零功耗通信技術使用射頻能量采集、反向散射和低功耗計算等關鍵技術，通過采集空間中的無線電波獲得能量以驅動終端工作，因此零功耗通信有望實現免電池終端，滿足超低功耗、極小尺寸和極低成本的物聯網通信需求。
現有物聯網技術如 MTC、NB-IoT 等技術雖然實現了物聯網終端的低成本、低功耗和大連接，進而滿足了眾多場景下的物聯網通信需求，但仍有較多的物聯網通信場景需要超低功耗甚至零功耗、超低成本、極小尺寸等特性的物聯網終端形態才能滿足。
零功耗通信技術使用射頻能量采集、反向散射和低功耗計算等關鍵技術，通過采集空間中的無線電波獲得能量以驅動終端工作，因此零功耗通信終端可不使用常規電池。進一步地，零功耗通信技術還可采用反向散射和低功耗計算技術使得終端實現極其簡單的射頻和基帶電路結構，從而極大降低了終端的成本、尺寸和電路能量功耗。因此，零功耗通信有望實現免電池終端，滿足超低功耗、極小尺寸和極低成本的物聯網通信需求。
相對于現有的 MTC、NB-IoT 以及 RedCap 等技術，零功耗通信在終端的功耗、終端尺寸以及終端成本等方面優勢盡顯。例如，從功耗上有望將終端功耗從 NB-IoT 終端的數十毫瓦降低至幾十微瓦甚至數微瓦；從成本上有望將終端通信模組成本從上述技術中最便宜的 NB-IoT 終端的十幾元降低至 1 元甚至更低。
因此，基于上述與其他物聯網技術明顯的差異化特性，零功耗通信技術有望成為下一代物聯網技術的重要候選技術，實現與現有物聯網通信技術的良好互補，從而滿足多層次多維度的物聯網通信需求。
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零功耗通信趨勢明顯自供電“黑科技”解析
零功耗設備主要結合射頻能量采集技術、反向散射技術和低功耗運算技術，以實現設備節點不攜帶供電電池的優勢。終端通過能量采集方式獲得驅動自身工作的能量。采用低功耗計算和反向散射技術實現信號的解調和調制。
零功耗通信基本原理圖
其中，射頻能量采集的核心是將射頻能量轉化為直流，能量可以存儲在儲能單元（如電容）里，也可以采集后直接用于驅動邏輯電路、數字芯片或傳感器件等，完成對反向散射信號的調制和發射以及傳感信息的采集與處理等功能。
射頻能量采集
射頻能量采集的基本原理是通過電磁感應實現對空間電磁波能量的采集。射頻能量采集的本質就是將射頻能量轉化為直流電壓（RF-DC）。應用于零功耗通信中，射頻采集能量的核心需求是將采集到的能量有效地用于對負載電路的驅動（低功耗運算、傳感器等），以實現免電池的通信。
輸入功率與能量轉換效率的關系圖
射頻能量采集電路的研究經歷了很多年的發展探索，提升效率一直是電路設計中最關注的問題。從射頻能量到直流電源的轉換，不同電路設計和工藝對效率的影響較大。整流器的恰當使用可以讓射頻能量更好地轉化為穩定的直流電壓（RF-DC），而一般輸出電壓較低時還需要進一步地直流轉換升壓（DC-DC），以產生可供驅動數字邏輯電路的電壓水平。電壓調節器和電壓監控器也是常用到幫助升壓和穩壓的器件，常使用級聯二極管 - 電容器的方式將電壓升至可用水平。基于二極管的整流電路（diode-based rectififier circuits）是最基本的能量采集方法。采用分離式器件和 CMOS 工藝的設備對射頻輸入功率的要求差別很大。CMOS 工藝的定制電子設備與微控制器或其他外部數字設備相比，往往效率更高、工作電壓更低，所以輸入信號的能量可以做到 -20dBm 甚至更好。
典型的能量采集電路包括：半波整流器、單并聯整流天線、單級電壓倍增器、
Cockcroft-Walton/Greinacher 電荷泵、Dickson 電荷泵和改進的 Cockcroft-walton/greinacher 電荷泵。
能量采集電路一半波整流器/能量采集電路一單級電壓倍增器
反向散射
反向散射技術是一種無需有源發射機而實現信號傳輸與編碼的無線技術。類似于雷達原理，電磁波在到達物體表面時有一部分會被反射，被反射信號的強弱取決于此物體的形狀，材 質 與 距 離，從 雷 達 的 角 度 講 每 個 物 體 有 其 雷 達 截 面（RCS， Radar Cross-Section)，標簽（tag）通過改變其 RCS 實現對反射信號的調制。反向散射發射機調制接收到的 RF 信號以傳輸數據，而無須自己生成 RF 信號。
最近，環境反向散射通信（Ambient Backscatter Communication，AmBC）已經成為使能低功耗通信的一項更有前途的技術，它可以有效地解決傳統反向散射通信系統中的上述局限性使得 AmBC 技術在實際應用中得到更廣泛采用。
環境反向散射通信系統一般包括三個部分：環境射頻源（ambient radio-frequency (RF) source）、反向散射設備（ backscatter device (BD)）和讀寫器（reader）。在環境反向散射通信系統中，反向散射設備可以通過利用從環境 RF 源（例如電視塔、FM 塔、蜂窩基站和 Wi-Fi 接入點 (AP)）廣播的無線信號來相互通信。進一步地，通過分離載波發射器和反向散射接收器，反向散射設備的 RF 組件數量被最小化，并且設備可以主動運行，即反向散射發射器可以在從 RF 源采集足夠能量時無需接收機啟動即可發送數據。
AmBC系統示意圖
零功耗設備（如反向散射標簽）接收讀寫器發送的載波信號，通過 RF 能量采集模塊采集能量，用于低功耗處理模塊的供能。獲取能量后，反向散射標簽驅動相應電路對來波信號進行調制，并進行反向散射。
反向散射通信原理圖
低功耗計算
零功耗通信技術的主要特點是通過調制來波信號實現反向散射通信，同時它還可以通過能量采集獲得能量以驅動數字邏輯電路或芯片（如 MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）或傳感器芯片），實現對信號的編碼，加密或簡單計算等功能。
射頻能量的轉化效率往往不足 10%，決定了驅動數字邏輯電路或芯片用于計算的功耗要求不能太高。雖然隨著工藝的改進和設計的優化有所提高，每微焦耳能量可使用于計算的次數增多，但是仍不能滿足復雜的計算。
計算能力向低功耗方向發展
針對不同的應用場景，零功耗通信可采用不同的工作頻段。針對不同的通信需求，可以采用不同的網絡部署形態。零功耗通信的部署也應考慮與現有通信系統的共存。
在部署零功耗通信系統時，需要考慮采用合適的通信頻段。總體而言，零功耗通信可以使用非授權頻段和授權頻段。使用非授權頻段工作，頻譜資源在滿足規范要求的情況下可以自由靈活使用，因此可以降低運營成本，擴展零功耗通信系統的應用。而使用授權頻段工作，可以充分利用現有運營商的頻譜資源，規范允許的授權頻段上的系統發射功率較高，因此有利于實現蜂窩覆蓋以及相對較遠距離覆蓋。運營商可以合理規劃授權頻段的使用，從而避免其他系統與零功耗系統之間的干擾，因而有利于構建相對可靠的零功耗通信網絡。因此，在設計零功耗通信網絡時，非授權頻段和授權頻段都需要考慮。
與傳統通信一樣，零功耗通信網絡的網絡覆蓋受限于網絡設備發射功率、工作頻段、設備天線增益以及設備接收機靈敏度等多方面的影響。此外，特別需要指出的是，零功耗通信網絡的覆蓋與無線供能信號的功率水平密切相關。
零功耗通信利用終端獲得的外部能源驅動終端進行工作。因此為了支持零功耗通信，網絡設備首先需要為零功耗終端提供無線供能功能，進一步地，為了適配零功耗終端極簡的硬件結構和極低的處理復雜度，還需要分析零功耗終端數據傳輸的挑戰，包括潛在的調制方式、編碼方式、多址方式和資源分配與時鐘同步等方面。對無線供能的依賴以及終端極簡的軟硬件結構也要求支持輕量化的協議棧和輕量化的安全機制。最后，零功耗通信業對網絡架構也提出新的需求，需要適配零功耗通信的簡化網絡架構。
5G技術方興未艾，6G技術已然來到。目前多種6G候選通信技術已經得到產業界的廣泛關注。零功耗通信作為一種新型通信技術，有望與其他6G候選技術深入融合，從而構建綠色節能、智能高效的下一代移動通信網絡。
零功耗通信需求迸發典型場景揭秘
零功耗通信的突出技術優勢是免電池通信。由于使用射頻能量采集、反向散射和低功耗計算等關鍵技術，終端可以做到免電池，支持極低硬件復雜度，因此零功耗通信能夠滿足超低功耗、極小尺寸和極低成本的需求。可以預見，零功耗技術在廣泛的應用領域將具有顯著的應用優勢。例如面向垂直行業的工業傳感器網絡、智能交通、智慧物流、智能倉儲、智慧農業、智慧城市、能源領域等應用以及面向個人消費者的智能穿戴、智能家居以及醫療護理等方面的應用。
工業傳感網
工業傳感網（IWSN, Industrial Wireless Sensor Network）的應用范圍非常廣泛，包括建筑自動化、工業過程自動化、電力設施自動化、自動抄表和庫存管理、環境傳感、安全、生產線監控等。應用場景中往往會部署大量的傳感器節點，這些節點用于溫度、濕度、振動監測、生產線監測、工業自動化和數值化管理、危險事件監測等方面。緊湊、低成本的傳感器設備是實現 IWSN 大規模部署的關鍵，為了應對技術挑戰并滿足各種 IWSN應用的需求，需要遵循低成本、小傳感器節點的設計目標。
零功耗技術在工業傳感網中的應用示例
鑒于前述零功耗通信終端所具有的超低功耗、極小尺寸和極低成本的優點，零功耗通信在 IWSN 場景下將具有廣泛的應用潛力。特別需要指出的是，零功耗終端免電池通信的特點，也可使得零功耗通信拓展到傳統的物聯網通信技術無法涉及的應用場景。例如，在某些 IWSN 應用中，工業傳感器節點可能部署在惡劣的環境和特殊的位置空間，甚至是在極端危險環境中進行部署（例如高 / 低溫、移動或旋轉部件、高振動條件、高濕度環境等）。在這些應用場景下，一方面受限于工作環境，普通電池終端可能無法正常工作（受限于電池的理化特性對工作環境的要求）。另一方面使用傳統電源終端時高昂的網絡維護成本或工作環境的限制使得網絡維護無法執行，因此使用常規電池終端無法滿足這類應用場景下的使用需求。
在 IWSN 中應用零功耗通信技術，借助于能量采集和反向散射等技術，傳感器節點可以做到免電池、超低功耗，這將極大程度解決傳感器節點的生命周期問題，大大延長使用壽命。同時零功耗通信的免電池特性，也將大大降低傳感器節點的維護成本甚至做到免維護。
因此，將零功耗通信技術與 IWSN 結合，能夠極大的拓展工業傳感網絡的應用場景，增加傳感器節點使用時間，降低部署、維護成本。
物流和倉儲
物流是商品流通供應鏈中非常重要的環節，在國民經濟中占據重要地位 , 而倉儲
是現代物流的核心環節。在物流和倉儲應用場景中，大量的包裝 / 貨物需要頻繁的在物流站或倉庫 ( 數萬平方米 )進行轉移、儲存、裝卸和盤存。伴隨著倉庫訂貨、貨物入庫、貨物管理和貨物出庫的發生，會產生大量的倉儲信息，這些信息一般具有數據讀取操作頻繁、數據量大等特點。
智慧物流和智慧倉儲中的零功耗應用
為了對物流包裹 / 貨物進行數字化信息管理，提升物流和倉儲的管理效率，通常需要將通信終端標識貼在包裹/貨物的包裝表面用于物流信息的獲取和物流全流程管理。因此，小巧的終端尺寸更加有利于行業應用。同時，由于貨物的數目巨大以及考慮使用的經濟性和競爭力，快遞或倉庫供應商只能接受極低成本的通信終端。
零功耗設備本身具有成本極低、體積小、免維護、耐用、壽命長等特點。在物流和倉儲中，利用零功耗設備來記錄、保存、更新貨物的信息，構建基于零功耗物聯網的物流、倉儲系統，能夠進一步降低運營成本，顯著提高物流和倉儲管理的效率，有助于智慧物流和智慧倉儲的實現。
智能家居
智能家居以住宅為平臺，通過物聯網將家中的各種設備連接到一起，構建高效的宜居系統，智能家居利用家電的自動控制、照明控制、溫度控制、防盜和報警控制等多種功能和手段，使家居環境更加安全、便利、舒適。智能家居中的傳感器和小型設備可以基于反向散射技術來進行通信。
零功耗技術在智能家居中的應用
零功耗通信可以實現免電池，不需要充電，能夠極大增加智能家居中相應設備的使用時間，降低維護成本。同時由于其超低成本、極小體積、可清洗、靈活 / 折疊的外形因素等特點，可以在智能家居中非常靈活的進行部署，例如嵌在墻壁、天花板和家具中，或者貼在鑰匙、護照、衣服、鞋子上。基于上述優點，零功耗通信能夠擴展智能家居場景的應用，對智能家居領域有著極大吸引力。
智能可穿戴
智能可穿戴場景以消費者為中心，通過物聯網技術將消費者所穿戴的各種設備進行無線連接，在多個領域中（例如健康監測、活動識別、輔助生活、移動感知、智能服裝、室內定位等）均得到了應用。目前主流的產品形態有以手腕為支撐的手表類（包括手表和腕帶等產品），以腳為支撐的鞋子類（包括鞋、襪子或者將來的其他腿上佩戴產品），以頭部為支撐的眼鏡類（包括眼鏡、頭盔、頭帶等）。此外還有智能服裝、書包、拐杖、配飾等各類非主流產品形態。
零功耗技術在可穿戴領域中的應用
由電池驅動的智能可穿戴設備，續航時間往往比較短。如果開啟更多功能，耗電量會進一步增加，使用者往往需要頻繁的進行充電才能保證設備的正常使用。這將極大程度上影響用戶的使用體驗。
零功耗物聯網終端具有極低成本、極小體積、極低功耗（免電池）、柔性可折疊、可水洗等優良的特性，特別適合智能可穿戴場景，易于為消費者相關行業（如幼兒園，服裝廠等）所接受。一方面，零功耗設備通過能量采集的方式獲取能量，不需要電池，這將從根本上解決智能可穿戴設備需要頻繁充電的問題；另一方面，零功耗設備成本低，體積小，并且材質柔軟，可水洗可折疊，極大的提升了佩戴的舒適度和用戶體驗。
醫療健康
醫療健康領域涉及病患信息管理、健康數據監測和管理、醫療急救管理、藥品存儲、血液信息管理、藥品制劑防誤、醫療器械與藥品追溯、信息共享互聯等方方面面。在就醫過程中，需要確保病人使用正確的藥物、正確的劑量、在正確的時間使用正確的用藥方法，同時臨床醫療過程中需要全程高質量的監控及管理。
零功耗技術在醫療健康領域中的應用
零功耗物聯網終端具有極低成本、極小體積、極低功耗（免電池）、柔性可折疊、可水洗等優良的特性，能夠幫助醫院實現對人的智能化醫療和對物的智能化管理工作，支持醫院內部醫療信息、設備信息、藥品信息、人員信息、管理信息的數字化采集、處理、存儲、傳輸、共享等。此外，零功耗技術的優良特性使得體內通信、植入治療等成為可能，業界在基于反向散射的體內通信上也有相關研究。
智庫總結：在物聯網的推進過程中，“無源化”一定會是一個重要的演進方向，無論是基于藍牙、WiFi、Lora，還是基于蜂窩的NB-IoT，甚至5G/6G，都與之產生了交集。但目前相關技術還并不成熟，接下來可能會經過百家爭鳴階段，隨著商用落地，部分技術會形成事實標準，在此之后推動無源物聯網規模快速擴展。從目前看，無源物聯網發展還是非常分散，正如LPWAN發展歷程一樣，這一過程也需要很長時間，建立產業生態更為關鍵。
