今年初的围棋人机大战，可谓举世瞩目。虽然AlphaGo升级版Master接连取得胜利，但分析其中出现的、也是唯一一局和棋便可知（在第52局中，Master对阵陈耀烨，只下了7手，因为网络连接的原因，棋局没有能够继续下去，系统判定为和棋），再厉害的机器，也离不开网络连接与能量供给。2016年AlphaGo与李世石的比赛，用掉了大约价值3000美元的电量，这样的能量消耗是非常大的。事实上，网络连接和能量供给也一直是影响网络发展的重要因素。

连接无处不在、无所不包

物联网作为信息系统向物理世界的延伸，拓展了人类认知和控制物理世界的能力，已经被称为继计算机和互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮，正在深刻地改变着人类的生存环境和生活方式。近几年，随着网络通信、无线传感网络和无线射频识别等信息技术的迅速发展，物联网技术突飞猛进，应用日新月异。国际著名研究咨询机构高德纳(Gartner)的报告显示，全球通过物联网连接的设备总数在2020年前将达260亿台，年均复合增速达到 35%，其中无线传感器及其他网络节点约占总数的60%。物联网在未来一旦大面积部署，将是最具颠覆性的创新技术。

物联网的发展令人鼓舞，其未来前景广阔。但是，物联网距离其万物相连、无处不在的初衷还相去甚远。虽然发展了近二十年，至今尚未出现大规模的普适应用，进入了举步维艰的阶段。

不可否认的是，我们即将或者已经进入了万物互联的时代，连接，成为我们不可或缺的媒介。有人说，连接像氧气一样无处不在，因为传统的以TCP/IP为基础的连接具有“同构性”，即使考虑到软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)等新型的网络技术，其差异性也远不如物联网。物联网中形形色色的连接具有异构性和泛在性的特点。而在这一切形形色色的连接背后，却有着一个看不见的“敌人”，那就是时间。

说到这个“敌人”，最近一部爱情电影《喜欢你》里面，由金城武扮演的男主人公在煮泡面时说“时间是面的敌人”，对于物联网的发展而言，时间也是能量的敌人。长时间稳定的能量供应是维系物联网生存和扩张的一个重要因素。物联网的核心任务是提供连接和感知能力，并在此基础上实现数据传输和智能化的信息处理。感知、连接、传输和计算这几个关键任务，都依赖于稳定的能量供给。

在大多数应用中，物联网的数据感知、无线传输和分布式计算均由网络节点协同完成，而网络节点的工作则依赖于自身携带的电池提供能量。这种工作方式需要频繁地更换电池，以保持能量的持续供应，维持物联网的工作寿命。在这种工作方式下，随着物联网不断地向广度和深度发展，能量供应障碍问题日益突出，原因如下。

1.随着物联网迅速地向广度发展，即网络规模迅速增大，必将导致网络节点数量激增。按照高德纳的预测，2020年全球通过物联网连接的各种网络节点数将达到260亿，并以35%的速度增加。如此大量的网络节点，使得电池更换或能量维护（无论是人工更换电池还是移动充电）都成为非常昂贵和困难的工作，能量供应障碍问题随之而来。

2.随着物联网迅速地向深度发展，即全方位地向物理世界延伸，必将导致大量的网络节点进入人类和充电装置不能接近的位置（如战场、含毒害物质的空间）。这些网络节点的电池更换或能量维护成为不可能，能量供应障碍问题不可避免。

综上所述，物联网发展举步维艰的重要原因之一是能量供应障碍。如何解决能量问题，保证网络能够持久、稳定地运行，是物联网实现普适应用面临的一个非常重要的挑战。

无源网络是连接泛在化的必由之路

无源网络的特点

近几年，“从环境中获取能量”这一理念引起了人们的广泛关注。

这一点像最近比较流行的“众包”。能量众包的概念就是“我们不生产能量，我们只是能量的搬运工”。对于物联网设备而言，利用光能、机械能、风能、热能等能源可以为节点提供能量，为解决能量供应障碍问题带来了曙光。目前的研究表明，我们能够获取和利用广泛存在于环境中的能量，将其提供给物联网的节点。我们有理由设想，在未来物联网中，网络节点可以是无源的(battery free)，即节点自身不配备或不主要依赖电池等电源设备，而是从环境中获取能量，支撑数据的感知、传输和分布式计算。我们将这一未来新型网络称为无源传输网络。

在无源传输网络中，节点能量不一定是其自身所固有的。节点之间能够通过无线方式进行能量交换。由于目前技术的局限，无源节点能量获取时间长，能量积蓄小，导致无源传输网的核心任务（数据的感知、无线传输和分布式计算）皆为能量所限，唯能量是从。节点在传输与计算过程中如何节省能量、提高效率不再是第一核心任务，如何利用节点当前的能量完成尽可能多的传输与计算任务成为首要目标。因此，无源传输网是以能量为中心、以数据为核心的无线网络，具有如下特性。

1. 能量震荡性。

由于节点能够从周围环境获取能量，因此节点的能量不再是单一的由高至低的静态变化趋势，而是呈时高时低的动态变化状态。当节点在执行传输或计算任务时，其能量积蓄会降低；当节点开始从环境中获取能量时，其能量积蓄会上升。于是，无源传输网络节点的能量积蓄高低震荡。

2. 能量失恒性。

无源传输网络节点能量的获取存在随机性和不稳定性，导致整个网络能量分布不均衡，差异很大，无源节点的协同工作能力低。

3. 能量受限性。

利用微型芯片所采集的环境能量的功率非常微弱，一般在纳瓦(nW)到微瓦(μW)的数量级，而且微传感器受限于外形尺寸，节点蓄电的能力有限。

4. 连通脆弱性。

网络的连通性直接受各节点能量的影响。当某些节点的能量低于一定程度时，这些节点则成为孤立节点，导致网络不连通。由于能量的震荡性，网络的连通性是脆弱的，时断时续，难以保持恒定连通。

5. 占空比超低。

驱动微型感知节点所需的平均工作功率要比采集功率高 3 ~ 6 个数量级，节点需要较长时间蓄能才能满足其工作所需要的能量，而且蓄能时节点无法工作。所以，节点呈间断性工作方式，且网络大部分时间处于非工作状态，占空比超低。

今年初的围棋人机大战，可谓举世瞩目。虽然AlphaGo升级版Master接连取得胜利，但分析其中出现的、也是唯一一局和棋便可知（在第52局中，Master对阵陈耀烨，只下了7手，因为网络连接的原因，棋局没有能够继续下去，系统判定为和棋），再厉害的机器，也离不开网络连接与能量供给。2016年AlphaGo与李世石的比赛，用掉了大约价值3000美元的电量，这样的能量消耗是非常大的。事实上，网络连接和能量供给也一直是影响网络发展的重要因素。

连接无处不在、无所不包

物联网作为信息系统向物理世界的延伸，拓展了人类认知和控制物理世界的能力，已经被称为继计算机和互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮，正在深刻地改变着人类的生存环境和生活方式。近几年，随着网络通信、无线传感网络和无线射频识别等信息技术的迅速发展，物联网技术突飞猛进，应用日新月异。国际著名研究咨询机构高德纳(Gartner)的报告显示，全球通过物联网连接的设备总数在2020年前将达260亿台，年均复合增速达到 35%，其中无线传感器及其他网络节点约占总数的60%。物联网在未来一旦大面积部署，将是最具颠覆性的创新技术。

物联网的发展令人鼓舞，其未来前景广阔。但是，物联网距离其万物相连、无处不在的初衷还相去甚远。虽然发展了近二十年，至今尚未出现大规模的普适应用，进入了举步维艰的阶段。

不可否认的是，我们即将或者已经进入了万物互联的时代，连接，成为我们不可或缺的媒介。有人说，连接像氧气一样无处不在，因为传统的以TCP/IP为基础的连接具有“同构性”，即使考虑到软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)等新型的网络技术，其差异性也远不如物联网。物联网中形形色色的连接具有异构性和泛在性的特点。而在这一切形形色色的连接背后，却有着一个看不见的“敌人”，那就是时间。

说到这个“敌人”，最近一部爱情电影《喜欢你》里面，由金城武扮演的男主人公在煮泡面时说“时间是面的敌人”，对于物联网的发展而言，时间也是能量的敌人。长时间稳定的能量供应是维系物联网生存和扩张的一个重要因素。物联网的核心任务是提供连接和感知能力，并在此基础上实现数据传输和智能化的信息处理。感知、连接、传输和计算这几个关键任务，都依赖于稳定的能量供给。

在大多数应用中，物联网的数据感知、无线传输和分布式计算均由网络节点协同完成，而网络节点的工作则依赖于自身携带的电池提供能量。这种工作方式需要频繁地更换电池，以保持能量的持续供应，维持物联网的工作寿命。在这种工作方式下，随着物联网不断地向广度和深度发展，能量供应障碍问题日益突出，原因如下。

1.随着物联网迅速地向广度发展，即网络规模迅速增大，必将导致网络节点数量激增。按照高德纳的预测，2020年全球通过物联网连接的各种网络节点数将达到260亿，并以35%的速度增加。如此大量的网络节点，使得电池更换或能量维护（无论是人工更换电池还是移动充电）都成为非常昂贵和困难的工作，能量供应障碍问题随之而来。

2.随着物联网迅速地向深度发展，即全方位地向物理世界延伸，必将导致大量的网络节点进入人类和充电装置不能接近的位置（如战场、含毒害物质的空间）。这些网络节点的电池更换或能量维护成为不可能，能量供应障碍问题不可避免。

综上所述，物联网发展举步维艰的重要原因之一是能量供应障碍。如何解决能量问题，保证网络能够持久、稳定地运行，是物联网实现普适应用面临的一个非常重要的挑战。

无源网络是连接泛在化的必由之路

无源网络的特点

近几年，“从环境中获取能量”这一理念引起了人们的广泛关注。

这一点像最近比较流行的“众包”。能量众包的概念就是“我们不生产能量，我们只是能量的搬运工”。对于物联网设备而言，利用光能、机械能、风能、热能等能源可以为节点提供能量，为解决能量供应障碍问题带来了曙光。目前的研究表明，我们能够获取和利用广泛存在于环境中的能量，将其提供给物联网的节点。我们有理由设想，在未来物联网中，网络节点可以是无源的(battery free)，即节点自身不配备或不主要依赖电池等电源设备，而是从环境中获取能量，支撑数据的感知、传输和分布式计算。我们将这一未来新型网络称为无源传输网络。

在无源传输网络中，节点能量不一定是其自身所固有的。节点之间能够通过无线方式进行能量交换。由于目前技术的局限，无源节点能量获取时间长，能量积蓄小，导致无源传输网的核心任务（数据的感知、无线传输和分布式计算）皆为能量所限，唯能量是从。节点在传输与计算过程中如何节省能量、提高效率不再是第一核心任务，如何利用节点当前的能量完成尽可能多的传输与计算任务成为首要目标。因此，无源传输网是以能量为中心、以数据为核心的无线网络，具有如下特性。

1. 能量震荡性。

由于节点能够从周围环境获取能量，因此节点的能量不再是单一的由高至低的静态变化趋势，而是呈时高时低的动态变化状态。当节点在执行传输或计算任务时，其能量积蓄会降低；当节点开始从环境中获取能量时，其能量积蓄会上升。于是，无源传输网络节点的能量积蓄高低震荡。

2. 能量失恒性。

无源传输网络节点能量的获取存在随机性和不稳定性，导致整个网络能量分布不均衡，差异很大，无源节点的协同工作能力低。

3. 能量受限性。

利用微型芯片所采集的环境能量的功率非常微弱，一般在纳瓦(nW)到微瓦(μW)的数量级，而且微传感器受限于外形尺寸，节点蓄电的能力有限。

4. 连通脆弱性。

网络的连通性直接受各节点能量的影响。当某些节点的能量低于一定程度时，这些节点则成为孤立节点，导致网络不连通。由于能量的震荡性，网络的连通性是脆弱的，时断时续，难以保持恒定连通。

5. 占空比超低。

驱动微型感知节点所需的平均工作功率要比采集功率高 3 ~ 6 个数量级，节点需要较长时间蓄能才能满足其工作所需要的能量，而且蓄能时节点无法工作。所以，节点呈间断性工作方式，且网络大部分时间处于非工作状态，占空比超低。

无源网络主要面临的技术挑战

无源传输网络的上述特性为无源传输网络的组网通信、感知数据获取和计算提出了挑战。

1. 无源节点能量获取困难。

由于环境中的能量源具有随机性和不稳定性，无源节点吸能低、蓄电少，无源节点难以持续、稳定、均衡地获取高能量。

2. 现有的组网与通信方式不适于无源传输网络。

现有无线网络的节点覆盖、节点互联、时钟同步等组网技术难以应对无源传输网的能量震荡性、能量受限性、能量失衡性和连通脆弱性；此外，现有的无线网络进行一次数据传输，需要执行网络协议栈中一系列任务，执行数百条指令，传输数百比特的信息，信息交互量大，数据重传次数多，难以适应无源传输网络的能量受限性；最后，现有的无线网络传输数据需要稳定的端到端连通的路径，不适于无源传输网络的连通脆弱性。

3. 通过无源传输网络获取的感知数据质量低下。

首先，无源传输网络的能量震荡性和能量受限性使得数据获取任务只能断断续续地执行，将导致成片的数据缺失，产生数据完整性错误。其次，无源传输网络的能量震荡性和能量受限性，使得描述紧急事件的数据无法及时采集，导致数据获取失去实时性，产生实时监测错误。第三，无源传输网络的能量失恒性，使得网络同步工作困难，导致各节点的数据获取不同步，产生数据不一致性错误。

关键科学技术问题

从上述挑战，我们可以凝练出无源传输网络的科学技术问题。

1. 节点能量获取与网络能量配置的理论与方法。

针对能量源多样性、能量源的随机性和不稳定性，建立多能量源融合的能量源覆盖和调度的理论和技术，以及最大化持续性和稳定性的无源节点能量获取的理论和技术。

2. 以能量为中心的无源传输网的组网和通信的理论与方法。

针对无源传输网的能量震荡性、能量受限性、能量失衡性、连通脆弱性，建立无源传输网节点覆盖的理论和方法、无源传输网节点互联的理论和方法、无源传输网节点定位的理论和方法、无源传输网节点时钟同步的理论和方法；针对无源传输网的能量受限性、连通脆弱性和能量失衡性，建立无源传输网络的物理层协议、链路层协议、路由层协议构建的理论和技术。无源传输网组网和通信的理论与方法是实现数据传输的基础和保障。

3. 以能量为中心的高质量感知数据获取的理论和方法。

针对由无源传输网获取的感知数据质量低下和无源传输网能量受限性问题，建立低能耗的、基于无源传输网的高质量感知数据获取的理论和方法，并建立感知数据错误发现与修复的理论和方法。

目前围绕上述挑战及科学技术问题的研究工作还非常有限。以物联网为背景，研究无源传输网络的基础理论和关键技术，突破其中的关键科学技术问题，提出完整的理论与技术，为其在物联网、工业互联网等方面的应用奠定坚实的理论基础，提供有力的技术保障，对于提升我国在物联网领域的自主创新能力与核心竞争力、推动我国的物联网研究与应用水平、促进我国物联网研究进入国际先进行列等具有重要意义。■

致谢：感谢国家自然科学基金重点项目“无源传输网络理论与关键技术”的资助，以及中科院前沿科学重点研究项目的支持。