随着物联网技术的使用和发展，越来越多的产品和服务接入到物联网系统中，产生的能耗问题也是越来越受到人们的关注。

物联网设备需要部署在设备现场，通过有线或者无线的方式实现工厂组网和实时的数据传输，因此，保证物联网设备的能源供电十分重要，所以“无源物联网”概念被提出来。

无源物联网其实很容易理解，就是指没有电源、能量源的物联网系统。从硬件设备的层次来讲，无源物联网设备是指不带电源线、没有内置电池，而是通过过环境中获取能源的物联网设备，如光、无线电波，从而减少能耗保证数据的实时采集传输。

1、零功耗无源物联网 助力千亿终端互联互通

无源物联网最早是在军事领域应用，后逐步渗透到工业、交通等民用商用领域，随着新兴数字标签技术的出现，在RFID的基础上，无源物联网进一步延伸拓展至 Wi-Fi、蓝牙、UWB、LoRa、5G等蜂窝/非蜂窝技术的无源互联。无需电池供电即可联网通信，是无源物联网最大的优势，凭借极低的部署和维护成本、灵活多变的应用场景，无源物联网成为解决更广范围内终端供能需求的希望。

无源物联网的研究主要依托这三类底层技术：

首先是环境能量采集。无源物联网标签侧设备不依赖电池或电源线供电，而是通过捕捉环境中的能量，转化为电能使用，能量的来源可包括光能、热能、动能、射频等。太阳能是目前转换效率最高的方案，电磁波在单一频段下能量转化效率可达到50%，在多频段的复杂场景下只有1~2%，温度差热能采集对使用环境有要求，转化效率低于10%。以下是几种成熟的能量采集技术优缺点：

其次是低功耗计算。无源物联网终端运行时可利用的能量有限，这决定了驱动电路或芯片用于计算的功耗需求不能太高，目前成熟应用低功耗计算的MCU芯片一般功耗在 μW 级别。

最后是依靠低功耗通信——“反向散射”实现数据通信。无源物联网终端往往以低耗能的近距离低速率通信技术为主，更多依靠反向散射的方式反射接收到的射频信号以传输数据。

当前正处于无源技术革新的关键期，中国移动研究院IoT研究所认为无源物联技术演进路径可分为单点式无源1.0、组网式无源2.0、蜂窝式无源3.0三个阶段，传统RFID应用采取点对点近距离读写一体的架构，存在较强的自干扰和互干扰问题，主要应用在快销品、仓储领域。新型组网式无源2.0技术采取收发分离式系统，支持组网部署，解决干扰问题提升了接受距离，在一定程度上拓展RFID应用场景。

在3.0阶段,可以进一步发挥蜂窝网络优势，利用基站拓展通信距离，为更大范围和更复杂场景的组网应用需求，如资产全生命周期管理提供可能。如2021年华为提出5.5G无源物联网Passive IoT的方案构想，通过蜂窝网络将RFID支持的场景传输距离由10米级扩大至百米级别，砍掉专用的读写器，使终端向蜂窝网关节点进行自我回传。

凭借零功耗、小体积等优势，无源物联网可以在工业传感器、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等产业物联网领域以及智能穿戴、智能家居、医疗护理等消费物联网领域有广泛的应用前景。

典型场景如工业传感器领域要实现工业自动化、环境传感、安全监控等场景应用，需要在复杂危险环境布置大量的传感器节点，成本低、功耗低、体积微小是该领域对通信设备的基本要求，无源物联网可以通过能量采集和反向散射等技术，延长传感器节点的生命周期，降低维护成本。

又如物流仓储、商超零售行业要对海量非昂贵物品进行智能管理，给物品赋予联网通信的能力。当前如零售类标签的成本已低至三毛钱，物流类标签有望降低至一毛钱左右。在频繁运转的场景中使用无源物联网技术可以节省大量的硬件成本、供电成本与人力管理成本，显著提高物流与仓储管理效率。

2．无源物联网创新和商业化进展

严格来说，RFID是无源物联网其中一个技术方向，也是截至目前商业化最为成果的无源物联网的业态。不过，RFID存在的严重依赖专门阅读器、有效通信距离短等短板，使其应用场景非常受限。基于环境能量收集和环境反向散射技术的系统是未来无源物联网发展的核心方向，各类无源物联网领域的典型企业也主要是在这两个方向上进行创新和商业化。

2．1 环境能量采集：芯片化提供通用供能模块

环境能量采集技术已有多年的商用化历程，目前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技术封装起来，形成通用的供能模块，为各类无源感知节点提供能源收集、储存、管理的功能。

近两年，能量采集技术的创新逐渐得到国内外市场的认可。例如，国内一家名为飞英思特的厂商在环境能量采集技术上进行创新，推出多款微能管理模块产品，可以对微光能、射频能量、压电、温差能进行采集、转换、管理，为无源节点解决能量来源；海外也有多家典型企业，如Atmosic公司核心技术为受控能量收集，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，借助射频能量采集技术，将自供电管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，借助其能量转化和管理的效率，该芯片还配备存储器和安全加密引擎，形成一款具备感知、计算和通信功能的无源物联网器件。

在部分需要电池供电的场景，这一通用供能模块的方案一定程度上替代了传统的电池，给这些场景带来了永久供电的方案，大幅降低维护成本，延长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解决方案合作，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来源。

2．2 环境反向散射通信：从局域通信向广域通信扩展

相比于环境能量收集技术，环境反向散射通信技术的商用化进程相对缓慢，目前有部分初步商业化。随着无源物联网需求增加和相关技术的突破，环境反向散射通信从最初的仅有米级的局域通信距离，向着百米级甚至公里级的广域通信距离扩展。近年来的技术探索主要包括：

（1）基于WiFi的反向散射通信

美国华盛顿大学电子工程学院的研究人员在2016年研发出一种全新的WiFi技术，称之为Passive WiFi［7］。该技术基于反向散射通信，当附近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，将传感器信息传递出去。Passive WiFi无源节点传输速率为1Mbps和11Mbps的数据时，所消耗的电量分别仅为14．5µW和59．2µW，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的反向散射通信

同样是美国华盛顿大学电子工程学院的研究团队，在一篇论文中阐述了其将反射调制技术扩展到远距离传输的系统中［8］，研究人员利用了LoRa信号高灵敏度和扩频编码技术，提升无源标签回传能力，并与商用的LoRa设备兼容，形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中，研究人员成功的从射频源和接收器之间相隔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同一位置时，接收器最远可部署在2．8公里处，实现了远距离的传输。在这个过程中，节点消耗的电量仅为10µW级别，研究人员估计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信

5G Advanced和6G系列技术中，无源物联网已明确为其中方向之一。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来源，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全会期间讨论了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技术反向进行多轮深入讨论［9］，其中反向散射通信就是重要候选技术。当前，业界对6G的愿景、技术和场景讨论中，无源物联网被认为是6G时代的典型场景，反向散射技术为实现无源物联网提供了可能［10］，而反向散射通信技术也与6G的很多候选技术融合，构建绿色节能的下一代通信网络［5］。

2．3 无源物联网创新和商用发展思考

近期，国内产学研各界对无源物联网的关注达到了一个新高度，组织了多场研讨会。综合近期动态，不难发现无源物联网形成了以下趋势：一是需求不断提升，此前广泛应用RFID的领域，对于摆脱读写器、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；二是融合性技术应用快速发展，根据不同场景和环境条件，相关企业和研究人员设计多种灵活性技术组合，形成低成本、高效支持无源物联网部署，如根据不同环境条件，灵活调节能量采集技术和通信距离的方案；三是不同组织开始争夺技术主动权，在3GPP RAN全会讨论中，多个代表提出3GPP阵营现有的技术无法支持无源物联网的愿景，需要进一步增强3GPP阵营在该领域的技术和标准输出，形成对其他技术组织的竞争优势。

面对新型无源物联网带来的广阔市场前景，我国产业界应及时布局，持续提升我国在该领域的实力。第一，积极进行前沿技术研发，聚焦当前无源物联网商用中面临的主要技术难点，进行技术攻关，并积极参与3GPP等国际组织的标准制定，形成技术和标准的“中国力量”；第二，积极推进政产学研合作，扩大无源物联网产业生态，尤其是在无源物联网芯片、读写设备、控制平台等环节增加自主创新企业数量和比例，摆脱传统RFID产业以代工为主的局面；第三，发挥中国广阔市场优势，充分挖掘潜力，推进规模化示范应用，并对传统有源方案进行部分替代。

文章来源： 物联网智库 ，物通博联，慕白