面向万物互联的无源物联技术

1 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 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RFIDEPC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。 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术，理论传输距离为1~10米，使用范围较广，涉及物流、制造业、航空等众多行业，也是本白皮书关注的重点。 近年来，随着无源物联网技术的不断演进，衍生出一批基于蓝牙、Wi-Fi、LoRa等通信技术的无源物联网技术。目前，无源蓝牙标签的功耗虽已可以做到与无源RFID标签相近，但因其产业化程度较低，商品标签种类较为单一，应用受限；相较无源蓝牙与无源RFID，基于Wi-Fi及LoRa的无源通信技术可通过优化调制、编码等方式实现更远的通信距离，但此类技术多处于学术研究阶段，还未规模化商用，应用效果有待进一步验证；无源RFID标签种类多样，生态成熟，产业链完善，且在功耗，成本等方面同样具备显著优势，尤其面向终端替换率高，成本要求严格的场景时，成为了产业内的首选方案。 另外，基于蜂窝网络的无源物联网技术逐渐兴起，可为设备提供全新、广域的连接方式，深受产业关注，预计将成为无源物联网领域重点研究方向之一。 1.3产业数字化带来新的发展契机 1.3.1政策支持 近年来，国家出台的“物联网三年行动计划”，“碳达峰，碳中和”等政策，都推动了超高频RFID行业的规范发展和技术进步。 2020年，工业和信息化部印发《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》，明确提出“推动2G/3G物联网业务迁移转网，建立NB-IoT（窄带物联网）、4G（含LTE-Cat1，即速率类别1的4G网络）和5G协同发展的移动物联网综合生态体系，在深化4G网络覆盖、加快5G网络建设的基础上，以NB-IoT满足大部分低速率场景需求，以LTE-Cat1满足中等速率物联需求和话音需求，以5G技术满足更高速率、低时延联网需求”[1]。 2021年工信部、网信办、科技部等八部门联合印发《物联网新型基础设施建设三年行 动计划（2021-2023年）》，在行业应用建设指引中明确指出，在智能制造领域，“加快射频识别、智能传感器、视觉识别等感知装置应用部署”；在智能建造领域，“加快智能传感器、射频识别（RFID）、二维码、近场通信、低功耗广域网等物联网技术在建材部品生产采购运输、BIM协同设计、智慧工地、智慧运维、智慧建筑等方面的应用”[2]。 2021年，国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出，要“坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路，确保如期实现碳达峰、碳中和”[3]。受“碳达峰、碳中和”政策影响，我国加速了物联网与5G、人工智能等技术相结合的推进，该类技术的发展可在全球范围内助力减少的二氧化碳排放量的15%。超高频RFID作为一种极低功耗自动识别技术，可以实现信息实时收集与传输。因此，“碳中和”背景下推动的物联网建设也势必推进超高频RFID快速发展。 1.3.2技术标准 国际上无源物联网技术标准体系的制订起步较早，技术和标准较完善。本世纪初，五大RFID国际标准化已初步形成，分别为ISO/IEC、EPCglobal、UID、AIMGlobal和IP-X。其中，ISO/IEC是制定RFID标准最早、最成熟的组织，规定了RFID有关技术特征、技术参数和技术规范，主要包括ISO/IEC18000（空中接口参数）、ISO/IEC10536（密耦合、非接触集成电路卡）、ISO/IEC15693（疏耦合、非接触集成电路卡）、ISO/IEC18000（近耦合、非接触集成电路卡）等，涉及动物识别、集装箱运输、物流供应链、交通管理、项目管理等应用领域。 国内无源物联技术标准化体系的制订起步较晚，但随着RFID在全球快速普及，我国政府及相关企业积极参与RFID国际标准的制订工作，并形成了我国的RFID标准体系。2016年，工信部发布《信息通信行业发展规划物联网分册（2016-2020年）》，重点支持RFID技术研究，推进RFID标签在物联网感知设备中的布局。RFID行业逐渐走向标准化建设阶段。截止到目前，国内已标准化了包括GB/T29768-2013、GB/T35102-2017等在内的一系列RFID协议及测试方法[4-5]。 近年来，RFID系统与蜂窝网络融合的趋势受到广泛关注，相关标准的研究也逐步开展。2020年，由中国移动牵头在CCSA主导成立了国内首个新型RFID技术研究项目——《基于蜂窝通信的无源物联网应用需求研究》[6]，目前，相关技术标准立项工作正在积极推动中。2021年，由OPPO牵头，中国移动、华为、中兴、OPPO、vivo等公司大力推动的《基于环 境能量的物联网技术》研究项目在3GPPSA1开展[7]。同时，中国移动和华为也在3GPPRAN 提出了面向5GA的蜂窝无源物联网研究项目[8-9]。开启了蜂窝无源的国际化标准制定进程。 此外，全国信息技术标准化技术委员会物联网分技术委员会（SAC/TC28/SC41）于2022年成立了新型超低功耗物联网联合特设组（SAC/TC28/SC41/WG2/JAHG1），目前，已经启动了无源物联网相关的标准化工作，正在开展标准化需求分析，并提出了《反向散射通信网络》[10-11]等标准立项建议。 1.3.3产业环境 超高频RFID经过多年的迭代与发展，已经构建出一套成熟的产业链条，如图2、3所示，产业上游主要是芯片厂商与天线厂商，可以看出，超高频RFID标签芯片及天线设计厂商比较丰富，代表性企业有以英频杰、恩智浦、飞利浦、西门子为代表的国际巨头，以及以远望谷、坤锐、复旦微电子为代表的国内厂商。产业中游可以分为标签产品线与读写器产品线。其中，标签产品线涵盖了Inlay生产环节、空白标签生产环节、喷绘印刷环节以及标签集成环节；读写器产品线涵盖了读写器模块制造商、读写器成品与集成商。超高频RFID产业中游的代表性企业有艾利丹尼森、意联科技、Intermec等国外厂商，以及达华智能、先施等国内厂商。超高频RFID产业下游以各类解决方案集成商与应用终端用户为主，主要参与者为IBM、惠普、微软、远望谷等国内外集成商以及服装、物流等国内外行业应用商。 图2超高频RFID产业链 图3超高频RFID产业全景图 目前来看，我国企业主要集中在超高频RFID系统集成服务、标签及封装市场，在核心技术如芯片研发方面投入及占比较少。随着近期“缺芯”问题的凸显，业内对于芯片技术的国产化发展呼声较高。各公司也在加大此方面的投入，相信在不久的将来，国产化芯片的占比将会取得突破，同时，伴随国内市场应用的不断扩展，我国在超高频RFID的核心技术与产品方面将迎来新的跨越式发展。 近年来，随着芯片设计与微电子技术的发展，超高频RFID标签价格大幅下降，平均已低至0.3元，预计到2023年快递业标签甚至可以降至0.1元，这将极大推动超高频RFID市场的扩展。根据IDTechEx统计，2019年全球超高频RFID标签销量约为150亿个，较2018年增长20%，全球超高频RFID标签市场规模达9.5亿美元[12]。近几年，中国超高频RFID电子标签的使用量也呈现出快速增长的趋势。据统计，中国超高频RFID标签销量从2017年约35亿枚增长至2019年约45亿枚，预计将于2024年达到115亿枚[13]，以超高频RFID为代表的无源物联网具有巨大的市场潜力。 目前，超高频RFID技术已在零售、物流、航空、医疗、能源、工业等领域得到广泛应用，无源物联网在国内的产业生态日渐成熟，应用领域不断延伸。 02无源物联网演进路线 国家政策的大力支持，行业标准的日渐完善，产业应用的快速拓展以及标签天线、芯片等制造工艺的不断提升，为无源物联网带来新的发展契机。然而，不断扩展的应用需求也带来了新的技术挑战，为实现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，亟需推动无源物联网技术的演进与迭代。 综合产业整体的发展需求，无源物联网技术发展可划分为三个阶段：如图4所示，一是以单点式架构为主的无源1.0阶段，在传统RFID基础上，对读写器及标签性能进一步优化，有效提升点对点、近距离通信性能；二是以组网式架构为主的无源2.0阶段，将激励器和接收器分离，有效降低读写一体机的自干扰问题