面向万物互联的无源物联网技术.pdfVIP

01 概述 1.1物联网发展现状 物联网本着万物皆可入网的思想，以实现万物互联作为最终目标，已帮助数以亿计的设 备实现互联互通。然而，随着市场规模的蓬勃增长，设备的供能、续航等问题正在成为物联 网发展的新挑战。可以说，如何实现低功耗、低成本、长生命周期的网络已成为物联网下一 阶段亟待突破的关键。 在此背景下，低功耗物联网从2010年左右开始萌芽，经过十多年的发展，形成了以BLE、 LoRa、NB-IoT、RedCap 等为代表的一系列成熟的低功耗物联网技术。其中，BLE 是低功耗 蓝牙技术，与经典蓝牙保持连接的工作模式不同，BLE 采用 “睡眠-唤醒”模式节能，具有 易用性、集成性等特点，广泛应用于各类智能终端中。LoRa 是远距离无线电技术，定义了 三种不同的终端工作模式以降低功耗，具有多节点，广域连接等特点，适用于物联网报警， 燃气无线抄表等场景。NB-IoT 是低功耗窄带物联网技术，相比LoRa，其使用授权频段，干 扰相对较少，具有高可靠性、高安全性特点。RedCap 是轻量级的5G 物联网技术，能够满 足可穿戴设备、工业无线传感器等对网络能力的需求介于eMBB、uRLLC 和mMTC 之间的 场景需求。 上述低功耗物联网技术虽然以实现物联网终端低功耗、大连接为愿景，但随着技术的不 断迭代，一方面，低功耗终端在成本、尺寸等方面逐渐出现瓶颈，在面对食品溯源、商品流 通等对单品跟踪管理需求高的应用场景时不具备明显优势。另一方面，受制于常规电源的工 作环境，此类低功耗终端无法在高温、超低温、高湿、高辐射等严苛的通信环境中正常工作， 应用场景受限。 为解决上述问题，无源物联网开始走上产业舞台，并于近两年逐渐成为关注热点。无源 物联网是利用环境能量采集技术，将周围可利用的信号与能量转化为可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。其最显著的特征 是完全不依赖传统电池供电，能够很好地解决低功耗物联网发展过程中的瓶颈问题，是下一 5 5 代物联网发展的关键技术。 图 1 物联网连接规模分布金字塔 物联网连接规模分布金字塔如图1所示。其中，金字塔顶端是以5GNR、LTE 为代表 的高速物联网，目前主要应用于高清视频传输、AGV 集群控制等对时延及带宽要求高的场 景；第二部分是以RedCap 为代表的中速物联网，可支持工业传感器、可穿戴设备、监控摄 像头等用例，实现十亿级连接；第三部分是以BLE、LoRa、NB-IoT 为代表的低速物联网， 面向视频监控、工业无线传感器网络等场景，可以实现更低终端复杂度的信息采集，支持百 亿级连接规模；金字塔基石是以RFID、蜂窝反向散射通信等为代表的无源物联网，因其在 终端功耗、尺寸以及成本等方面具有显著优势，可广泛应用于资产管理领域，创造物联网千 亿级市场的突破。 1.2无源物联网分类 20世纪40年代，雷达的改进和应用催生了最具代表性的无源物联网技术——RFID。20 世纪60 年代后期，简单的商用RFID 系统 （1bit 标签系统）开始出现。1980 年后出现了无 源RFID 标签，标签中不再需要加载能量，标签价格及维护成本大大降低。2003年，EPCglobal 组织成立，开始管理RFID EPC 网络和标准，从此，RFID 进入了标准化发展阶段，产品种 类更加丰富，应用更加广泛。近年来，以RFID 为代表的无源物联技术被广泛应用在资产管 理等领域。作为标识的重要承载技术之一，无源RFID 技术是现代工业生产环节信息互通的 关键，是产业数智化升级转型的基础。 6 RFID 系统由标签、读写器和控制平台组成，读写器利用感应耦合或反向散射耦合原理， 向标签发送电磁波信号，标签将电磁波信号转换成能量，激活标签芯片并反馈信息，实现目 标物体的识别。目前，国际上主流的RFID 系统可以支持多种频段，低频 （125KHz）、高 频 （13.54MHz）、超高频 （850MHz～910MFz）和微波 （2.45GHz）。其中，超高频RFID 系统基于电磁波反向散射技