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新型無源物聯網尚處于發展初級階段，在全球移動通信主流廠商的推動下，無源物聯網將形成3GPP和非(fei)3GPP兩大陣(zhen)營(ying)，在不同技術方向推動無源物聯網的(de)發展(zhan)。
隨著5G新的演進方向不斷的清晰和6G研究的進展，無源物聯網受到的關注程度不斷提高，3GPP組織相關代表和專家已啟動了無源物聯網的研究和標準化工作。不過，物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)產業(ye)界很(hen)早(zao)就開始(shi)了對(dui)無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)的(de)(de)研究，除了已經(jing)非常成熟的(de)(de)RFID外，多家企業(ye)已經(jing)推出一些新型無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)商(shang)用(yong)化(hua)產品。而無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)納入移動(dong)通信領域重(zhong)點(dian)關注的(de)(de)范(fan)疇始(shi)于業(ye)界對(dui)5G Advanced演進的(de)(de)探討，在確定3GPP R18版本方向時將無(wu)(wu)源物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網(wang)作為研究的(de)(de)內容。
在筆者看來，新型無源物聯網尚處于發展初級階段，在全球移動通信主流廠商的推動下，無源物聯網將形成3GPP和非3GPP兩大陣營，在不同技術方向推動無源物聯網的發展。
新型無源物聯網破解傳統無源RFID痛點
何謂新型無源物聯網？主要是針對傳統無源RFID的一些痛點進行改造而形成的無源物聯網系統。無(wu)源(yuan)RFID已有多(duo)年發展(zhan)歷史(shi)，產業生態也(ye)非(fei)常龐大，可以說(shuo)是當前最為成熟的(de)無(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)系統(tong)方案(an)。不過，隨著應用(yong)場景不斷(duan)擴大，無(wu)源(yuan)RFID存在的(de)痛點不斷(duan)顯現，集中(zhong)表現在通信(xin)距離較(jiao)短和依賴于專(zhuan)用(yong)的(de)讀寫(xie)設備。
近期舉行的多場無源物聯網研討會上，產學研各界專家對新型無源物聯網形成一些共識。以中國移動研究院的觀點為例，無源物聯網分為一體式無源1.0、組網式無源2.0和蜂窩式無源3.0。其中，一體式無(wu)(wu)源(yuan)1.0即傳(chuan)統無(wu)(wu)源(yuan)物聯網，更多(duo)是傳(chuan)統無(wu)(wu)源(yuan)RFID的(de)應用場景，在這(zhe)些場景下，對(dui)無(wu)(wu)源(yuan)標(biao)簽激勵(li)信號發射(she)源(yuan)和(he)接收機(ji)(ji)位于同(tong)一設(she)備中，由專(zhuan)用讀寫設(she)備來(lai)承擔，這(zhe)一設(she)計會導(dao)致(zhi)發射(she)和(he)接收信號自(zi)干擾，限制了(le)通信的(de)距(ju)離，尤其是沒有有效(xiao)的(de)干擾管(guan)理機(ji)(ji)制，在擁有非常密(mi)集終端(duan)的(de)場景中，很難形成大規模無(wu)(wu)縫網絡部署。
針對(dui)這些痛點(dian)，組(zu)(zu)(zu)網(wang)式(shi)無源(yuan)(yuan)2.0和(he)蜂窩式(shi)無源(yuan)(yuan)3.0是新(xin)型無源(yuan)(yuan)物聯(lian)網(wang)發展的(de)方(fang)向。組(zu)(zu)(zu)網(wang)式(shi)無源(yuan)(yuan)物聯(lian)網(wang)技術采用激勵信號和(he)接收(shou)機分(fen)離的(de)架(jia)構，支持(chi)組(zu)(zu)(zu)網(wang)部署(shu)，這種(zhong)模式(shi)在很大(da)程度上解決(jue)了(le)(le)傳統無源(yuan)(yuan)RFID讀寫器自干擾、互干擾的(de)問題(ti)，提升了(le)(le)接收(shou)距(ju)離，極大(da)拓展了(le)(le)應用場(chang)景。
而蜂(feng)窩式(shi)無源物聯(lian)網(wang)則在組網(wang)式(shi)架構基(ji)礎上(shang)，發揮蜂(feng)窩網(wang)絡廣(guang)泛(fan)部署的優勢(shi)，使現成的基(ji)站資源作為(wei)無源物聯(lian)網(wang)標簽激勵(li)信號源和(he)接收設備，通過統一調度實現更大范圍組網(wang)和(he)擴(kuo)大通信距離。
近年(nian)來，國內外(wai)多(duo)家無(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)新銳企業開始了新型(xing)無(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)的研究和商業化，基(ji)本上均采(cai)用組網(wang)式的系統，通(tong)過攻(gong)克多(duo)個技(ji)術難點，破解傳(chuan)統RFID的痛點，優化了原有場(chang)(chang)景，并支持(chi)了大(da)量新的場(chang)(chang)景。
現有技術無法滿足
在3GPP RAN94e研討會中，專門設置了針對無源物聯網的研討，參會代表均認可無源物聯網在未來蜂窩物聯網中的意義，并討論了在未來5G演進中無源物聯網的場景、技術、設計目標、終端形態等內容，未來5G乃至6G網絡支持無源物聯網成為趨勢。
不過，在討論3GPP系統中無源物聯網的候選技術和動機時，參與討論的代表一致認為現有3GPP技術并不能滿足無電池、超低成本等無源物聯網的需求，3GPP陣營需要推進新技術來滿足蜂窩式無源物聯網需求，新(xin)的(de)技術(shu)應(ying)該能(neng)夠實現(xian)的(de)連(lian)接(jie)數將(jiang)要高(gao)出(chu)現(xian)有技術(shu)好幾個數量級。同時，3GPP專(zhuan)家一致認(ren)為，新(xin)的(de)技術(shu)應(ying)提供遠低(di)于NB-IoT、eMTC的(de)功耗和成本，因此(ci)不(bu)會對(dui)其形(xing)成替代。
具體來說，無源物聯網主要采用能量采集技術來為終端節點供電，然而，典型的能量采集技術輸出的電量在1微瓦-100微瓦之間，而且在終端節點尺寸有限的情況下，能量轉換效率也不高，這一微弱的電量無法支持現有3GPP最低功耗的終端運行。NB-IoT終端是3GPP陣營技術支持的最低功耗物聯網終端，以NB-IoT模組為例，驅動其正常工作的電量需要數十毫瓦甚至上百毫瓦的電量，與能量采集技術供給電量差距千百倍。若使用可充電電池或超級電容，則增大終端體積和成本。因此，3GPP陣營需要推進終端進一步精簡化，形成與能量采集技術電量相匹配的終端技術演進。
另外，若要(yao)借(jie)助現(xian)成的5G基(ji)(ji)站(zhan)作為無源(yuan)物聯網(wang)節(jie)點(dian)激(ji)勵信號發射節(jie)點(dian)和(he)接(jie)收終端(duan)，部(bu)署時需要(yao)考(kao)慮(lv)如何使5G網(wang)絡形成對無源(yuan)物聯網(wang)終端(duan)的無縫覆蓋。在(zai)典型的網(wang)絡場景(jing)下，室內小基(ji)(ji)站(zhan)之間(jian)的距離(li)為數十米(mi)，室外宏(hong)基(ji)(ji)站(zhan)之間(jian)的距離(li)為200-300米(mi)，無源(yuan)物聯網(wang)節(jie)點(dian)到基(ji)(ji)站(zhan)之間(jian)傳(chuan)輸距離(li)應在(zai)網(wang)絡部(bu)署范(fan)圍之內，因此(ci)需要(yao)在(zai)數據(ju)傳(chuan)輸方面(mian)做好優化，符合5G網(wang)絡部(bu)署的現(xian)狀。
多家企業代表認為，無源(yuan)物聯網(wang)(wang)(wang)將形成千億級連接(jie)規模，當前大量行業已明確了需(xu)(xu)求。在非3GPP陣(zhen)營(ying)大力投(tou)入和發展新型無源(yuan)物聯網(wang)(wang)(wang)技(ji)(ji)術(shu)，滿足(zu)大量場景(jing)需(xu)(xu)求的(de)同時，若(ruo)3GPP陣(zhen)營(ying)對其不重視，尤其是當前3GPP現有技(ji)(ji)術(shu)無法支撐無源(yuan)物聯網(wang)(wang)(wang)需(xu)(xu)求，則未來這一領域的(de)市(shi)場空間將被非3GPP陣(zhen)營(ying)占(zhan)據(ju)，因此(ci)3GPP對無源(yuan)物聯網(wang)(wang)(wang)的(de)研(yan)究應該(gai)加速。
接(jie)下(xia)來(lai)，3GPP將設立無(wu)(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)研究項(xiang)目，對(dui)(dui)基于5G網(wang)(wang)絡(luo)的(de)無(wu)(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)場(chang)景、核心目標進行(xing)研究。例如，對(dui)(dui)無(wu)(wu)源物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)超低(di)功耗、超低(di)成本的(de)定義，確定功耗目標、節點成本目標等，并明確對(dui)(dui)鏈路預算、數據速率、連接(jie)容(rong)量、定位精度、覆蓋等指標。
針對無源物聯網的需求，3GPP陣營需要(yao)在5G標(biao)準演進中考慮精簡射頻(pin)、數字信號處(chu)理、協議棧、同步性等(deng)技術(shu)(shu)實現終端精簡，覆蓋性增強技術(shu)(shu)來(lai)提升無源物聯網傳輸(shu)距離，以及新(xin)的干擾管理技術(shu)(shu)來(lai)實現規(gui)模化部(bu)署等(deng)。
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非3GPP陣營已形成多項成果
當前(qian)，新型(xing)無(wu)源物(wu)聯網(wang)發展已(yi)有多項(xiang)成果，尤其是(shi)非3GPP陣營的(de)一些企業(ye)已(yi)推出商(shang)用產品，在多個行業(ye)實現(xian)小范圍商(shang)用。其中，既(ji)有基于(yu)短距離通信的(de)WiFi、藍牙(ya)形成無(wu)源物(wu)聯網(wang)系統，也有借(jie)助LoRa相關技術(shu)實現(xian)長距離無(wu)源物(wu)聯網(wang)通信。
在這一群體中，最為典型的是基于藍牙的無源物聯網系統，該領域進展最快，多家企業已推出商用產品，且實現多代產品迭代。例如，近年來受到資本多方看好的Wiliot公司，該公司推出的產品是一款無源藍牙低功耗傳感器標簽，其完成感知、存儲和通信的能量來自于收集周圍的無線射頻能量來為其供電，并使用該能量發送傳感器讀數；Atmosic公司核心技術為受控能量收集，并基于藍牙5平臺，開發出超低功耗無源藍牙芯片，目(mu)前已實(shi)現了產品的(de)迭(die)代(dai)(dai)。這些基于(yu)藍牙的(de)無源(yuan)物聯(lian)網系統采用了分離(li)式組(zu)網架構，已經在倉儲、物流、醫(yi)療(liao)等領域(yu)實(shi)現商用，在很大程度上(shang)破解(jie)了傳統無源(yuan)RFID的(de)不(bu)足。不(bu)過，由于(yu)應用規模不(bu)大，相對于(yu)傳統無源(yuan)RFID，其(qi)標簽(qian)成(cheng)本(ben)還未達到預期較低的(de)水平，因(yin)此(ci)還不(bu)能對RFID形成(cheng)大規模替代(dai)(dai)。
早在2016年，美國華盛頓大學的研究人員就研發出一種全新的WiFi技術，稱之為Passive WiFi，利(li)用(yong)射頻信(xin)號的(de)(de)反向散射通信(xin)技術，實現(xian)無(wu)(wu)(wu)源標簽數據的(de)(de)傳(chuan)輸。Passive WiFi無(wu)(wu)(wu)源節點傳(chuan)輸1Mbps和(he)11Mbps所消耗的(de)(de)電量分別僅(jin)為14.5微瓦和(he)59.2微瓦，最遠能夠實現(xian)30米的(de)(de)回傳(chuan)距離(li)，甚至有一(yi)定(ding)的(de)(de)穿墻(qiang)能力(li)，具(ju)備了擴展(zhan)傳(chuan)統無(wu)(wu)(wu)源物(wu)聯網場景的(de)(de)能力(li)。針(zhen)對(dui)WiFi的(de)(de)無(wu)(wu)(wu)源物(wu)聯網吸引了海內外大(da)量研(yan)究人員，不過其商(shang)用(yong)尚需一(yi)定(ding)時間。
基于LoRa的無源物聯網系統研究成為近年來一個熱點，主要源于其大幅擴展了無源物聯網通信距離。2017年，還是(shi)美國華盛頓大學(xue)Passive WiFi團隊(dui)的(de)(de)研究(jiu)人員(yuan)(yuan)，在(zai)其發表的(de)(de)一(yi)篇(pian)論文(wen)(wen)中(zhong)研究(jiu)了(le)無源物聯(lian)網擴展到遠距(ju)(ju)離(li)傳(chuan)輸(shu)的(de)(de)系(xi)統(tong)中(zhong)。研究(jiu)人員(yuan)(yuan)利用了(le)LoRa信(xin)號高靈(ling)敏度和(he)擴頻(pin)編碼技術，提(ti)升無源標簽回傳(chuan)能力，并與商用的(de)(de)LoRa設備兼容，形成(cheng)(cheng)基(ji)于(yu)LoRa的(de)(de)反(fan)射調制(zhi)系(xi)統(tong)。在(zai)測試(shi)中(zhong)，最遠實現了(le)無源節點(dian)和(he)接收器之間2.8公里的(de)(de)通信(xin)，形成(cheng)(cheng)遠距(ju)(ju)離(li)傳(chuan)輸(shu)的(de)(de)無源物聯(lian)網系(xi)統(tong)，而這個過程(cheng)中(zhong)節點(dian)消(xiao)耗的(de)(de)電量僅為10微(wei)瓦級別。此后，針對基(ji)于(yu)LoRa的(de)(de)無源物聯(lian)網系(xi)統(tong)研究(jiu)成(cheng)(cheng)為關(guan)注(zhu)重點(dian)，國內外學(xue)者發表了(le)多篇(pian)高質量論文(wen)(wen)。當然，這一(yi)領域(yu)目(mu)前也是(shi)在(zai)研究(jiu)中(zhong)，還沒有(you)實現商用落地。
可(ke)以(yi)看出，非3GPP陣營的相(xiang)關組織針(zhen)對新型無源物(wu)聯網(wang)研究已有多年且形(xing)成(cheng)豐富成(cheng)果，隨著(zhu)商用壁壘的突破，這些相(xiang)關技術(shu)將成(cheng)為無源物(wu)聯網(wang)市(shi)場一股重要力量，支撐無源物(wu)聯網(wang)大量場景(jing)落地(di)。
目前，雖然3GPP陣營對(dui)無(wu)源(yuan)物聯(lian)網(wang)的研究起步雖然晚于非3GPP陣營，但和此前其他(ta)3GPP物聯(lian)網(wang)技(ji)(ji)術(shu)類(lei)似，基于蜂窩網(wang)絡(luo)的無(wu)源(yuan)物聯(lian)網(wang)將隨著5G、6G發展形(xing)成(cheng)全(quan)球(qiu)統一標準，在可靠性(xing)、技(ji)(ji)術(shu)路線一致(zhi)性(xing)等方面具有(you)優勢，加上3GPP陣營參與(yu)者都是移動通信產業的主(zhu)導者，在業界(jie)擁有(you)較(jiao)強(qiang)話語權，因(yin)此未來3GPP陣營無(wu)源(yuan)物聯(lian)網(wang)技(ji)(ji)術(shu)在業界(jie)會形(xing)成(cheng)較(jiao)大影響力(li)。
正如數年前(qian)(qian)低(di)功(gong)耗廣(guang)域網絡（LPWAN）發展一樣，3GPP陣(zhen)營(ying)的NB-IoT、eMTC目前(qian)(qian)已(yi)成為全(quan)球主流(liu)標(biao)準(zhun)，支持(chi)數億低(di)功(gong)耗節點接(jie)入(ru)。同(tong)時，基于(yu)LoRa等(deng)非3GPP技術以其靈活(huo)性(xing)的優勢，也成為物聯網的事實標(biao)準(zhun)，實現全(quan)球數億低(di)功(gong)耗節點接(jie)入(ru)。未(wei)來的無源物聯網領(ling)域，3GPP陣(zhen)營(ying)和(he)非3GPP陣(zhen)營(ying)技術共存(cun)也不可(ke)避(bi)免(mian)，共同(tong)支撐千億級物聯網連接(jie)的實現。
