售、鞋服行业,应用场景局限于小型室内空间,依赖标签与读写器的一对一通信。得益于新型无源物联网技术在通信距离、组网规模、部署成本等方面的优化,无源物联网正在仓储物流、电力、交通、畜牧等更广泛的领域内得到应用。

仓储物流场景具有移动范围广、包裹数量多、数据读取频繁等特点,RFID不能很好满足仓储物流的联网需求。基于新型无源物联网技术构建仓储物流系统,能够实现室外超100米、室内超30米的网络通信距离,支持大批量货物的自动化读取。同时,新型无源物联网技术具备规模化组网与精准定位能力,有利于实现大型仓库中货物精准查找与快速流转,显著提升仓储物流各环节的效率,助力实现智慧仓储和智慧物流。根据国家邮政局发布的数据,2022年中国快递业务量达到1105.8亿件,同比增长2.1%,如此庞大的业务量使仓储物流成为具潜力的新型无源物联网应用领域。

电力场景具有占地面积广、站点数量多等特点,一般要求终端网络通信距离超过50 米,且具备抗电磁干扰能力以及温湿度、振动传感能力。为此,可将新型无源标签部署于输电线路、室外电缆等广域沿线覆盖区域,实现相应场景传感能力从无到有的突破。同时,新型无源标签易与多传感器结合,实现对温度、湿度、振动等多维度感知能力的集成,为智能电力管理降本增效。

交通场景中非机动车数量庞大、移动速度快、移动范围广,对物联网终端通信距离、网络覆盖质量和网络切换能力均提出较高要求。新型无源物联网技术支持广域连续组网与精准定位,通过在非机动车中嵌入新型无源标签,交通管理部门可以更加精准地管理超速行驶、违规变道、乱停乱放等不良行为,降低交通事故发生频率,提升非机动车智能化监管效率。

畜牧场景中牲畜数量多、活动范围广,且大多位于室外,5G蜂窝网络覆盖条件良好。通过将新型无源标签与生物识别传感器相结合,可大范围地远程监测牲畜的数量、身体状态和行为轨迹,极大提高农户工作效率与便利性。新型无源物联网技术还有助于实现养殖、收购、加工、运输、销售等全环节信息的实时入网、追踪和查询,为牲畜疾病防治、有关部门监督管理提供有效依据,保障现代畜牧业的健康发展。

无源物联网标准与产业发展现状

我国积极开展新型无源标准工作

近年来,无源物联网与蜂窝网络相结合的趋势愈发受到关注,带动相关标准研究逐步开展。3GPP已将以蜂窝无源为代表的新型无源物联网技术纳入5G-A技术体系,预计在R19版本中将形成首个基于蜂窝网络的无源物联网标准。我国新型无源物联网技术从2016年开始进入标准化建设阶段,当前正在加速抢占新型无源物联网技术标准高地。2020年,由中国移动牵头在CCSA主导成立了国内首个新型蜂窝无源技术研究项目《基于蜂窝通信的无源物联网应用需求研究》,相关技术标准立项工作已在TC10开展。

2021年,由OPPO牵头,中国移动、华为、中兴、vivo等公司参与的《基于环境能量的物联网技术》研究项目在3GPP SA1开展。2022年,中国移动和华为在3GPP RAN提出了面向5G-A的蜂窝无源物联网研究项目,开启了蜂窝无源的国际化标准制定进程。同年,全国信息技术标准化技术委员会物联网分技术委员会在前期RFID标准技术研究的基础上,成立新型超低功耗物联网联合特设组,开始推动新型无源物联网技术的标准化工作。

我国加速引领新型无源物联网产业创新

目前,全球新型无源物联网产业整体处于起步阶段,我国企业正积极引领产业创新。2022年,中国移动推出新型无源物联产品“e百灵”,单个设备的识别标签距离突破100米,同时支持多设备的连续组网,可用于中大型室内场景的物品、资产、人员综合管理。今年年初,智汇芯联基于自研的Pegasus系列无源物联网标签芯片,成功实现世界首次无源物联网芯片与5G基站的通信联调,为新型无源物联网技术的后续商用打下坚实基础。

无源物联网的发展前景及建议

通过分析无源物联网的历史沿革与发展现状,不难看出无源物联网的未来发展遵循以下趋势。一是技术能力持续演进,无源物联网正朝着通信距离提升和读写能力增强的方向迭代升级;二是标准体系更加完善,新型无源物联网应用需求、网络架构、空中接口协议及测试、安全等标准的全面覆盖正在加速;三是产业能力持续提升,企业不断推出性能更优、价格更低的新型无源物联网产品;四是应用需求快速增长,新型无源物联网在仓储物流、电力、交通、畜牧等行业的应用日渐拓展。

在发展过程中,上述各方面也不免存在相应挑战。技术上,能量成为限制性能提升的重要因素,影响无源物联网的进一步普及;标准上,各国积极入局新型无源物联网标准制定,竞争压力与日俱增;产业上,地缘政治、芯片短缺等因素将对无源物联网产业的健康发展带来负面影响;应用上,目前距离千亿物联道阻且长,需持续转化存量、挖掘增量。

为充分把握无源物联网的新一轮增长机会,建议我国提前做好战略布局,不断增强在这一领域的竞争实力。

第一,应强化技术攻关,解决无源物联网在能量受限条件下的通信距离增强、覆盖能力提升、感知能力集成等难题。

第二,应加快标准研制,快速形成端到端的新型无源物联网标准架构,向国际标准组织输出具有国内自主知识产权的技术标准,提升在国际上的引领作用和主导地位。

第三,应推进产业创新,加大对无源物联网芯片、天线等核心元器件的研发投入,加快推出新型无源物联网产品和解决方案。

第四,应促进应用创新,加强无源物联网优秀案例推广和企业宣传,按需对已部署的有源物联网技术方案进行替换,推动产业数字化、治理智能化、生活智慧化。

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