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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(cheng)3GPP和非3GPP兩大陣(zhen)營，在不同技術方向(xiang)推動無(wu)源物(wu)聯網的(de)發(fa)展。
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，物聯(lian)網(wang)產業(ye)界很(hen)早就開始了對無(wu)源物聯(lian)網(wang)的研(yan)究，除(chu)了已經非常成(cheng)熟的RFID外，多(duo)家(jia)企業(ye)已經推出一(yi)些(xie)新型(xing)無(wu)源物聯(lian)網(wang)商(shang)用化產品(pin)。而(er)無(wu)源物聯(lian)網(wang)納入移動通(tong)信領域重點(dian)關注的范疇始于業(ye)界對5G Advanced演進的探討，在確(que)定3GPP R18版本方向時將無(wu)源物聯(lian)網(wang)作為研(yan)究的內容。
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。無源RFID已有多(duo)年發展歷史，產業生態也(ye)非常龐大(da)，可以(yi)說是當前最為成熟(shu)的(de)(de)無源物聯網系統方案。不過，隨著(zhu)應用(yong)場景不斷(duan)擴大(da)，無源RFID存(cun)在(zai)的(de)(de)痛點不斷(duan)顯現(xian)，集中表現(xian)在(zai)通(tong)信距離較短和依賴于專用(yong)的(de)(de)讀寫設備。
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(ti)式無(wu)源1.0即傳(chuan)統無(wu)源物聯網，更多是(shi)傳(chuan)統無(wu)源RFID的(de)應用場(chang)景(jing)(jing)，在這(zhe)(zhe)些(xie)場(chang)景(jing)(jing)下，對(dui)無(wu)源標簽激勵(li)信(xin)號(hao)發射源和(he)接收機位于同一設備(bei)中，由專用讀(du)寫設備(bei)來(lai)承擔，這(zhe)(zhe)一設計會導致發射和(he)接收信(xin)號(hao)自干擾，限制了通信(xin)的(de)距離，尤(you)其是(shi)沒(mei)有有效的(de)干擾管理機制，在擁(yong)有非常密集終端(duan)的(de)場(chang)景(jing)(jing)中，很難形成(cheng)大規(gui)模無(wu)縫網絡部(bu)署。
針對這(zhe)些痛點，組(zu)(zu)網(wang)(wang)式(shi)無(wu)(wu)源2.0和蜂窩式(shi)無(wu)(wu)源3.0是新(xin)型無(wu)(wu)源物聯網(wang)(wang)發展的(de)方向(xiang)。組(zu)(zu)網(wang)(wang)式(shi)無(wu)(wu)源物聯網(wang)(wang)技術采用激勵信號和接收機分(fen)離的(de)架構，支持(chi)組(zu)(zu)網(wang)(wang)部署，這(zhe)種模(mo)式(shi)在很大程度上解決了傳統(tong)無(wu)(wu)源RFID讀寫器(qi)自干擾、互干擾的(de)問題，提升了接收距離，極大拓展了應(ying)用場景。
而蜂窩式(shi)無源(yuan)(yuan)物聯網(wang)則(ze)在(zai)組(zu)網(wang)式(shi)架構基礎上，發(fa)揮蜂窩網(wang)絡廣(guang)泛(fan)部署(shu)的(de)優(you)勢，使(shi)現成的(de)基站資(zi)源(yuan)(yuan)作為無源(yuan)(yuan)物聯網(wang)標(biao)簽激勵信號源(yuan)(yuan)和(he)接收設備，通過統(tong)一調度實現更大(da)范圍組(zu)網(wang)和(he)擴大(da)通信距(ju)離。
近年來，國(guo)內外多(duo)(duo)家無(wu)(wu)源物聯(lian)網(wang)新(xin)銳企業開始了(le)(le)新(xin)型無(wu)(wu)源物聯(lian)網(wang)的(de)研究和商業化，基本(ben)上均采用組網(wang)式的(de)系(xi)統，通過(guo)攻克多(duo)(duo)個(ge)技術難點，破解傳統RFID的(de)痛點，優(you)化了(le)(le)原有(you)場景，并支持了(le)(le)大量新(xin)的(de)場景。
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，新的(de)技(ji)(ji)術(shu)應該能夠實現(xian)(xian)的(de)連接數(shu)將要高出現(xian)(xian)有(you)技(ji)(ji)術(shu)好幾(ji)個(ge)數(shu)量級。同時，3GPP專家一致(zhi)認(ren)為，新的(de)技(ji)(ji)術(shu)應提供遠(yuan)低于NB-IoT、eMTC的(de)功耗和成本，因此不會(hui)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(ling)外，若(ruo)要(yao)(yao)借助現成的5G基(ji)(ji)站(zhan)作為(wei)無(wu)源(yuan)物聯(lian)網(wang)(wang)節(jie)點激勵信號發射節(jie)點和接收(shou)終端(duan)(duan)，部署時需要(yao)(yao)考慮(lv)如何使5G網(wang)(wang)絡(luo)形成對無(wu)源(yuan)物聯(lian)網(wang)(wang)終端(duan)(duan)的無(wu)縫覆蓋。在(zai)典型的網(wang)(wang)絡(luo)場景下，室(shi)(shi)內(nei)小基(ji)(ji)站(zhan)之間(jian)的距離為(wei)數十米，室(shi)(shi)外宏基(ji)(ji)站(zhan)之間(jian)的距離為(wei)200-300米，無(wu)源(yuan)物聯(lian)網(wang)(wang)節(jie)點到基(ji)(ji)站(zhan)之間(jian)傳輸(shu)距離應在(zai)網(wang)(wang)絡(luo)部署范圍(wei)之內(nei)，因此需要(yao)(yao)在(zai)數據傳輸(shu)方(fang)面(mian)做好優化，符合5G網(wang)(wang)絡(luo)部署的現狀。
多(duo)家企業代表認為，無(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)將形成千億級連(lian)接規模，當前大(da)(da)量行業已明確(que)了需(xu)求(qiu)。在非3GPP陣營大(da)(da)力投入和發展新型無(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)技術，滿(man)足(zu)大(da)(da)量場(chang)景需(xu)求(qiu)的同(tong)時，若3GPP陣營對其不(bu)重(zhong)視，尤其是當前3GPP現有技術無(wu)(wu)法支撐無(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)需(xu)求(qiu)，則未來這一(yi)領域的市場(chang)空間將被非3GPP陣營占據，因此3GPP對無(wu)(wu)源(yuan)物(wu)聯網(wang)的研究應該加速。
接(jie)下(xia)來(lai)，3GPP將設立(li)無源(yuan)(yuan)物聯(lian)(lian)網(wang)研究項目(mu)，對基于(yu)5G網(wang)絡(luo)的無源(yuan)(yuan)物聯(lian)(lian)網(wang)場景(jing)、核心目(mu)標(biao)進(jin)行研究。例如，對無源(yuan)(yuan)物聯(lian)(lian)網(wang)超(chao)(chao)低功耗(hao)(hao)、超(chao)(chao)低成本的定義(yi)，確(que)定功耗(hao)(hao)目(mu)標(biao)、節點成本目(mu)標(biao)等(deng)，并明確(que)對鏈路預算(suan)、數據(ju)速率、連接(jie)容量、定位精(jing)度、覆蓋等(deng)指標(biao)。
針對無源(yuan)(yuan)物聯網的需求，3GPP陣(zhen)營需要在5G標準演進中(zhong)考慮精簡射頻、數字信(xin)號處理、協議棧、同步性等技(ji)術(shu)實現終(zhong)端精簡，覆蓋性增強技(ji)術(shu)來提升無源(yuan)(yuan)物聯網傳輸距離，以(yi)及新的干擾管理技(ji)術(shu)來實現規模化部(bu)署等。
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非3GPP陣營已形成多項成果
當(dang)前(qian)，新型(xing)無(wu)源物(wu)聯(lian)網發展已(yi)有(you)多(duo)項成果，尤其是非3GPP陣營的一些(xie)企業已(yi)推出商(shang)用產品(pin)，在多(duo)個行業實現(xian)小范圍商(shang)用。其中，既有(you)基于(yu)短距離(li)(li)通(tong)信的WiFi、藍(lan)牙形成無(wu)源物(wu)聯(lian)網系統，也有(you)借助(zhu)LoRa相(xiang)關技術實現(xian)長距離(li)(li)無(wu)源物(wu)聯(lian)網通(tong)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，目前(qian)已(yi)實(shi)現了產品的迭代(dai)。這些(xie)基于藍(lan)牙的無源物(wu)聯網(wang)(wang)系(xi)統(tong)(tong)采用(yong)了分離式組網(wang)(wang)架構，已(yi)經在倉(cang)儲、物(wu)流、醫療等領域(yu)實(shi)現商用(yong)，在很(hen)大(da)(da)程(cheng)度上(shang)破(po)解了傳(chuan)統(tong)(tong)無源RFID的不(bu)足(zu)。不(bu)過(guo)，由于應用(yong)規模不(bu)大(da)(da)，相對于傳(chuan)統(tong)(tong)無源RFID，其標(biao)簽(qian)成本還未達(da)到預期較低的水平，因此還不(bu)能對RFID形成大(da)(da)規模替代(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，利用射頻(pin)信號的反(fan)向(xiang)散射通信技術(shu)，實(shi)現無(wu)源(yuan)標簽數據的傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)。Passive WiFi無(wu)源(yuan)節點傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)1Mbps和11Mbps所消耗的電量(liang)分別僅為14.5微瓦和59.2微瓦，最遠能(neng)夠實(shi)現30米(mi)的回傳(chuan)(chuan)(chuan)距離，甚至有(you)一定(ding)(ding)的穿墻能(neng)力，具(ju)備了擴展傳(chuan)(chuan)(chuan)統(tong)無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)場景的能(neng)力。針對WiFi的無(wu)源(yuan)物(wu)聯(lian)網(wang)吸引(yin)了海內(nei)外大(da)量(liang)研究人員，不過(guo)其商用尚(shang)需一定(ding)(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，還是美國(guo)華(hua)盛(sheng)頓大學Passive WiFi團隊的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)人員(yuan)(yuan)，在(zai)其發表的(de)(de)(de)(de)一(yi)篇論(lun)文中(zhong)研(yan)(yan)究(jiu)了(le)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)網擴展到遠距離傳(chuan)(chuan)輸的(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)中(zhong)。研(yan)(yan)究(jiu)人員(yuan)(yuan)利用(yong)了(le)LoRa信號高(gao)靈敏度和擴頻(pin)編碼(ma)技(ji)術，提升無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)標簽回傳(chuan)(chuan)能力(li)，并(bing)與商(shang)用(yong)的(de)(de)(de)(de)LoRa設備兼(jian)容，形(xing)(xing)成(cheng)基(ji)于LoRa的(de)(de)(de)(de)反射調制系(xi)統(tong)。在(zai)測(ce)試中(zhong)，最遠實現了(le)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)節(jie)點和接收器之間2.8公(gong)里的(de)(de)(de)(de)通信，形(xing)(xing)成(cheng)遠距離傳(chuan)(chuan)輸的(de)(de)(de)(de)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)網系(xi)統(tong)，而這個過程中(zhong)節(jie)點消耗的(de)(de)(de)(de)電量(liang)僅(jin)為10微(wei)瓦(wa)級別。此后，針對(dui)基(ji)于LoRa的(de)(de)(de)(de)無(wu)(wu)源(yuan)(yuan)物聯(lian)網系(xi)統(tong)研(yan)(yan)究(jiu)成(cheng)為關(guan)注重點，國(guo)內外學者(zhe)發表了(le)多篇高(gao)質量(liang)論(lun)文。當(dang)然，這一(yi)領(ling)域目前也是在(zai)研(yan)(yan)究(jiu)中(zhong)，還沒有實現商(shang)用(yong)落(luo)地。
可以看出，非(fei)3GPP陣營(ying)的相關(guan)組織(zhi)針對(dui)新型(xing)無源(yuan)(yuan)物(wu)(wu)聯(lian)網研究(jiu)已有多年且形成(cheng)(cheng)豐富(fu)成(cheng)(cheng)果，隨著(zhu)商用壁壘的突破，這些相關(guan)技術(shu)將成(cheng)(cheng)為無源(yuan)(yuan)物(wu)(wu)聯(lian)網市場一股重要力量(liang)，支撐無源(yuan)(yuan)物(wu)(wu)聯(lian)網大量(liang)場景落地。
目前，雖(sui)(sui)然3GPP陣營對無源物(wu)聯網(wang)的(de)研究起(qi)步(bu)雖(sui)(sui)然晚于(yu)非3GPP陣營，但(dan)和此前其(qi)他(ta)3GPP物(wu)聯網(wang)技(ji)(ji)術(shu)類似，基于(yu)蜂窩網(wang)絡的(de)無源物(wu)聯網(wang)將隨(sui)著5G、6G發展形成(cheng)全球統一(yi)標準，在(zai)(zai)可(ke)靠(kao)性、技(ji)(ji)術(shu)路線一(yi)致性等方(fang)面具有優勢，加上3GPP陣營參與者都(dou)是移動通信產業的(de)主導者，在(zai)(zai)業界擁有較強話語權(quan)，因此未來(lai)3GPP陣營無源物(wu)聯網(wang)技(ji)(ji)術(shu)在(zai)(zai)業界會形成(cheng)較大影響力(li)。
正如(ru)數(shu)(shu)年(nian)前低功(gong)耗(hao)廣(guang)域網(wang)(wang)絡（LPWAN）發(fa)展(zhan)一(yi)樣，3GPP陣(zhen)(zhen)(zhen)營(ying)的(de)NB-IoT、eMTC目(mu)前已成(cheng)為(wei)全球(qiu)主流標準(zhun)，支持數(shu)(shu)億低功(gong)耗(hao)節(jie)點接(jie)入。同(tong)時，基于(yu)LoRa等非3GPP技(ji)術以(yi)其靈活性(xing)的(de)優勢，也成(cheng)為(wei)物(wu)聯網(wang)(wang)的(de)事(shi)實(shi)標準(zhun)，實(shi)現全球(qiu)數(shu)(shu)億低功(gong)耗(hao)節(jie)點接(jie)入。未來的(de)無源物(wu)聯網(wang)(wang)領域，3GPP陣(zhen)(zhen)(zhen)營(ying)和非3GPP陣(zhen)(zhen)(zhen)營(ying)技(ji)術共存也不可避免，共同(tong)支撐千億級物(wu)聯網(wang)(wang)連接(jie)的(de)實(shi)現。
