专家说：无源物联网热潮已起，会带来多大的想象空间？
导语
万物互联时代，物联网正向着更广阔的应用场景迅速扩展，更加节能甚至无源的物联网技术成为重要发展方向，业界对于无源物联网的连接预期是千亿级的量。本期移动Labs邀请了中国移动研究院物联网技术与应用研究所前沿技术研究员李源，与大家探讨无源物联网技术演进突破及发展趋势。
什么是无源物联网？无源物联网技术具有什么典型特性？
李源无源物联网指的是利用反向散射技术及环境能量采集技术，将周围可利用的信号与能量转化为可驱动自身电路的电能，同时利用以反向散射为核心的通信模式实现向目标节点传递信息的技术。
无源物联网技术最显著的特征是无“源”，利用环境中的射频能、太阳能、机械能等对自身供能；另一个特性是“被动通信”，传统通信由发射端主动产生电磁波，而无源通信为降低功耗，采用反向散射通信，即在有激励信号的前提下，将信息搭载在反射电磁波上完成信息传输。
正因为以上两大特性，使得无源物联网技术优势明显，一是功耗优势，无源物联摆脱了传统电池的束缚，极大解决了终端维护的问题；二是成本优势，目前零售类标签已经低至三毛钱，物流类标签甚至有望降至一毛钱左右，无源物联将是打开千亿连接市场的第一把钥匙。三是部署优势，终端节点尺寸极小，能够适用于各种复杂环境，且部署门槛低，标签贴装方便，用户使用非常方便。有了以上低功耗、低成本、易部署的优势保障，无源物联在众多技术中脱颖而出。
作为迈向千亿链接的关键技术，“无源化”成为了第一要素，因此能量的采集成为了无源物联的关键核心，当前有哪些较为成熟的能量采集技术？主要应用于哪些领域？有哪些技术挑战？
李源无源物联网的无源主要针对的是标签侧，因此标签侧的采能技术成为了关键核心，目前产业内较为普遍的环境能量源主要有太阳能，电磁能，热电能及振动能等。
能量采集技术方面主要有能量转换效率及功率密度两方面重点考量因素，其中光伏发电技术自20世纪初发展至今，技术体系已较成熟，光源稳定情况下，供能功率可高达20mw/cm3，是目前能量转换效率及功率密度最高的方案。可通过柔性太阳能薄膜与标签集成，应用于室外场景下，如畜牧业等。
电磁能技术也称射频能采集技术，单一频段下，能量转化效率为50%左右，多频段输入的复杂场景下，整体的转化效率只有1~2%。由于天线限制、传输能量损耗，能量转换效率仅为0.1uW/cm3。可通过集成强化天线进一步增强射频信号的接收功率，服务于物流全生命周期管理等应用。
热电能采集技术在存在冷热源温差的情况下可辅助提供能量，如人体、深海等环境。大部分情况下需要提供额外冷源，对使用环境有要求，且转化效率一般都低于 10%，能量密度为15μW/cm3左右，导致输出功率难以满足需求。
振动能在环境中普遍存在，但振动频率不稳定的情况下，输出功率不稳定，应用场景受限，可考虑应用于存在稳定振动特性的环境中，如工厂环境下采集工业设备振动能，为标签提供能量。
聚焦无源物联网，中国移动研究院提出无源物联单点式架构、组网式架构、蜂窝式架构三个演进阶段。请问架构演进的思路是怎样的？架构的演进带来了哪些技术升级？
李源随着无源物联技术应用的不断扩展，其应用场景从快消品、物流逐渐向工业、能源、交通、医疗等各个行业拓展。场景的不断拓展对技术提出了更高要求，如何实现自动化管理、提升识别率、提供标签定位能力，逐渐成为业界研究的热点。因此为满足无源物联在覆盖、可靠性、系统效率、功能拓展方面取得突破，需要实现技术的迭代演进。因此，我们在分析了行业的典型需求后，联合产业共同提出了无源物联三阶段的发展路径。
以单点式架构为主的无源1.0阶段，在传统RFID基础上，对读写器及标签性能进一步迭代提升。该阶段主要依赖现有无源产业链的技术升级；
以组网式架构为主的无源2.0阶段，将激励器和接收器分离，有助于提升通信距离、提升物品识别率，并支持组网部署，优化系统效率。该阶段和1.0阶段紧密兼容，便于产业的平滑演进；
以蜂窝式架构为主的无源3.0阶段，无源物联技术与蜂窝通信技术融合，利用基站实现对无源标签的激励和感知，借助蜂窝网络上下行干扰抑制、优化编码调制方式、实时资源调度等优势，进而提供“全程全网”的连接服务，为设备提供崭新的连接方式。
目前越来越多形态的无源物联网技术开始流向市场，基于蜂窝网络的无源物联网也被提出。请您介绍一下，无源物联与蜂窝通信技术融合，优势有哪些？有哪些关键技术支撑要点？
李源蜂窝信号作为环境中分布最为广泛的无线射频信号之一，以蜂窝信号作为无源标签的激励信号能够在保障能量连续性的同时，很好的解决环境反向散射系统中鲁棒性差、系统彼此孤立的问题。同时，蜂窝网络具有良好的网络覆盖与优质的通信性能，随着蜂窝网络的不断优化革新，将5G 与无源物联网系统进行结合，将充分发挥蜂窝网络优势，实现密集组网，抑制互干扰，增强运维管理能力，同时还可进一步提升通信距离，成为目前无源物联网技术发展的重要方向。
无源物联网的核心关键技术研究主要围绕能量受限下的可靠通信展开，从能量利用及高效通信两个维度支持“无源”的实现。因此，在蜂窝无源技术体系下，也同样围绕能量利用和高效通信展开。
能量利用方面，为应对行业内多种场景需求，确保在不同环境下的供能，包括环境反向散射技术、环境能量采集技术，目前业界主要的研究方向有多天线技术、复合能量收集、能量利用率优化技术等。
高效通信方面，以提升信息传输效率为目的，通过高效的调制、编码方式、更准确的信道评估机制、合适的接入方式等方式实现通信的性能优化。此外，新的运营模式，以及商用模式的探索也同样是蜂窝无源技术能否真正服务于行业应用的关键要点之一。
在物联网推进过程中，“无源化”是重要方向之一。无源技术背后有多大想象空间？目前无源通信技术发展还存在哪些挑战？未来将如何取得突破？
李源目前，无源物联网通信系统的研究处于演进探索阶段，仍有诸多方面值得进一步深入挖掘。
一是进一步提升能量利用率。通过“开源节流”，一方面增大能量的采集输入，另一方面就是需要降低电路自身的能耗，这一点除高效的能量管理电路外，需要从电路设计入手，进一步提升系统集成度，降低因硬件冗余造成的能量损失。
二是提升系统通信效率。在能量充足的情况下，我们可以通过各种优化手段实现高性能的通信，但无源物联系统受限于能量，因此我们需要在低功耗的前提下研究通信效率提升的方案，比如研究低复杂度高可靠性的同步方案，有效提升无源物联系统同步精度，是未来面向大规模盘存场景的重要解决方案之一。
三是升级安全保障机制。由于大多数安全攻击可以通过加密有效解决，但目前主流加密算法的密钥开销对无源物联网系统来说太过庞大。因此，研究以低功耗加密算法是无源物联网领域未来的发展方向之一。
面向未来，无源物联网通信作为一种新型通信技术，有望与6G通信网络深入融合，助力构建绿色节能、智能高效的下一代移动通信网络。
无源物联网的热潮已然掀起，中国移动对于推动无源物联技术创新与应用创新有何思考和探索？接下来在合作生态上有哪些布局计划？
李源无源物联的发展离不开产业的协同，中国移动将携手产业各方，共同推动无源物联技术创新、产品研发和应用拓展。
➤ 在技术创新方面，通过国家自然科学基金、高校载体、联合实验室等形式，加强与高校、企业的技术合作，夯实感知、通信、计算、智能等核心技术，并加速3GPP国际标准、CCSA国内标准制定，实现技术突破、标准先行。
➤ 在产品研发方面，联合产业界，共同开展标签、芯片、设备、平台、仪表等无源物联全链条系统研发，积极开展面向应用场景的技术试验，在实际应用中不断优化迭代。
➤ 在应用创新方面，在仓储、物流、工业、交通、能源等领域打造一批标杆示范，推动市场化落地应用，完善全程全网的业务服务模式，构建无源物联产业新生态。其中，在合作生态方面，中国移动愿依托产业需求，联合产、学、研、用各方资源，拟成立无源物联网技术联合创新中心，支持政策完善，促进标准成熟，构建合作平台，牵引技术方向，推动应用落地，加速产业发展。
中国移动研究院-
物联网技术与应用研究所前沿技术研究员
主要从事无源物联网、车联网无线通信技术研究及标准化推进等工作。
《专家说》是移动Labs联合中国移动研究院共同打造的，由研究院专家对通信行业科技热点进行深度解读的系列专题，敬请关注。
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