“物超人”时代,无源物联网将成为另一座基石
作者 | 物联网智库2022-10-20

10月19日,在智次方·物联网智库举办的第四期无源物联网主题直播中,数位产业专家分享了自身的精彩见解和企业的落地实践,智次方·挚物研究院也同步重磅发布了业内首份《无源物联网产业发展白皮书》,扫描文中二维码即可下载。

智次方

物联网作为一种通用性很强的应用技术,多年来已经为千行百业赋能,支持各个行业的转型升级。随着数字经济加速发展,各类物联网设备还将进一步扩大连接数量。未来,阻碍物联网连接规模的进一步扩大有两大重要因素:一是应用场景的碎片化问题;二是在碎片化的场景中,数量庞大的小体积连接设备的供电问题。当前,大部分物联节点难以具备持续供电的条件,因此各类节能技术便成为物联网产业的发展重点,过去几年备受业界关注的低功耗广域网正是为解决物联网终端和传感器的供电问题而生。在低功耗广域网以外,无源物联网技术是探索低功耗甚至是零电源发展的又一个重要技术方向,也是未来实现万物互联目标的重要技术。

无源物联网主要的技术特点是终端节点无需配置电池和电源线等人工电源,针对体积小、功耗低的碎片化场景中的设备提供连接与支持,其具有低成本、小体积、易部署、免维护等特点。无源物联网不但降低了连接的成本,而且延伸和拓展了物联设备连接的场景和数量,使物联网可连接的设备数量向万物纵深扩展,进一步推进了物联网在感知层实现万物互联的目标。

作为业界权威的行业媒体和智库,智次方·物联网智库一直在关注这一技术方向,并在年初启动了“‘无源’胜‘有源’”系列直播活动,旨在向业界传递市场信息,共谋产业发展。同时,通过智次方·挚物研究院团队成员的长期思考,以及走访调研飞英思特、OPPO、中国移动研究院、每开创新、北京交通大学等行业领先单位与企业,最终汇总成为《无源物联网产业发展白皮书》。

作为业内首份无源物联网产业发展白皮书,《无源物联网产业发展白皮书》系统梳理了无源物联网的三大底层技术,以及主要采能技术路线。对无源物联网产业的发展态势进行了深入分析。首创无源物联网应用发展成熟度曲线,以及无源物联网产业成熟度评估模型,并对未来数年无源物联网不同采能技术路线的发展节奏和整体市场规模进行了预测。

无源物联网产业发展白皮书

10月19日,在智次方·物联网智库举办的【求索·“无源”胜“有源”——开拓千亿智联新纪元】主题直播活动上,《无源物联网产业发展白皮书》重磅发布。同时,中国信息通信研究院金融科技研究中心副主任赵小飞、北京交通大学信息通信网络研究所教授王公仆、OPPO高级标准研究员徐伟杰、北京理工大学教授于季弘四位嘉宾,也就无源物联网技术和产业的发展情况,以及无源物联网相关标准的进展和展望进行了精彩分享。

以下是四位嘉宾的分享内容整理:

中国信息通信研究院金融科技研究中心副主任 赵小飞

演讲主题:《无源物联网技术综述与产业观察》

中国信息通信研究院金融科技研究中心副主任 赵小飞

工信部数据显示,截至8月底,我国三家基础电信企业发展移动物联网终端用户16.98亿户,超过移动电话用户16.78亿户,我国正式进入“物超人”时代。这其中,无需电池/有线电源供电仅从环境中获取能量便可支撑物联网数据感知、无线传输、分布式计算的无源物联网备受关注。

中国信息通信研究院金融科技研究中心副主任赵小飞表示,目前物联网部署仍旧以“有源”的方式进行,但这种方式面临着四大痛点:第一是遗留在环境中的废弃电池会对环境造成污染,与低碳经济的要求不符;第二是终端在极端环境部署受限;第三是传统通信技术无法覆盖到低价值物品的连接需求;第四是一些植入式芯片对尺寸要求非常严苛。而这些场景的连接可以通过无源物联网的方式承载。

赵小飞提到,业界对无源物联网开展的前期探索已经将一些场景逐渐探索明晰,包括快消品、物流包裹、产品外包裹、仓库货物盘点等需要联网的场景已经构成了千亿级无源物联网节点的基础。此外,工业传感器网络、智能交通、智慧农业、能源等领域也对无源物联网有所需求。其原因是无源物联网可以解决随着物联网应用场景快速扩展带来的物联网节点规模持续倍增过程中面临的供电受限问题。

目前,无源物联网在环境能量采集、反向散射通信和低功耗计算等方面均取得了研究成果。在需求不断提升的情景下,无源物联网的应用形式必然会迎来创新,相关的行业标准制定也会在产学研多方努力之下达成,其发展潜力会被深入挖掘。

北京交通大学信息通信网络研究所教授 王公仆

演讲主题:《与蜂窝网络融合的无源反向散射通信技术》

北京交通大学信息通信网络研究所教授 王公仆

我国的“十四五”发展规划中明确提到“要推动物联网的全面发展,打造支持固移融合,宽窄结合物连接能力”,对物联网在基础建设、接入能力、应用场景等方面做出了部署,物联网及移动通信将对推进数字中国建设提供有力支撑。

北京交通大学信息通信网络研究所教授王公仆指出,物联网蓬勃发展之下仍存在着技术和制度挑战,面临着能源、成本、互联互通三方面有待突破的瓶颈。在能源方面,有源物联网供能不便捷,缺乏可靠性;在成本方面,射频部件成本高,导致利润驱动不足;在连接方面,目前缺乏互联架构,信息孤岛依然存在。

无源反向散射通信

无源反向散射通信的兴起是物联网关键性代表技术,能够助力物联网突破在能源和成本方面的瓶颈。无源反向散射通信能够通过泛在无线信号获得能量,其传感器无需电池和贵重射频部件的支持,具备无电池、低成本、易部署、易维护的优势,但也存在着通信距离短、互联难的缺点。对此,与蜂窝网络融合的无源反向散射通信技术能够解决上述痛点,扩大通信距离,增强互联互通,实现低功耗、低成本、易维护、广接入的蜂窝物联网,在智能家居、物流跟踪、环境监测、可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。

无源反向散射通信痛点

尽管如此,与蜂窝网络融合的无源反向散射通信提出了全新的技术挑战。王公仆将其概括为五方面,分别是信号微弱、信道复杂、干扰多样、异构组网、设备接入难。业界在着手攻坚之时必然会让无源物联网产生全新活力。

OPPO高级标准研究员 徐伟杰

演讲主题:《AmbientpowerenabledloT标准进展与展望》

OPPO高级标准研究员 徐伟杰

随着国内蜂窝物联网产业首次迎来“物超人”这一历史性时刻,千亿级蜂窝物联的未来已经不再遥远。OPPO高级标准研究员徐伟杰表示,很多物联网技术如NB-IoT、MTC、5G Redcap等,在功耗、体积、成本、时延、连接数、吞吐量等方面都各具特色,满足了不同场景下从无到有的需求,具有各自的细分市场。而随着零功耗物联网(Ambient IoT)技术的逐渐成熟,受限于环境和成本的这部分市场将由其来满足,零功耗物联网也将与现有的蜂窝物联网、RFID等技术形成良好互补。

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当前,零功耗物联网的标准化工作已经全面展开,3GPP/IEEE均在研发零功耗物联网相关标准。其中,3GPP SA1项目于今年2月正式立项,讨论有关零功耗物联网的场景与需求,目前已经通过了较多的用例(use case)。

在To B领域,用例包括自动化仓储物流、医疗器械管理与定位、智能电网、智能制造供应链管理、智慧机场/港口、通信基站机房监测、鲜花销售、智慧养殖等.以智慧养殖场景为例,使用零功耗物联网设备检测动物的体温、活动量等,从而判断身体状况是否异常,防止疾病传染造成更大的损失。

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在To C领域,用例包括智能家居、远程寻物、定位/测距、智慧洗衣等,以智慧洗衣为例,通过在衣物上添加无源标签,使洗衣机可以自动读取服装的材质等信息,进而精确设置洗衣模式、时间、水温等,提升用户的生活质量。

从用例可以看出,零功耗物联网的功能需求可以分为三类:识别、感知、定位。以室内定位的场景为例,在逛商场时寻找目标店面或在地下停车场找到空闲车位都是常见的用户痛点,但借助于零功耗物联网,在室内各处部署定位参考标签,再通过这些标签与智能手机进行通信,获得手机和标签的相对位置,即可实现对目标的定位。利用这种方法,仅需低廉的价格即可实现标签的密集部署,标签本身也免电池免维护,与此同时还能够实现较高的定位精度。

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此外,徐伟杰还表示,零功耗物联网作为下一代的物联网技术,将成为物联网的另一座基石,虽然零功耗物联网的设计存在重要技术挑战,但产业界、学术界、垂直行业正在通力合作解决相关问题。预计3-4年内,零功耗物联网在3GPP/IEEE两大体系内的标准均将成熟并发布。

北京理工大学教授 于季弘

演讲主题:《OFDM子载波反向散射通信》

北京理工大学教授 于季弘

北京理工大学教授于季弘表示,生产和生活的很多场景都对于万物互联有着迫切的需求,高精度传感、高中低速物联等因而在数量上出现了爆发性增长,从而导致能源消耗巨大、维护成本过高、工业上部署传感器的意愿在逐年降低。

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对于无源物联网来说,通过太阳能/光能、动能、磁能等无线化能量供给方式,即可实现物联终端的无源化。此外,叠加我国“双碳”的战略目标,无源物联网设备无需更换电池和能耗低、避免废弃电池等优点,都成为提升物联网技术绿色化的关键。

于季弘教授带领的团队长期研究利用反向散射通信赋能无源物联的相关课题,可以通过低复杂度调制方法,如进行幅度调制和频率调制来控制反射系数和方波频率,进而实现低功耗的反向散射通信。

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通常,环境反向散射传输系统可以分为适用于特定激励源和适用于多种激励源两大类别,OFDM体制可以支撑更高速率反向反射通信,目前已有的工作大都集中在OFDM相位/幅度反向散射通信,尚无OFDM调频反向散射通信系统。同时,现有的OFDM反向散射通信也存在一些缺点,以OFDM调相反向散射系统为例,该系统对同步精度要求高,对采样时间误差和频率偏移误差容忍度较低等。

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面对这一系列问题,于季弘教授团队研发了基于OFDM子载波反向散射的SubScatter系统,使得OFDM符号可以携带log2N比特的信息,进一步降低了对精度的要求,可容忍0.8μs的同步误差,也可以兼容更大的STO和CFO。SubScatter的总体方案可以分为两大方面,在调制时采用了子载波移位键控技术(SSK)和串联移频率技术(TFS),在解调时采用了相关解码技术。在性能测试的结果上,SubScatter系统的抗噪声和抗干扰能力都优于现有的反向散射通信系统。

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