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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，传统供电方式无法满足需求，无源物联网成为有效解决方案，也将成为未来5GAdvanced和6G技术体系中的重要组成部分。本文通过对无源物联网的需求和场景进行研究，分析无源物联网核心技术，并梳理了无源物联网商业化创新的进展，系统性总结了当前无源物联网的技术和产业发展趋势，为业界在这一领域的研究提供参考。
0引言
随着物联网技术与各行业深入融合，物联网连接规模增长迅速。年底，全球物联网连接数达到亿，首次超越了包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑以及固定电话在内的非物联网连接数，预计到年连接数将超过亿[1]。
过去10余年，降低终端节点功耗一直是物联网核心研究方向之一，催生了多项创新技术并形成相关标准。在蜂窝物联网领域，第三代移动通信标准化组织（3GPP）针对LTE的优化和剪裁，形成了LTECat1、LTECatM以及NB-IoT标准，5GR17版本标准中引入了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等标准支撑了大量低功耗终端快速接入，WiFi、蓝牙等均开发低功耗技术来支持物联网发展，如WiFi联盟推出的WiFiHalow标准。
以上各类低功耗的技术和标准，支持海量物联网的接入，成为满足大连接的主力，业界已经形成共识。不过，现有低功耗物联网技术大部分需普通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，这并不符合低碳经济的要求，同时，现有技术无法满足很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效手段。
1.对无源物联网的需求
万物互联的愿景首先需要对物理世界进行有效感知，广泛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明显限制，需要免电池的无源物联网方案。目前，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技术所能支持的节点数。因此，无源物联网将成为支撑更大规模连接的主力。
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给能量，而这些有源传感节点面对很多海量部署场景时，其弊端逐渐暴露，多方面痛点制约了物联网向着更广阔场景的扩展。
（1）低碳经济的要求
从低碳环保角度看，若未来大部分传感器节点都采用电池作为能量源，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，因此业界需要发展绿色物联网技术，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，无线传感网络的部署具有重要意义，但这些场景往往不适合供电或更换电池，主要包括两类环境：一类是人们很难长期活动的场所，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、敌情侦查等产生至关重要的作用，然而这些场所分布地域广且往往人迹罕至，无线传感节点若采用电池供电，电量耗尽后对其补充能量的成本极高；另一类是相对恶劣的工作环境，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，不利于对传感节点进行电池更换。
（3）极低成本的限制
近年来，虽然低功耗广域网络（LPWAN）的快速发展，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，进一步下降的空间非常有限。随着物联网应用场景的扩展，一些低价值物品的场景也产生了连接的需求，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，这就要求传感和通信模组能够做到极低成本。在实践中，需要在保持感知和通信性能基础上，对原有节点进行大幅裁剪，减少多个器件的使用，才能实现成本的实质性下降，电池也将成为裁剪的对象。
（4）终端尺寸的限制
在很多场景中，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非常严苛，对电池和其他器件的剪裁能够明显减少终端体积；又如，在物流和仓储管理中，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进行电池供电。
这些相应的痛点存在，需要无线传感节点在其生命周期内可以满足免维护、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
过去几年，物联网从业者对物联网节点的三个不同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5GeMBB、4GCat.4+、WiFi6等技术来承载，中速物联目前主要通过4GCat.1、3G、2G等技术来承载，低速物联主要由NB-IoT、LoRaWAN、BLE等技术来承载，不同速率同时也对应不同功耗等级，形成明显的三大类场景，也面对三类不同量级的物联网连接数。
业界比较熟悉的低速物联标准NB-IoT、LoRaWAN、BLE等可以支撑百亿级连接，中速和高速物联标准能够带来的连接规模远低于低速物联连接规模。在以上三类物联网场景基础上，无源物联这一类别将成为千亿级物联网连接场景的主要来源（见图1）。
图1不同分类档物联网连接规模
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、产品外包装、仓库货物盘点等需要联网的场景，构成了千亿级无源物联网节点的基础。OPPO研究院发布的《零功耗通信白皮书》中，总结了无源物联网工业传感器网络、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等应用以及面向个人消费者的智能穿戴、智能家居以及医疗护理等方面的应用。目前，一些企业已经实现无源物联网小范围落地，包括物流仓储管理、药品追踪等场景。
以物流为例，国家邮*局发布数据显示，年全年，我国快递业务量达亿件，同比增长29.9%，包裹数量占全球一半以上。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效追踪，则这一领域每年就能实现海量连接。
2.无源物联网主要技术
无源物联网主要是通过能量采集、反向散射通信、低功耗计算三方面技术来实现。其中，能量采集和反向散射通信是无源物联网方案实现的必选技术，部分简单的方案主要是实现传感器数据直接上传，不一定需要太多计算资源，因此本节主要讨论前两个技术。
2.1能量采集技术
无源物联网系统并不意味着无需能量供给就能工作，而是基于自供能的设计，形成长期稳定的能量来源驱动传感器节点感知和通信。自供能主要是通过环境能量采集技术来实现，外界环境中存在着很多能量来源，能量采集技术将其采集并转化为可供传感节点工作的能量，也满足低碳经济的要求。主要的能量采集技术包括：
（1）环境光能采集：太阳能是最为常见的环境光能，环境光能量采集技术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，为未来能源结构变化做出贡献。当然，环境光能采集的局限性非常明显，对光能量收集的强度往往受时间、天气等外界因素的影响。
（2）振动能量采集：震动能广泛存在于桥梁、楼宇、车辆、机器、家电等场合，震动能技术可以通过多种方式进行能量转换，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，借助初始的电压差进行设备供电的能量转换；磁电转换方式通过振动使导体切割磁感线产生能量。
（3）热能采集：热能转化一般基于热电材料的赛贝克效应，根据两个不同导体接合处的温度差而产生电压。一些可穿戴设备在探索使用热能采集技术，将人体作为发热端，环境作为冷的一端，高低温度之间的差值决定产生的能量大小。
（4）射频能量采集：射频能采集的能量可以来源于移动通信基站、电视塔、WiFi路由器、微波炉等，我们每天被这些射频信号包围，可以随时作为能量来源。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，以有效地用于对感知节点负载电路的驱动。
由于环境本身的特点，各类能量采集技术获得的能量密度差别很大，以下为典型场景下四类环境能量的密度[2]。
环境能量采集存在着很多技术挑战，集中体现在能量微弱和随机性明显，尤其是大部分情况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、通信和计算的稳定工作是一项巨大的挑战。因此，除了采集外，也需要对这些微弱能量进行有效管理，一般来说，能量采集系统的基本模块包括三部分[3]：
换能部分：能量转换器件从不同环境来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；
电源管理部分：电源管理电路通常由稳压器组成，根据系统的要求对微弱能量进行管理；
能量储存部分：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将来使用，有利于持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能，因此成为无源物联网研究的重点。射频能量采集研究经历了多年的探索，射频能量的强度、能量转换效率、供能稳定性、系统兼容性等一直是其设计中最
