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皓天鑫
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(lián)網(wǎng)受到的關(guān)注程度不斷提高，3GPP組織相關(guān)代表和專家已啟動了無源物聯(lián)網(wǎng)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。不過，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界很早就開始了對無源物聯(lián)網(wǎng)的研究，除了已經(jīng)非常成熟的RFID外，多家企業(yè)已經(jīng)推出一些新型無源物聯(lián)網(wǎng)商用化產(chǎn)品。而無源物聯(lián)網(wǎng)納入移動通信領(lǐng)域重點關(guān)注的范疇始于業(yè)界對5G Advanced演進的探討，在確定3GPP R18版本方向時將無源物聯(lián)網(wǎng)作為研究的內(nèi)容。
在筆者看來，新型無源物聯(lián)網(wǎng)尚處于發(fā)展初級階段，在全球移動通信主流廠商的推動下，無源物聯(lián)網(wǎng)將形成3GPP和非3GPP兩大陣營，在不同技術(shù)方向推動無源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
新型無源物聯(lián)網(wǎng)破解傳統(tǒng)無源RFID痛點
何謂新型無源物聯(lián)網(wǎng)？主要是針對傳統(tǒng)無源RFID的一些痛點進行改造而形成的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。無源RFID已有多年發(fā)展歷史，產(chǎn)業(yè)生態(tài)也非常龐大，可以說是當(dāng)前最為成熟的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案。不過，隨著應(yīng)用場景不斷擴大，無源RFID存在的痛點不斷顯現(xiàn)，集中表現(xiàn)在通信距離較短和依賴于專用的讀寫設(shè)備。
近期舉行的多場無源物聯(lián)網(wǎng)研討會上，產(chǎn)學(xué)研各界專家對新型無源物聯(lián)網(wǎng)形成一些共識。以中國移動研究院的觀點為例，無源物聯(lián)網(wǎng)分為一體式無源1.0、組網(wǎng)式無源2.0和蜂窩式無源3.0。其中，一體式無源1.0即傳統(tǒng)無源物聯(lián)網(wǎng)，更多是傳統(tǒng)無源RFID的應(yīng)用場景，在這些場景下，對無源標(biāo)簽激勵信號發(fā)射源和接收機位于同一設(shè)備中，由專用讀寫設(shè)備來承擔(dān)，這一設(shè)計會導(dǎo)致發(fā)射和接收信號自干擾，限制了通信的距離，尤其是沒有有效的干擾管理機制，在擁有非常密集終端的場景中，很難形成大規(guī)模無縫網(wǎng)絡(luò)部署。
針對這些痛點，組網(wǎng)式無源2.0和蜂窩式無源3.0是新型無源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的方向。組網(wǎng)式無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用激勵信號和接收機分離的架構(gòu)，支持組網(wǎng)部署，這種模式在很大程度上解決了傳統(tǒng)無源RFID讀寫器自干擾、互干擾的問題，提升了接收距離，極大拓展了應(yīng)用場景。
而蜂窩式無源物聯(lián)網(wǎng)則在組網(wǎng)式架構(gòu)基礎(chǔ)上，發(fā)揮蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣泛部署的優(yōu)勢，使現(xiàn)成的基站資源作為無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽激勵信號源和接收設(shè)備，通過統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)更大范圍組網(wǎng)和擴大通信距離。
近年來，國內(nèi)外多家無源物聯(lián)網(wǎng)新銳企業(yè)開始了新型無源物聯(lián)網(wǎng)的研究和商業(yè)化，基本上均采用組網(wǎng)式的系統(tǒng)，通過攻克多個技術(shù)難點，破解傳統(tǒng)RFID的痛點，優(yōu)化了原有場景，并支持了大量新的場景。
現(xiàn)有技術(shù)無法滿足
在3GPP RAN94e研討會中，專門設(shè)置了針對無源物聯(lián)網(wǎng)的研討，參會代表均認(rèn)可無源物聯(lián)網(wǎng)在未來蜂窩物聯(lián)網(wǎng)中的意義，并討論了在未來5G演進中無源物聯(lián)網(wǎng)的場景、技術(shù)、設(shè)計目標(biāo)、終端形態(tài)等內(nèi)容，未來5G乃至6G網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)網(wǎng)成為趨勢。
不過，在討論3GPP系統(tǒng)中無源物聯(lián)網(wǎng)的候選技術(shù)和動機時，參與討論的代表一致認(rèn)為現(xiàn)有3GPP技術(shù)并不能滿足無電池、超低成本等無源物聯(lián)網(wǎng)的需求，3GPP陣營需要推進新技術(shù)來滿足蜂窩式無源物聯(lián)網(wǎng)需求，新的技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)的連接數(shù)將要高出現(xiàn)有技術(shù)好幾個數(shù)量級。同時，3GPP專家一致認(rèn)為，新的技術(shù)應(yīng)提供遠(yuǎn)低于NB-IoT、eMTC的功耗和成本，因此不會對其形成替代。
具體來說，無源物聯(lián)網(wǎng)主要采用能量采集技術(shù)來為終端節(jié)點供電，然而，典型的能量采集技術(shù)輸出的電量在1微瓦-100微瓦之間，而且在終端節(jié)點尺寸有限的情況下，能量轉(zhuǎn)換效率也不高，這一微弱的電量無法支持現(xiàn)有3GPP最低功耗的終端運行。NB-IoT終端是3GPP陣營技術(shù)支持的最低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端，以NB-IoT模組為例，驅(qū)動其正常工作的電量需要數(shù)十毫瓦甚至上百毫瓦的電量，與能量采集技術(shù)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(shù)電量相匹配的終端技術(shù)演進。
另外，若要借助現(xiàn)成的5G基站作為無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點激勵信號發(fā)射節(jié)點和接收終端，部署時需要考慮如何使5G網(wǎng)絡(luò)形成對無源物聯(lián)網(wǎng)終端的無縫覆蓋。在典型的網(wǎng)絡(luò)場景下，室內(nèi)小基站之間的距離為數(shù)十米，室外宏基站之間的距離為200-300米，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點到基站之間傳輸距離應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)部署范圍之內(nèi)，因此需要在數(shù)據(jù)傳輸方面做好優(yōu)化，符合5G網(wǎng)絡(luò)部署的現(xiàn)狀。
多家企業(yè)代表認(rèn)為，無源物聯(lián)網(wǎng)將形成千億級連接規(guī)模，當(dāng)前大量行業(yè)已明確了需求。在非3GPP陣營大力投入和發(fā)展新型無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，滿足大量場景需求的同時，若3GPP陣營對其不重視，尤其是當(dāng)前3GPP現(xiàn)有技術(shù)無法支撐無源物聯(lián)網(wǎng)需求，則未來這一領(lǐng)域的市場空間將被非3GPP陣營占據(jù)，因此3GPP對無源物聯(lián)網(wǎng)的研究應(yīng)該加速。
接下來，3GPP將設(shè)立無源物聯(lián)網(wǎng)研究項目，對基于5G網(wǎng)絡(luò)的無源物聯(lián)網(wǎng)場景、核心目標(biāo)進行研究。例如，對無源物聯(lián)網(wǎng)超低功耗、超低成本的定義，確定功耗目標(biāo)、節(jié)點成本目標(biāo)等，并明確對鏈路預(yù)算、數(shù)據(jù)速率、連接容量、定位精度、覆蓋等指標(biāo)。
針對無源物聯(lián)網(wǎng)的需求，3GPP陣營需要在5G標(biāo)準(zhǔn)演進中考慮精簡射頻、數(shù)字信號處理、協(xié)議棧、同步性等技術(shù)實現(xiàn)終端精簡，覆蓋性增強技術(shù)來提升無源物聯(lián)網(wǎng)傳輸距離，以及新的干擾管理技術(shù)來實現(xiàn)規(guī)?；渴鸬?。
非3GPP陣營已形成多項成果
當(dāng)前，新型無源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已有多項成果，尤其是非3GPP陣營的一些企業(yè)已推出商用產(chǎn)品，在多個行業(yè)實現(xiàn)小范圍商用。其中，既有基于短距離通信的WiFi、藍(lán)牙形成無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也有借助LoRa相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)長距離無源物聯(lián)網(wǎng)通信。
在這一群體中，最為典型的是基于藍(lán)牙的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該領(lǐng)域進展最快，多家企業(yè)已推出商用產(chǎn)品，且實現(xiàn)多代產(chǎn)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(chǎn)品是一款無源藍(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)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(fā)送傳感器讀數(shù)；Atmosic公司核心技術(shù)為受控能量收集，并基于藍(lán)牙5平臺，開發(fā)出超低功耗無源藍(lán)牙芯片，目前已實現(xiàn)了產(chǎn)品的迭代。這些基于藍(lán)牙的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用了分離式組網(wǎng)架構(gòu)，已經(jīng)在倉儲、物流、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用，在很大程度上破解了傳統(tǒng)無源RFID的不足。不過，由于應(yīng)用規(guī)模不大，相對于傳統(tǒng)無源RFID，其標(biāo)簽成本還未達到預(yù)期較低的水平，因此還不能對RFID形成大規(guī)模替代。
早在2016年，美國華盛頓大學(xué)的研究人員就研發(fā)出一種全新的WiFi技術(shù)，稱之為Passive WiFi，利用射頻信號的反向散射通信技術(shù)，實現(xiàn)無源標(biāo)簽數(shù)據(jù)的傳輸。Passive WiFi無源節(jié)點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5微瓦和59.2微瓦，最遠(yuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力，具備了擴展傳統(tǒng)無源物聯(lián)網(wǎng)場景的能力。針對WiFi的無源物聯(lián)網(wǎng)吸引了海內(nèi)外大量研究人員，不過其商用尚需一定時間。
基于LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)通信距離。2017年，還是美國華盛頓大學(xué)Passive WiFi團隊的研究人員，在其發(fā)表的一篇論文中研究了無源物聯(lián)網(wǎng)擴展到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)中。研究人員利用了LoRa信號高靈敏度和擴頻編碼技術(shù)，提升無源標(biāo)簽回傳能力，并與商用的LoRa設(shè)備兼容，形成基于LoRa的反射調(diào)制系統(tǒng)。在測試中，最遠(yuǎn)實現(xiàn)了無源節(jié)點和接收器之間2.8公里的通信，形成遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，而這個過程中節(jié)點消耗的電量僅為10微瓦級別。此后，針對基于LoRa的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究成為關(guān)注重點，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了多篇高質(zhì)量論文。當(dāng)然，這一領(lǐng)域目前也是在研究中，還沒有實現(xiàn)商用落地。
可以看出，非3GPP陣營的相關(guān)組織針對新型無源物聯(lián)網(wǎng)研究已有多年且形成豐富成果，隨著商用壁壘的突破，這些相關(guān)技術(shù)將成為無源物聯(lián)網(wǎng)市場一股重要力量，支撐無源物聯(lián)網(wǎng)大量場景落地。
目前，雖然3GPP陣營對無源物聯(lián)網(wǎng)的研究起步雖然晚于非3GPP陣營，但和此前其他3GPP物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)類似，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無源物聯(lián)網(wǎng)將隨著5G、6G發(fā)展形成全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在可靠性、技術(shù)路線一致性等方面具有優(yōu)勢，加上3GPP陣營參與者都是移動通信產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)者，在業(yè)界擁有較強話語權(quán)，因此未來3GPP陣營無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在業(yè)界會形成較大影響力。
正如數(shù)年前低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)發(fā)展一樣，3GPP陣營的NB-IoT、eMTC目前已成為全球主流標(biāo)準(zhǔn)，支持?jǐn)?shù)億低功耗節(jié)點接入。同時，基于LoRa等非3GPP技術(shù)以其靈活性的優(yōu)勢，也成為物聯(lián)網(wǎng)的事實標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)全球數(shù)億低功耗節(jié)點接入。未來的無源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，3GPP陣營和非3GPP陣營技術(shù)共存也不可避免，共同支撐千億級物聯(lián)網(wǎng)連接的實現(xiàn)。
原標(biāo)題:無源物聯(lián)網(wǎng)也將形成兩大陣營！LPWAN“兩分天下”的故事將再次上演？
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