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無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠涵蓋千億級物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，業(yè)界針對無源物聯(lián)網(wǎng)的研究一直持續(xù)進行著，不過要在5G這張蜂窩網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)對無源物聯(lián)的支持，卻是一項極具挑戰(zhàn)的課題，同時也將5G連接能力擴展到更大范圍的物理世界中。
近日，在華為和中國移動舉辦的5G-Advanced創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)峰會上，華為常務(wù)董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤從6個方面解析了華為在5.5G技術(shù)演進的方向，其中第三個方向是“一張網(wǎng)絡(luò)支撐全場景物聯(lián)，構(gòu)筑千億物聯(lián)基石”，提出了面向無源物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)演進設(shè)想。
無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)確實能夠涵蓋千億級物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，業(yè)界針對無源物聯(lián)網(wǎng)的研究一直持續(xù)進行著，不過要在5G這張蜂窩網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)對無源物聯(lián)的支持，卻是一項極具挑戰(zhàn)的課題，同時也將5G連接能力擴展到更大范圍的物理世界中。
一張蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接千億級終端，關(guān)鍵點在無源物聯(lián)網(wǎng)
汪濤在演講中提出：5G網(wǎng)絡(luò)也需要持續(xù)增強更好地支撐物聯(lián)，滿足未來承載千億連接的需求。這就要求5G網(wǎng)絡(luò)能支撐不同速率檔位的物聯(lián)類型，匹配行業(yè)差異化需求；此外，當前大量的物聯(lián)應(yīng)用基于無源聯(lián)接，如何通過網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)提升無源物聯(lián)的識別率、覆蓋范圍、定位精度是5G網(wǎng)絡(luò)未來的創(chuàng)新方向，這需要產(chǎn)業(yè)合作伙伴共同定義標準并構(gòu)筑產(chǎn)業(yè)鏈。
各位從業(yè)者非常熟悉的是，蜂窩網(wǎng)絡(luò)對于物聯(lián)網(wǎng)的支持，主要分為3個不同速率檔位，即高速物聯(lián)、中速物聯(lián)和窄帶物聯(lián)，其中高速物聯(lián)主要通過4G Cat.4+和5G eMBB來承載，中速物聯(lián)目前主要以來4G Cat.1來承載，窄帶物聯(lián)主要由NB-IoT來承載。
針對低速物聯(lián)的NB-IoT，面對的是近百億級的低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，這一觀點已經(jīng)深入人心；中速率和高速率蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠帶來的物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模遠低于低速物聯(lián)連接規(guī)模。因此，依靠這3個不同速率檔位的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，僅能支撐起100億級物聯(lián)網(wǎng)連接。在本次峰會上，華為在以上三類蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，提出了無源物聯(lián)這一類別，無源物聯(lián)正是千億級物聯(lián)網(wǎng)連接的主要來源。
眾所周知，NB-IoT針對的是大量僅發(fā)送低頻、小數(shù)據(jù)包但供電不方便的場景，水氣表、環(huán)境監(jiān)測、消防煙感等都是NB-IoT能夠發(fā)揮作用的場景，不過NB-IoT模組還是需要一個小型的電池來供電，通過低功耗的設(shè)計，可以做到數(shù)年甚至10年不用更換電池，達到無需值守的目標。然而，還有海量物理終端由于本身條件的限制，可能連小型電池供電的條件都不具備，或者有廉價成本的限制，比如一些快消品、物流包裹、產(chǎn)品外包裝、倉庫貨物盤點等，這些構(gòu)成了千億級無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。例如，每年動輒數(shù)百億的服裝鞋帽、快遞包裹，每個都用類似NB-IoT的方案顯然并不現(xiàn)實，需要無源物聯(lián)網(wǎng)方案。
無源物聯(lián)網(wǎng)是從目前大量使用并成熟的RFID標簽中得出的啟發(fā)。在過去十多年時間中，RFID技術(shù)得到大范圍普及，在零售、醫(yī)療、物流、制造等行業(yè)廣泛使用，每年可新增百億級連接。英國市場研究公司IDTechEx曾發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2019年全球RFID標簽的銷售量達到210億個，而2018年這一數(shù)字為175億個，銷量大部分增長來自無源RFID標簽。可見，無源RFID標簽很容易達到千億級連接。
當然，RFID本身有一些局限性，例如傳輸距離短、對專用讀寫器的高度依賴等，若能實現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)，則將打破這些局限，擴大蜂窩網(wǎng)絡(luò)對物聯(lián)網(wǎng)的支持。華為在5.5G愿景中提出Passive IoT的方向，就是要將RFID所支持的場景傳輸距離由10米級別擴大到百米級別，砍掉專用的讀寫器，讓終端可以直接回傳給蜂窩網(wǎng)關(guān)類節(jié)點。
今年4月，3GPP正式將5G演進的名稱確定為5G-Advanced，并決定5G-Advanced將從R18開始。上月，3GPP組織了R18潛在研究方向討論會，其中有不少關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的增強，若Passive IoT能夠納入R18的研究項目中，筆者認為在數(shù)年后將產(chǎn)生比NB-IoT更大的社會效應(yīng)。
針對無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)一直在進行
通過5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)，一個難點是無源終端節(jié)點如何獲取能量，另一個難點在于如何實現(xiàn)長距離回傳，尤其是后者的難度更大。因為無源終端通過各種方式獲得的能量是非常微弱的，回傳路徑過長，信號會快速衰減。實際上，過去幾年中業(yè)界對此進行了大量研究，并取得很多成果，因此也讓5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)具有可能性。其中具有代表性的包括：
（1）基于藍牙的無源物聯(lián)網(wǎng)
筆者在上周的《這家獲得軟銀/高通/三星青睞的初創(chuàng)企業(yè)，能顛覆傳統(tǒng)RFID市場么？》一文中就詳細介紹了一家名為Wiliot的初創(chuàng)公司，該公司最為典型的產(chǎn)品是一款無源藍牙低功耗傳感器標簽，標簽最大的亮點是不需要供電，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)送標簽唯一標識碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。也正是采用這一設(shè)計，該標簽不需要電池，因此其尺寸可以設(shè)計成郵票大小，并能便捷地粘貼在各種物品之上。
不僅僅藍牙射頻信號可以作為Wiliot標簽?zāi)芰縼碓?，而且WiFi、蜂窩、LoRa等無線射頻信號均可驅(qū)動其自供電，其技術(shù)完成了無源節(jié)點獲取能量的難點，而其傳輸距離為3米，未來將實現(xiàn)10米的傳輸距離，這是因為Wiliot回傳主要是通過低功耗藍牙方式，因此無法解決長距離回傳的問題。
（2）基于WiFi的無源物聯(lián)網(wǎng)
美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員提出了通過對射頻信號的反射調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)無源設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。早在2016年，該學(xué)院的研究人員就研發(fā)出一種全新的WiFi技術(shù)，稱之為Passive WiFi，它的設(shè)計原理類似于RFID芯片，利用的是射頻信號的后向反射通信技術(shù)，當附近WiFi路由器發(fā)射功率相對較高的射頻信號后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點吸收射頻信號并調(diào)制天線反射系數(shù)，將傳感器信息傳遞出去。
Passive WiFi無源節(jié)點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5µW和59.2µW，這只有正常WiFi節(jié)點電量消耗的萬分之一和藍牙、Zigbee節(jié)點電量消耗的千分之一，而且能夠?qū)崿F(xiàn)30米的回傳距離，甚至有一定的穿墻能力。因此，此類技術(shù)在很大程度上能夠?qū)o源WiFi擴展到數(shù)十倍原有WiFi無法覆蓋的場景中。
（3）基于LoRa的廣域無源物聯(lián)網(wǎng)
如果說以上兩類技術(shù)更多集中在短距離通信技術(shù)的無源物聯(lián)接入研究上，那么在長距離通信技術(shù)的無源物聯(lián)接入研究則對于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)支持無源通信更有參考意義。
2017年，美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究團隊在一篇論文中闡述了其將反射調(diào)制技術(shù)擴展到遠距離傳輸?shù)南到y(tǒng)中。如果要進行長距離傳輸，那么需要克服的一個最大困難就是無源節(jié)點回傳信號弱的問題，因為回傳信號與射頻發(fā)射源到節(jié)點距離和節(jié)點到接收距離的平方成反比，當距離足夠遠時，通過反射調(diào)制后需要傳輸?shù)男盘柋壬漕l源頭傳輸給它的信號甚至弱一百萬倍。
研究人員采用線性擴頻技術(shù)，提升無源標簽回傳能力，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，研究人員成功地從射頻源和接收器之間相隔475米的任何位置可以實現(xiàn)無源節(jié)點反射調(diào)制，成功回傳傳感器信息；將無源節(jié)點與射頻源位于同一位置時，接收器最遠可達2.8公里，實現(xiàn)了遠距離的傳輸。在這個過程中，節(jié)點消耗的電量僅為10µW級別，而這套系統(tǒng)批量生產(chǎn)時，估計每一節(jié)點標簽的成本僅為10-20美分。
在無源蜂窩物聯(lián)網(wǎng)支持方面，也已有一些探索，如2018年電子科技大學(xué)一篇文論《無源蜂窩物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)研究》，就是從蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基站和無源終端出發(fā)，基于反射調(diào)制對超高頻RFID與蜂窩網(wǎng)絡(luò)兼容進行研究，提出了無源蜂窩物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括蜂窩物聯(lián)網(wǎng)基站、無源終端軟硬件架構(gòu)以及主流效益的兼容等。雖然還是理論的研究，但可以看出，蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)網(wǎng)的研究也已經(jīng)提上議程，5G支持無源物聯(lián)接入的研究方向也有一定的基礎(chǔ)。
在物聯(lián)網(wǎng)過去發(fā)展過程中，無源物聯(lián)網(wǎng)似乎與蜂窩網(wǎng)絡(luò)不會有交集。而如今，讓5G承載千億級物聯(lián)網(wǎng)接入的愿景，對無源物聯(lián)網(wǎng)支持必不可少，在這一目標驅(qū)動下，蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)首次和無源物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合起來，而且成為未來5G連接中規(guī)模最大的群體。
