作者：赵小飞
智库 原创
导读
随着物联网在各行业的深入应用，在一些场景中大规模部署受到环境、成本、节能环保等限制，传统供电方式无法知足需求，无源物联网成为有用解决方案，也将成为未来 Advanced和6G手艺系统中的主要组成部门。本文通过对无源物联网的需求和场景举行研究，剖析无源物联网焦点手艺，并梳理了无源物联网商业化创新的希望，系统性总结了当前无源物联网的手艺和产业生长趋势，为业界在这一领域的研究提供参考。
“本文首发于《中国电信业》2022年第10期”
0 弁言
随着与各行业深入融合，物联网毗邻规模增进迅速。2020年底，全球物联网毗邻数到达113亿，首次逾越了包罗智能手机、平板电脑、条记本电脑、台式电脑以及牢固电话在内的非物联网毗邻数，预计到2025年毗邻数将跨越270亿［1］。
已往10余年，降低终端节点功耗一直是物联网焦点研究偏向之一，催生了多项创新手艺并形成相关尺度。在蜂窝物联网领域，第三代移动通讯尺度化组织（3GPP）针对LTE的优化和剪裁，形成了LTE Cat 1、LTE Cat M以及NB－尺度，5G R17版本尺度中引入了RedCap（缩减能力终端），也是为了降低接入5G网络的物联网终端功耗；在非授权频谱物联网领域，LoRaWAN、Sigfox等尺度支持了大量低功耗终端快速接入，WiFi、蓝牙等均开发低功耗手艺来支持物联网生长，如WiFi同盟推出的WiFi Halow尺度。
以上种种低功耗的手艺和尺度，支持海量物联网的接入，成为知足大毗邻的主力，业界已经形成共识。不外，现有低功耗物联网手艺大部门需通俗电池或纽扣电池供电，百亿级物联网节点意味着需要消耗百亿级电池，这并不相符低碳经济的要求，同时，现有手艺无法知足许多不具备电池供电条件场景的需求，无源物联网正是解决这些需求的有用手段。
1．对无源物联网的需求
万物互联的愿景首先需要对物理天下举行有用感知，普遍部署海量的传感节点。在多个行业应用实践中，电池供电的有源节点在大量场景部署时会受到显著限制，需要免电池的无源物联网方案。现在，无源物联网的多个场景需求已逐渐清晰，这些场景拥有远高于现有低功耗物联网手艺所能支持的节点数。因此，无源物联网将成为支持更大规模毗邻的主力。
1．1 有源传感节点部署面临的痛点
当前，大多数无线传感节点是通过电池供应能量，而这些有源传感节点面临许多海量部署场景时，其坏处逐渐露出，多方面痛点制约了物联网向着更广漠场景的扩展。
（1）低碳经济的要求
从低碳环保角度看，若未来大部门传感器节点都接纳电池作为能量源，当能量耗尽后，遗留在环境中的废弃电池会对环境造成污染，因此业界需要生长绿色物联网手艺，支持海量物联网节点接入的同时，不会造成更高碳排放或污染。
（2）极端环境部署受限
在大量极端的环境中，无线络的部署具有主要意义，但这些场景往往不适合供电或替换电池，主要包罗两类环境：一类是人们很难耐久流动的场所，如森林、山丘、战场等场所，对这些场所部署大量无线传感节点，将对森林防火、灾情监测、山体滑坡、敌情侦查等发生至关主要的作用，然而这些场所漫衍地域广且往往人迹罕至，无线传感节点若接纳电池供电，电量耗尽后对其弥补能量的成本极高；另一类是相对恶劣的事情环境，如工业生产现场、高压电站、锅炉泵房等监测场景，面临着高空、高温、高辐射等极端环境，晦气于对传感节点举行电池替换。
（3）极低成本的限制
近年来，虽然低功耗广域网络（LPWAN）的快速生长，已经大幅降低了节点成本，但相关模组成本依然在10－20元人民币区间，进一步下降的空间异常有限。随着场景的扩展，一些低价值物品的场景也发生了毗邻的需求，这些场景往往拥有海量的终端，但单个终端的价值并不高，如对物流包裹的追踪，这就要求传感和通讯模组能够做到极低成本。在实践中，需要在保持感知和通讯性能基础上，对原有节点举行大幅裁剪，削减多个器件的使用，才气实现成本的实质性下降，电池也将成为裁剪的工具。
（4）终端尺寸的限制
在许多场景中，终端尺寸也是制约应用部署的因素。例如，一些植入体内的芯片对尺寸要求异常严苛，对电池和其他器件的剪裁能够显著削减终端体积；又如，在物流和仓储治理中，往往需要以标签的形态贴在物品上，对标签厚度的要求使其无法举行电池供电。
这些响应的痛点存在，需要无线传感节点在其生命周期内可以知足免维护、低功耗、低成本、小尺寸、环保的需求，这些正是无源物联网所要解决的问题。
1．2 无源物联网主要场景
已往几年，物联网从业者对物联网节点的三个差异速率档位分类已形成共识，即高速物联、中速物联和低速物联。其中，高速物联主要通过5G eMBB、4G Cat．4＋、WiFi 6等手艺来承载，中速物联现在主要通过4G Cat．1、3G、2G等手艺来承载，低速物联主要由NB－IoT、LoRaWAN、BLE等手艺来承载，差异速率同时也对应差异功耗品级，形成显著的三大类场景，也面临三类差异量级的物联网毗邻数。
业界对照熟悉的低速物联尺度NB－IoT、LoRaWAN、BLE等可以支持百亿级毗邻，中速和高速物联尺度能够带来的毗邻规模远低于低速物联毗邻规模。在以上三类物联网场景基础上，无源物联这一种别将成为千亿级物联网毗邻场景的主要泉源（见图1）。
图1 差异分类档物联网毗邻规模
业界对无源物联网开展了前期探索，一些场景已逐渐明晰，如快消品、物流包裹、产物外包装、客栈货物清点等需要联网的场景，组成了千亿级无源物联网节点的基础。OPPO研究院公布的《零功耗通讯白皮书》中，总结了无源物联网工业传感器网络、、智慧物流、智能仓储、智慧农业、、能源领域等应用以及面向小我私人消费者的智能穿着、以及医疗照顾护士等方面的应用。现在，一些企业已经实现无源物联网小局限落地，包罗物流仓储治理、药品追踪等场景。
以物流为例，国家邮政局公布数据显示，2021年整年，我国快递营业量达1083亿件，同比增进29．9％，包裹数目占全球一半以上。通过超低成本的无源物联网方案，其中相当比例的包裹可以实现有用追踪，则这一领域每年就能实现海量毗邻。
2．无源物联网主要手艺
无源物联网主要是通过能量采集、反向散射通讯、低功耗盘算三方面手艺来实现。其中，能量采集和反向散射通讯是无源物联网方案实现的必选手艺，部门简朴的方案主要是实现传感器数据直接上传，纷歧定需要太多盘算资源，因此本节主要讨论前两个手艺。
2．1 能量采集手艺
无源物联网系统并不意味着无需能量供应就能事情，而是基于自供能的设计，形生长期稳固的能量泉源驱动传感器节点感知和通讯。自供能主要是通过环境能量采集手艺来实现，外界环境中存在着许多能量泉源，能量采集手艺将其采集并转化为可供传感节点事情的能量，也知足低碳经济的要求。主要的能量采集手艺包罗：
（1）环境光能采集：太阳能是最为常见的环境光能，环境光能量采集手艺可以将太阳能转化为电能，当前太阳能光伏发电已初具规模，为未来能源结构转变做出孝顺。固然，环境光能采集的局限性异常显著，对光能量网络的强度往往受时间、天气等外界因素的影响。
（2）振动能量采集：震惊能普遍存在于桥梁、楼宇、车辆、机械、家电等场所，震惊能手艺可以通过多种方式举行能量转换，如压电转换、静电转换和磁电转换等。其中，静电转换方式是借助静电感应将机械能转化成电能；压电转换方式是通过压电效应发电，借助初始的电压差举行装备供电的能量转换；磁电转换方式通过振动使导体切割磁感线发生能量。
（3）热能采集：热能转化一样平常基于热电质料的赛贝克效应，凭证两个差异导体接合处的温度差而发生电压。一些可穿着装备在探索使用热能采集手艺，将人体作为发烧端，环境作为冷的一端，崎岖温度之间的差值决议发生的能量巨细。
（4）射频能量采集：射频能采集的能量可以泉源于移动通讯基站、电视塔、WiFi路由器、微波炉等，我们天天被这些射频信号笼罩，可以随时作为能量泉源。其基本原理是通过电磁感应实现对空间电磁波能量的采集，本质是将射频能量转化为直流电压，以有用地用于对感知节点负载电路的驱动。
由于环境自己的特点，种种能量采集手艺获得的能量密度差异很大，以下为典型场景下四类环境能量的密度［2］。
表1 典型场景下环境能量密度环境能量场景能量密度（μW／cm3）太阳能光照场景10（室内）10000（室外）振动能工厂200热能热管15（10℃温度梯度）射频能射频发射器四周0．1
环境能量采集存在着许多手艺挑战，集中体现在能量微弱和随机性显著，尤其是大部门情形下仅有微瓦级的能量供应，在这样的条件下驱动传感器数据采集、通讯和盘算的稳固事情是一项伟大的挑战。因此，除了采集外，也需要对这些微弱能量举行有用治理，一样平常来说，能量采集系统的基本模块包罗三部门［3］：
换能部门：能量转换器件从差异环境泉源中获取能量并转化为电能，如热电装置转化热能、压电元件转化振动动能等；
电源治理部门：电源治理电路通常由稳压器组成，凭证系统的要求对微弱能量举行治理；
能量储存部门：转换的能量可以直接为感知节点供电，也可以被存储到能量存储单元中供未来使用，有利于延续性为感知节点供电。
其中，射频能量虽然能量密度低，但由于传感节点数据需要借助射频传输，借助环境射频信号，可以同时解决能量获取和信号传输调制两个功效，因此成为无源物联网研究的重点。射频能量采集研究履历了多年的探索，射频能量的强度、能量转换效率、供能稳固性、系统兼容性等一直是其设计中最关注的问题，也给射频能量采集带来诸多挑战。
2．2 反向散射通讯手艺
从环境获取的能量可驱动感知节点数据传输和无线通讯，当前主流的低功耗物联网通讯芯片（如BLE、LoRa、NB－IoT）的收发功耗都在数十毫瓦甚至数百毫瓦级别，而环境能量采集获取能量仅有微瓦级，无法驱动这些类型节点事情，因此需要全新的无线通讯手艺，使通讯能耗下降至数十微瓦甚至十微瓦以下，现在主流的方式接纳反向散射通讯手艺。
反向散射通讯是行使射频信号反向散射原理，设计出极低功耗的调制与传输手艺。反向散射通讯最早由Stockman提出［4］，由于射频信号到达物体外面时一部门会被反射，而发送节点根据拟发送信息调整吸收天线和阻抗之间的匹配，增强对入射射频信号的反射，并将自身获取的感知数据调制到该反射信号上，完成对数据的发送。这一历程类似于反光镜，相对于其他通讯手艺，反向散射通讯无需庞大的射频结构，削减功率放大器、高精度晶振、双工器、高精度滤波器等器件使用，也不需要庞大的基带处置［5］，因此，能够简化终端设计，大幅降低终端节点成本。
反向散射通讯已经普遍应用于RIFD（射频识别）系统中，形成许多规模化商用的案例。其事情原理是吸收机（一样平常为阅读器）发送射频激励信号，激活无源节点（一样平常为RFID电子标签），电子标签行使反向散射通讯将自身信息调制到该射频信号上，阅读器吸收到无源电子标签的反射信号并举行解调，实现信息传输（见图2）。
图2 传统反向散射通讯系统
不外，以RFID为代表的传统反向散射通讯手艺存在多方面的不足，集中显示在：一方面，射频激励信号源和吸收机位于统一装备中，导致发射和吸收自滋扰而限制通讯距离；另一方面，该系统需要专用的射频激励信号泉源，限制了无源物联网部署的区域和场景。因此，业界提出了环境反向散射通讯手艺［6］，即行使周边环境中普遍存在的射频信号，如蜂窝基站、WiFi路由器、电视塔等作为射频信号泉源，向无源节点发送激励信号，连系射频能量采集手艺，无源节点可以从环境射频信号源获取足够能量，完成数据调制并自动向吸收机发送信号（见图3）。通过这一设计，能够显著降低滋扰和功耗，大幅提升通讯距离。
图3 环境反向散射通讯系统
虽然环境反向散射通讯是无源物联网最为理想的通讯手艺，但仍然存在诸多手艺挑战，限制其大规模应用。这些挑战包罗加倍轻量级的调制和编码手艺、更高效的多址方式、更天真的资源治理方式、更轻量协议栈、更轻量平安治理机制以及简化的网络架构等，每一项挑战都需要投入大量资源举行研发和工程化试验［5］。
以天真的资源治理方式为例，无源物联网面向的许多场景典型特点是传感器节点的海量、麋集部署，例如在仓储环境中，大量的货物需要频仍在一个牢固客栈举行储存、清点，发生海量仓储信息，一样平常会将无源物联网标签贴在包裹或货物上面，便于纪录、保留、更新货物的信息。在这一场景下，智慧仓储治理要求通讯手艺支持批量读取、写入标签数据的能力，如在数秒内完成数千甚至上万节点数据读取上报，这种短时间、小局限内海量终端数据传输的需求，对通讯资源治理能力形成伟大压力。资源治理设计中，一方面必须思量所有无源节点身份若何快速识别，另一方面必须思量节点数据在有限信道的有序传输，从而制止数据碰撞和滋扰。当前，NB－IoT、LTE Cat M等成熟的物联网通讯手艺无法支持这一要求，因此要求无源物联网在能源供应异常有限的条件下，转变资源治理方式。
2．3 低功耗盘算手艺
由于无源物联网节点需要在终端侧举行简朴的资源治理、控制、编码以及加密，因此也需要极低功耗的盘算手艺。这一领域主要集中在低功耗盘算芯片的研究上，而低功耗盘算芯片已形成阶段性功效，具备许多成熟方案。例如，现在一些成熟的低功耗MCU（微控制单元）和传感器芯片能够到达微瓦级其余能耗，能够为无源物联网提供支持，响应的无源物联网手艺方案厂商也在低功耗盘算领域深入研发，进一步降低盘算的功耗。
3．无源物联网创新和商业化希望
严酷来说，RFID是无源物联网其中一个手艺偏向，也是停止现在商业化最为功效的无源物联网的业态。不外，RFID存在的严重依赖专门阅读器、有用通讯距离短等短板，使其应用场景异常受限。基于环境能量网络和环境反向散射手艺的系统是未来无源物联网生长的焦点偏向，种种无源物联网领域的典型企业也主要是在这两个偏向上举行创新和商业化。
3．1 环境能量采集：芯片化提供通用供能模块
环境能量采集手艺已有多年的商用化历程，现在这一领域多家代表性的企业均通过芯片化的形式将其环境能量采集手艺封装起来，形成通用的供能模块，为种种无源感知节点提供能源网络、储存、治理的功效。
近两年，能量采集手艺的创新逐渐获得海内外市场的认可。例如，海内一家名为飞英思特的厂商在环境能量采集手艺上举行创新，推出多款微能治理模块产物，可以对微光能、射频能量、压电、温差能举行采集、转换、治理，为无源节点解决能量泉源；外洋也有多家典型企业，如Atmosic公司焦点手艺为受控能量网络，并基于蓝牙5平台，开发出超低功耗无源蓝牙芯片；另一家名为Wiliot的厂商，借助射频能量采集手艺，将自供电治理单元与超低功耗蓝牙MCU和传感器接口集成到一个芯片上，借助其能量转化和治理的效率，该芯片还配备存储器和平安加密引擎，形成一款具备感知、盘算和通讯功效的无源物联网器件。
在部门需要电池供电的场景，这一通用供能模块的方案一定水平上替换了传统的电池，给这些场景带来了永远供电的方案，大幅降低维护成本，延伸了物联网节点生命周期。例如，荷兰一家名为Nowi的半导体厂商推出的能量采集芯片就与多家物联网芯片厂商NB－IoT解决方案相助，形成自供电NB－IoT平台，通过其环境能量采集芯片为NB－IoT传输提供无限期的能量泉源。
3．2 环境反向散射通讯：从局域通讯向广域通讯扩展
相比于环境能量网络手艺，环境反向散射通讯手艺的商用化历程相对缓慢，现在有部门劈头商业化。随着无源物联网需求增添和相关手艺的突破，环境反向散射通讯从最初的仅有米级的局域通讯距离，向着百米级甚至公里级的广域通讯距离扩展。近年来的手艺探索主要包罗：
（1）基于WiFi的反向散射通讯
美国华盛顿大学电子工程学院的研究职员在2016年研发出一种全新的WiFi手艺，称之为Passive WiFi［7］。该手艺基于反向散射通讯，当四周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，将传感器信息通报出去。Passive WiFi无源节点传输速率为1Mbps和11Mbps的数据时，所消耗的电量划分仅为14．5?W和59．2?W，只有正常WiFi节点电量消耗的万分之一，而且能够实现30米的回传距离，甚至有一定的穿墙能力。
（2）基于LoRa的反向散射通讯
同样是美国华盛顿大学电子工程学院的研究团队，在一篇论文中论述了其将反射调制手艺扩展到远距离传输的系统中［8］，研究职员行使了LoRa信号高敏捷度和扩频编码手艺，提升无源标签回传能力，并与商用的LoRa装备兼容，形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中，研究职员乐成的从射频源和吸收器之间相隔475米的任何位置实现无源节点反射调制并回传传感器信息。若将无源节点与射频源置于统一位置时，吸收器最远可部署在2．8公里处，实现了远距离的传输。在这个历程中，节点消耗的电量仅为10?W级别，研究职员估量大规模使用后每一节点标签的成本仅为10－20美分。
（3）基于蜂窝网络的反向散射通讯
5G Advanced和6G系列手艺中，无源物联网已明确为其中偏向之一。在5G和6G大规模蜂窝基础设施部署的基础上，无源物联网节点拥有大量射频泉源，支持无源物联网节点大规模部署和集中控制。
2021年9月，3GPP RAN＃93e全会时代讨论了R18版本的候选课题，其中无源物联网就被多家代表提出。2021年12月召开的3GPP RAN＃94e全会上，与会相关代表对无源物联网关注点和手艺反向举行多轮深入讨论［9］，其中反向散射通讯就是主要候选手艺。当前，业界对6G的愿景、手艺和场景讨论中，无源物联网被以为是6G时代的典型场景，反向散射手艺为实现无源物联网提供了可能［10］，而反向散射通讯手艺也与6G的许多候选手艺融合，构建绿色节能的下一代［5］。
3．3 无源物联网创新和商用生长思索
近期，海内产学研各界对无源物联网的关注到达了一个新高度，组织了多场钻研会。综合近期动态，不难发现无源物联网形成了以下趋势：一是需求不停提升，此前普遍应用RFID的领域，对于脱节读写器、提升传输距离的新型无源物联网系统充满期待，其他相关领域也高度关注，在物流、仓储、医疗、工业等行业形成潜在市场；二是融合性手艺应用快速生长，凭证差异场景和环境条件，相关企业和研究职员设计多种天真性手艺组合，形成低成本、高效支持无源物联网部署，如凭证差异环境条件，天真调治能量采集手艺和通讯距离的方案；三是差异组织最先争取手艺自动权，在3GPP RAN全会讨论中，多个代表提出3GPP阵营现有的手艺无法支持无源物联网的愿景，需要进一步增强3GPP阵营在该领域的手艺和尺度输出，形成对其他手艺组织的竞争优势。
面临新型无源物联网带来的广漠市场远景，我国产业界应实时结构，延续提升我国在该领域的实力。第一，努力举行前沿手艺研发，聚焦当前无源物联网商用中面临的主要手艺难点，举行手艺攻关，并努力介入3GPP等国际组织的尺度制订，形成手艺和尺度的“中国气力”；第二，努力推进政产学研相助，扩大无源物联网产业生态，尤其是在无源物联网芯片、读写装备、控制平台等环节增添自主创新企业数目和比例，脱节传统RFID产业以代工为主的事态；第三，施展中国广漠市场优势，充实挖掘潜力，推进规模化树模应用，并对传统有源方案举行部门替换。
4 结语
降低节点功耗一直以来是物联网领域最体贴的话题之一，无源物联网为物联网节点脱节电池依赖、实现延续供能提供新的思绪。本文从有源物联网节点在海量毗邻部署中存在的短板出发，剖析多个领域对无源物联网的需求、场景和毗邻规模，并重点对环境能量采集手艺和反向散射通讯手艺等无源物联网焦点手艺举行研究，在此基础上整理了当前产业界对无源物联网创新和商业化的历程。无源物联网虽然现在仍处于商用低级阶段，但这一领域已受到高度关注，随着5G Advanced和6G研究的希望，无源物联网将成为支持千亿级毗邻规模的焦点手艺。
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原文问题 : 从“入门”到“头秃”，一文搞懂“无源物联网”