導(dǎo)讀

隨著物聯(lián)網(wǎng)在各行業(yè)的深入應(yīng)用，在一些場(chǎng)景中大規(guī)模部署受到環(huán)境、成本、節(jié)能環(huán)保等限制，傳統(tǒng)供電方式無(wú)法滿足需求，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)成為有效解決方案，也將成為未來5G Advanced和6G技術(shù)體系中的重要組成部分。本文通過對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的需求和場(chǎng)景進(jìn)行研究，分析無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，并梳理了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化創(chuàng)新的進(jìn)展，系統(tǒng)性總結(jié)了當(dāng)前無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，為業(yè)界在這一領(lǐng)域的研究提供參考。

“本文首發(fā)于《中國(guó)電信業(yè)》2022年第10期”

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各行業(yè)深入融合，物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模增長(zhǎng)迅速。2020年底，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)達(dá)到113億，首次超越了包括智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、臺(tái)式電腦以及固定電話在內(nèi)的非物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)，預(yù)計(jì)到2025年連接數(shù)將超過270億[1]。

過去10余年，降低終端節(jié)點(diǎn)功耗一直是物聯(lián)網(wǎng)核心研究方向之一，催生了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織（3GPP）針對(duì)LTE的優(yōu)化和剪裁，形成了LTE Cat 1、LTE Cat M以及NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)，5G R17版本標(biāo)準(zhǔn)中引入了RedCap（縮減能力終端），也是為了降低接入5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)終端功耗；在非授權(quán)頻譜物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，LoRaWAN、Sigfox等標(biāo)準(zhǔn)支撐了大量低功耗終端快速接入，WiFi、藍(lán)牙等均開發(fā)低功耗技術(shù)來支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，如WiFi聯(lián)盟推出的WiFi Halow標(biāo)準(zhǔn)。

以上各類低功耗的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，支持海量物聯(lián)網(wǎng)的接入，成為滿足大連接的主力，業(yè)界已經(jīng)形成共識(shí)。不過，現(xiàn)有低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大部分需普通電池或紐扣電池供電，百億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)意味著需要消耗百億級(jí)電池，這并不符合低碳經(jīng)濟(jì)的要求，同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿足很多不具備電池供電條件場(chǎng)景的需求，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)正是解決這些需求的有效手段。

1.對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的需求

萬(wàn)物互聯(lián)的愿景首先需要對(duì)物理世界進(jìn)行有效感知，廣泛部署海量的傳感節(jié)點(diǎn)。在多個(gè)行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐中，電池供電的有源節(jié)點(diǎn)在大量場(chǎng)景部署時(shí)會(huì)受到明顯限制，需要免電池的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)方案。目前，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的多個(gè)場(chǎng)景需求已逐漸清晰，這些場(chǎng)景擁有遠(yuǎn)高于現(xiàn)有低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所能支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)。因此，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)將成為支撐更大規(guī)模連接的主力。

1.1 有源傳感節(jié)點(diǎn)部署面臨的痛點(diǎn)

當(dāng)前，大多數(shù)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)是通過電池供給能量，而這些有源傳感節(jié)點(diǎn)面對(duì)很多海量部署場(chǎng)景時(shí)，其弊端逐漸暴露，多方面痛點(diǎn)制約了物聯(lián)網(wǎng)向著更廣闊場(chǎng)景的擴(kuò)展。

（1）低碳經(jīng)濟(jì)的要求

從低碳環(huán)保角度看，若未來大部分傳感器節(jié)點(diǎn)都采用電池作為能量源，當(dāng)能量耗盡后，遺留在環(huán)境中的廢棄電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此業(yè)界需要發(fā)展綠色物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持海量物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入的同時(shí)，不會(huì)造成更高碳排放或污染。

（2）極端環(huán)境部署受限

在大量極端的環(huán)境中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的部署具有重要意義，但這些場(chǎng)景往往不適合供電或更換電池，主要包括兩類環(huán)境：一類是人們很難長(zhǎng)期活動(dòng)的場(chǎng)所，如森林、山丘、戰(zhàn)場(chǎng)等場(chǎng)所，對(duì)這些場(chǎng)所部署大量無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，將對(duì)森林防火、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、山體滑坡、敵情偵查等產(chǎn)生至關(guān)重要的作用，然而這些場(chǎng)所分布地域廣且往往人跡罕至，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)若采用電池供電，電量耗盡后對(duì)其補(bǔ)充能量的成本極高；另一類是相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，如工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、高壓電站、鍋爐泵房等監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，面臨著高空、高溫、高輻射等極端環(huán)境，不利于對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電池更換。

（3）極低成本的限制

近年來，雖然低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）的快速發(fā)展，已經(jīng)大幅降低了節(jié)點(diǎn)成本，但相關(guān)模組成本依然在10-20元人民幣區(qū)間，進(jìn)一步下降的空間非常有限。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，一些低價(jià)值物品的場(chǎng)景也產(chǎn)生了連接的需求，這些場(chǎng)景往往擁有海量的終端，但單個(gè)終端的價(jià)值并不高，如對(duì)物流包裹的追蹤，這就要求傳感和通信模組能夠做到極低成本。在實(shí)踐中，需要在保持感知和通信性能基礎(chǔ)上，對(duì)原有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大幅裁剪，減少多個(gè)器件的使用，才能實(shí)現(xiàn)成本的實(shí)質(zhì)性下降，電池也將成為裁剪的對(duì)象。

（4）終端尺寸的限制

在很多場(chǎng)景中，終端尺寸也是制約應(yīng)用部署的因素。例如，一些植入體內(nèi)的芯片對(duì)尺寸要求非常嚴(yán)苛，對(duì)電池和其他器件的剪裁能夠明顯減少終端體積；又如，在物流和倉(cāng)儲(chǔ)管理中，往往需要以標(biāo)簽的形態(tài)貼在物品上，對(duì)標(biāo)簽厚度的要求使其無(wú)法進(jìn)行電池供電。

這些相應(yīng)的痛點(diǎn)存在，需要無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在其生命周期內(nèi)可以滿足免維護(hù)、低功耗、低成本、小尺寸、環(huán)保的需求，這些正是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)所要解決的問題。

1.2 無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)主要場(chǎng)景

過去幾年，物聯(lián)網(wǎng)從業(yè)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)不同速率檔位分類已形成共識(shí)，即高速物聯(lián)、中速物聯(lián)和低速物聯(lián)。其中，高速物聯(lián)主要通過5G eMBB、4G Cat.4+、WiFi 6等技術(shù)來承載，中速物聯(lián)目前主要通過4G Cat.1、3G、2G等技術(shù)來承載，低速物聯(lián)主要由NB-IoT、LoRaWAN、BLE等技術(shù)來承載，不同速率同時(shí)也對(duì)應(yīng)不同功耗等級(jí)，形成明顯的三大類場(chǎng)景，也面對(duì)三類不同量級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)。

業(yè)界比較熟悉的低速物聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT、LoRaWAN、BLE等可以支撐百億級(jí)連接，中速和高速物聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)能夠帶來的連接規(guī)模遠(yuǎn)低于低速物聯(lián)連接規(guī)模。在以上三類物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景基礎(chǔ)上，無(wú)源物聯(lián)這一類別將成為千億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)連接場(chǎng)景的主要來源（見圖1）。

圖1 不同分類檔物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模

業(yè)界對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)開展了前期探索，一些場(chǎng)景已逐漸明晰，如快消品、物流包裹、產(chǎn)品外包裝、倉(cāng)庫(kù)貨物盤點(diǎn)等需要聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景，構(gòu)成了千億級(jí)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)。OPPO研究院發(fā)布的《零功耗通信白皮書》中，總結(jié)了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能交通、智慧物流、智能倉(cāng)儲(chǔ)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、能源領(lǐng)域等應(yīng)用以及面向個(gè)人消費(fèi)者的智能穿戴、智能家居以及醫(yī)療護(hù)理等方面的應(yīng)用。目前，一些企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)小范圍落地，包括物流倉(cāng)儲(chǔ)管理、藥品追蹤等場(chǎng)景。

以物流為例，國(guó)家郵政局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2021年全年，我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量達(dá)1083億件，同比增長(zhǎng)29.9%，包裹數(shù)量占全球一半以上。通過超低成本的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)方案，其中相當(dāng)比例的包裹可以實(shí)現(xiàn)有效追蹤，則這一領(lǐng)域每年就能實(shí)現(xiàn)海量連接。

2.無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)主要是通過能量采集、反向散射通信、低功耗計(jì)算三方面技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其中，能量采集和反向散射通信是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)的必選技術(shù)，部分簡(jiǎn)單的方案主要是實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)直接上傳，不一定需要太多計(jì)算資源，因此本節(jié)主要討論前兩個(gè)技術(shù)。

2.1 能量采集技術(shù)

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并不意味著無(wú)需能量供給就能工作，而是基于自供能的設(shè)計(jì)，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量來源驅(qū)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)感知和通信。自供能主要是通過環(huán)境能量采集技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，外界環(huán)境中存在著很多能量來源，能量采集技術(shù)將其采集并轉(zhuǎn)化為可供傳感節(jié)點(diǎn)工作的能量，也滿足低碳經(jīng)濟(jì)的要求。主要的能量采集技術(shù)包括：

（1）環(huán)境光能采集：太陽(yáng)能是最為常見的環(huán)境光能，環(huán)境光能量采集技術(shù)可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電已初具規(guī)模，為未來能源結(jié)構(gòu)變化做出貢獻(xiàn)。當(dāng)然，環(huán)境光能采集的局限性非常明顯，對(duì)光能量收集的強(qiáng)度往往受時(shí)間、天氣等外界因素的影響。

（2）振動(dòng)能量采集：震動(dòng)能廣泛存在于橋梁、樓宇、車輛、機(jī)器、家電等場(chǎng)合，震動(dòng)能技術(shù)可以通過多種方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，如壓電轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和磁電轉(zhuǎn)換等。其中，靜電轉(zhuǎn)換方式是借助靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能；壓電轉(zhuǎn)換方式是通過壓電效應(yīng)發(fā)電，借助初始的電壓差進(jìn)行設(shè)備供電的能量轉(zhuǎn)換；磁電轉(zhuǎn)換方式通過振動(dòng)使導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生能量。

（3）熱能采集：熱能轉(zhuǎn)化一般基于熱電材料的賽貝克效應(yīng)，根據(jù)兩個(gè)不同導(dǎo)體接合處的溫度差而產(chǎn)生電壓。一些可穿戴設(shè)備在探索使用熱能采集技術(shù)，將人體作為發(fā)熱端，環(huán)境作為冷的一端，高低溫度之間的差值決定產(chǎn)生的能量大小。

（4）射頻能量采集：射頻能采集的能量可以來源于移動(dòng)通信基站、電視塔、WiFi路由器、微波爐等，我們每天被這些射頻信號(hào)包圍，可以隨時(shí)作為能量來源。其基本原理是通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電磁波能量的采集，本質(zhì)是將射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電壓，以有效地用于對(duì)感知節(jié)點(diǎn)負(fù)載電路的驅(qū)動(dòng)。

由于環(huán)境本身的特點(diǎn)，各類能量采集技術(shù)獲得的能量密度差別很大，以下為典型場(chǎng)景下四類環(huán)境能量的密度[2]。

表1 典型場(chǎng)景下環(huán)境能量密度

環(huán)境能量采集存在著很多技術(shù)挑戰(zhàn)，集中體現(xiàn)在能量微弱和隨機(jī)性明顯，尤其是大部分情況下僅有微瓦級(jí)的能量供應(yīng)，在這樣的條件下驅(qū)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集、通信和計(jì)算的穩(wěn)定工作是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。因此，除了采集外，也需要對(duì)這些微弱能量進(jìn)行有效管理，一般來說，能量采集系統(tǒng)的基本模塊包括三部分[3]：

換能部分：能量轉(zhuǎn)換器件從不同環(huán)境來源中獲取能量并轉(zhuǎn)化為電能，如熱電裝置轉(zhuǎn)化熱能、壓電元件轉(zhuǎn)化振動(dòng)動(dòng)能等；

電源管理部分：電源管理電路通常由穩(wěn)壓器組成，根據(jù)系統(tǒng)的要求對(duì)微弱能量進(jìn)行管理；

能量?jī)?chǔ)存部分：轉(zhuǎn)換的能量可以直接為感知節(jié)點(diǎn)供電，也可以被存儲(chǔ)到能量存儲(chǔ)單元中供將來使用，有利于持續(xù)性為感知節(jié)點(diǎn)供電。

其中，射頻能量雖然能量密度低，但由于傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需要借助射頻傳輸，借助環(huán)境射頻信號(hào)，可以同時(shí)解決能量獲取和信號(hào)傳輸調(diào)制兩個(gè)功能，因此成為無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)研究的重點(diǎn)。射頻能量采集研究經(jīng)歷了多年的探索，射頻能量的強(qiáng)度、能量轉(zhuǎn)換效率、供能穩(wěn)定性、系統(tǒng)兼容性等一直是其設(shè)計(jì)中最關(guān)注的問題，也給射頻能量采集帶來諸多挑戰(zhàn)。

2.2 反向散射通信技術(shù)

從環(huán)境獲取的能量可驅(qū)動(dòng)感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線通信，當(dāng)前主流的低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信芯片（如BLE、LoRa、NB-IoT）的收發(fā)功耗都在數(shù)十毫瓦甚至數(shù)百毫瓦級(jí)別，而環(huán)境能量采集獲取能量?jī)H有微瓦級(jí)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)這些類型節(jié)點(diǎn)工作，因此需要全新的無(wú)線通信技術(shù)，使通信能耗下降至數(shù)十微瓦甚至十微瓦以下，目前主流的方式采用反向散射通信技術(shù)。

反向散射通信是利用射頻信號(hào)反向散射原理，設(shè)計(jì)出極低功耗的調(diào)制與傳輸技術(shù)。反向散射通信最早由Stockman提出[4]，由于射頻信號(hào)到達(dá)物體表面時(shí)一部分會(huì)被反射，而發(fā)送節(jié)點(diǎn)按照擬發(fā)送信息調(diào)整接收天線和阻抗之間的匹配，增強(qiáng)對(duì)入射射頻信號(hào)的反射，并將自身獲取的感知數(shù)據(jù)調(diào)制到該反射信號(hào)上，完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送。這一過程類似于反光鏡，相對(duì)于其他通信技術(shù)，反向散射通信無(wú)需復(fù)雜的射頻結(jié)構(gòu)，減少功率放大器、高精度晶振、雙工器、高精度濾波器等器件使用，也不需要復(fù)雜的基帶處理[5]，因此，能夠簡(jiǎn)化終端設(shè)計(jì)，大幅降低終端節(jié)點(diǎn)成本。

反向散射通信已經(jīng)廣泛應(yīng)用于RIFD（射頻識(shí)別）系統(tǒng)中，形成很多規(guī)模化商用的案例。其工作原理是接收機(jī)（一般為RFID閱讀器）發(fā)送射頻激勵(lì)信號(hào)，激活無(wú)源節(jié)點(diǎn)（一般為RFID電子標(biāo)簽），電子標(biāo)簽利用反向散射通信將自身信息調(diào)制到該射頻信號(hào)上，閱讀器接收到無(wú)源電子標(biāo)簽的反射信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)信息傳輸（見圖2）。

圖2 傳統(tǒng)反向散射通信系統(tǒng)

不過，以RFID為代表的傳統(tǒng)反向散射通信技術(shù)存在多方面的不足，集中表現(xiàn)在：一方面，射頻激勵(lì)信號(hào)源和接收機(jī)位于同一設(shè)備中，導(dǎo)致發(fā)射和接收自干擾而限制通信距離；另一方面，該系統(tǒng)需要專用的射頻激勵(lì)信號(hào)來源，限制了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)部署的區(qū)域和場(chǎng)景。因此，業(yè)界提出了環(huán)境反向散射通信技術(shù)[6]，即利用周邊環(huán)境中廣泛存在的射頻信號(hào)，如蜂窩基站、WiFi路由器、電視塔等作為射頻信號(hào)來源，向無(wú)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，結(jié)合射頻能量采集技術(shù)，無(wú)源節(jié)點(diǎn)可以從環(huán)境射頻信號(hào)源獲取足夠能量，完成數(shù)據(jù)調(diào)制并主動(dòng)向接收機(jī)發(fā)送信號(hào)（見圖3）。通過這一設(shè)計(jì)，能夠顯著降低干擾和功耗，大幅提升通信距離。

圖3 環(huán)境反向散射通信系統(tǒng)

雖然環(huán)境反向散射通信是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最為理想的通信技術(shù)，但仍然存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，限制其大規(guī)模應(yīng)用。這些挑戰(zhàn)包括更加輕量級(jí)的調(diào)制和編碼技術(shù)、更高效的多址方式、更靈活的資源管理方式、更輕量協(xié)議棧、更輕量安全管理機(jī)制以及簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，每一項(xiàng)挑戰(zhàn)都需要投入大量資源進(jìn)行研發(fā)和工程化試驗(yàn)[5]。

以靈活的資源管理方式為例，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)面向的很多場(chǎng)景典型特點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)的海量、密集部署，例如在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中，大量的貨物需要頻繁在一個(gè)固定倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存、盤點(diǎn)，產(chǎn)生海量倉(cāng)儲(chǔ)信息，一般會(huì)將無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽貼在包裹或貨物上面，便于記錄、保存、更新貨物的信息。在這一場(chǎng)景下，智慧倉(cāng)儲(chǔ)管理要求通信技術(shù)支持批量讀取、寫入標(biāo)簽數(shù)據(jù)的能力，如在數(shù)秒內(nèi)完成數(shù)千乃至上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取上報(bào)，這種短時(shí)間、小范圍內(nèi)海量終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅瑢?duì)通信資源管理能力形成巨大壓力。資源管理設(shè)計(jì)中，一方面必須考慮所有無(wú)源節(jié)點(diǎn)身份如何快速識(shí)別，另一方面必須考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在有限信道的有序傳輸，從而避免數(shù)據(jù)碰撞和干擾。當(dāng)前，NB-IoT、LTE Cat M等成熟的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)無(wú)法支持這一要求，因此要求無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)在能源供給非常有限的前提下，變革資源管理方式。

2.3 低功耗計(jì)算技術(shù)

由于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要在終端側(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)單的資源管理、控制、編碼以及加密，因此也需要極低功耗的計(jì)算技術(shù)。這一領(lǐng)域主要集中在低功耗計(jì)算芯片的研究上，而低功耗計(jì)算芯片已形成階段性成果，具備很多成熟方案。例如，目前一些成熟的低功耗MCU（微控制單元）和傳感器芯片能夠達(dá)到微瓦級(jí)別的能耗，能夠?yàn)闊o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)提供支持，相應(yīng)的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案廠商也在低功耗計(jì)算領(lǐng)域深入研發(fā)，進(jìn)一步降低計(jì)算的功耗。

3.無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新和商業(yè)化進(jìn)展

嚴(yán)格來說，RFID是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)其中一個(gè)技術(shù)方向，也是截至目前商業(yè)化最為成果的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)態(tài)。不過，RFID存在的嚴(yán)重依賴專門閱讀器、有效通信距離短等短板，使其應(yīng)用場(chǎng)景非常受限。基于環(huán)境能量收集和環(huán)境反向散射技術(shù)的系統(tǒng)是未來無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心方向，各類無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的典型企業(yè)也主要是在這兩個(gè)方向上進(jìn)行創(chuàng)新和商業(yè)化。

3.1 環(huán)境能量采集：芯片化提供通用供能模塊

環(huán)境能量采集技術(shù)已有多年的商用化歷程，目前這一領(lǐng)域多家代表性的企業(yè)均通過芯片化的形式將其環(huán)境能量采集技術(shù)封裝起來，形成通用的供能模塊，為各類無(wú)源感知節(jié)點(diǎn)提供能源收集、儲(chǔ)存、管理的功能。

近兩年，能量采集技術(shù)的創(chuàng)新逐漸得到國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的認(rèn)可。例如，國(guó)內(nèi)一家名為飛英思特的廠商在環(huán)境能量采集技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，推出多款微能管理模塊產(chǎn)品，可以對(duì)微光能、射頻能量、壓電、溫差能進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、管理，為無(wú)源節(jié)點(diǎn)解決能量來源；海外也有多家典型企業(yè)，如Atmosic公司核心技術(shù)為受控能量收集，并基于藍(lán)牙5平臺(tái)，開發(fā)出超低功耗無(wú)源藍(lán)牙芯片；另一家名為Wiliot的廠商，借助射頻能量采集技術(shù)，將自供電管理單元與超低功耗藍(lán)牙MCU和傳感器接口集成到一個(gè)芯片上，借助其能量轉(zhuǎn)化和管理的效率，該芯片還配備存儲(chǔ)器和安全加密引擎，形成一款具備感知、計(jì)算和通信功能的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)器件。

在部分需要電池供電的場(chǎng)景，這一通用供能模塊的方案一定程度上替代了傳統(tǒng)的電池，給這些場(chǎng)景帶來了永久供電的方案，大幅降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)生命周期。例如，荷蘭一家名為Nowi的半導(dǎo)體廠商推出的能量采集芯片就與多家物聯(lián)網(wǎng)芯片廠商N(yùn)B-IoT解決方案合作，形成自供電NB-IoT平臺(tái)，通過其環(huán)境能量采集芯片為NB-IoT傳輸提供無(wú)限期的能量來源。

3.2 環(huán)境反向散射通信：從局域通信向廣域通信擴(kuò)展

相比于環(huán)境能量收集技術(shù)，環(huán)境反向散射通信技術(shù)的商用化進(jìn)程相對(duì)緩慢，目前有部分初步商業(yè)化。隨著無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)需求增加和相關(guān)技術(shù)的突破，環(huán)境反向散射通信從最初的僅有米級(jí)的局域通信距離，向著百米級(jí)甚至公里級(jí)的廣域通信距離擴(kuò)展。近年來的技術(shù)探索主要包括：

（1）基于WiFi的反向散射通信

美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員在2016年研發(fā)出一種全新的WiFi技術(shù)，稱之為Passive WiFi[7]。該技術(shù)基于反向散射通信，當(dāng)附近WiFi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)吸收射頻信號(hào)并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。Passive WiFi無(wú)源節(jié)點(diǎn)傳輸速率為1Mbps和11Mbps的數(shù)據(jù)時(shí)，所消耗的電量分別僅為14.5μW和59.2μW，只有正常WiFi節(jié)點(diǎn)電量消耗的萬(wàn)分之一，而且能夠?qū)崿F(xiàn)30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。

（2）基于LoRa的反向散射通信

同樣是美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，在一篇論文中闡述了其將反射調(diào)制技術(shù)擴(kuò)展到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)中[8]，研究人員利用了LoRa信號(hào)高靈敏度和擴(kuò)頻編碼技術(shù)，提升無(wú)源標(biāo)簽回傳能力，并與商用的LoRa設(shè)備兼容，形成基于LoRa的反射調(diào)制系統(tǒng)。在測(cè)試中，研究人員成功的從射頻源和接收器之間相隔475米的任何位置實(shí)現(xiàn)無(wú)源節(jié)點(diǎn)反射調(diào)制并回傳傳感器信息。若將無(wú)源節(jié)點(diǎn)與射頻源置于同一位置時(shí)，接收器最遠(yuǎn)可部署在2.8公里處，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的傳輸。在這個(gè)過程中，節(jié)點(diǎn)消耗的電量?jī)H為10μW級(jí)別，研究人員估計(jì)大規(guī)模使用后每一節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的成本僅為10-20美分。

（3）基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的反向散射通信

5G Advanced和6G系列技術(shù)中，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)已明確為其中方向之一。在5G和6G大規(guī)模蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施部署的基礎(chǔ)上，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擁有大量射頻來源，支持無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)大規(guī)模部署和集中控制。

2021年9月，3GPP RAN#93e全會(huì)期間討論了R18版本的候選課題，其中無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)就被多家代表提出。2021年12月召開的3GPP RAN#94e全會(huì)上，與會(huì)相關(guān)代表對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注點(diǎn)和技術(shù)反向進(jìn)行多輪深入討論[9]，其中反向散射通信就是重要候選技術(shù)。當(dāng)前，業(yè)界對(duì)6G的愿景、技術(shù)和場(chǎng)景討論中，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是6G時(shí)代的典型場(chǎng)景，反向散射技術(shù)為實(shí)現(xiàn)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)提供了可能[10]，而反向散射通信技術(shù)也與6G的很多候選技術(shù)融合，構(gòu)建綠色節(jié)能的下一代通信網(wǎng)絡(luò)[5]。

3.3 無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新和商用發(fā)展思考

近期，國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研各界對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注達(dá)到了一個(gè)新高度，組織了多場(chǎng)研討會(huì)。綜合近期動(dòng)態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)形成了以下趨勢(shì)：一是需求不斷提升，此前廣泛應(yīng)用RFID的領(lǐng)域，對(duì)于擺脫讀寫器、提升傳輸距離的新型無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)充滿期待，其他相關(guān)領(lǐng)域也高度關(guān)注，在物流、倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療、工業(yè)等行業(yè)形成潛在市場(chǎng)；二是融合性技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展，根據(jù)不同場(chǎng)景和環(huán)境條件，相關(guān)企業(yè)和研究人員設(shè)計(jì)多種靈活性技術(shù)組合，形成低成本、高效支持無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)部署，如根據(jù)不同環(huán)境條件，靈活調(diào)節(jié)能量采集技術(shù)和通信距離的方案；三是不同組織開始爭(zhēng)奪技術(shù)主動(dòng)權(quán)，在3GPP RAN全會(huì)討論中，多個(gè)代表提出3GPP陣營(yíng)現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法支持無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的愿景，需要進(jìn)一步增強(qiáng)3GPP陣營(yíng)在該領(lǐng)域的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)輸出，形成對(duì)其他技術(shù)組織的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

面對(duì)新型無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)帶來的廣闊市場(chǎng)前景，我國(guó)產(chǎn)業(yè)界應(yīng)及時(shí)布局，持續(xù)提升我國(guó)在該領(lǐng)域的實(shí)力。第一，積極進(jìn)行前沿技術(shù)研發(fā)，聚焦當(dāng)前無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)商用中面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，并積極參與3GPP等國(guó)際組織的標(biāo)準(zhǔn)制定，形成技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的“中國(guó)力量”；第二，積極推進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研合作，擴(kuò)大無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，尤其是在無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)芯片、讀寫設(shè)備、控制平臺(tái)等環(huán)節(jié)增加自主創(chuàng)新企業(yè)數(shù)量和比例，擺脫傳統(tǒng)RFID產(chǎn)業(yè)以代工為主的局面；第三，發(fā)揮中國(guó)廣闊市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，充分挖掘潛力，推進(jìn)規(guī)?；痉稇?yīng)用，并對(duì)傳統(tǒng)有源方案進(jìn)行部分替代。

4 結(jié)語(yǔ)

降低節(jié)點(diǎn)功耗一直以來是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最關(guān)心的話題之一，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擺脫電池依賴、實(shí)現(xiàn)持續(xù)供能提供新的思路。本文從有源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在海量連接部署中存在的短板出發(fā)，分析多個(gè)領(lǐng)域?qū)o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的需求、場(chǎng)景和連接規(guī)模，并重點(diǎn)對(duì)環(huán)境能量采集技術(shù)和反向散射通信技術(shù)等無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上整理了當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新和商業(yè)化的進(jìn)程。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)雖然目前仍處于商用初級(jí)階段，但這一領(lǐng)域已受到高度關(guān)注，隨著5G Advanced和6G研究的進(jìn)展，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)將成為支撐千億級(jí)連接規(guī)模的核心技術(shù)。

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