“萬物互聯”是IoT行業的終極理想，IoT Analytics統計當前全球活躍的IoT終端數量為123億臺，預計在2025年物聯網終端突破270億臺。想要實現更多數量的終端互聯，當前僅僅依靠NB-IoT、LoRa等LPWAN技術遠遠不夠。面對復雜的通信環境、多變的終端形態、聯網通信成本等問題，如何進一步提升終端覆蓋率，成為影響物聯網產業快速發展的關鍵點。

 隨著連接數量的暴增，物聯網終端的功耗、信號抗干擾問題成為技術突破的重要方向，當下自RFID技術衍生的無源物聯網概念也火熱起來。無源物聯網是指IoT終端的網絡節點無需外接“能量源”，而采用獲取環境能量進行供能的物聯網技術，這類技術被視為實現“千億級互聯”愿景的關鍵。

物聯網連接數量分布模型

 那么，究竟什么是無源？無源物聯網的發展現狀如何？無源物聯網的技術有哪些……帶著一系列問題，我們一起來看看吧！

何為無源？

 目前，無源技術顧名思義也就是沒有電源、能量源，與承載網的無源光網絡和無源波分的無源概念類似。因為包括工業物聯網在內的物聯網領域的部分場景對于低功耗的需求較為旺盛，加上雙碳計劃的逐步推行，目前無源技術應用較為熱門領域主要是集中在物聯網領域，可以稱為“無源物聯網”。

 需要指出的是，無源物聯網并不是網絡無源，而是終端節點無源，也就是說接入網絡終端節點設備不帶電源線和電池。但是芯片、傳感器、模組等節點設備始終都是要用電來收發信號的，所以準確來說這種無源技術實際上是需要獲取外部能量，例如太陽能、動能、熱能等，而且在智慧路燈、共享單車等領域已經開始應用上述能源形式。

 但是，今天所被熱議的無源物聯網更多的是指基于無線電磁能量捕捉技術，這項技術是通過互聯互通的終端利用采集網絡側發射過來的無線電波，捕捉和收集能量。

 以這種技術實現無源應用其實早已成熟，在工業和物流場景中已經大量應用，那就是RFID（射頻識別）技術。簡單來說，當標簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發出的射頻信號，產生感應電流，獲得能量。通過這點能量，標簽發送信息，實現與閱讀器的通信。

 不僅是RFID，在藍牙、WiFi等重要通信技術領域上，很多學術機構都已經做出相關技術模型。美國華盛頓大學電子工程學院層表示，通過對射頻信號的反射調制技術，可以實現無源設備供電和傳輸數據。他們正在研發除了Passive WiFi的無源技術，并進一步將該技術用于LoRa中，實現數百米長距離無源節點傳輸。

 2021年8月，華為常務董事、ICT產品與解決方案總裁汪濤也曾在會議上提出了面向5.5G的無源物聯網設想，希望5G網絡能夠實現無源物聯網。

無源物聯網的發展現狀

 無源物聯網最早是在軍事領域應用，后逐步滲透到工業、交通等民用商用領域，隨著新興數字標簽技術的出現，在RFID的基礎上，無源物聯網進一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術的無源互聯。無需電池供電即可聯網通信，是無源物聯網最大的優勢，憑借極低的部署和維護成本、靈活多變的應用場景，無源物聯網成為解決更廣范圍內終端供能需求的希望。

無源物聯網的研究主要依托這三類底層技術：

 首先是環境能量采集。無源物聯網標簽側設備不依賴電池或電源線供電，而是通過捕捉環境中的能量，轉化為電能使用，能量的來源可包括光能、熱能、動能、射頻等。太陽能是目前轉換效率最高的方案，電磁波在單一頻段下能量轉化效率可達到50%，在多頻段的復雜場景下只有1~2%，溫度差熱能采集對使用環境有要求，轉化效率低于10%。以下是幾種成熟的能量采集技術優缺點：

 其次是低功耗計算。無源物聯網終端運行時可利用的能量有限，這決定了驅動電路或芯片用于計算的功耗需求不能太高，目前成熟應用低功耗計算的MCU芯片一般功耗在 μW 級別。

 最后是依靠低功耗通信——“反向散射”實現數據通信。無源物聯網終端往往以低耗能的近距離低速率通信技術為主，更多依靠反向散射的方式反射接收到的射頻信號以傳輸數據。

 當前正處于無源技術革新的關鍵期，中國移動研究院IoT研究所認為無源物聯技術演進路徑可分為單點式無源1.0、組網式無源2.0、蜂窩式無源3.0三個階段，傳統RFID應用采取點對點近距離讀寫一體的架構，存在較強的自干擾和互干擾問題，主要應用在快銷品、倉儲領域。新型組網式無源2.0技術采取收發分離式系統，支持組網部署，解決干擾問題提升了接受距離，在一定程度上拓展RFID應用場景。

 在3.0階段,可以進一步發揮蜂窩網絡優勢，利用基站拓展通信距離，為更大范圍和更復雜場景的組網應用需求，如資產全生命周期管理提供可能。如2021年華為提出5.5G無源物聯網Passive IoT的方案構想，通過蜂窩網絡將RFID支持的場景傳輸距離由10米級擴大至百米級別，砍掉專用的讀寫器，使終端向蜂窩網關節點進行自我回傳。

 憑借零功耗、小體積等優勢，無源物聯網可以在工業傳感器、智能交通、智慧物流、智能倉儲、智慧農業、智慧城市、能源領域等產業物聯網領域以及智能穿戴、智能家居、醫療護理等消費物聯網領域有廣泛的應用前景。

 典型場景如工業傳感器領域要實現工業自動化、環境傳感、安全監控等場景應用，需要在復雜危險環境布置大量的傳感器節點，成本低、功耗低、體積微小是該領域對通信設備的基本要求，無源物聯網可以通過能量采集和反向散射等技術，延長傳感器節點的生命周期，降低維護成本。

 又如物流倉儲、商超零售行業要對海量非昂貴物品進行智能管理，給物品賦予聯網通信的能力。當前如零售類標簽的成本已低至三毛錢，物流類標簽有望降低至一毛錢左右。在頻繁運轉的場景中使用無源物聯網技術可以節省大量的硬件成本、供電成本與人力管理成本，顯著提高物流與倉儲管理效率。

6類無源IoT技術的優勢和應用

 從技術成熟度上看，無源物聯網技術可分為以RFID、NFC為代表的成熟應用，與以采集Wi-Fi、藍牙、5G、LoRa等為能量供電的理論研究路線兩大類。

1、基于RFID的無源物聯網

 RFID技術是我們最為熟悉、應用最廣泛的無源物聯網技術，其原理非常簡單。當RFID標簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發出的射頻信號，產生感應電流，獲得能量。通過收集的能量，標簽通過內置天線發送信息，實現與閱讀器的通信。

 作為無源物聯網底層核心技術，RFID技術應用在倉儲物流、智慧零售、智能制造、服裝管理、智慧醫療、航空運輸等需要識別管理的千百行業，這些數量龐大的物理終端都可以成為千億物聯網的覆蓋節點。根據AIoT星圖研究院統計分析，在2021年，僅UHF RFID的全球出貨量就到達了230億左右，加上低頻和高頻，全球當年無源RFID的總出貨量接近300億。

 憑借成本優勢，RFID是千億級無源物聯網技術當下的最優解決方案，但也存在傳輸數據儲存數量小、相比藍牙、NFC、5G技術和手機互動性差的局限性。在不同的場景需要結合其他的無源物聯網技術滿足應用空間。

 5月10日，AIoT星圖研究院調研了超過100家RFID無源物聯網各個頻段與各個產業鏈環節的代表企業與行業專家，完成了中國RFID無源物聯網市場調研報告 （2022 版）-物聯網新聞頻道-AIoT庫。

2、基于NFC的無源物聯網

 NFC（近場通信技術）是一種短距離高頻無線通信技術，屬于高頻RFID技術的變種，可以實現設備在10cm內的非接觸式數據交換。不同于RFID，NFC是高集成單體芯片，價格相對昂貴，主要用于安全性較高的信息傳輸場景，常用于交通、門禁、手機支付等功能。

3、基于藍牙的無源物聯網

 BLE低功耗藍牙我們并不陌生，無需供電也可完成感知、存儲和通信的無源藍牙低功耗傳感器標簽也已成功面市，該標簽通過收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并借助這些能量發送標簽唯一標識碼的數據以及傳感器讀數。

 這是來自以色列的Wiliot公司的產品Wiliot IoT Pixels，通過捕捉4G/5G、Wi-Fi、Zigbee、LoRa等微弱信號供電，再將數據回傳云平臺，這款標簽不需要外加電池，尺寸僅郵票大小，能便捷地粘貼在各種物品之上，目前應用在疫苗瓶、食品包裝等消費生產和零售場景中。

4、基于Wi-Fi的無源物聯網

 美國華盛頓大學的研究人員在2016年研發出一種Passive Wi-Fi技術，Passive Wi-Fi無源節點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5?W和59.2?W，能夠實現30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。

 這種方案設計原理類似RFID芯片，利用射頻信號的后向反射通信技術，當附近Wi-Fi路由器發射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯網節點吸收射頻信號并調制天線反射系數，將傳感器信息傳遞出去。

5、基于5G/6G蜂窩的無源物聯網

 華為ICT總裁汪濤認為，當前大量的物聯應用基于無源連接，通過網絡化技術提升無源物聯的識別率、覆蓋范圍、定位精度，是5G網絡未來的演進創新方向。蜂窩信號是環境中最廣泛的無線射頻信號之一，實現無源的核心難點有兩個，第一是如何獲取能量，另一個在于如何實現長距離回傳，尤其是后者保持高效通信的難度更大。無源終端通過各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過長，信號會快速衰減。

 目前在實驗室階段最先進的技術，已經可以做到在180米的范圍內，收集特定頻段的5G射頻能量，采集到約6?W的電力。

6、基于LoRa、NB-IoT的無源物聯網

 LoRa、NB-IoT等LPWAN終端本身就將低功耗作為核心技術，無源化是功耗研究的升級方向。

 在2021年日本村田公司與Nowi公司合作推出無電池LoRa方案參考平臺，使用村田的LoRa模塊再加上Nowi的能量采集電源管理（PMIC）芯片供給能量。這類無源方案大多是模組廠商和能源芯片企業定制合作，推出兼容LoRa/NB-IoT模組的模塊，采用線性擴頻技術提升回傳能力，借助反射調制系統來實現永久供能。

 以上種種新型無源技術，很多處于實驗室研究階段，也有如藍牙方案已經開始投入商用。一旦大規模商業化應用，無源物聯網不僅能優化資源配置、提升效率，在疫情持續影響 “遠程經濟”發展之下，甚至對工業環境的組織形態和產業形態產生顛覆性的影響。

無源通信技術展望

 在IoT技術的演進中，零功耗通信、無源化是一個關鍵且長期的目標，當前雖然受制于通信技術發展、商用成本、應用場景定制化等因素，RFID之外的商用方案還不成熟，但國內外已經出現了一批基于光伏、藍牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、5G為研究的創新企業，逐步建立生態，在更多應用中搭載低功耗無源的連接網絡。以下是針對無源物聯網技術發展的幾點愿景：

 1、更豐富的無源標簽功能。當前無源標簽功能單一，亟需開發融合識別、感知、定位、通信等多功能于一體的無源標簽，以便未來在生產制造、倉儲物流、醫療健康等行業廣泛應用。

 2、更成熟的“開源節流”技術。反向散射技術目前處于商業化早期，其通信距離、吞吐量、安全性等方面尚不完善，能夠應用的場景相對有限。未來，要實現更成熟的、大規模的無源物聯網商業應用，需要在提升能量利用率、提升系統通信效率、升級安全保障機制這三個方向。

 3、統一的通用協議標準。無源物聯網作為一種新型通信技術，有望作為下一代通信網絡技術標準與6G深度融合，成為加更加智能高效的通信標準。

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