隨著物聯網在各行業的深入應用，在一些場景中大規模部署受到環境、成本、節能環保等限制，傳統供電方式無法滿足需求，無源物聯網成為(wei)(wei)有(you)效解決(jue)方案，也將(jiang)成為(wei)(wei)未來5G Advanced和6G技術體系中的(de)(de)(de)重要組(zu)成部(bu)分。本(ben)文(wen)通(tong)過對(dui)無源物聯(lian)網的(de)(de)(de)需求和場景進行研究，分析無源物聯(lian)網核心(xin)技術，并梳理了無源物聯(lian)網商業(ye)化創新的(de)(de)(de)進展，系統(tong)性總結了當前無源物聯(lian)網的(de)(de)(de)技術和產業(ye)發展趨勢，為(wei)(wei)業(ye)界(jie)在這一領域的(de)(de)(de)研究提供參(can)考。
“本文首發于《中國電信業》2022年第10期”
0 引言
隨著物(wu)聯網(wang)技術與各行業深入融合(he)，物(wu)聯網(wang)連接規(gui)模(mo)增長迅(xun)速。2020年底，全球(qiu)物(wu)聯網(wang)連接數達到113億，首次超(chao)越了包括智能手機、平板電(dian)腦、筆記本電(dian)腦、臺式(shi)電(dian)腦以及固定(ding)電(dian)話在內的非物(wu)聯網(wang)連接數，預計到2025年連接數將超(chao)過270億[1]。
過去10余年，降低終端節點功耗一直是物聯網核心研究方向之一，催生了多項創新技術并形成相關標準。在(zai)蜂窩物(wu)聯網領域(yu)，第三代移動通信標準(zhun)化組織（3GPP）針對LTE的優化和剪裁，形成了LTE Cat 1、LTE Cat M以及NB-IoT標準(zhun)，5G R17版(ban)本標準(zhun)中引入了RedCap（縮減能力終端(duan)），也是(shi)為了降(jiang)低接入5G網絡的物(wu)聯網終端(duan)功耗(hao)；在(zai)非授權頻譜物(wu)聯網領域(yu)，LoRaWAN、Sigfox等標準(zhun)支撐了大量低功耗(hao)終端(duan)快速(su)接入，WiFi、藍牙等均開發低功耗(hao)技(ji)術來支持物(wu)聯網發展，如WiFi聯盟推(tui)出的WiFi Halow標準(zhun)。
以上各類低功耗的技術和標準，支持海量物聯網的接入，成為滿足大連接的主力，業界已經形成共識。不過，現有低功耗物聯網技術大部分需普通電池或紐扣電池供電，百億級物聯網節點意味著需要消耗百億級電池，這并不符合低碳經濟的要求，同時，現有技術無法滿足很多不具備電池供電條件場景的需求，無源物聯網正是解決這些需求的有效手段。
1.對無源物聯網的需求
萬(wan)物互聯(lian)(lian)的(de)(de)愿景(jing)首先需要對物理世界進行有效感知，廣(guang)泛部(bu)署(shu)海量(liang)的(de)(de)傳(chuan)感節(jie)點(dian)。在多(duo)個行業應用(yong)實(shi)踐(jian)中，電(dian)池(chi)供電(dian)的(de)(de)有源(yuan)(yuan)節(jie)點(dian)在大(da)量(liang)場景(jing)部(bu)署(shu)時(shi)會受到明(ming)顯限(xian)制，需要免電(dian)池(chi)的(de)(de)無(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)方案。目前，無(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)的(de)(de)多(duo)個場景(jing)需求已逐漸(jian)清晰，這些場景(jing)擁有遠高于現有低功耗物聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)技術所能支持的(de)(de)節(jie)點(dian)數。因此，無(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)將成為(wei)支撐(cheng)更大(da)規模(mo)連(lian)接的(de)(de)主力。
1.1 有源傳感節點部署面臨的痛點
當前，大多(duo)(duo)數無線(xian)傳(chuan)感節(jie)點是通過電池(chi)供給能量，而這些(xie)有源傳(chuan)感節(jie)點面對很多(duo)(duo)海量部(bu)署場(chang)(chang)景(jing)時，其弊端逐(zhu)漸暴(bao)露，多(duo)(duo)方面痛點制約了物(wu)聯(lian)網向著更廣(guang)闊場(chang)(chang)景(jing)的擴(kuo)展。
（1）低碳經濟的要求
從(cong)低碳環保角度看，若未(wei)來大部(bu)分傳(chuan)感器節(jie)點都(dou)采用(yong)電池作(zuo)為能(neng)(neng)量(liang)源，當能(neng)(neng)量(liang)耗(hao)盡后，遺留在環境中的廢棄電池會對(dui)環境造成污染，因此業界需要(yao)發展綠(lv)色物聯網技術，支(zhi)持(chi)海量(liang)物聯網節(jie)點接(jie)入的同時，不會造成更高碳排放或污染。
（2）極端環境部署受限
在(zai)大(da)量(liang)(liang)極端的(de)環境(jing)中，無線(xian)傳感網(wang)絡的(de)部署具有重要意義(yi)，但(dan)這些(xie)場(chang)(chang)景(jing)往往不(bu)適合(he)供電(dian)或更換電(dian)池，主要包括兩類(lei)(lei)環境(jing)：一類(lei)(lei)是人們(men)很難長期活動的(de)場(chang)(chang)所，如森林、山(shan)丘、戰場(chang)(chang)等場(chang)(chang)所，對(dui)(dui)(dui)這些(xie)場(chang)(chang)所部署大(da)量(liang)(liang)無線(xian)傳感節點(dian)，將對(dui)(dui)(dui)森林防(fang)火(huo)、災情監測(ce)、山(shan)體滑坡、敵(di)情偵查等產生至(zhi)關重要的(de)作(zuo)用，然而這些(xie)場(chang)(chang)所分布地域廣且往往人跡罕至(zhi)，無線(xian)傳感節點(dian)若采用電(dian)池供電(dian)，電(dian)量(liang)(liang)耗盡后對(dui)(dui)(dui)其補充能量(liang)(liang)的(de)成本(ben)極高；另(ling)一類(lei)(lei)是相(xiang)對(dui)(dui)(dui)惡劣(lie)的(de)工作(zuo)環境(jing)，如工業生產現場(chang)(chang)、高壓電(dian)站、鍋(guo)爐泵(beng)房等監測(ce)場(chang)(chang)景(jing)，面(mian)臨著高空、高溫、高輻射等極端環境(jing)，不(bu)利于(yu)對(dui)(dui)(dui)傳感節點(dian)進(jin)行電(dian)池更換。
（3）極低成本的限制
近年來，雖然低功耗廣域網絡（LPWAN）的快速發展，已經大幅降低了節點成本，但相關模組成本依然在10-20元人民幣區間，進一步下降的空間非常有限。隨著物聯網應用場(chang)景(jing)的擴展，一些低價值(zhi)(zhi)物品的場(chang)景(jing)也(ye)產生了連(lian)接(jie)的需求，這些場(chang)景(jing)往往擁有海量的終端(duan)，但單(dan)個(ge)終端(duan)的價值(zhi)(zhi)并不高(gao)，如對物流包裹的追蹤(zong)，這就要(yao)求傳感和通(tong)信模組能夠做到極低成本。在實踐中，需要(yao)在保持(chi)感知和通(tong)信性能基礎(chu)上，對原有節點進行大幅裁剪，減(jian)少(shao)多個(ge)器件的使用(yong)，才能實現成本的實質(zhi)性下降，電池(chi)也(ye)將成為裁剪的對象。
（4）終端尺寸的限制
在很多場景中，終端尺寸也是制約應用部署的因素。例如，一些植入體內的芯片對尺寸要求(qiu)非常嚴苛(ke)，對電池(chi)和其他(ta)器件的剪裁(cai)能夠(gou)明顯減少終端體積(ji)；又如，在(zai)物流和倉儲管理中(zhong)，往往需要以(yi)標簽的形(xing)態(tai)貼在(zai)物品上，對標簽厚度的要求(qiu)使(shi)其無法(fa)進(jin)行電池(chi)供電。
這(zhe)些相應(ying)的(de)痛點(dian)存在，需要(yao)無線傳感節點(dian)在其(qi)生命周期內可以滿足免維護、低功耗、低成本、小尺(chi)寸(cun)、環保的(de)需求，這(zhe)些正是無源物(wu)聯網所要(yao)解決的(de)問題。
1.2 無源物聯網主要場景
過去幾年(nian)，物(wu)聯(lian)(lian)(lian)網從業者對物(wu)聯(lian)(lian)(lian)網節點(dian)的三個不(bu)同(tong)速(su)(su)(su)率(lv)檔位分(fen)類(lei)已形成(cheng)(cheng)共識，即高速(su)(su)(su)物(wu)聯(lian)(lian)(lian)、中速(su)(su)(su)物(wu)聯(lian)(lian)(lian)和低速(su)(su)(su)物(wu)聯(lian)(lian)(lian)。其中，高速(su)(su)(su)物(wu)聯(lian)(lian)(lian)主要通過5G eMBB、4G Cat.4+、WiFi 6等技術來(lai)承(cheng)載，中速(su)(su)(su)物(wu)聯(lian)(lian)(lian)目前主要通過4G Cat.1、3G、2G等技術來(lai)承(cheng)載，低速(su)(su)(su)物(wu)聯(lian)(lian)(lian)主要由NB-IoT、LoRaWAN、BLE等技術來(lai)承(cheng)載，不(bu)同(tong)速(su)(su)(su)率(lv)同(tong)時也對應(ying)不(bu)同(tong)功(gong)耗等級(ji)，形成(cheng)(cheng)明顯(xian)的三大類(lei)場景(jing)，也面對三類(lei)不(bu)同(tong)量級(ji)的物(wu)聯(lian)(lian)(lian)網連(lian)接數。
業界比較(jiao)熟悉的低(di)速(su)(su)物(wu)(wu)聯(lian)標準(zhun)(zhun)NB-IoT、LoRaWAN、BLE等可以(yi)支撐百億級(ji)連(lian)(lian)接(jie)，中速(su)(su)和高(gao)速(su)(su)物(wu)(wu)聯(lian)標準(zhun)(zhun)能(neng)夠帶來(lai)(lai)的連(lian)(lian)接(jie)規(gui)模(mo)遠低(di)于低(di)速(su)(su)物(wu)(wu)聯(lian)連(lian)(lian)接(jie)規(gui)模(mo)。在以(yi)上三(san)類(lei)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)場(chang)景(jing)基礎上，無源物(wu)(wu)聯(lian)這一(yi)類(lei)別將(jiang)成為千億級(ji)物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)連(lian)(lian)接(jie)場(chang)景(jing)的主要來(lai)(lai)源（見圖(tu)1）。
圖1 不同分類檔物聯網連接規模
業界對無源物聯網開展了前期探索，一些場景已逐漸明晰，如快消品、物流包裹、產品外包裝、倉庫貨物盤點等需要聯網的場景，構成了千億級無源物聯網節點的基礎。OPPO研究院發布的《零功耗通信白皮書》中，總結了無源物聯網工業傳感器網絡、智能交通、智慧物流、智能倉儲、智慧農業、智慧城市、能源領域等應用以及面向個人消費者的智能穿戴、智能家居以及(ji)醫療護理等方(fang)面的應用(yong)。目前，一些企業(ye)已經實(shi)現無源物(wu)聯(lian)網小范圍落地(di)，包括(kuo)物(wu)流(liu)倉儲管理、藥品(pin)追(zhui)蹤等場景(jing)。
以(yi)(yi)物流(liu)為(wei)例(li)，國家(jia)郵政局發布數(shu)據顯示，2021年(nian)(nian)全(quan)年(nian)(nian)，我國快遞業務量(liang)達(da)1083億件，同比(bi)增長29.9%，包(bao)裹(guo)(guo)數(shu)量(liang)占全(quan)球一(yi)半(ban)以(yi)(yi)上。通過超(chao)低成本的無源物聯(lian)網方案，其中相當比(bi)例(li)的包(bao)裹(guo)(guo)可以(yi)(yi)實現有效(xiao)追蹤(zong)，則這一(yi)領域每年(nian)(nian)就能(neng)實現海量(liang)連接。
2.無源物聯網主要技術
無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)主要是(shi)通過能(neng)量采集、反向散(san)射(she)通信(xin)、低功耗計算三(san)方面(mian)技(ji)術(shu)來(lai)實(shi)現(xian)。其中(zhong)，能(neng)量采集和反向散(san)射(she)通信(xin)是(shi)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)方案(an)實(shi)現(xian)的(de)必選技(ji)術(shu)，部分(fen)簡單的(de)方案(an)主要是(shi)實(shi)現(xian)傳感器(qi)數(shu)據直接(jie)上(shang)傳，不一定需要太多(duo)計算資源(yuan)，因此本(ben)節(jie)主要討論前兩個(ge)技(ji)術(shu)。
2.1 能量采集技術
無源(yuan)物聯(lian)網系統并不意味著(zhu)無需能(neng)(neng)量(liang)(liang)供給就能(neng)(neng)工作，而是(shi)基于自(zi)供能(neng)(neng)的設計(ji)，形成長期(qi)穩定的能(neng)(neng)量(liang)(liang)來(lai)源(yuan)驅動傳(chuan)感器(qi)節(jie)點感知和通(tong)信。自(zi)供能(neng)(neng)主要(yao)是(shi)通(tong)過環(huan)境能(neng)(neng)量(liang)(liang)采集(ji)技術來(lai)實現(xian)，外界環(huan)境中(zhong)存在著(zhu)很多(duo)能(neng)(neng)量(liang)(liang)來(lai)源(yuan)，能(neng)(neng)量(liang)(liang)采集(ji)技術將其采集(ji)并轉(zhuan)化為可供傳(chuan)感節(jie)點工作的能(neng)(neng)量(liang)(liang)，也滿足低碳經濟(ji)的要(yao)求。主要(yao)的能(neng)(neng)量(liang)(liang)采集(ji)技術包括：
（1）環境光能采集：太陽能(neng)是最為常見(jian)的(de)(de)環境(jing)光(guang)(guang)能(neng)，環境(jing)光(guang)(guang)能(neng)量(liang)采集(ji)技術可以(yi)將太陽能(neng)轉化為電(dian)能(neng)，當前太陽能(neng)光(guang)(guang)伏(fu)發電(dian)已初(chu)具規模，為未(wei)來能(neng)源結構變化做出貢獻。當然，環境(jing)光(guang)(guang)能(neng)采集(ji)的(de)(de)局限(xian)性非常明顯(xian)，對光(guang)(guang)能(neng)量(liang)收集(ji)的(de)(de)強度往往受時間(jian)、天氣等外界(jie)因(yin)素的(de)(de)影響。
（2）振動能量采集：震(zhen)動能(neng)(neng)(neng)廣泛存在于橋梁、樓宇、車輛、機器、家電(dian)(dian)(dian)等場合(he)，震(zhen)動能(neng)(neng)(neng)技術可以通(tong)過多種方(fang)(fang)(fang)式進行能(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)換，如壓(ya)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換、靜電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換和磁(ci)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換等。其中(zhong)，靜電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換方(fang)(fang)(fang)式是借助靜電(dian)(dian)(dian)感(gan)應將機械能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化成電(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)；壓(ya)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換方(fang)(fang)(fang)式是通(tong)過壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應發電(dian)(dian)(dian)，借助初始的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)差進行設備供電(dian)(dian)(dian)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)換；磁(ci)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換方(fang)(fang)(fang)式通(tong)過振動使導體切割磁(ci)感(gan)線(xian)產生(sheng)能(neng)(neng)(neng)量(liang)。
（3）熱能采集：熱能轉化一般基于(yu)熱電材料的(de)(de)賽貝克(ke)效應，根(gen)據(ju)兩(liang)個(ge)不(bu)同導體接合處的(de)(de)溫(wen)度差(cha)而產(chan)生(sheng)電壓。一些可穿(chuan)戴設備在探索使(shi)用熱能采集(ji)技(ji)術，將人體作為(wei)發熱端，環境作為(wei)冷(leng)的(de)(de)一端，高低溫(wen)度之間的(de)(de)差(cha)值決定產(chan)生(sheng)的(de)(de)能量大小(xiao)。
（4）射頻能量采集：射頻能采集(ji)的(de)能量可以來源(yuan)于(yu)移動通信基站、電(dian)(dian)(dian)視(shi)塔(ta)、WiFi路(lu)(lu)由器、微(wei)波爐等，我(wo)們每(mei)天被這(zhe)些射頻信號包圍，可以隨時作(zuo)為(wei)能量來源(yuan)。其基本原(yuan)理是通過電(dian)(dian)(dian)磁(ci)感(gan)應實現對空間電(dian)(dian)(dian)磁(ci)波能量的(de)采集(ji)，本質是將射頻能量轉化(hua)為(wei)直流電(dian)(dian)(dian)壓，以有效地用于(yu)對感(gan)知節點(dian)負(fu)載(zai)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)驅動。
由于環(huan)境本(ben)身(shen)的特點，各類能(neng)量采集(ji)技術(shu)獲得的能(neng)量密(mi)度差別(bie)很大，以下(xia)為典(dian)型場景下(xia)四類環(huan)境能(neng)量的密(mi)度[2]。
表1 典型場(chang)景下環境能量密度
環境能量 | 場景 | 能量密度（μW/cm3） |
太陽能 | 光照場景 | 10（室內） 10000（室外） |
振動能 | 工廠 | 200 |
熱能 | 熱管 | 15（10℃溫度(du)梯度(du)） |
射頻能 | 射頻發射器附近 | 0.1 |
環境能量采(cai)(cai)集(ji)存(cun)在著很多技術挑(tiao)戰(zhan)，集(ji)中體現在能量微弱(ruo)和隨機性明顯(xian)，尤其是大部分情況下僅有微瓦級的(de)能量供應，在這樣的(de)條件(jian)下驅(qu)動傳感器數據(ju)采(cai)(cai)集(ji)、通(tong)信和計算的(de)穩定工(gong)作是一(yi)項巨大的(de)挑(tiao)戰(zhan)。因此，除(chu)了采(cai)(cai)集(ji)外，也(ye)需要對這些微弱(ruo)能量進行有效(xiao)管理(li)，一(yi)般來說(shuo)，能量采(cai)(cai)集(ji)系統的(de)基本模(mo)塊包括三部分[3]：
換能部(bu)分：能量(liang)轉換器件(jian)從不同環境來(lai)源中(zhong)獲(huo)取能量(liang)并轉化為(wei)電(dian)能，如(ru)熱電(dian)裝(zhuang)置轉化熱能、壓(ya)電(dian)元件(jian)轉化振動(dong)(dong)動(dong)(dong)能等；
電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)部分：電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)電(dian)路通常由穩(wen)壓(ya)器組成，根據系統的要(yao)求對微弱能量進行管(guan)理(li)；
能(neng)(neng)(neng)量儲(chu)存部(bu)分(fen)：轉換的能(neng)(neng)(neng)量可(ke)(ke)以直接為感(gan)知節點供(gong)電，也(ye)可(ke)(ke)以被存儲(chu)到能(neng)(neng)(neng)量存儲(chu)單元中(zhong)供(gong)將來使用(yong)，有(you)利于持續性為感(gan)知節點供(gong)電。
其(qi)中，射(she)頻能(neng)量(liang)(liang)(liang)雖然能(neng)量(liang)(liang)(liang)密度(du)(du)低(di)，但(dan)由于傳(chuan)感節(jie)點數據需(xu)要(yao)借助射(she)頻傳(chuan)輸，借助環境射(she)頻信(xin)號(hao)，可以(yi)同時解(jie)決能(neng)量(liang)(liang)(liang)獲取和(he)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸調制(zhi)兩個功(gong)能(neng)，因(yin)此成(cheng)為無源(yuan)物聯網研究(jiu)的(de)重點。射(she)頻能(neng)量(liang)(liang)(liang)采集研究(jiu)經歷了(le)多(duo)年的(de)探索，射(she)頻能(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)強度(du)(du)、能(neng)量(liang)(liang)(liang)轉換效率、供能(neng)穩定(ding)性、系統兼容性等一直是其(qi)設計中最關(guan)注的(de)問題，也給射(she)頻能(neng)量(liang)(liang)(liang)采集帶來諸多(duo)挑戰。
2.2 反向散射通信技術
從環(huan)境獲取的能量可驅動(dong)感知節點數(shu)(shu)據傳輸和(he)無(wu)線(xian)通信(xin)(xin)，當(dang)前主(zhu)流的低功(gong)耗(hao)物聯網通信(xin)(xin)芯(xin)片（如(ru)BLE、LoRa、NB-IoT）的收發功(gong)耗(hao)都在(zai)數(shu)(shu)十毫瓦(wa)(wa)甚至(zhi)數(shu)(shu)百(bai)毫瓦(wa)(wa)級(ji)(ji)別，而環(huan)境能量采集獲取能量僅有(you)微(wei)瓦(wa)(wa)級(ji)(ji)，無(wu)法驅動(dong)這些類(lei)型節點工作(zuo)，因此需要全(quan)新(xin)的無(wu)線(xian)通信(xin)(xin)技術(shu)，使通信(xin)(xin)能耗(hao)下降(jiang)至(zhi)數(shu)(shu)十微(wei)瓦(wa)(wa)甚至(zhi)十微(wei)瓦(wa)(wa)以(yi)下，目前主(zhu)流的方式采用(yong)反向(xiang)散(san)射(she)通信(xin)(xin)技術(shu)。
反(fan)(fan)向散射(she)(she)(she)通信是利用(yong)射(she)(she)(she)頻(pin)信號反(fan)(fan)向散射(she)(she)(she)原理，設計(ji)出極低(di)功(gong)耗的調(diao)制與傳輸(shu)技術。反(fan)(fan)向散射(she)(she)(she)通信最早(zao)由Stockman提(ti)出[4]，由于(yu)射(she)(she)(she)頻(pin)信號到達(da)物體(ti)表(biao)面(mian)時一部分會被反(fan)(fan)射(she)(she)(she)，而發送(song)節點(dian)按照擬發送(song)信息調(diao)整(zheng)接收天線(xian)和阻(zu)抗之間的匹配，增(zeng)強(qiang)對(dui)(dui)入射(she)(she)(she)射(she)(she)(she)頻(pin)信號的反(fan)(fan)射(she)(she)(she)，并(bing)將自身獲取的感知數據(ju)調(diao)制到該反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信號上(shang)，完成(cheng)對(dui)(dui)數據(ju)的發送(song)。這一過程類似于(yu)反(fan)(fan)光鏡，相(xiang)對(dui)(dui)于(yu)其他通信技術，反(fan)(fan)向散射(she)(she)(she)通信無(wu)需復雜的射(she)(she)(she)頻(pin)結構，減(jian)少功(gong)率(lv)放大器(qi)、高精度晶振、雙工器(qi)、高精度濾波器(qi)等(deng)器(qi)件使用(yong)，也(ye)不需要(yao)復雜的基帶處理[5]，因此，能夠簡化終(zhong)端設計(ji)，大幅降低(di)終(zhong)端節點(dian)成(cheng)本。
反(fan)(fan)向散射(she)(she)通信已(yi)經廣泛應用于RIFD（射(she)(she)頻識別）系(xi)統中，形成很多(duo)規模化商用的(de)案例。其工(gong)作(zuo)原理是接收(shou)機（一般(ban)為RFID閱讀(du)器）發送(song)射(she)(she)頻激勵信號(hao)，激活無(wu)源(yuan)節點（一般(ban)為RFID電(dian)子(zi)(zi)(zi)標簽），電(dian)子(zi)(zi)(zi)標簽利用反(fan)(fan)向散射(she)(she)通信將自身信息(xi)調(diao)制到(dao)(dao)該射(she)(she)頻信號(hao)上(shang)，閱讀(du)器接收(shou)到(dao)(dao)無(wu)源(yuan)電(dian)子(zi)(zi)(zi)標簽的(de)反(fan)(fan)射(she)(she)信號(hao)并進行解調(diao)，實(shi)現信息(xi)傳輸（見圖2）。
圖2 傳(chuan)統(tong)反向散(san)射通(tong)信系統(tong)
不(bu)過(guo)，以(yi)RFID為代表(biao)的傳(chuan)統反(fan)向(xiang)散射(she)(she)通信(xin)技術(shu)存在多方面(mian)的不(bu)足，集(ji)(ji)中表(biao)現在：一(yi)方面(mian)，射(she)(she)頻激勵信(xin)號(hao)(hao)源(yuan)(yuan)和接(jie)收機(ji)位于同一(yi)設(she)備中，導致發射(she)(she)和接(jie)收自(zi)干擾(rao)而限制(zhi)通信(xin)距(ju)離；另一(yi)方面(mian)，該(gai)系(xi)統需要專用(yong)(yong)的射(she)(she)頻激勵信(xin)號(hao)(hao)來源(yuan)(yuan)，限制(zhi)了無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)網部署(shu)的區域(yu)和場景。因此，業界提出(chu)了環境(jing)反(fan)向(xiang)散射(she)(she)通信(xin)技術(shu)[6]，即利用(yong)(yong)周邊環境(jing)中廣泛存在的射(she)(she)頻信(xin)號(hao)(hao)，如(ru)蜂窩基站(zhan)、WiFi路由器、電(dian)視(shi)塔等作為射(she)(she)頻信(xin)號(hao)(hao)來源(yuan)(yuan)，向(xiang)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)節(jie)點發送(song)激勵信(xin)號(hao)(hao)，結合射(she)(she)頻能(neng)量采集(ji)(ji)技術(shu)，無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)節(jie)點可以(yi)從環境(jing)射(she)(she)頻信(xin)號(hao)(hao)源(yuan)(yuan)獲取(qu)足夠(gou)能(neng)量，完(wan)成(cheng)數(shu)據調制(zhi)并主動向(xiang)接(jie)收機(ji)發送(song)信(xin)號(hao)(hao)（見圖3）。通過(guo)這(zhe)一(yi)設(she)計，能(neng)夠(gou)顯(xian)著降低干擾(rao)和功耗，大幅(fu)提升通信(xin)距(ju)離。
圖3 環境反向散射通(tong)信系統
雖然環境反向散射通信是無源(yuan)物聯網(wang)最為理(li)(li)想的(de)(de)(de)通信技術，但仍(reng)然存在諸(zhu)多技術挑(tiao)戰(zhan)，限(xian)制其大規(gui)模(mo)應用。這些挑(tiao)戰(zhan)包括更(geng)加輕量(liang)級(ji)的(de)(de)(de)調制和編(bian)碼技術、更(geng)高(gao)效的(de)(de)(de)多址(zhi)方(fang)式、更(geng)靈活的(de)(de)(de)資源(yuan)管理(li)(li)方(fang)式、更(geng)輕量(liang)協議棧、更(geng)輕量(liang)安全(quan)管理(li)(li)機制以(yi)及簡化(hua)的(de)(de)(de)網(wang)絡架構(gou)等，每一項挑(tiao)戰(zhan)都需(xu)要投入大量(liang)資源(yuan)進行研發(fa)和工(gong)程化(hua)試驗[5]。
以靈(ling)活的(de)(de)資(zi)源(yuan)管理方(fang)(fang)式為例，無源(yuan)物(wu)聯(lian)網面(mian)向的(de)(de)很多(duo)場(chang)景典型特點(dian)是傳(chuan)(chuan)感器節點(dian)的(de)(de)海量(liang)、密(mi)集部署，例如(ru)(ru)在(zai)倉(cang)儲環境中(zhong)，大量(liang)的(de)(de)貨物(wu)需(xu)要(yao)頻繁(fan)在(zai)一(yi)(yi)個固定倉(cang)庫進行儲存(cun)、盤(pan)點(dian)，產生(sheng)海量(liang)倉(cang)儲信息，一(yi)(yi)般會將無源(yuan)物(wu)聯(lian)網標簽(qian)貼(tie)在(zai)包裹或貨物(wu)上面(mian)，便于記(ji)錄、保(bao)存(cun)、更新貨物(wu)的(de)(de)信息。在(zai)這(zhe)一(yi)(yi)場(chang)景下，智慧倉(cang)儲管理要(yao)求(qiu)(qiu)通信技術支持(chi)批量(liang)讀取、寫入標簽(qian)數(shu)據(ju)(ju)的(de)(de)能(neng)力，如(ru)(ru)在(zai)數(shu)秒內(nei)完(wan)成數(shu)千乃至上萬節點(dian)數(shu)據(ju)(ju)讀取上報，這(zhe)種短時間、小范圍內(nei)海量(liang)終端數(shu)據(ju)(ju)傳(chuan)(chuan)輸的(de)(de)需(xu)求(qiu)(qiu)，對(dui)通信資(zi)源(yuan)管理能(neng)力形成巨大壓(ya)力。資(zi)源(yuan)管理設計中(zhong)，一(yi)(yi)方(fang)(fang)面(mian)必(bi)須考慮(lv)所有無源(yuan)節點(dian)身份如(ru)(ru)何快(kuai)速識別，另一(yi)(yi)方(fang)(fang)面(mian)必(bi)須考慮(lv)節點(dian)數(shu)據(ju)(ju)在(zai)有限(xian)信道的(de)(de)有序傳(chuan)(chuan)輸，從而(er)避免數(shu)據(ju)(ju)碰撞和干擾。當前，NB-IoT、LTE Cat M等成熟的(de)(de)物(wu)聯(lian)網通信技術無法支持(chi)這(zhe)一(yi)(yi)要(yao)求(qiu)(qiu)，因(yin)此要(yao)求(qiu)(qiu)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網在(zai)能(neng)源(yuan)供給非常(chang)有限(xian)的(de)(de)前提(ti)下，變革資(zi)源(yuan)管理方(fang)(fang)式。
2.3 低功耗計算技術
由于(yu)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網節(jie)點(dian)需要(yao)在(zai)(zai)終端側進(jin)(jin)行(xing)簡單的(de)(de)資源(yuan)管(guan)理、控制、編碼(ma)以及加(jia)密，因此也需要(yao)極低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)的(de)(de)計算(suan)技(ji)術(shu)(shu)。這(zhe)一領域(yu)主要(yao)集中在(zai)(zai)低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)計算(suan)芯片的(de)(de)研(yan)(yan)究上，而(er)低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)計算(suan)芯片已(yi)形成(cheng)階段性(xing)成(cheng)果，具備很多成(cheng)熟方(fang)案(an)。例(li)如，目前一些成(cheng)熟的(de)(de)低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)MCU（微控制單元）和傳(chuan)感(gan)器芯片能夠達到微瓦級別的(de)(de)能耗(hao)(hao)，能夠為無源(yuan)物(wu)聯(lian)網提供支持，相應(ying)的(de)(de)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網技(ji)術(shu)(shu)方(fang)案(an)廠商也在(zai)(zai)低(di)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)計算(suan)領域(yu)深入(ru)研(yan)(yan)發，進(jin)(jin)一步降低(di)計算(suan)的(de)(de)功(gong)(gong)耗(hao)(hao)。
3.無源物聯網創新和商業化進展
嚴格來說，RFID是(shi)無(wu)源物聯網其中一個技術(shu)方向(xiang)，也是(shi)截至目前商業化最(zui)為(wei)成果(guo)的(de)(de)無(wu)源物聯網的(de)(de)業態。不過，RFID存在的(de)(de)嚴重依(yi)賴專(zhuan)門閱讀器(qi)、有效通信距離短(duan)等短(duan)板，使其應用場(chang)景非常受限(xian)。基于環境能量收集和環境反向(xiang)散射技術(shu)的(de)(de)系統是(shi)未(wei)來無(wu)源物聯網發展(zhan)的(de)(de)核心(xin)方向(xiang)，各(ge)類無(wu)源物聯網領域的(de)(de)典(dian)型企業也主要是(shi)在這兩(liang)個方向(xiang)上進(jin)行創新和商業化。
3.1 環境能量采集：芯片化提供通用供能模塊
環境能量(liang)采(cai)集技術(shu)(shu)已有多(duo)(duo)年的(de)商用(yong)(yong)化歷程，目前這(zhe)一領域多(duo)(duo)家代表性的(de)企業均通過芯片化的(de)形式(shi)將其(qi)環境能量(liang)采(cai)集技術(shu)(shu)封(feng)裝起來，形成通用(yong)(yong)的(de)供能模塊(kuai)，為各類無源感知(zhi)節點提(ti)供能源收集、儲存(cun)、管理的(de)功能。
近兩年，能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)采集技術(shu)的(de)(de)(de)創新逐(zhu)漸得到國內(nei)外(wai)市場的(de)(de)(de)認可(ke)。例如(ru)，國內(nei)一家(jia)(jia)名為(wei)飛英思特的(de)(de)(de)廠商在環境能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)采集技術(shu)上進(jin)行創新，推出多款微(wei)能(neng)(neng)(neng)管(guan)理模塊產品，可(ke)以對微(wei)光能(neng)(neng)(neng)、射頻能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)、壓(ya)電(dian)、溫(wen)差能(neng)(neng)(neng)進(jin)行采集、轉換、管(guan)理，為(wei)無源(yuan)節(jie)點(dian)解決能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)來源(yuan)；海外(wai)也有多家(jia)(jia)典型(xing)企業，如(ru)Atmosic公司核(he)心技術(shu)為(wei)受控能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)收集，并基于(yu)藍牙(ya)(ya)(ya)5平臺，開發出超(chao)低功耗(hao)無源(yuan)藍牙(ya)(ya)(ya)芯片；另一家(jia)(jia)名為(wei)Wiliot的(de)(de)(de)廠商，借(jie)助射頻能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)采集技術(shu)，將自供電(dian)管(guan)理單元(yuan)與(yu)超(chao)低功耗(hao)藍牙(ya)(ya)(ya)MCU和(he)傳(chuan)感器(qi)接口集成到一個芯片上，借(jie)助其能(neng)(neng)(neng)量(liang)(liang)轉化和(he)管(guan)理的(de)(de)(de)效率，該(gai)芯片還配(pei)備存儲器(qi)和(he)安(an)全加密引擎，形成一款具備感知、計算和(he)通信(xin)功能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)無源(yuan)物(wu)聯網(wang)器(qi)件。
在部(bu)分(fen)需要電池(chi)供(gong)(gong)電的(de)(de)場(chang)景(jing)，這(zhe)一(yi)通(tong)用供(gong)(gong)能(neng)模塊的(de)(de)方案一(yi)定程度上替代(dai)了(le)傳統的(de)(de)電池(chi)，給這(zhe)些場(chang)景(jing)帶來(lai)了(le)永(yong)久供(gong)(gong)電的(de)(de)方案，大幅降低維護成本，延長了(le)物聯網(wang)(wang)節點生命周期。例如，荷(he)蘭一(yi)家名為Nowi的(de)(de)半(ban)導體廠商(shang)推出的(de)(de)能(neng)量采集芯(xin)片(pian)就與多家物聯網(wang)(wang)芯(xin)片(pian)廠商(shang)NB-IoT解決方案合作(zuo)，形成自供(gong)(gong)電NB-IoT平臺，通(tong)過其環境能(neng)量采集芯(xin)片(pian)為NB-IoT傳輸提供(gong)(gong)無限(xian)期的(de)(de)能(neng)量來(lai)源。
3.2 環境反向散射通信：從局域通信向廣域通信擴展
相比(bi)于環境(jing)能量收集技術，環境(jing)反向(xiang)散射通(tong)信技術的(de)(de)商(shang)用化進(jin)程相對(dui)緩慢，目前有部分初步商(shang)業化。隨(sui)著無源物聯網需求增(zeng)加和相關(guan)技術的(de)(de)突破(po)，環境(jing)反向(xiang)散射通(tong)信從最(zui)初的(de)(de)僅有米級的(de)(de)局域通(tong)信距離(li)，向(xiang)著百米級甚(shen)至公里級的(de)(de)廣域通(tong)信距離(li)擴(kuo)展。近年來的(de)(de)技術探索(suo)主要包(bao)括：
（1）基于WiFi的反向散射通信
美國(guo)華盛頓(dun)大學電(dian)子(zi)工程學院的(de)研(yan)究人(ren)員在(zai)2016年研(yan)發(fa)出一種全新的(de)WiFi技術，稱之為(wei)(wei)Passive WiFi[7]。該技術基(ji)于反向散射(she)通信，當附近WiFi路(lu)由器發(fa)射(she)功率相對較高的(de)射(she)頻信號后(hou)，無源(yuan)物聯網節點吸收射(she)頻信號并調制天線反射(she)系數，將傳感(gan)器信息傳遞出去。Passive WiFi無源(yuan)節點傳輸速率為(wei)(wei)1Mbps和(he)11Mbps的(de)數據(ju)時，所消耗(hao)的(de)電(dian)量分別僅為(wei)(wei)14.5μW和(he)59.2μW，只(zhi)有正常WiFi節點電(dian)量消耗(hao)的(de)萬分之一，而且能夠實現30米的(de)回傳距(ju)離(li)，甚(shen)至有一定的(de)穿墻能力。
（2）基于LoRa的反向散射通信
同樣是美國華盛頓(dun)大(da)(da)學電子工(gong)程學院(yuan)的(de)研究團隊，在(zai)一篇論文(wen)中(zhong)(zhong)闡述了其將(jiang)反射(she)(she)(she)(she)調制(zhi)技術擴展到遠距離傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)的(de)系統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)[8]，研究人員(yuan)利用(yong)了LoRa信號高靈敏度和擴頻(pin)編(bian)碼(ma)技術，提升無源(yuan)標簽回傳(chuan)(chuan)能力，并與商用(yong)的(de)LoRa設備(bei)兼容，形成(cheng)基于(yu)LoRa的(de)反射(she)(she)(she)(she)調制(zhi)系統(tong)(tong)。在(zai)測試中(zhong)(zhong)，研究人員(yuan)成(cheng)功的(de)從射(she)(she)(she)(she)頻(pin)源(yuan)和接(jie)收(shou)器之間相(xiang)隔475米的(de)任何位(wei)置(zhi)(zhi)實現(xian)無源(yuan)節(jie)(jie)點反射(she)(she)(she)(she)調制(zhi)并回傳(chuan)(chuan)傳(chuan)(chuan)感器信息(xi)。若將(jiang)無源(yuan)節(jie)(jie)點與射(she)(she)(she)(she)頻(pin)源(yuan)置(zhi)(zhi)于(yu)同一位(wei)置(zhi)(zhi)時，接(jie)收(shou)器最(zui)遠可部署在(zai)2.8公里(li)處，實現(xian)了遠距離的(de)傳(chuan)(chuan)輸(shu)(shu)。在(zai)這個過程中(zhong)(zhong)，節(jie)(jie)點消耗(hao)的(de)電量僅為10μW級(ji)別，研究人員(yuan)估(gu)計大(da)(da)規模使用(yong)后每(mei)一節(jie)(jie)點標簽的(de)成(cheng)本(ben)僅為10-20美分。
（3）基于蜂窩網絡的反向散射通信
5G Advanced和6G系列技(ji)術中(zhong)，無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯網(wang)已明確(que)為(wei)其中(zhong)方(fang)向(xiang)之一。在5G和6G大規模蜂窩基(ji)礎設施部署的基(ji)礎上，無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯網(wang)節(jie)點(dian)(dian)擁有大量射頻(pin)來源，支(zhi)持無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯網(wang)節(jie)點(dian)(dian)大規模部署和集中(zhong)控(kong)制(zhi)。
2021年9月，3GPP RAN#93e全(quan)會期間討論了R18版本(ben)的候(hou)(hou)選課(ke)題(ti)，其中(zhong)無(wu)源物聯(lian)網就被多(duo)家代(dai)表提出。2021年12月召開的3GPP RAN#94e全(quan)會上，與會相關(guan)(guan)代(dai)表對(dui)無(wu)源物聯(lian)網關(guan)(guan)注點和技術(shu)(shu)反(fan)(fan)向(xiang)進行多(duo)輪深入討論[9]，其中(zhong)反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)通(tong)信就是(shi)重(zhong)要候(hou)(hou)選技術(shu)(shu)。當前，業界對(dui)6G的愿景、技術(shu)(shu)和場(chang)景討論中(zhong)，無(wu)源物聯(lian)網被認為是(shi)6G時(shi)代(dai)的典型場(chang)景，反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)技術(shu)(shu)為實現(xian)無(wu)源物聯(lian)網提供了可能[10]，而反(fan)(fan)向(xiang)散(san)射(she)通(tong)信技術(shu)(shu)也與6G的很多(duo)候(hou)(hou)選技術(shu)(shu)融(rong)合，構(gou)建綠色節(jie)能的下一代(dai)通(tong)信網絡[5]。
3.3 無源物聯網創新和商用發展思考
近期(qi)，國內產學研各界對(dui)無(wu)(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)的(de)關(guan)(guan)注達(da)到了一個新高度，組(zu)織了多場(chang)(chang)研討(tao)(tao)會。綜合近期(qi)動態，不難發(fa)(fa)現(xian)(xian)無(wu)(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)形(xing)(xing)成(cheng)了以(yi)下趨勢：一是需求不斷提(ti)升，此前(qian)廣泛(fan)應用RFID的(de)領(ling)(ling)域(yu)，對(dui)于擺脫讀寫(xie)器、提(ti)升傳輸距離(li)的(de)新型無(wu)(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)系(xi)統充滿期(qi)待，其(qi)他相(xiang)關(guan)(guan)領(ling)(ling)域(yu)也高度關(guan)(guan)注，在(zai)物(wu)流、倉儲、醫療、工業(ye)(ye)等行(xing)業(ye)(ye)形(xing)(xing)成(cheng)潛在(zai)市場(chang)(chang)；二是融合性(xing)技(ji)(ji)術(shu)(shu)應用快(kuai)速(su)發(fa)(fa)展，根(gen)據不同(tong)場(chang)(chang)景和(he)環境(jing)條(tiao)(tiao)件，相(xiang)關(guan)(guan)企(qi)業(ye)(ye)和(he)研究(jiu)人員設(she)計多種靈活性(xing)技(ji)(ji)術(shu)(shu)組(zu)合，形(xing)(xing)成(cheng)低成(cheng)本(ben)、高效支(zhi)持無(wu)(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)部署(shu)，如根(gen)據不同(tong)環境(jing)條(tiao)(tiao)件，靈活調節(jie)能量采(cai)集技(ji)(ji)術(shu)(shu)和(he)通(tong)信(xin)距離(li)的(de)方(fang)案；三是不同(tong)組(zu)織開(kai)始(shi)爭奪(duo)技(ji)(ji)術(shu)(shu)主動權，在(zai)3GPP RAN全會討(tao)(tao)論中，多個代(dai)表提(ti)出3GPP陣(zhen)營現(xian)(xian)有的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)無(wu)(wu)(wu)法(fa)支(zhi)持無(wu)(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)(wang)的(de)愿景，需要進一步增強3GPP陣(zhen)營在(zai)該(gai)領(ling)(ling)域(yu)的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)和(he)標準輸出，形(xing)(xing)成(cheng)對(dui)其(qi)他技(ji)(ji)術(shu)(shu)組(zu)織的(de)競爭優勢。
面(mian)對新(xin)型無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網帶來的(de)廣(guang)闊(kuo)(kuo)市場前景，我國產業(ye)界應及時布局(ju)，持續提升我國在該領(ling)域的(de)實力。第一，積極(ji)(ji)進(jin)(jin)(jin)行(xing)前沿技術(shu)研發，聚(ju)焦當(dang)前無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網商用中面(mian)臨的(de)主要技術(shu)難點，進(jin)(jin)(jin)行(xing)技術(shu)攻關，并積極(ji)(ji)參與(yu)3GPP等(deng)國際組織(zhi)的(de)標準制(zhi)定，形成技術(shu)和標準的(de)“中國力量(liang)”；第二，積極(ji)(ji)推進(jin)(jin)(jin)政(zheng)產學研合作，擴大無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網產業(ye)生態，尤(you)其(qi)是在無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網芯片、讀寫設備、控制(zhi)平臺(tai)等(deng)環節增加自(zi)主創新(xin)企業(ye)數量(liang)和比例，擺脫傳統(tong)RFID產業(ye)以代工為主的(de)局(ju)面(mian)；第三，發揮中國廣(guang)闊(kuo)(kuo)市場優勢，充分挖掘潛力，推進(jin)(jin)(jin)規(gui)模化示范應用，并對傳統(tong)有源(yuan)方案進(jin)(jin)(jin)行(xing)部分替代。
4 結語
降低節(jie)點(dian)功(gong)耗一直以來是物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)領域最關(guan)心(xin)的話題之一，無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)為(wei)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)節(jie)點(dian)擺脫電池依賴(lai)、實現持續供(gong)能提(ti)供(gong)新(xin)的思路。本文(wen)從有源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)節(jie)點(dian)在海(hai)量(liang)連接部署中存在的短(duan)板出發，分析(xi)多個領域對(dui)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)的需求、場(chang)景(jing)和連接規模，并重點(dian)對(dui)環(huan)境能量(liang)采集技術(shu)和反向散射通信技術(shu)等無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)核心(xin)技術(shu)進行(xing)研究(jiu)，在此(ci)基礎上(shang)整理了當(dang)前產業(ye)界對(dui)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)創新(xin)和商(shang)(shang)業(ye)化的進程。無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)雖(sui)然目前仍處于(yu)商(shang)(shang)用(yong)初級階段(duan)，但(dan)這一領域已(yi)受(shou)到高度(du)關(guan)注，隨著5G Advanced和6G研究(jiu)的進展(zhan)，無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物(wu)聯(lian)(lian)網(wang)(wang)將(jiang)成為(wei)支(zhi)撐千億(yi)級連接規模的核心(xin)技術(shu)。
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