无源物联网也将形成两大阵营!LPWAN“两分天下”的故事将再次上演?

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随着5G新的演进方向不断的清晰和6G研究的进展,无源物联网受到的关注程度不断提高,3GPP组织相关代表和专家已启动了无源物联网的研究和标准化工作。不过,物联网产业界很早就开始了对无源物联网的研究,除了已经非常成熟的RFID外,多家企业已经推出一些新型无源物联网商用化产品。而无源物联网纳入移动通信领域重点关注的范畴始于业界对5G Advanced演进的探讨,在确定3GPP R18版本方向时将无源物联网作为研究的内容。

在笔者看来,新型无源物联网尚处于发展初级阶段,在全球移动通信主流厂商的推动下,无源物联网将形成3GPP和非3GPP两大阵营,在不同技术方向推动无源物联网的发展。

新型无源物联网破解传统无源RFID痛点

何谓新型无源物联网?主要是针对传统无源RFID的一些痛点进行改造而形成的无源物联网系统。无源RFID已有多年发展历史,产业生态也非常庞大,可以说是当前最为成熟的无源物联网系统方案。不过,随着应用场景不断扩大,无源RFID存在的痛点不断显现,集中表现在通信距离较短和依赖于专用的读写设备。

 

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近期举行的多场无源物联网研讨会上,产学研各界专家对新型无源物联网形成一些共识。以中国移动研究院的观点为例,无源物联网分为一体式无源1.0、组网式无源2.0和蜂窝式无源3.0。其中,一体式无源1.0即传统无源物联网,更多是传统无源RFID的应用场景,在这些场景下,对无源标签激励信号发射源和接收机位于同一设备中,由专用读写设备来承担,这一设计会导致发射和接收信号自干扰,限制了通信的距离,尤其是没有有效的干扰管理机制,在拥有非常密集终端的场景中,很难形成大规模无缝网络部署。

针对这些痛点,组网式无源2.0和蜂窝式无源3.0是新型无源物联网发展的方向。组网式无源物联网技术采用激励信号和接收机分离的架构,支持组网部署,这种模式在很大程度上解决了传统无源RFID读写器自干扰、互干扰的问题,提升了接收距离,极大拓展了应用场景。

而蜂窝式无源物联网则在组网式架构基础上,发挥蜂窝网络广泛部署的优势,使现成的基站资源作为无源物联网标签激励信号源和接收设备,通过统一调度实现更大范围组网和扩大通信距离。

近年来,国内外多家无源物联网新锐企业开始了新型无源物联网的研究和商业化,基本上均采用组网式的系统,通过攻克多个技术难点,破解传统RFID的痛点,优化了原有场景,并支持了大量新的场景。

现有技术无法满足

在3GPP RAN94e研讨会中,专门设置了针对无源物联网的研讨,参会代表均认可无源物联网在未来蜂窝物联网中的意义,并讨论了在未来5G演进中无源物联网的场景、技术、设计目标、终端形态等内容,未来5G乃至6G网络支持无源物联网成为趋势。

 

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不过,在讨论3GPP系统中无源物联网的候选技术和动机时,参与讨论的代表一致认为现有3GPP技术并不能满足无电池、超低成本等无源物联网的需求,3GPP阵营需要推进新技术来满足蜂窝式无源物联网需求,新的技术应该能够实现的连接数将要高出现有技术好几个数量级。同时,3GPP专家一致认为,新的技术应提供远低于NB-IoT、eMTC的功耗和成本,因此不会对其形成替代。

具体来说,无源物联网主要采用能量采集技术来为终端节点供电,然而,典型的能量采集技术输出的电量在1微瓦-100微瓦之间,而且在终端节点尺寸有限的情况下,能量转换效率也不高,这一微弱的电量无法支持现有3GPP最低功耗的终端运行。NB-IoT终端是3GPP阵营技术支持的最低功耗物联网终端,以NB-IoT模组为例,驱动其正常工作的电量需要数十毫瓦甚至上百毫瓦的电量,与能量采集技术供给电量差距千百倍。若使用可充电电池或超级电容,则增大终端体积和成本。因此,3GPP阵营需要推进终端进一步精简化,形成与能量采集技术电量相匹配的终端技术演进。

另外,若要借助现成的5G基站作为无源物联网节点激励信号发射节点和接收终端,部署时需要考虑如何使5G网络形成对无源物联网终端的无缝覆盖。在典型的网络场景下,室内小基站之间的距离为数十米,室外宏基站之间的距离为200-300米,无源物联网节点到基站之间传输距离应在网络部署范围之内,因此需要在数据传输方面做好优化,符合5G网络部署的现状。

多家企业代表认为,无源物联网将形成千亿级连接规模,当前大量行业已明确了需求。在非3GPP阵营大力投入和发展新型无源物联网技术,满足大量场景需求的同时,若3GPP阵营对其不重视,尤其是当前3GPP现有技术无法支撑无源物联网需求,则未来这一领域的市场空间将被非3GPP阵营占据,因此3GPP对无源物联网的研究应该加速。

接下来,3GPP将设立无源物联网研究项目,对基于5G网络的无源物联网场景、核心目标进行研究。例如,对无源物联网超低功耗、超低成本的定义,确定功耗目标、节点成本目标等,并明确对链路预算、数据速率、连接容量、定位精度、覆盖等指标。

针对无源物联网的需求,3GPP阵营需要在5G标准演进中考虑精简射频、数字信号处理、协议栈、同步性等技术实现终端精简,覆盖性增强技术来提升无源物联网传输距离,以及新的干扰管理技术来实现规模化部署等。

非3GPP阵营已形成多项成果

当前,新型无源物联网发展已有多项成果,尤其是非3GPP阵营的一些企业已推出商用产品,在多个行业实现小范围商用。其中,既有基于短距离通信的WiFi、蓝牙形成无源物联网系统,也有借助LoRa相关技术实现长距离无源物联网通信。

在这一群体中,最为典型的是基于蓝牙的无源物联网系统,该领域进展最快,多家企业已推出商用产品,且实现多代产品迭代。例如,近年来受到资本多方看好的Wiliot公司,该公司推出的产品是一款无源蓝牙低功耗传感器标签,其完成感知、存储和通信的能量来自于收集周围的无线射频能量来为其供电,并使用该能量发送传感器读数;Atmosic公司核心技术为受控能量收集,并基于蓝牙5平台,开发出超低功耗无源蓝牙芯片,目前已实现了产品的迭代。这些基于蓝牙的无源物联网系统采用了分离式组网架构,已经在仓储、物流、医疗等领域实现商用,在很大程度上破解了传统无源RFID的不足。不过,由于应用规模不大,相对于传统无源RFID,其标签成本还未达到预期较低的水平,因此还不能对RFID形成大规模替代。

早在2016年,美国华盛顿大学的研究人员就研发出一种全新的WiFi技术,称之为Passive WiFi,利用射频信号的反向散射通信技术,实现无源标签数据的传输。Passive WiFi无源节点传输1Mbps和11Mbps所消耗的电量分别仅为14.5微瓦和59.2微瓦,最远能够实现30米的回传距离,甚至有一定的穿墙能力,具备了扩展传统无源物联网场景的能力。针对WiFi的无源物联网吸引了海内外大量研究人员,不过其商用尚需一定时间。

基于LoRa的无源物联网系统研究成为近年来一个热点,主要源于其大幅扩展了无源物联网通信距离。2017年,还是美国华盛顿大学Passive WiFi团队的研究人员,在其发表的一篇论文中研究了无源物联网扩展到远距离传输的系统中。研究人员利用了LoRa信号高灵敏度和扩频编码技术,提升无源标签回传能力,并与商用的LoRa设备兼容,形成基于LoRa的反射调制系统。在测试中,最远实现了无源节点和接收器之间2.8公里的通信,形成远距离传输的无源物联网系统,而这个过程中节点消耗的电量仅为10微瓦级别。此后,针对基于LoRa的无源物联网系统研究成为关注重点,国内外学者发表了多篇高质量论文。当然,这一领域目前也是在研究中,还没有实现商用落地。

可以看出,非3GPP阵营的相关组织针对新型无源物联网研究已有多年且形成丰富成果,随着商用壁垒的突破,这些相关技术将成为无源物联网市场一股重要力量,支撑无源物联网大量场景落地。

目前,虽然3GPP阵营对无源物联网的研究起步虽然晚于非3GPP阵营,但和此前其他3GPP物联网技术类似,基于蜂窝网络的无源物联网将随着5G、6G发展形成全球统一标准,在可靠性、技术路线一致性等方面具有优势,加上3GPP阵营参与者都是移动通信产业的主导者,在业界拥有较强话语权,因此未来3GPP阵营无源物联网技术在业界会形成较大影响力。

正如数年前低功耗广域网络(LPWAN)发展一样,3GPP阵营的NB-IoT、eMTC目前已成为全球主流标准,支持数亿低功耗节点接入。同时,基于LoRa等非3GPP技术以其灵活性的优势,也成为物联网的事实标准,实现全球数亿低功耗节点接入。未来的无源物联网领域,3GPP阵营和非3GPP阵营技术共存也不可避免,共同支撑千亿级物联网连接的实现。

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