彻底抛弃电池，无源物联网会成为下一个爆发点吗？
时间：2021-09-03 10:13:03
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[导读]物联网智库在华为和中国移动举办的5G-Advanced创新产业峰会上，华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛从6个方面解析了华为在5.5G技术演进的方向，其中第三个方向是“一张网络支撑全场景物联，构筑千亿物联基石”，提出了面向无源物联网的技术演进设想。无源物联网技术确实能够涵...
本文来源：物联网智库
在华为和中国移动举办的5G-Advanced创新产业峰会上，华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛从6个方面解析了华为在5.5G技术演进的方向，其中第三个方向是“一张网络支撑全场景物联，构筑千亿物联基石”，提出了面向无源物联网的技术演进设想。
无源物联网技术确实能够涵盖千亿级物联网节点，业界针对无源物联网的研究一直持续进行着，不过要在5G这张蜂窝网络上实现对无源物联的支持，却是一项极具挑战的课题，同时也将5G连接能力扩展到更大范围的物理世界中。
一张蜂窝网络连接千亿级终端，关键点在无源物联网
汪涛在演讲中提出：5G网络也需要持续增强更好地支撑物联，满足未来承载千亿连接的需求。这就要求5G网络能支撑不同速率档位的物联类型，匹配行业差异化需求；此外，当前大量的物联应用基于无源联接，如何通过网络化的技术提升无源物联的识别率、覆盖范围、定位精度是5G网络未来的创新方向，这需要产业合作伙伴共同定义标准并构筑产业链。
各位从业者非常熟悉的是，蜂窝网络对于物联网的支持，主要分为3个不同速率档位，即高速物联、中速物联和窄带物联，其中高速物联主要通过4G Cat.4 和5G eMBB来承载，中速物联目前主要以来4G Cat.1来承载，窄带物联主要由NB-IoT来承载。
针对低速物联的NB-IoT，面对的是近百亿级的低功耗物联网节点，这一观点已经深入人心；中速率和高速率蜂窝网络能够带来的物联网连接规模远低于低速物联连接规模。因此，依靠这3个不同速率档位的蜂窝网络技术，仅能支撑起100亿级物联网连接。在本次峰会上，华为在以上三类蜂窝物联网基础上，提出了无源物联这一类别，无源物联正是千亿级物联网连接的主要来源。
众所周知，NB-IoT针对的是大量仅发送低频、小数据包但供电不方便的场景，水气表、环境监测、消防烟感等都是NB-IoT能够发挥作用的场景，不过NB-IoT模组还是需要一个小型的电池来供电，通过低功耗的设计，可以做到数年甚至10年不用更换电池，达到无需值守的目标。然而，还有海量物理终端由于本身条件的限制，可能连小型电池供电的条件都不具备，或者有廉价成本的限制，比如一些快消品、物流包裹、产品外包装、仓库货物盘点等，这些构成了千亿级无源物联网节点。例如，每年动辄数百亿的服装鞋帽、快递包裹，每个都用类似NB-IoT的方案显然并不现实，需要无源物联网方案。
无源物联网是从目前大量使用并成熟的RFID标签中得出的启发。在过去十多年时间中，RFID技术得到大范围普及，在零售、医疗、物流、制造等行业广泛使用，每年可新增百亿级连接。英国市场研究公司IDTechEx曾发布数据显示，2019年全球RFID标签的销售量达到210亿个，而2018年这一数字为175亿个，销量大部分增长来自无源RFID标签。可见，无源RFID标签很容易达到千亿级连接。
当然，RFID本身有一些局限性，例如传输距离短、对专用读写器的高度依赖等，若能实现蜂窝网络支持无源物联，则将打破这些局限，扩大蜂窝网络对物联网的支持。华为在5.5G愿景中提出Passive IoT的方向，就是要将RFID所支持的场景传输距离由10米级别扩大到百米级别，砍掉专用的读写器，让终端可以直接回传给蜂窝网关类节点。
今年4月，3GPP正式将5G演进的名称确定为5G-Advanced，并决定5G-Advanced将从R18开始。上月，3GPP组织了R18潜在研究方向讨论会，其中有不少关于物联网的增强，若Passive IoT能够纳入R18的研究项目中，笔者认为在数年后将产生比NB-IoT更大的社会效应。
针对无源物联网技术的研发一直在进行
通过5G蜂窝网络支持无源物联，一个难点是无源终端节点如何获取能量，另一个难点在于如何实现长距离回传，尤其是后者的难度更大。因为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。实际上，过去几年中业界对此进行了大量研究，并取得很多成果，因此也让5G蜂窝网络支持无源物联具有可能性。其中具有代表性的包括：
1、基于蓝牙的无源物联网
笔者在此前的《这家获得软银/高通/三星青睐的初创企业，能颠覆传统RFID市场么？》一文中就详细介绍了一家名为Wiliot的初创公司，该公司最为典型的产品是一款无源蓝牙低功耗传感器标签，标签最大的亮点是不需要供电，完成感知、存储和通信的能量来自于收集周围的无线射频能量来为其供电，并使用该能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。也正是采用这一设计，该标签不需要电池，因此其尺寸可以设计成邮票大小，并能便捷地粘贴在各种物品之上。
不仅仅蓝牙射频信号可以作为Wiliot标签能量来源，而且WiFi、蜂窝、LoRa等无线射频信号均可驱动其自供电，其技术完成了无源节点获取能量的难点，而其传输距离为3米，未来将实现10米的传输距离，这是因为Wiliot回传主要是通过低功耗蓝牙方式，因此无法解决长距离回传的问题。
2、基于WiFi的无源物联网
美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员提出了通过对射频信号的反射调制技术来实现无源设备供电和传输数据。早在2016年，该学院的研究人员就研发出一种全新的WiFi技术，称之为Passive WiFi，它的设计原理类似于RFID芯片，利用的是射频信号的后向反射通信技术，当附近WiFi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。
Passive WiFi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5µW和59.2µW，这只有正常WiFi节点电量消耗的万分之一和蓝牙、Zigbee节点电量消耗的千分之一，而且能够实现30米的回传距离，甚至有一定的穿墙能力。因此，此类技术在很大程度上能够将无源WiFi扩展到数十倍原有WiFi无法覆盖的场景中。
3、基于LoRa的广域无源物联网
如果说以上两类技术更多集中在短距离通信技术的无源物联接入研究上，那么在长距离通信技术的无源物联接入研究则对于蜂窝物联网支持无源通信更有参考意义。
2017年，美国华盛顿大学电子工程学院的研究团队在一篇论文中阐述了其将反射调制技术扩展到远距离传输的系统中。如果要进行长距离传输，那么需要克服的一个最大困难就是无源节点回传信号弱的问题，因为回传信号与射频发射源到节点距离和节点到接收距离的平方成反比，当距离足够远时，通过反射调制后需要传输的信号比射频源头传输给它的信号甚至弱一百万倍。
研究人员采用线性扩频技术，提升无源标签回传能力，并与商用的LoRa设备兼容，形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中，研究人员成功地从射频源和接收器之间相隔475米的任何位置可以实现无源节点反射调制，成功回传传感器信息；将无源节点与射频源位于同一位置时，接收器最远可达2.8公里，实现了远距离的传输。在这个过程中，节点消耗的电量仅为10µW级别，而这套系统批量生产时，估计每一节点标签的成本仅为10-20美分。
在无源蜂窝物联网支持方面，也已有一些探索，如2018年电子科技大学一篇文论《无源蜂窝物联网协议技术研究》，就是从蜂窝物联网基站和无源终端出发，基于反射调制对超高频RFID与蜂窝网络兼容进行研究，提出了无源蜂窝物联网系统的设计方案，包括蜂窝物联网基站、无源终端软硬件架构以及主流效益的兼容等。虽然还是理论的研究，但可以看出，蜂窝网络支持无源物联网的研究也已经提上议程，5G支持无源物联接入的研究方向也有一定的基础。
在物联网过去发展过程中，无源物联网似乎与蜂窝网络不会有交集。而如今，让5G承载千亿级物联网接入的愿景，对无源物联网支持必不可少，在这一目标驱动下，蜂窝移动通信网络首次和无源物联网紧密结合起来，而且成为未来5G连接中规模最大的群体。
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在华为和中国移动举办的5G-Advanced创新产业峰会上，华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛从6个方面解析了华为在5.5G技术演进的方向，其中第三个方向是“一张网络支撑全场景物联，构筑千亿物联基石”，提出了面向无源物联网的技术演进设想。
无源物联网技术确实能够涵盖千亿级物联网节点，业界针对无源物联网的研究一直持续进行着，不过要在5G这张蜂窝网络上实现对无源物联的支持，却是一项极具挑战的课题，同时也将5G连接能力扩展到更大范围的物理世界中。
一张蜂窝网络连接千亿级终端，关键点在无源物联网
汪涛在演讲中提出：5G网络也需要持续增强更好地支撑物联，满足未来承载千亿连接的需求。这就要求5G网络能支撑不同速率档位的物联类型，匹配行业差异化需求；此外，当前大量的物联应用基于无源联接，如何通过网络化的技术提升无源物联的识别率、覆盖范围、定位精度是5G网络未来的创新方向，这需要产业合作伙伴共同定义标准并构筑产业链。
各位从业者非常熟悉的是，蜂窝网络对于物联网的支持，主要分为3个不同速率档位，即高速物联、中速物联和窄带物联，其中高速物联主要通过4G Cat.4 和5G eMBB来承载，中速物联目前主要以来4G Cat.1来承载，窄带物联主要由NB-IoT来承载。
针对低速物联的NB-IoT，面对的是近百亿级的低功耗物联网节点，这一观点已经深入人心；中速率和高速率蜂窝网络能够带来的物联网连接规模远低于低速物联连接规模。因此，依靠这3个不同速率档位的蜂窝网络技术，仅能支撑起100亿级物联网连接。在本次峰会上，华为在以上三类蜂窝物联网基础上，提出了无源物联这一类别，无源物联正是千亿级物联网连接的主要来源。
众所周知，NB-IoT针对的是大量仅发送低频、小数据包但供电不方便的场景，水气表、环境监测、消防烟感等都是NB-IoT能够发挥作用的场景，不过NB-IoT模组还是需要一个小型的电池来供电，通过低功耗的设计，可以做到数年甚至10年不用更换电池，达到无需值守的目标。然而，还有海量物理终端由于本身条件的限制，可能连小型电池供电的条件都不具备，或者有廉价成本的限制，比如一些快消品、物流包裹、产品外包装、仓库货物盘点等，这些构成了千亿级无源物联网节点。例如，每年动辄数百亿的服装鞋帽、快递包裹，每个都用类似NB-IoT的方案显然并不现实，需要无源物联网方案。
无源物联网是从目前大量使用并成熟的RFID标签中得出的启发。在过去十多年时间中，RFID技术得到大范围普及，在零售、医疗、物流、制造等行业广泛使用，每年可新增百亿级连接。英国市场研究公司IDTechEx曾发布数据显示，2019年全球RFID标签的销售量达到210亿个，而2018年这一数字为175亿个，销量大部分增长来自无源RFID标签。可见，无源RFID标签很容易达到千亿级连接。
当然，RFID本身有一些局限性，例如传输距离短、对专用读写器的高度依赖等，若能实现蜂窝网络支持无源物联，则将打破这些局限，扩大蜂窝网络对物联网的支持。华为在5.5G愿景中提出Passive IoT的方向，就是要将RFID所支持的场景传输距离由10米级别扩大到百米级别，砍掉专用的读写器，让终端可以直接回传给蜂窝网关类节点。
今年4月，3GPP正式将5G演进的名称确定为5G-Advanced，并决定5G-Advanced将从R18开始。上月，3GPP组织了R18潜在研究方向讨论会，其中有不少关于物联网的增强，若Passive IoT能够纳入R18的研究项目中，笔者认为在数年后将产生比NB-IoT更大的社会效应。
针对无源物联网技术的研发一直在进行
通过5G蜂窝网络支持无源物联，一个难点是无源终端节点如何获取能量，另一个难点在于如何实现长距离回传，尤其是后者的难度更大。因为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。实际上，过去几年中业界对此进行了大量研究，并取得很多成果，因此也让5G蜂窝网络支持无源物联具有可能性。其中具有代表性的包括：
1、基于蓝牙的无源物联网
笔者在此前的《这家获得软银/高通/三星青睐的初创企业，能颠覆传统RFID市场么？》一文中就详细介绍了一家名为Wiliot的初创公司，该公司最为典型的产品是一款无源蓝牙低功耗传感器标签，标签最大的亮点是不需要供电，完成感知、存储和通信的能量来自于收集周围的无线射频能量来为其供电，并使用该能量发送标签唯一标识码的数据以及传感器读数。也正是采用这一设计，该标签不需要电池，因此其尺寸可以设计成邮票大小，并能便捷地粘贴在各种物品之上。
不仅仅蓝牙射频信号可以作为Wiliot标签能量来源，而且WiFi、蜂窝、LoRa等无线射频信号均可驱动其自供电，其技术完成了无源节点获取能量的难点，而其传输距离为3米，未来将实现10米的传输距离，这是因为Wiliot回传主要是通过低功耗蓝牙方式，因此无法解决长距离回传的问题。
2、基于WiFi的无源物联网
美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员提出了通过对射频信号的反射调制技术来实现无源设备供电和传输数据。早在2016年，该学院的研究人员就研发出一种全新的WiFi技术，称之为Passive WiFi，它的设计原理类似于RFID芯片，利用的是射频信号的后向反射通信技术，当附近WiFi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。
Passive WiFi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5µW和59.2µW，这只有正常WiFi节点电量消耗的万分之一和蓝牙、Zigbee节点电量消耗的千分之一，而且能够实现30米的回传距离，甚至有一定的穿墙能力。因此，此类技术在很大程度上能够将无源WiFi扩展到数十倍原有WiFi无法覆盖的场景中。
3、基于LoRa的广域无源物联网
如果说以上两类技术更多集中在短距离通信技术的无源物联接入研究上，那么在长距离通信技术的无源物联接入研究则对于蜂窝物联网支持无源通信更有参考意义。
2017年，美国华盛顿大学电子工程学院的研究团队在一篇论文中阐述了其将反射调制技术扩展到远距离传输的系统中。如果要进行长距离传输，那么需要克服的一个最大困难就是无源节点回传信号弱的问题，因为回传信号与射频发射源到节点距离和节点到接收距离的平方成反比，当距离足够远时，通过反射调制后需要传输的信号比射频源头传输给它的信号甚至弱一百万倍。
研究人员采用线性扩频技术，提升无源标签回传能力，并与商用的LoRa设备兼容，形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中，研究人员成功地从射频源和接收器之间相隔475米的任何位置可以实现无源节点反射调制，成功回传传感器信息；将无源节点与射频源位于同一位置时，接收器最远可达2.8公里，实现了远距离的传输。在这个过程中，节点消耗的电量仅为10µW级别，而这套系统批量生产时，估计每一节点标签的成本仅为10-20美分。
在无源蜂窝物联网支持方面，也已有一些探索，如2018年电子科技大学一篇文论《无源蜂窝物联网协议技术研究》，就是从蜂窝物联网基站和无源终端出发，基于反射调制对超高频RFID与蜂窝网络兼容进行研究，提出了无源蜂窝物联网系统的设计方案，包括蜂窝物联网基站、无源终端软硬件架构以及主流效益的兼容等。虽然还是理论的研究，但可以看出，蜂窝网络支持无源物联网的研究也已经提上议程，5G支持无源物联接入的研究方向也有一定的基础。
在物联网过去发展过程中，无源物联网似乎与蜂窝网络不会有交集。而如今，让5G承载千亿级物联网接入的愿景，对无源物联网支持必不可少，在这一目标驱动下，蜂窝移动通信网络首次和无源物联网紧密结合起来，而且成为未来5G连接中规模最大的群体。
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