徹底拋棄電池，5G支持無源物聯(lián)網(wǎng)，比NB-IoT影響更廣泛的技術(shù)要來了？

無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠涵蓋千億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，業(yè)界針對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)的研究一直持續(xù)進(jìn)行著，不過要在5G這張蜂窩網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對(duì)無源物聯(lián)的支持，卻是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的課題，同時(shí)也將5G連接能力擴(kuò)展到更大范圍的物理世界中。

近日，在華為和中國(guó)移動(dòng)舉辦的5G-Advanced創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上，華為常務(wù)董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤從6個(gè)方面解析了華為在5.5G技術(shù)演進(jìn)的方向，其中第三個(gè)方向是“一張網(wǎng)絡(luò)支撐全場(chǎng)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(jìn)設(shè)想。

無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)確實(shí)能夠涵蓋千億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，業(yè)界針對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)的研究一直持續(xù)進(jìn)行著，不過要在5G這張蜂窩網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對(duì)無源物聯(lián)的支持，卻是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的課題，同時(shí)也將5G連接能力擴(kuò)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(jí)終端，關(guān)鍵點(diǎn)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(qiáng)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(dāng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的支持，主要分為3個(gè)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(duì)低速物聯(lián)的NB-IoT，面對(duì)的是近百億級(jí)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，這一觀點(diǎn)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(yuǎn)低于低速物聯(lián)連接規(guī)模。因此，依靠這3個(gè)不同速率檔位的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，僅能支撐起100億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)連接。在本次峰會(huì)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(jí)物聯(lián)網(wǎng)連接的主要來源。

眾所周知，NB-IoT針對(duì)的是大量?jī)H發(fā)送低頻、小數(shù)據(jù)包但供電不方便的場(chǎng)景，水氣表、環(huán)境監(jiān)測(cè)、消防煙感等都是NB-IoT能夠發(fā)揮作用的場(chǎng)景，不過NB-IoT模組還是需要一個(gè)小型的電池來供電，通過低功耗的設(shè)計(jì)，可以做到數(shù)年甚至10年不用更換電池，達(dá)到無需值守的目標(biāo)。然而，還有海量物理終端由于本身?xiàng)l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(jià)成本的限制，比如一些快消品、物流包裹、產(chǎn)品外包裝、倉(cāng)庫(kù)貨物盤點(diǎn)等，這些構(gòu)成了千億級(jí)無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。例如，每年動(dòng)輒數(shù)百億的服裝鞋帽、快遞包裹，每個(gè)都用類似NB-IoT的方案顯然并不現(xiàn)實(shí)，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(biāo)簽中得出的啟發(fā)。在過去十多年時(shí)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(jí)連接。英國(guó)市場(chǎng)研究公司IDTechEx曾發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2019年全球RFID標(biāo)簽的銷售量達(dá)到210億個(gè)，而2018年這一數(shù)字為175億個(gè)，銷量大部分增長(zhǎng)來自無源RFID標(biāo)簽?？梢?，無源RFID標(biāo)簽很容易達(dá)到千億級(jí)連接。

當(dāng)然，RFID本身有一些局限性，例如傳輸距離短、對(duì)專用讀寫器的高度依賴等，若能實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)，則將打破這些局限，擴(kuò)大蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(chǎng)景傳輸距離由10米級(jí)別擴(kuò)大到百米級(jí)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(diǎn)。

今年4月，3GPP正式將5G演進(jìn)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(huì)，其中有不少關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)，若Passive IoT能夠納入R18的研究項(xiàng)目中，筆者認(rèn)為在數(shù)年后將產(chǎn)生比NB-IoT更大的社會(huì)效應(yīng)。

針對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)一直在進(jìn)行

通過5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無源物聯(lián)，一個(gè)難點(diǎn)是無源終端節(jié)點(diǎn)如何獲取能量，另一個(gè)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離回傳，尤其是后者的難度更大。因?yàn)闊o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(zhǎng)，信號(hào)會(huì)快速衰減。實(shí)際上，過去幾年中業(yè)界對(duì)此進(jìn)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(lán)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(chǎng)么？》一文中就詳細(xì)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(lán)牙低功耗傳感器標(biāo)簽，標(biāo)簽最大的亮點(diǎn)是不需要供電，完成感知、存儲(chǔ)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(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)碼的數(shù)據(jù)以及傳感器讀數(shù)。也正是采用這一設(shè)計(jì)，該標(biāo)簽不需要電池，因此其尺寸可以設(shè)計(jì)成郵票大小，并能便捷地粘貼在各種物品之上。

不僅僅藍(lán)牙射頻信號(hào)可以作為Wiliot標(biāo)簽?zāi)芰縼碓矗襑iFi、蜂窩、LoRa等無線射頻信號(hào)均可驅(qū)動(dòng)其自供電，其技術(shù)完成了無源節(jié)點(diǎn)獲取能量的難點(diǎn)，而其傳輸距離為3米，未來將實(shí)現(xiàn)10米的傳輸距離，這是因?yàn)閃iliot回傳主要是通過低功耗藍(lán)牙方式，因此無法解決長(zhǎng)距離回傳的問題。

（2）基于WiFi的無源物聯(lián)網(wǎng)

美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究人員提出了通過對(duì)射頻信號(hào)的反射調(diào)制技術(shù)來實(shí)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(jì)原理類似于RFID芯片，利用的是射頻信號(hào)的后向反射通信技術(shù)，當(dāng)附近WiFi路由器發(fā)射功率相對(duì)較高的射頻信號(hào)后，無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)吸收射頻信號(hào)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(diǎn)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(diǎn)電量消耗的萬分之一和藍(lán)牙、Zigbee節(jié)點(diǎn)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(kuò)展到數(shù)十倍原有WiFi無法覆蓋的場(chǎng)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(zhǎng)距離通信技術(shù)的無源物聯(lián)接入研究則對(duì)于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)支持無源通信更有參考意義。

2017年，美國(guó)華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在一篇論文中闡述了其將反射調(diào)制技術(shù)擴(kuò)展到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)中。如果要進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，那么需要克服的一個(gè)最大困難就是無源節(jié)點(diǎn)回傳信號(hào)弱的問題，因?yàn)榛貍餍盘?hào)與射頻發(fā)射源到節(jié)點(diǎn)距離和節(jié)點(diǎn)到接收距離的平方成反比，當(dāng)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，通過反射調(diào)制后需要傳輸?shù)男盘?hào)比射頻源頭傳輸給它的信號(hào)甚至弱一百萬倍。

研究人員采用線性擴(kuò)頻技術(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(cè)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(shí)現(xiàn)無源節(jié)點(diǎn)反射調(diào)制，成功回傳傳感器信息；將無源節(jié)點(diǎn)與射頻源位于同一位置時(shí)，接收器最遠(yuǎn)可達(dá)2.8公里，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的傳輸。在這個(gè)過程中，節(jié)點(diǎn)消耗的電量?jī)H為10µW級(jí)別，而這套系統(tǒng)批量生產(chǎn)時(shí)，估計(jì)每一節(jié)點(diǎn)標(biāo)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(duì)超高頻RFID與蜂窩網(wǎng)絡(luò)兼容進(jìn)行研究，提出了無源蜂窩物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(huì)有交集。而如今，讓5G承載千億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)接入的愿景，對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)支持必不可少，在這一目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，蜂窩移動(dòng)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。