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    新型無源物聯網破解傳統無源RFID痛點

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-17  來源:智慧城市網  瀏覽次數:47
         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,物聯網產業界很早就開始了對無源物聯網的研究,除了已經非常成熟的RFID外,多家企業已經推出一些新型無源物聯網商用化產品。而無源物聯網納入移動通信領域重點關注的范疇始于業界對5GAdvanced演進的探討,在確定3GPPR18版本方向時將無源物聯網作為研究的內容。
        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已有多年發展歷史,產業生態也非常龐大,可以說是當前最為成熟的無源物聯網系統方案。不過,隨著應用場景不斷擴大,無源RFID存在的痛點不斷顯現,集中表現在通信距離較短和依賴于專用的讀寫設備。
        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,一體式無源1.0即傳統無源物聯網,更多是傳統無源RFID的應用場景,在這些場景下,對無源標簽激勵信號發射源和接收機位于同一設備中,由專用讀寫設備來承擔,這一設計會導致發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,很難形成大規模無縫網絡部署。
        針對這些痛點,組網式無源2.0和蜂窩式無源3.0是新型無源物聯網發展的方向。組網式無源物聯網技術采用激勵信號和接收機分離的架構,支持組網部署,這種模式在很大程度上解決了傳統無源RFID讀寫器自干擾、互干擾的問題,提升了接收距離,極大拓展了應用場景。
        而蜂窩式無源物聯網則在組網式架構基礎上,發揮蜂窩網絡廣泛部署的優勢,使現成的基站資源作為無源物聯網標簽激勵信號源和接收設備,通過統一調度實現更大范圍組網和擴大通信距離。
        近年來,國內外多家無源物聯網新銳企業開始了新型無源物聯網的研究和商業化,基本上均采用組網式的系統,通過攻克多個技術難點,破解傳統RFID的痛點,優化了原有場景,并支持了大量新的場景。
        現有技術無法滿足
        在3GPPRAN94e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,新的技術應該能夠實現的連接數將要高出現有技術好幾個數量級。同時,3GPP專家一致認為,新的技術應提供遠低于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。
        另外,若要借助現成的5G基站作為無源物聯網節點激勵信號發射節點和接收終端,部署時需要考慮如何使5G網絡形成對無源物聯網終端的無縫覆蓋。在典型的網絡場景下,室內小基站之間的距離為數十米,室外宏基站之間的距離為200-300米,無源物聯網節點到基站之間傳輸距離應在網絡部署范圍之內,因此需要在數據傳輸方面做好優化,符合5G網絡部署的現狀。
        多家企業代表認為,無源物聯網將形成千億級連接規模,當前大量行業已明確了需求。在非3GPP陣營大力投入和發展新型無源物聯網技術,滿足大量場景需求的同時,若3GPP陣營對其不重視,尤其是當前3GPP現有技術無法支撐無源物聯網需求,則未來這一領域的市場空間將被非3GPP陣營占據,因此3GPP對無源物聯網的研究應該加速。
        接下來,3GPP將設立無源物聯網研究項目,對基于5G網絡的無源物聯網場景、核心目標進行研究。例如,對無源物聯網超低功耗、超低成本的定義,確定功耗目標、節點成本目標等,并明確對鏈路預算、數據速率、連接容量、定位精度、覆蓋等指標。
        針對無源物聯網的需求,3GPP陣營需要在5G標準演進中考慮精簡射頻、數字信號處理、協議棧、同步性等技術實現終端精簡,覆蓋性增強技術來提升無源物聯網傳輸距離,以及新的干擾管理技術來實現規?;渴鸬?。
        非3GPP陣營已形成多項成果
        當前,新型無源物聯網發展已有多項成果,尤其是非3GPP陣營的一些企業已推出商用產品,在多個行業實現小范圍商用。其中,既有基于短距離通信的WiFi、藍牙形成無源物聯網系統,也有借助LoRa相關技術實現長距離無源物聯網通信。
        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,目前已實現了產品的迭代。這些基于藍牙的無源物聯網系統采用了分離式組網架構,已經在倉儲、物流、醫療等領域實現商用,在很大程度上破解了傳統無源RFID的不足。不過,由于應用規模不大,相對于傳統無源RFID,其標簽成本還未達到預期較低的水平,因此還不能對RFID形成大規模替代。
        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PassiveWiFi,利用射頻信號的反向散射通信技術,實現無源標簽數據的傳輸。PassiveWiFi無源節點傳輸1Mbps和11Mbps所消耗的電量分別僅為14.5微瓦和59.2微瓦,最遠能夠實現30米的回傳距離,甚至有一定的穿墻能力,具備了擴展傳統無源物聯網場景的能力。針對WiFi的無源物聯網吸引了海內外大量研究人員,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,還是美國華盛頓大學PassiveWiFi團隊的研究人員,在其發表的一篇論文中研究了無源物聯網擴展到遠距離傳輸的系統中。研究人員利用了LoRa信號高靈敏度和擴頻編碼技術,提升無源標簽回傳能力,并與商用的LoRa設備兼容,形成基于LoRa的反射調制系統。在測試中,最遠實現了無源節點和接收器之間2.8公里的通信,形成遠距離傳輸的無源物聯網系統,而這個過程中節點消耗的電量僅為10微瓦級別。此后,針對基于LoRa的無源物聯網系統研究成為關注重點,國內外學者發表了多篇高質量論文。當然,這一領域目前也是在研究中,還沒有實現商用落地。
        可以看出,非3GPP陣營的相關組織針對新型無源物聯網研究已有多年且形成豐富成果,隨著商用壁壘的突破,這些相關技術將成為無源物聯網市場一股重要力量,支撐無源物聯網大量場景落地。
        目前,雖然3GPP陣營對無源物聯網的研究起步雖然晚于非3GPP陣營,但和此前其他3GPP物聯網技術類似,基于蜂窩網絡的無源物聯網將隨著5G、6G發展形成全球統一標準,在可靠性、技術路線一致性等方面具有優勢,加上3GPP陣營參與者都是移動通信產業的主導者,在業界擁有較強話語權,因此未來3GPP陣營無源物聯網技術在業界會形成較大影響力。
        正如數年前低功耗廣域網絡(LPWAN)發展一樣,3GPP陣營的NB-IoT、eMTC目前已成為全球主流標準,支持數億低功耗節點接入。同時,基于LoRa等非3GPP技術以其靈活性的優勢,也成為物聯網的事實標準,實現全球數億低功耗節點接入。未來的無源物聯網領域,3GPP陣營和非3GPP陣營技術共存也不可避免,共同支撐千億級物聯網連接的實現。
     
    關鍵詞: 物聯網 RFID
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