中國移動：面向萬物互聯的無源物聯網技術（2022）（48頁）.pdf

1、15 501 概述1.1 物聯網發展現狀物聯網本著萬物皆可入網的思想，以實現萬物互聯作為最終目標，已幫助數以億計的設備實現互聯互通。然而，隨著市場規模的蓬勃增長，設備的供能、續航等問題正在成為物聯網發展的新挑戰?？梢哉f，如何實現低功耗、低成本、長生命周期的網絡已成為物聯網下一階段亟待突破的關鍵。在此背景下，低功耗物聯網從 2010 年左右開始萌芽，經過十多年的發展，形成了以 BLE、LoRa、NB-IoT、RedCap 等為代表的一系列成熟的低功耗物聯網技術。其中，BLE 是低功耗藍牙技術，與經典藍牙保持連接的工作模式不同，BLE 采用“睡眠-喚醒”模式節能，具有易用性、集成性等特點，廣泛應用

2、于各類智能終端中。LoRa 是遠距離無線電技術，定義了三種不同的終端工作模式以降低功耗，具有多節點，廣域連接等特點，適用于物聯網報警，燃氣無線抄表等場景。NB-IoT 是低功耗窄帶物聯網技術，相比 LoRa，其使用授權頻段，干擾相對較少，具有高可靠性、高安全性特點。RedCap 是輕量級的 5G 物聯網技術，能夠滿足可穿戴設備、工業無線傳感器等對網絡能力的需求介于 eMBB、uRLLC 和 mMTC 之間的場景需求。上述低功耗物聯網技術雖然以實現物聯網終端低功耗、大連接為愿景，但隨著技術的不斷迭代，一方面，低功耗終端在成本、尺寸等方面逐漸出現瓶頸，在面對食品溯源、商品流通等對單品跟蹤管理需求高

3、的應用場景時不具備明顯優勢。另一方面，受制于常規電源的工作環境，此類低功耗終端無法在高溫、超低溫、高濕、高輻射等嚴苛的通信環境中正常工作，應用場景受限。為解決上述問題，無源物聯網開始走上產業舞臺，并于近兩年逐漸成為關注熱點。無源物聯網是利用環境能量采集技術，將周圍可利用的信號與能量轉化為可驅動自身電路的電能，同時利用以反向散射為核心的通信模式，實現向目標節點傳遞信息的技術。其最顯著的特征是完全不依賴傳統電池供電，能夠很好地解決低功耗物聯網發展過程中的瓶頸問題，是下一6代物聯網發展的關鍵技術。圖 1 物聯網連接規模分布金字塔物聯網連接規模分布金字塔如圖 1 所示。其中，金字塔頂端是以 5G NR

4、、LTE 為代表的高速物聯網，目前主要應用于高清視頻傳輸、AGV 集群控制等對時延及帶寬要求高的場景；第二部分是以 RedCap 為代表的中速物聯網，可支持工業傳感器、可穿戴設備、監控攝像頭等用例，實現十億級連接；第三部分是以 BLE、LoRa、NB-IoT 為代表的低速物聯網，面向視頻監控、工業無線傳感器網絡等場景，可以實現更低終端復雜度的信息采集，支持百億級連接規模；金字塔基石是以 RFID、蜂窩反向散射通信等為代表的無源物聯網，因其在終端功耗、尺寸以及成本等方面具有顯著優勢，可廣泛應用于資產管理領域，創造物聯網千億級市場的突破。1.2 無源物聯網分類20 世紀 40 年代，雷達的改進和應

5、用催生了最具代表性的無源物聯網技術RFID。20世紀 60 年代后期，簡單的商用 RFID 系統（1bit 標簽系統）開始出現。1980 年后出現了無源 RFID 標簽，標簽中不再需要加載能量，標簽價格及維護成本大大降低。2003 年，EPCglobal組織成立，開始管理 RFID EPC 網絡和標準，從此，RFID 進入了標準化發展階段，產品種類更加豐富，應用更加廣泛。近年來，以 RFID 為代表的無源物聯技術被廣泛應用在資產管理等領域。作為標識的重要承載技術之一，無源 RFID 技術是現代工業生產環節信息互通的關鍵，是產業數智化升級轉型的基礎。7RFID 系統由標簽、讀寫器和控制平臺組成，

6、讀寫器利用感應耦合或反向散射耦合原理，向標簽發送電磁波信號，標簽將電磁波信號轉換成能量，激活標簽芯片并反饋信息，實現目標物體的識別。目前，國際上主流的 RFID 系統可以支持多種頻段，低頻（125KHz）、高頻（13.54MHz）、超高頻（850MHz910MFz）和微波（2.45GHz）。其中，超高頻 RFID系統基于電磁波反向散射技術，理論傳輸距離為 110 米，使用范圍較廣，涉及物流、制造業、航空等眾多行業，也是本白皮書關注的重點。近年來，隨著無源物聯網技術的不斷演進，衍生出一批基于藍牙、Wi-Fi、LoRa 等通信技術的無源物聯網技術。目前，無源藍牙標簽的功耗雖已可以做到與無源 RFI

7、D 標簽相近，但因其產業化程度較低，商品標簽種類較為單一，應用受限；相較無源藍牙與無源 RFID，基于 Wi-Fi 及 LoRa 的無源通信技術可通過優化調制、編碼等方式實現更遠的通信距離，但此類技術多處于學術研究階段，還未規?；逃?，應用效果有待進一步驗證；無源 RFID 標簽種類多樣，生態成熟，產業鏈完善，且在功耗，成本等方面同樣具備顯著優勢，尤其面向終端替換率高，成本要求嚴格的場景時，成為了產業內的首選方案。另外，基于蜂窩網絡的無源物聯網技術逐漸興起，可為設備提供全新、廣域的連接方式，深受產業關注，預計將成為無源物聯網領域重點研究方向之一。1.3 產業數字化帶來新的發展契機1.3.1 政

8、策支持近年來，國家出臺的“物聯網三年行動計劃”，“碳達峰，碳中和”等政策，都推動了超高頻 RFID 行業的規范發展和技術進步。2020 年，工業和信息化部印發關于深入推進移動物聯網全面發展的通知，明確提出“推動 2G/3G 物聯網業務遷移轉網，建立 NB-IoT（窄帶物聯網）、4G（含 LTE-Cat1，即速率類別 1 的 4G 網絡）和 5G 協同發展的移動物聯網綜合生態體系，在深化 4G 網絡覆蓋、加快 5G 網絡建設的基礎上，以 NB-IoT 滿足大部分低速率場景需求，以 LTE-Cat1 滿足中等速率物聯需求和話音需求，以 5G 技術滿足更高速率、低時延聯網需求”1。2021 年工信部

9、、網信辦、科技部等八部門聯合印發物聯網新型基礎設施建設三年行8動計劃（2021-2023 年），在行業應用建設指引中明確指出，在智能制造領域，“加快射頻識別、智能傳感器、視覺識別等感知裝置應用部署”；在智能建造領域，“加快智能傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼、近場通信、低功耗廣域網等物聯網技術在建材部品生產采購運輸、BIM 協同設計、智慧工地、智慧運維、智慧建筑等方面的應用”2。2021 年，國務院印發的關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見指出，要“堅定不移走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路，確保如期實現碳達峰、碳中和”3。受“碳達峰、碳中和”政策影響，我國加速了物聯

10、網與 5G、人工智能等技術相結合的推進，該類技術的發展可在全球范圍內助力減少的二氧化碳排放量的 15%。超高頻 RFID 作為一種極低功耗自動識別技術，可以實現信息實時收集與傳輸。因此，“碳中和”背景下推動的物聯網建設也勢必推進超高頻 RFID 快速發展。1.3.2 技術標準國際上無源物聯網技術標準體系的制訂起步較早，技術和標準較完善。本世紀初，五大RFID 國際標準化已初步形成，分別為 ISO/IEC、EPCglobal、UID、AIM Global 和 IP-X。其中，ISO/IEC 是制定 RFID 標準最早、最成熟的組織，規定了 RFID 有關技術特征、技術參數和技術規范，主要包括 I

11、SO/IEC 18000（空中接口參數）、ISO/IEC 10536（密耦合、非接觸集成電路卡）、ISO/IEC 15693（疏耦合、非接觸集成電路卡）、ISO/IEC 18000（近耦合、非接觸集成電路卡）等，涉及動物識別、集裝箱運輸、物流供應鏈、交通管理、項目管理等應用領域。國內無源物聯技術標準化體系的制訂起步較晚，但隨著 RFID 在全球快速普及，我國政府及相關企業積極參與 RFID 國際標準的制訂工作，并形成了我國的 RFID 標準體系。2016年，工信部發布信息通信行業發展規劃物聯網分冊（2016-2020 年），重點支持 RFID技術研究，推進 RFID 標簽在物聯網感知設備中的布

12、局。RFID 行業逐漸走向標準化建設階段。截止到目前，國內已標準化了包括 GB/T 29768-2013、GB/T 35102-2017 等在內的一系列 RFID 協議及測試方法4-5。近年來，RFID 系統與蜂窩網絡融合的趨勢受到廣泛關注，相關標準的研究也逐步開展。2020 年，由中國移動牽頭在 CCSA 主導成立了國內首個新型 RFID 技術研究項目基于蜂窩通信的無源物聯網應用需求研究6，目前，相關技術標準立項工作正在積極推動中。2021 年，由 OPPO 牽頭，中國移動、華為、中興、OPPO、vivo 等公司大力推動的基于環9境能量的物聯網技術 研究項目在 3GPP SA1 開展7。同時

13、，中國移動和華為也在 3GPP RAN提出了面向 5GA 的蜂窩無源物聯網研究項目8-9。開啟了蜂窩無源的國際化標準制定進程。此外，全國信息技術標準化技術委員會物聯網分技術委員會（SAC/TC 28/SC 41）于 2022年成立了新型超低功耗物聯網聯合特設組（SAC/TC 28/SC 41/WG2/JAHG1），目前，已經啟動了無源物聯網相關的標準化工作，正在開展標準化需求分析，并提出了反向散射通信網絡10-11等標準立項建議。1.3.3 產業環境超高頻 RFID 經過多年的迭代與發展，已經構建出一套成熟的產業鏈條，如圖 2、3 所示，產業上游主要是芯片廠商與天線廠商，可以看出，超高頻 RF

14、ID 標簽芯片及天線設計廠商比較豐富，代表性企業有以英頻杰、恩智浦、飛利浦、西門子為代表的國際巨頭，以及以遠望谷、坤銳、復旦微電子為代表的國內廠商。產業中游可以分為標簽產品線與讀寫器產品線。其中，標簽產品線涵蓋了 Inlay 生產環節、空白標簽生產環節、噴繪印刷環節以及標簽集成環節；讀寫器產品線涵蓋了讀寫器模塊制造商、讀寫器成品與集成商。超高頻 RFID 產業中游的代表性企業有艾利丹尼森、意聯科技、Intermec 等國外廠商，以及達華智能、先施等國內廠商。超高頻 RFID 產業下游以各類解決方案集成商與應用終端用戶為主，主要參與者為 IBM、惠普、微軟、遠望谷等國內外集成商以及服裝、物流等國

15、內外行業應用商。圖 2 超高頻 RFID 產業鏈10圖 3 超高頻 RFID 產業全景圖目前來看，我國企業主要集中在超高頻 RFID 系統集成服務、標簽及封裝市場，在核心技術如芯片研發方面投入及占比較少。隨著近期“缺芯”問題的凸顯，業內對于芯片技術的國產化發展呼聲較高。各公司也在加大此方面的投入，相信在不久的將來，國產化芯片的占比將會取得突破，同時，伴隨國內市場應用的不斷擴展，我國在超高頻 RFID 的核心技術與產品方面將迎來新的跨越式發展。近年來，隨著芯片設計與微電子技術的發展，超高頻 RFID 標簽價格大幅下降，平均已低至 0.3 元，預計到 2023 年快遞業標簽甚至可以降至 0.1 元

16、，這將極大推動超高頻 RFID 市場的擴展。根據 IDTechEx 統計，2019 年全球超高頻 RFID 標簽銷量約為 150 億個，較 2018年增長 20%，全球超高頻 RFID 標簽市場規模達 9.5 億美元12。近幾年，中國超高頻 RFID電子標簽的使用量也呈現出快速增長的趨勢。據統計，中國超高頻 RFID 標簽銷量從 2017年約 35 億枚增長至 2019 年約 45 億枚，預計將于 2024 年達到 115 億枚13，以超高頻 RFID為代表的無源物聯網具有巨大的市場潛力。目前，超高頻 RFID 技術已在零售、物流、航空、醫療、能源、工業等領域得到廣泛應用，無源物聯網在國內的產

17、業生態日漸成熟，應用領域不斷延伸。1102 無源物聯網演進路線國家政策的大力支持，行業標準的日漸完善，產業應用的快速拓展以及標簽天線、芯片等制造工藝的不斷提升，為無源物聯網帶來新的發展契機。然而，不斷擴展的應用需求也帶來了新的技術挑戰，為實現能量受限條件下的通信距離增強、覆蓋能力提升、感知能力集成等，亟需推動無源物聯網技術的演進與迭代。綜合產業整體的發展需求，無源物聯網技術發展可劃分為三個階段：如圖 4 所示，一是以單點式架構為主的無源 1.0 階段，在傳統 RFID 基礎上，對讀寫器及標簽性能進一步優化，有效提升點對點、近距離通信性能；二是以組網式架構為主的無源 2.0 階段，將激勵器和接收

18、器分離，有效降低讀寫一體機的自干擾問題，有助于提升單系統通信距離，同時支持組網部署，優化系統效率，實現幾十米到百余米區域級覆蓋；三是以蜂窩式架構為主的無源 3.0階段，無源物聯技術與蜂窩通信技術融合，將進一步推動移動物聯網發展。利用基站實現對無源標簽的激勵和感知，借助蜂窩網絡上下行干擾抑制、優化編碼調制方式、實時資源調度、多天線多節點聯合傳輸、移動性管理等優勢，能夠為用戶提供“全程全網”的連接服務，并實現中遠距離、規?；采w。若類比現階段成熟的物聯網技術特征，我們可以看到，1.0 系統解決的問題類似藍牙系統，主要針對單點覆蓋；2.0 系統在架構及性能上進行優化，其工作模式可類比于室內 Wi-F

19、i通信，局部區域可組網；3.0 系統由于和蜂窩融合，屬于移動物聯網的下一步演進方向，可以充分體現 5G 的技術優勢，廣域覆蓋，規模通信。無源 1.03.0 系統以覆蓋與讀寫能力增強為目標，不斷進行系統內的迭代與演進，可分別滿足不同行業的應用需求，未來很可能將長期共存。由于無源 2.0 及無源 3.0 系統在整體性能上有較大提升，極大擴展無源物聯網使用的場景，被行業普遍認為是新型無源物聯網技術發展的代表，成為了產業目前關注的重點，中國移動也將協同產業重點發力新型無源物聯網的技術與產品創新。圖 4 無源物聯網技術發展三階段122.1 單點式無源 1.0 階段無源 1.0 是以超高頻 RFID 為代

20、表的單點式無源物聯網系統，如圖 5 所示，系統包含無源標簽、讀寫器及上層管理平臺三部分。其中，讀寫器發射射頻激勵信號為無源標簽提供射頻載波及射頻供能，無源標簽利用反向散射通信技術將自身信息調制到該射頻信號上，讀寫器接收標簽反向散射的信號并進行解調，并將采集到的信息上傳到后端數據管理平臺，從而實現無源標簽信息的讀取與傳輸。圖 5 無源 1.0 系統架構如表 2 所示，無源 1.0 系統使用免授權頻譜，以 LoS 信道模型進行理論推導，關鍵性能指標可參考如表 2。表 2 無源 1.0 系統關鍵指標無無源源1.0系統系統讀寫器讀寫器標簽接收標簽接收靈敏度靈敏度標簽發射標簽發射功率功率標簽標簽鏈路預算

21、鏈路預算發送：36dBm接收：-92dBm-20dBm-26dBm下行：58dB上行：74dB參照上表數據可估算，無源 1.0 系統下行鏈路預算為 58dB，上行鏈路預算為 74dB，受限于下行預算，覆蓋距離不足 10m。無源 1.0 系統中，讀寫器接收的反向散射信號經歷了雙程路徑損耗，信號強度較弱，同時，該系統中，讀寫器端存在較強的載波泄露自干擾和讀寫器間干擾，限制了讀寫器和標簽之間的通信距離，已成為無源 1.0 系統在實際應用中的技術瓶頸。相關產業也在不斷探索無源 1.0 系統技術方案的演進，重點提升單點通信的可靠性和讀寫效率，但應用場景仍然受限，主要應用方式仍然是點對點式識別場景。132

22、.2 組網式無源 2.0 階段業界自 2014 年開始研究無源 2.0 系統，將讀寫器從傳統的收發一體分為激勵器和接收器兩個設備，提高了發送、接收信號的空間隔離度，降低了讀寫器的自干擾，進而提升接收器對標簽反射信號的接收靈敏度，擴展系統覆蓋范圍。在系統性能上，無源 2.0 系統的傳輸距離和傳輸效率明顯提升，且具有良好的識別準確率，可應用于大型倉儲、資產管理等場景中的單/多道口區域，實現貨物的自動化、大規模、高效盤點。在商用進度上，無源 2.0 系統具備更快速、更便捷的推廣模式，且對現有標簽不做改動，能夠盡可能的復用現有產業資源，支持技術的無縫切換及產品快速落地。圖 6 無源 2.0 系統組成1

23、4無源 2.0 系統由四個核心部分組成，如圖 6 所示，包括管理平臺，接收器，激勵器以及無源標簽。其中，管理平臺負責啟動業務流程、統一調度多接收器以及數據的分析展示；接收器負責下發選擇標簽、盤存標簽等指令信號給激勵器，同時，對激勵器進行管理控制，調控多激勵器間的接入資源；激勵器負責轉發來自接收器的指令信號給無源標簽，并給標簽供能以完成激勵；激活狀態的無源標簽向外界反向散射自身數據，由接收器進行數據的接收與上報，最終完成無源標簽承載信息的讀取。如表 3 所示，無源 2.0 使用免授權頻譜，以 LoS 信道模型進行理論推導，關鍵性能指標參考如表 3。表 3 無源 2.0 系統關鍵指標若參照上表數據

24、可估算，無源 2.0 系統下行鏈路預算 58dBm，上行鏈路預算 94dBm。與無源 1.0 系統對比可知，通過收發分離架構，增強上行鏈路預算，上行覆蓋距離是商用RFID 的 10 倍，可達百米；激勵器和標簽之間的下行鏈路預算與無源 1.0 系統保持一致。無源 2.0 系統較無源 1.0 系統，在通信距離以及組網能力等方面都有較大的提升；同時，無源 2.0 系統在空口協議方面改動較少，可兼容主流的無源 1.0 協議，有利于無源物聯網技術的平滑演進，快速形成商業閉環。另外，無源 2.0 系統能夠顯著提高標簽盤點準確率，且由于激勵器功能簡單，硬件成本較低，可降低連續盤點解決方案成本，應用于工業或商

25、業領域，實現資產設備管理及進出庫智能管理。2.3 蜂窩式無源 3.0 階段蜂窩網絡具有良好的網絡覆蓋與優質的通信性能，隨著蜂窩網絡的不斷優化革新，將蜂窩網絡與無源物聯網系統進行結合，可以充分發揮蜂窩網絡優勢，實現密集組網，抑制設備互干擾，增強運維管理能力，同時，還可以進一步提升通信距離和傳輸可靠性，成為目前業內認可的無源物聯網技術發展重要方向?；诋斍胺涓C能力的無源 3.0 系統，可以充分利用蜂窩基礎設施和授權頻譜的優勢，復無源2.0系統接收器EIRP接收器接收靈敏度標簽接收靈敏度標簽發射功率標簽鏈路預算36dBm-112dBm-20dBm-26dBm下行：58dB上行：94dB15用蜂窩網絡

26、的廣覆蓋技術，實現一網多能，室內同小站共部署（NLoS20m），室外同桿站共部署(NLoS150m)。另外，無源 3.0 系統可根據不同的業務需求，靈活選用無源標簽/半無源標簽，其中，無源標簽又分為普通無源標簽和儲能式無源標簽（含儲能電容），半無源標簽為支持環境能量（如射頻能、太陽能）采集的標簽。如表 4 所示，以 LoS 信道模型進行理論推導，可得無源 3.0 預期關鍵性能指標參考如下。表 4 無源 3.0 系統關鍵指標無源 3.0 系統中，標簽的上下行鏈路預算較上述 1.0、2.0 系統有明顯提升，且對于半無源標簽，其上下行鏈路預算基本相等，解決了無源 1.0 及 2.0 系統中的“收發不

27、對稱”問題。2.3.1 空口架構蜂窩式無源 3.0 系統有兩類主要的潛在空口架構，一是蜂窩基站和標簽直接通信，基站同時支持下行信號激勵和上行數據接收，硬件部署成本低，適用于戶外大規模部署場景；二是通過 UE 中繼或其他中繼來實現激勵信號發送和/或反向散射信號接收，可滿足區域無源標簽定點激勵，數據匯總、再加密、統一上報等需求。1.直連式空口架構蜂窩直連式無源物聯網架構的特點為基站直接管理無源標簽，借助基站在頻段、發射功率、多天線、多節點聯合傳輸方面的優勢，蜂窩直連式無源物聯網架構可顯著改善無源標簽下行通信存在瓶頸的問題，提升系統整體通信距離，使無源物聯網技術應用到更多室外場景。根據應用場景不同，

28、此類架構可衍化出三種變形。Case 1：蜂窩直連式蜂窩基站直接與無源標簽進行通信，向無源標簽發送射頻載波信號和指令信號，其中，射頻載波信號用于向無源標簽提供能量及用于調制的載波，指令信號攜帶無源標簽的控制信無無源源3.0系統系統基基站站EIRP標簽類型標簽類型標簽接收靈敏度標簽接收靈敏度標簽發射標簽發射功率功率基站接收基站接收靈敏度靈敏度下行鏈下行鏈路預算路預算上行鏈上行鏈路預算路預算46dBm普通無源/儲能式無源/半無源標簽-20dBm/-28dBm/-50dBm-26dBm/-36dBm/-34dBm-101 dBm/-113dBm/-124dBm68dB/76dB/96dB83dB/85

29、dB/98dB16息；無源標簽通過反向散射的方式將信息傳輸給基站，如圖 7 所示。此類架構涉及硬件設備少，通信時延低，組網方案相對簡單，但受限于標簽接收靈敏度，下行鏈路預算小于上行鏈路預算。適用于物流、畜牧、交通等空曠室外應用場景。圖 7 蜂窩直連式空口架構Case 2：基站中繼式引入中繼基站（如：由運營商建設、管理的微站、桿站等），對基站空口信令進行中繼、轉發，同時對標簽信息進行上報，如圖 8 所示。主站與中繼基站間可采用 5G NR 有線回傳，中繼基站與標簽間可沿用現有無源通信協議（如：ISO/IEC 18000-6C RFID）。此類架構中，中繼基站一方面支持信息轉發，實現遠距離傳輸，另

30、一方面，可兼容傳統無源標簽，保證技術平滑演進。適用于已廣泛部署傳統 RFID 設備的環節，如，大型倉儲、零售行業。圖 8 基站中繼式空口架構17Case 3：輔助供能式在直連式通信的基礎上，為解決下行覆蓋收縮的問題，引入供能節點?；鞠驑撕灠l送下行指令信號，接收標簽上行反向散射信息，并通過空口信令統一調度分布式供能節點，實現標簽近距離供能，如圖 9 所示。此類架構中，供能節點功能單一，因此，可復用已有網絡設備（如：網關、CPE）的傳統無線通信信號，無需額外升級；同時，也可以結合標簽側能力，采集轉化環境能量源（如太陽能、動能、熱能等）。此類架構適用于家居、零售等已存在可復用供能節點的場景，以及倉

31、儲、工廠、電力電纜監測等對多徑干擾強，需提升發射功率以彌補穿透損耗的場景。圖 9 輔助供能式空口架構2.中繼空口架構中繼式無源物聯網架構的特點為基站與標簽間存在 UE 設備，基站僅對標簽進行弱管理。UE 設備（如：手機、AP）可實現標簽定點、近距離激勵，同時，對標簽上行信息進行統一匯總上報，減少帶寬資源占用，也可以對數據進行二次加密，保障遠距離傳輸數據安全。但受限于中繼式收發的工作模式，此類架構中，基站與 UE 通信往往存在 1 毫秒/10 毫秒級固有時延。相應地，中繼式架構也可以衍化出多種變形，其中，以下四種架構變形較為實用。Case 4：UE 中繼式UE 作為中繼節點，對來自蜂窩基站的空口

32、信令或來自標簽的反向散射信號進行中繼轉發，蜂窩網絡下發指令至 UE，UE 發送射頻載波信號與指令信號啟動和標簽之間的通信，如圖 10 所示。此類架構中，與 Case2 相似，UE 近距離激勵可改善下行傳輸距離，保障網絡18z 連續覆蓋；同時，由于 UE 的覆蓋范圍遠小于基站，因此，可實現定點激勵（如：僅激勵某車間特定流水線上的無源標簽）；另外，UE 可具備協議轉換功能，兼容性好。但與 Case2 不同的是，此類 UE 設備多由終端廠商生產、管理。因此，多適用于家居、醫療等存在可復用 UE 的室內場景，以及工廠、零售等需定點激勵的場景。圖 10UE 中繼式空口架構Case 5：中繼分離式接收基站

33、向標簽發送射頻載波信號、下行指令信號，標簽上行反向散射信息由 UE 接收、回傳，如圖 11 所示。與 Case 4 相比，此類架構中，降低了對于 UE 消除信號自干擾能力的要求，因此成本也相對較低，但由于基站側上下行交互信息不對等，蜂窩網絡難以對標簽進行認證、鑒權、移動性等管理。因此，此類架構僅適用于廣告推送、博物館展品講解等盲激勵需求場景。圖 11 中繼分離式接收空口架構Case 6：中繼分離式供能基站向標簽發送指令信號并接收標簽上行信息，UE 接受基站統一調度，發送射頻載波19信號以完成標簽激活，如圖 12 所示。此類架構對 UE 接收及轉發信號能力要求低，可復用已有網絡設備充當 UE，但

34、需協調射頻載波信號與指令信號到達標簽處的順序，適用場景與Case 4 相似。圖 12 中繼分離式供能空口架構Case 7：中繼分離式激勵如圖 13 所示，中繼分離式激勵架構與 Case 6 架構相似，區別僅在于此類架構中，射頻激勵信號與指令信號由 UE 統一發送，因此，雖對 UE 能力要求更高，但射頻激勵信號與指令信號到達更易協調。圖 13 中繼分離式激勵空口架構202.3.2 網絡架構考慮到無源物聯網相較于傳統蜂窩通信系統，傳輸數據信息以標識信息與小數據量傳感信息為主；且無源通信交互邏輯較簡單，控制調度信令遠沒有蜂窩系統復雜，因此，其網絡架構設計也將在蜂窩系統的基礎上作出進行簡化，以實現更加

35、輕量化、便捷化的端到端架構。蜂窩無源物聯網通信系統有兩種潛在網絡架構，分別滿足不同應用需求。一是完整版架構，即，基于核心網網元，對標簽進行認證、鑒權、移動性管理；二是簡化版架構，即，將核心網部分能力下沉至代理節點，以完成本地化的標簽識別等基本流程。完整版網絡架構繼承了部分核心網網元，如圖 14 所示。用戶指令由無源物聯服務器發起，經過核心網后下發至基站，由基站執行盤存操作和接入控制操作，并將獲取到的盤存信息、標簽數據等交由核心網后，通過數據開放網元完成向用戶平臺的上報。此類網絡架構可基于核心網網元（如：AMF、UDM、SMF 等）完成對于標簽的移動性管理，可以實現無源標簽的全流程追蹤，應用于如

36、交通、物流、畜牧等場景中。同時，核心網能夠實現認證、授權、計費、加密、管控、策略控制等操作，標簽的盤尋、讀寫等功能可由物聯網服務器或核心網提供。此類架構涉及核心網，功能完整，可實現“全程全網”。由于無源物聯場景的交互場景較為簡單，后續可以進一步考慮對現有的 NAS 層協議的優化，以精簡標簽和核心網交互流程。圖 14 完整版蜂窩無源網絡架構簡化版網絡架構是考慮到無源應用的輕量化需求后，將核心網的路由功能下沉至邊緣代理節點，并通過代理節點和用戶應用服務器的交互，獲取用戶指令，以此調度基站完成盤存操作和接入控制操作，并將基站上報的標簽數據等轉發至服務器的新型網絡架構，如圖 15所示，其中的代理節點也

37、可以為下沉的小型化核心網，以滿足用戶對包含無源物聯網在內的多種制式的蜂窩通信接入需求。在此環節中，由于代理節點和基站綁定，屬于本地化部署，21因此，適用于倉儲、家居、工廠等本地化應用。代理節點除具備路由功能外，也需要支持中間件的功能，實現基站的調度控制以及數據的初步處理。該架構下，標簽的認證、授權，以及移動性管理等均由用戶平臺側完成，由于本地化通信，標簽僅需支持 RRC-MAC-PHY三層協議，功能較簡單，功耗也相對較低，但計費、加密、管控、策略控制等操作實現難度較高，具體方案仍需進一步研究。圖 15 簡化版蜂窩無源網絡架構2203 無源物聯網關鍵技術無源物聯網具有低成本、零功耗、易部署等優勢

38、，可廣泛應用于工業現場、智能家居等各種復雜場景下，支持泛在數據感知，并以極低功耗的通信方式完成感知數據的實時回傳。同時，新型無源標簽的標識與傳感信息是未來產業數字化的基礎，可為物品全生命周期管理提供服務，提升數據分析及數據運營的能力，打造端到端的通信網絡，助力實現具備“感、通、算”能力的新型通信系統。無源物聯網系統整體架構如圖 16 所示，可分為“感知”、“通信”、“數據與智能”以及“多場景應用”四個層級。具體地，感知層主要包含了新型無源標簽、讀寫設備以及信號中繼轉發設備；通信層以 5G 蜂窩網絡與反向散射通信為基礎進行協議融合與優化，實現極低功耗的數據傳輸；數據與智能層依靠各類數據挖掘、分析

39、方法，充分提取前端采集數據的價值，基于高精度無源定位、標識設計，提供全生命周期管理、用戶行為分析等服務。最終，賦能物流、倉儲、制造、電力、交通、醫療、畜牧、家居等各類垂直行業。圖 16 無源物聯系統網端到端架構全景圖盡管無源物聯網的行業應用不斷拓展，技術演進路線清晰，但為了更好的服務應用，在23上述“感知”、“通信”及“數據與智能”三個層級中，依然存在眾多技術難點值得研究。3.1 感知技術無源物聯網系統依靠無源標簽及讀寫設備完成端側感知，感知層關鍵技術包括新型無源標簽芯片、天線、環境能量采集和感知能力集成技術的研究；以及新型讀寫設備抗干擾、防碰撞和組網技術的研究。3.1.1 新型無源標簽無源標

40、簽主要由核心芯片和外圍天線組成，是一個高度集成的智能微系統，無源標簽的性能對無源物聯網系統至關重要，新型無源標簽旨在設計出具有“低功耗”、“低成本”、“集成度高”、“兼容性好”、“良好信息采集能力”、“結構形式多樣”等優點的面向全場景的新型無源標簽。為了滿足不同的應用需求，新型無源標簽形態多樣，有條形、環型、卡片型、扎帶型、紐扣型和防水型等，需要對天線材料、型號及封裝工藝進行研究，如圖17 所示。圖 17 各種形式的無源標簽另外，與傳統無源 RFID 標簽相比，新型無源標簽可支持的能力有較大升級，具備數據24感知與通信一體化的能力，并需具備與蜂窩網絡通信的能力，因此，需考慮系統級方案，包括新型

41、芯片及天線技術、電路集成技術、新標識設計、新協議適配等研究方向。另外，無源標簽的性能提升主要受限于能量的供給，需要研究環境能量采集技術，以在標簽能量采集、存儲、轉化效率方面實現突破，確保低功耗場景下的高效通信。3.1.1.1 芯片技術無源標簽芯片架構包括模擬射頻前端、數字控制部分以及存儲器。其中，模擬射頻前端主要實現電源產生、調制/解調、時鐘產生、上電復位等功能。數字控制部分決定標簽內部數據流向，能夠按照接收到的指令，對標簽狀態進行轉換、存儲并返回所需要的內容，具有命令解析、數據編碼、數據存儲、讀寫等功能。存儲器部分使用可擦可編程讀寫器，負責存儲標簽標識數據及感知數據。由于無源標簽的主要能耗來

42、源于芯片，為滿足新型無源標簽低功耗與低成本的要求，需對芯片前端射頻功能模塊、模擬與數字電路、門級網表等核心模塊進行低復雜度、低功耗的設計與布局。其中，低功耗模擬電路設計，整流效率提升等關鍵技術，將大大提升標簽接收靈敏度，有助于下行激勵距離的進一步拉遠。3.1.1.2 天線技術天線是決定無源標簽性能的重要單元，天線設計與制造技術包含天線極化選型、方向性研究、阻抗匹配技術以及小型化設計等。對于天線極化方式的研究，常見的標簽天線（如：偶極子天線）為線極化天線，但同樣可以考慮應用圓極化天線，以解決標簽方向性不可知的問題。對于天線方向性的研究，天線波瓣寬度的收縮雖使天線覆蓋范圍減小，但同時可帶來天線增益

43、、作用距離及抗干擾能力的提升，因此，可以綜合考慮天線覆蓋范圍及作用距離需求，適當提升天線方向性。另外，為了以最大功率傳輸，需要研究天線阻抗匹配電路，以提升芯片輸入阻抗與天線輸出阻抗的匹配度。除以上天線設計技術外，由于天線的尺寸決定了封裝后標簽的大小，因此，可以采用曲流技術、加載技術、分形技術等實現天線小型化，以減小標簽整體體積，滿足不同場景下的標簽體積要求。3.1.1.3 環境能量采集技術環境能量采集技術能夠采集環境能量以驅動標簽電路，提升標簽靈敏度，增強下行距離，25為標簽側增加低功耗放大器等模塊創造可能性，能夠極大降低遠距離數據傳輸所需的鏈路預算，同時，為標簽數據感知能力的升級提供保障。環

44、境能量采集技術的核心在于，需要針對不同行業內的場景需求，設計出多樣的供能方案，以確保在各種環境下均有合適的供能方式，常見的方式有太陽能、射頻能、熱能、動能等環境能量采集。各類能量采集技術與目前光敏、壓電、熱偶等傳感器的工作原理相同，都是將其他信號轉換為電信號，因此，目前業界的研究方向主要集中在提高能量轉化效率及場景匹配度。其中，由于環境中射頻能量分布的廣泛性，與其它能量采集方式相比，基于射頻能的能量采集被業界廣泛關注和深入研究，其優點在于用于射頻能量轉換的器件簡單易得；即，所需器件僅為普通導體或半導體器件，無需要其它形式的非標準材料及器件，如光伏電池、熱電結和機械發動機等，即可完成能量轉換。除

45、此之外，環境射頻能量分布廣泛，易于獲取?；谏漕l能的能量采集技術的主要研究方向有多天線技術射頻能量采集、多頻段寬帶射頻能量采集、環境能量存儲技術等。多天線射頻能量采集多天線射頻能量技術能夠深度挖掘空間維度資源，提供陣列增益、復用增益和分集增益，并具有較強的干擾抑制功能，已成為 5G 及下一代無線通信系統的核心技術。將多天線技術應用于無源標簽中，能夠實現同步的能量采集與數據傳輸，將顯著的增強接收信號強度和分集增益，進而改善系統的通信距離，降低誤碼率14。多頻段寬帶射頻能量采集環境射頻信號具有時域高度動態變化、空域覆蓋不規則和頻域帶寬不均衡等特點，因此，存在某一時間和地點，單頻收集器無法有效地收集

46、能量的情況?；诙囝l段的能量采集可以劃分和使用任意頻段和帶寬進行有效的能量采集，并且允許無源物聯網系統使用超寬頻域范圍內的信號作為激勵信號，能夠有效拓寬環境反向散射通信的應用范圍。光伏能量采集光伏能量采集是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術，是能量采集效率最高，也是目前最成熟的能量采集技術。室外光源穩定情況下，晶硅太陽能電池組件的光電轉換率約可達到 20%，功率密度一般為 1020 mW/cm2左右，供給能量可26以支撐中小型設備長時間工作，但缺點在于能量完全取決于光亮強度，在陰暗天氣或室內時難以有效采集能量，因而常應用在室外環境。目前，業內已有部分光伏無源標簽產品，

47、但多采用光伏硅板，導致標簽體積較大、成本較高、且不具備柔性，因此，采用柔性光伏薄膜制成的無源標簽有望成為未來趨勢。振動能量采集振動能廣泛存在各種生產環境中，工業現場、汽車行駛、橋梁等場景中，蘊藏著巨大的振動能量，在高頻振動下可達 18mW 級別，因此，相比于光伏也更適用于室內生產及移動場景。振動能量有多種不同的收集方法，主要可分為壓電式、靜電式、電磁式和摩擦式四種，其中，基于壓電式和摩擦式的振動發電技術具備輸出電壓高、成本低、重量輕、材料選擇性廣等優點，是目前業界研究的主流趨勢，也是在工業場景下無源標簽的首選供能源。但振動發電技術本身也有一定局限性，其頻帶有限，需要針對應用設備的振動頻率進行定

48、制化設計，以將電路諧振頻率與環境振動頻率進行匹配。熱電能量采集熱電能收集主要源于環境中常見的溫度梯度（溫差），其工作原理基于席貝克（Seebeck）效應，依據兩個不同導體接合處的溫度差產生電壓，但由于席貝克原理所生成的電壓完全取決于溫差的大小，日常環境的溫差很難有效利用，因此，利用溫差發電的無源標簽可能更適用于工業環境中具備高溫的內燃機、氣輪機、各類泵站上，有效利用廢熱進行供能，提供通信與感知能力。環境能量存儲環境能量存儲技術能夠利用環境中間斷的能源作為激勵信號，以能量存儲模塊對激勵能量進行存儲轉化，并使用存儲的能量驅動自身電路，降低無源標簽激活門限，完成輔助式反向散射通信，甚至任意時刻的數據

49、讀取與回傳15。3.1.1.4 感知能力集成技術在物聯網架構中，傳感器作為數據采集的基礎設施，是物聯網系統數據的重要入口，將無源標簽與溫濕度、加速度、氣體、壓力及生物等多種感知能力進行集成，以環境能量使能無源標簽，完成環境數據的自動化采集與低功耗傳輸，實現標簽“感、通”一體。將有效解27決傳統傳感器的部署及應用受限的問題，有望成為未來大范圍感知網絡的主要形態。感知與無源技術的結合可以分為多種形式，一種是將完整的傳感器芯片直接內嵌至射頻芯片，二者進行 SIP 或 SOC 級封裝；另一種則是利用天線的阻抗特性，通過在天線上增加熱敏或濕敏部分，并在無源標簽芯片中增加自動調諧電路，對隨環境變化的天線阻

50、抗進行自動調諧修正，這個修正值也可用于計算濕度或水分含量。感知能力與無源通信的有效集成不僅與感知機理相關，還依賴于能量采集天線設計、環境能量采集技術、能量轉化與管理電路設計、多傳感器集成技術等多項技術的融合。二者的融合可極大的拓展無源物聯網系統的應用場景，賦能無源標簽采集高溫、極寒、易泄露等特殊環境中的數據，滿足無源物聯系統場景感知的需求。3.1.2 新型讀寫設備讀寫設備是無源物聯網系統中關鍵的數據采集終端，可以實現對標簽信息的讀取與寫入操作，讀寫設備與標簽一起，構成無源物聯網系統前端無源感知的基礎。讀寫設備的特點為場景定制化程度高、注重用戶實際需求，因此，面向不同應用場景，讀寫設備的形態多樣

51、，包括但不限于移動式讀寫設備、固定式讀寫設備、通道式讀寫設備、以及未來集成了標簽讀寫功能的微站、桿站等蜂窩空口設備。目前一體式的讀寫設備受限于無源標簽跳頻能力，多工作于同一頻段，且同時進行上下行信號收發，容易出現信號自干擾及異系統互干擾問題；另外，當對大批量標簽進行讀取時，由于標簽接入時隙碰撞帶來的系統吞吐率降低將會極大影響系統工作效率。因此，需要對讀寫設備的抗干擾技術、組網技術以及防碰撞技術進行研究。3.1.2.1 抗干擾技術信號自干擾問題嚴重制約了讀寫設備接收靈敏度的提升。標簽反向散射的工作方式決定了讀寫設備必須在接收信號的同時，持續對標簽進行供能；且由于現階段標簽不具備頻移能力或頻移能力

52、有限，讀寫設備發射頻譜與接收頻譜處于同一位置。因此，低成本讀寫設備的自干擾消除機制不同于一般的無線通信系統，需要對其進行專門研究。目前，主要的研究方向有以下四個。首先，對于一體式系統，可以對讀寫設備本身自干28擾信號對消算法、載波相消電路等技術進行深入研究與優化。第二，可以采用物理隔離方式，將讀寫設備收、發模塊拆分，形成分離式架構，實現讀寫距離的突破。另外，分離式反向散射系統中，同樣存在射頻源到反向散射通信接收端的直接鏈路干擾問題，為消除此類干擾，可以設計具有差分特性的反向散射基帶信號，并聯合載波信號的時頻域結構特性，在接收端有效消除直接鏈路干擾。最后，也可以考慮將讀寫模組與蜂窩基站集成，借助

53、現有基站的自干擾抑制能力，在不大幅增加成本的前提下，顯著提升讀寫設備抗干擾能力。3.1.2.2 防碰撞技術無源物聯網連接數量的上升使得多標簽碰撞問題凸顯，鑒于多個無源標簽工作在同一頻率，當它們處于同一個讀寫設備作用范圍內時，若選擇統一時隙接入，則標簽信號將在讀寫設備端產生碰撞，導致信息讀取失敗?？紤]到無源標簽對功耗限制的嚴苛性，可以研究以讀寫設備控制的防碰撞技術，又因為標簽時鐘偏差普遍較大，同步精度難以滿足比特碰撞檢測要求，因此，可以基于時隙 Aloha的思想，研究隨機時隙類接入與二進制搜索樹類接入方法相疊加的新型防碰撞技術，以降低標簽碰撞率，同時實現上千枚標簽的讀取，滿足大規模盤存的需求。3

54、.1.2.3 組網技術為實現無源物聯網系統連續組網與廣域覆蓋，需要對讀寫設備進行組網部署。面向無源 2.0 系統，針對“單接收器與多激勵器”，或“多接收器與多激勵器”協同調度控制需求，為解決多設備同時工作時的系統間干擾問題，需要研究的關鍵技術為抗干擾檢波技術與基于功率競爭的信號算法等。同時，由于各系統覆蓋多存在重疊區域，為解決各系統間通信的競爭問題，需要研究干擾協調機制、信道資源調度方法與數據融合分析算法。面向無源 3.0 系統，針對“蜂窩基站與蜂窩基站”“蜂窩基站與中繼設備”組網需求，可參考蜂窩網絡組網技術，研究多目標聯合優化算法、組網控制協議、信道質量測量方法、干擾協調機制等，以降低系統間

55、干擾，完成區域無死角激勵，提升多設備協同工作時的系統效率。293.2 通信技術通信技術的實現依賴通信系統的優化與簡化，包括高效調制、編碼方式，合適的多址接入方式，低功耗通信安全保障機制以及簡化的通信協議棧設計。3.2.1 調制、編碼方式傳統無源 RFID 標簽承載的數據量較小，多采用負載調制，通過調整標簽天線接口的阻抗，進而改變天線接口的反射系數，實現 ASK、FSK 等低階調制方式；并采用 PIE 碼、米勒碼等簡單編碼方式。這種極低復雜度的調制和編碼方式，一方面使得標簽僅需支持簡單的信道估計和均衡運算便可實現信號解調，很大程度地簡化了電路，降低了計算功耗；但另一方面，也造成了無源系統吞吐率低

56、的問題，限制了無源標簽的應用范圍。為了提高標簽的信息傳輸速率，可以考慮對無源標簽電路進行升級，以在能量受限的前提下，支持例如 BPSK、QPSK、Polar、TBCC 等更高效的調制及編碼方式。3.2.2 多址接入技術隨著無源系統架構的革新、無源標簽接收靈敏度的提升，無源通信距離進一步擴大，在網絡覆蓋范圍內，多標簽同時被激活的概率增大，因此，高效的多標簽協調多址接入機制在無源物聯網通信系統中顯得尤為重要。目前主流的無源多址接入技術以 TDMA 為主，即，系統在時域上劃分多個時隙，不同終端基于不同時間延遲，在不同的時隙上進行通信。該類算法簡易可行，應用成熟，但由于其需要確定一定的時間延遲 并基于

57、該時間延遲進行通信，因此，對信號的時間同步性要求較高，在面對海量連接場景時，因信號遠距離傳輸而造成的高時延問題將在網絡邊緣設備處暴露出來。近年來興起的非正交多址接入（NOMA）技術具有信號同步到達要求低的特性16-17，使系統免除反向散射信號傳輸前的調度信令，對于無源物聯網系統上行鏈路，基于時域擴展的NOMA 方式可以實現覆蓋、效率、容量等多方面提升，有望為無源物聯網系統提供自治的、低復雜度的高效接入方式。303.2.3 通信安全技術由于無源標簽的能量受限性與電路結構的低復雜性，無源物聯網系統無法支持無線網絡中主流的密鑰生成算法和機制。因此，有必要對無源物聯網的信道特征進行研究，設計出適用于低

58、功耗設備的加密算法及安全保障機制，以防止標簽欺騙，保護標簽數據隱私，提升系統的通信安全。無源物聯網系統通信安全領域潛在的研究方向有：最小功耗動態生成密鑰技術、基于信道特征的物理層加密機制等18-19。此外，面向蜂窩式無源 3.0 系統，也可以研究蜂窩基站與無源標簽的雙向認證鑒權機制，在保證蜂窩網絡安全的同時，既避免偽基站對無源標簽數據的讀取和篡改，又能拒絕偽造標簽接入蜂窩網絡。當對標簽安全問題進行研究時，在確保通信安全的基礎上，還需考慮標簽數據的安全，研究感知層安全加密芯片、低功耗應用層加密算法等技術，以提升無源物聯網系統端到端安全性能。3.2.4 簡化協議棧設計由于新型無源物聯網標簽僅支持極

59、低的設備復雜度以及極低的電路功耗，傳統蜂窩網絡的多層協議棧架構以及復雜網絡架構無法滿足無源物聯網設備的通信需求。因此，需要設計扁平化的協議棧結構，以支持極簡的信令控制以及數據傳輸。在空口協議棧方面，針對無源標簽，可以采用 PHYMACRRC 三層或 PHY-MAC 兩層極簡協議棧，實現標簽與基站的交互，基站將來自無源標簽的上行數據通過裁剪后的協議棧傳輸，經核心網或代理節點上報給用戶應用平臺，完成標簽數據的讀??；對于有較高通信能力的標簽，如基于環境能量采集的半無源標簽，可以采用完整版網絡架構，考慮在三層或兩層協議棧的基礎上增加特定類型的 NAS 層協議，如 UL/DL NAS Transport

60、，借助核心網能力實現對標簽功能及數據的管理。在信令設計方面，可參照 RFID 系統中包括 Select、Query、QueryRep 等在內的 12 條必選指令，設計相應的簡化 RRC 及 MAC 層信令，保障從傳統 RFID 協議向新型無源物聯網協議的平滑過渡。313.2.5 核心網技術蜂窩無源物聯網系統完整版的網絡架構離不開核心網的支持?；诤诵木W的無源物聯網技術可從業務需求和降本增效兩個角度實現功能：首先，核心網具備路由匯聚、認證授權、計費、加密、管控、策略控制等能力，可有效滿足垂直行業用戶的多樣化業務需求；另外，隨著后續無源物聯業務的廣泛開展，通過復用現有核心網并進行相關功能改造，可在

61、未來有效平攤成本，形成規模效應，有效降低單客戶成本下降。新型無源標簽數量巨大且數據傳輸速率極低，如果按照現有機制每個標簽占用一個會話，將會導致大量的會話資源浪費，降低網絡資源的利用率。在進行新型無源標簽的會話管理設計時，可基于 UDM 簽約、PCF 策略下發等方式實現群組、DNN、切片等粒度的多標簽會話共用技術，不僅可通過 GTP-U 隧道的共用實現用戶面資源共用，還可通過組粒度的能力開放、位置管理、移動性管理等流程實現控制面網元之間的資源共用，有效提升核心網的用戶面資源利用率。3.3 數據與智能技術3.3.1 定位技術標簽定位技術可細分為相對定位和絕對定位技術。相對定位技術可主要應用于一些典

62、型小范圍室內場景如：物品查找等；絕對定位技術主要應用于一些較廣域的移動性場景如：人員定位、貨物追蹤等?，F階段無源定位的實現方法多為基于 RSSI 或基于參考地標的粗略定位方法。隨著無源物聯網應用場景的拓展，人們對無源標簽單品級精確定位及軌跡判定的需求增加。RSSI 和載波相位融合定位、多天線陣列的波束控制定位、波達方向定位等是提升無源定位精度的有效技術，同時，也可以考慮在應用平臺側應用 MUSIC 算法等空間譜估計技術，以準確預估出信號到達角度。另外，面向無源 3.0 系統，可以考慮將無源定位技術與 5G 定位技術相結合，基站通過計算標簽和基站的無線信號多徑，預估出標簽的位置，并經多個站點聯合

63、定位以提升預估位置精度，實現更低成本定位方案。323.3.2 標識技術標識是物品在數字化世界的通行證，對產業數字化升級有重要意義。新型無源物聯標識可應用于數字孿生、元宇宙領域，協助虛擬空間中真實物理世界的精準數字化映射，結合仿真分析、人工智能等形成高價值應用，支撐網絡數字化、智能化演進。然而，由于傳統無源RFID 標簽基于 EPC 碼的標識方式與蜂窩網絡通信標識有較大差異，且實際使用不規范，難以直接應用于蜂窩網絡通信，在向蜂窩無源物聯網系統演進的過程中存在障礙。因此，在無源 3.0 新的通信架構下，需要考慮新型標簽標識的重新設計，構建新的標識體系。新型標識可以沿用 EPC 編碼來實現對于貨物信

64、息描述，但同時也需要考慮蜂窩通信過程中的網絡識別碼，可參考手機終端的 SIM 管理方案及 SUPI/SUCI 的使用方式，由專門部門對新型標識網絡識別碼進行設計，同時制定管理相關號碼的使用規則，同時由運營商與第三方使用方協商共同發放相關碼號，用于后續的標簽通信及管理。3.3.3 數據挖掘技術無源物聯網系統在全場景感知與低功耗通信能力的助力下，可以實現泛在的數據采集與回傳，但最終為行業的賦能必然離不開智能化的數據挖掘技術，最終向用戶提供定制化應用服務。無源標簽所采集的數據具有數據條目多、單體數據量小的特點，對標簽身份及感知數據進行分析與挖掘，將有利于打通各產業各環節，真正做到生產數據實時監控、全

65、流程監管，為產業數字化發展構筑堅實的數字基座。標簽采集到的數據，經過集成、規約、清理等預處理流程后，可選用合適的應用統計方法、決策樹、神經網絡及遺傳算法等處理信息，挖掘出有用的數據，服務于物品全生命周期管理和用戶行為分析。一方面，數據挖掘技術可為用戶提供業務報表生成、關鍵運營指標實時監測等多樣化、定制化的服務，實現物品在全生命周期流轉過程中的全鏈條數據貫通，極大提升生產管理效率及精細化程度；另一方面，通過對標簽環境信息及位置信息的挖掘，能夠分析與判斷佩戴無源標簽的用戶在各類智能空間內的行為信息，跟蹤用戶手勢及運動狀態的變化，實現非侵入式健康監測、智能交通輔助傳感等應用。3304 典型行業應用無

66、源物聯網通信的顯著優勢為免電池、免維護、低成本，借助無源感知、極低功耗通信技術以及數據與智能各層級的關鍵技術，新型無源物聯網標簽以極低的硬件復雜度，可支持“感通”一體能力，結合全新的系統架構，新型無源物聯網技術能夠滿足超低功耗、超低成本、極小體積的應用需求，拓展支持豐富的行業應用，賦能如倉儲、物流、制造、交通、醫療、畜牧、家居等行業應用。4.1 物流隨著大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等新技術加快推廣應用，建設高效化的物流體系已成為當今物流行業發展的基本要求。智慧物流體系是我國物流產業發展和轉型的必由之路，以現代信息技術為標志的智慧物流正步入快速發展階段。如圖 18 所示，供應鏈物流管理貫穿物

67、流的全流程環節，通過對采購過程中資金流、物流和信息流的統一控制，可達到采購過程總成本和總效率的最優匹配。智慧物流還可以為供應商、生產商、消費者提供運輸、倉儲、包裝、配送等全方位的信息服務，降低運營風險。因此，物流全流程管理以及物品全生命周期追溯成為了智慧物流急需解決的問題。34圖 18 智慧物流全流程管理物流應用場景具有移動范圍廣、數據讀取頻發、并發數據量大等特點，一般要求室內網絡通信距離大于 30 米，室外網絡通信距離大于百米，且要求標簽具備溫濕度傳感、壓力/振動傳感等感知能力。作為自動識別技術的典型代表，新型無源物聯網技術具備識別準確度高、性能可靠、存儲信息量大、耐油污水洗等特點，且新型無

68、源標簽體積小、免維護、成本低，適用于資產的全流程管理、產品的全生命周期管理以及物流的精細化管理。同時，新型無源標簽易與傳感器結合，通過附帶溫濕度、加速度等環境傳感器的無源標簽可以實現冷鮮物品的全程狀態監測與高價值物品的全程溯源，保證物品的安全以及運輸過程中的質量，顯著提升物流運輸與管理效率，助力智慧物流的實現。354.2 倉儲倉儲貫穿于物流的各個環節，是物流不可或缺的一部分。作為物流全環節的重要組成部分，倉儲對信息識別準確性及信息整合的高效性提出了更高要求。除此之外，隨著土地使用成本以及人工成本的增加，倉儲費用也明顯增加，倉儲費用已成為決定物流價格的關鍵因素。物流總額提升和物流費用下降的矛盾將

69、不斷促進產業技術升級，倉儲降本增效將成為我國物流行業未來發展的核心。區別于傳統倉儲，智慧化的倉儲管理借助 5G、物聯網、大數據等技術，能夠清晰準確記錄庫內貨品的種類、數量、生產屬性、垛位等信息，方便管理者精準掌握各環節的貨品數據和供應鏈信息，合理保持和控制庫存，有助于降低倉儲成本、提升運營效率。在倉儲管理中，需要更低成本、更高效的無源物聯技術，對進貨入庫、庫內保存、流通加工、貨品出庫等各個環節進行準確跟蹤，實現貨物信息自動識別與供應鏈信息可視化管理，進而滿足倉儲自動化、信息化、智能化需求。倉儲應用場景具備數據量龐大、數據讀取操作頻繁、成本敏感等特點，對盤存效率與成本有較高要求。此外，倉儲場景下

70、，室內通信距離一般要求大于 30 米，網絡覆蓋無死角，抗多徑干擾能力強，且要求能夠支持垛位級定位。新型無源標簽具有極小的尺寸與極低的成本，在大型倉儲等貨物吞吐量巨大的場景下極具競爭力，且得益于無源標簽及讀寫器性能的提升，新型無源物聯將支持貨物大批量自動化讀取，具備更高效的盤存效率。另外，新型無源物聯網系統具備規?；M網與精準定位的功能，有利于實現大型倉庫中貨品精準查找與快速流轉，助力智慧倉儲的實現。364.3 制造隨著新一輪科技革命和產業變革的興起，現代制造業發展的綠色化、數字化、智能化和定制化趨勢不斷凸顯，制造業的發展由規模擴張轉向增強數字化和智能化技術創新及應用。以新一代信息技術為核心，結

71、合 5G、人工智能、無線感測等技術的智能制造已成為現代制造業發展的新階段。區別于傳統生產現場，現代化制造工廠環境中存在大量傳感器節點，用于溫度、濕度、振動監測、生產線監測、危險事件監測等方面。同時，在某些應用中，可能要求傳感器節點部署在惡劣的環境（如：高/低溫、高濕度、易泄露環境等）、特殊的位置空間（如：密集磁場環境），甚至是極端危險環境中（如：移動或旋轉部件、高振動條件等）以完成對制造流程數據的智能感測。另外，隨著供應鏈流轉速度的加快，現代制造業對上下游供應鏈的銜接與數據及時共享提出更高的要求。因此，制造業需要一種更智能、更高效以及兼容性更強的資產全生命周期管理方式。制造場景具有作業環境特殊

72、，時延敏感等特點，一般要求網絡通信時延為十毫秒至百毫秒級，標簽可支持多種傳感，且具備耐高/低溫、抗腐蝕能力。新型無源標簽因其免電源、免維護的特性，可部署在以上制造工廠特殊環境中，同時，有望基于環境能量采集技術，實現傳感器終端的自供能。另外，其極低成本的特性，有助于實現“一碼到底”，打通現代制造業從采購、加工、流轉到報廢等各個環節，實現業務流程、數據無縫對接，協同上下游部門管理，對資產庫存進行精準控制與及時共享，避免“多采重復采”等問題，加速生產效率。374.4 電力在“雙碳”目標壓力下，深度調峰、超低排放已成為能源行業的必然發展趨勢和長期研究熱點，各大電廠急需引進新技術向智慧化轉型升級，電力系

73、統中各類設備溫度等異常會導致熔化、燃燒等安全事故，基于無線方式的智能、數字化電網是電力未來的重要方向。電力系統中，一次設備接口等位置存在接口不良的可能性問題，會導致電網業務故障等嚴重一級事故，因此，需要對設備進行實時溫度監測。目前，主要依賴紅外設備，對電網進行監測。然而，基于面測溫的紅外熱力圖無法直接定位到點，準確率和時效性都較低；且電力場景占地面積廣，站點數據眾多，超高壓設備在工作狀態下無法人工檢測，因此，迫切需要自動化、免維護的設備賦能智慧電力場景。電力場景具有覆蓋面積大，實時性要求高，強電磁干擾的特點，一般要求網絡通信距離大于 50 米，且具備抗電磁干擾能力與溫濕度、振動傳感能力。新型無

74、源標簽具有部署靈活、實時高效，安全性高、維護成本低等特點，短期內可面向變電站、配電房等特定區域覆蓋場景，取代紅外或有線連接方式，實現溫濕度等微型傳感器數據采集；面向中長期演進，新型無源物聯網技術可應用于輸電線路、室外電纜溝等廣域沿線覆蓋場景，實現相關場景傳感能力 0-1 的突破。384.5 交通近年來，隨著我國電動自行車保有量的快速增長，由電動自行車引發的交通事故與火災事故不斷發生，電動自行車的智能化管理是一個亟待解決的重難點。一方面，電動自行車數量龐大，道路監管較為困難，超速行駛、違規載人、隨意變道等都是電動自行車的高頻率違規行為，因此造成的事故屢見不鮮。另一方面，部分用戶消防安全意識不高，

75、電動自行車進電梯、入戶充電、堵塞消防通道、充電樁不穩定等情況時常發生，由電動自行車及其電池故障引發的火災數量居高不下。因此，交通行業需要應用更高效、可靠、便捷的監管方式對電動自行車進行安全管理。交通行業電動自行車智能監管可分為兩個子場景，道路監管場景對行駛中的電動自行車進行違章監管，此類場景通常具有車輛行駛速度快、移動范圍廣的特點，一般要求網絡室外通信距離大于百米，覆蓋無盲區，支持低時延數據傳輸及網絡切換；停放監管場景對電動自行車進入樓道、電梯等違規行為，以及電動車電池健康狀態進行實時監管，此類場景具有多徑效應嚴重，存在物體遮擋等特點，一般要求網絡抗多徑干擾能力強，且支持高精度定位。新型無源標

76、簽具有準確度高、性能可靠、低成本、易部署等特點，一方面，可粘貼在電動自行車車牌上，協助交通部門監控電動自行車行駛、停放狀態；另一方面，借助環境能量收集技術，新型無源標簽可與溫、濕度等傳感器結合，附著在電動自行車電池模組上，監控其溫、濕度狀態，降低電池過熱起火風險，減少火災隱患。另外，新型無源物聯網系統支持連續組網與精準定位，能夠實現電動自行車廣域范圍內的跟蹤管理，加強電動自行車智能化監管力度。394.6 醫療隨著現代化醫療的建設發展，醫院的信息化、智能化管理和服務水平不斷提高，無源物聯網在智慧醫療服務方面具有非常大的應用前景。一方面，大型醫院通常具有大量的醫療資產，這些醫療資產的外包裝相似，但

77、用途不同。針對醫療資產的管理，傳統方式主要依靠人工來完成，因此，效率低下、差錯率高，且容易出現在緊急情況下無法迅速找到設備的情況。另一方面，大型醫院中，醫護人員通常需要對每位住院病人的就醫信息、健康體征等數據進行逐一監測，管理流程復雜，人力消耗較大。另外，隨著醫療器械的微型化，人體植入性器械，如心臟起搏器、胰島素泵、介入器件等逐漸在手術中使用，但是，傳統植入性器械中內含電子元件，通常需要配備電池，以實現數據的交換和控制，設備植入難度較高，且面臨電池更換問題。醫療場景具有工作環境復雜，需求多樣，可靠性要求高等特點，一般要求支持中繼狀態下網絡覆蓋范圍大于 1 千米，且服務可靠性大于 99%。新型無

78、源標簽具有低成本、小體積、免電池、免維護、耐水耐高溫等優良的特性，一方面，能夠支持醫院內部醫療信息的數字化采集、存儲和共享，實現醫療資產的高效管理，提高藥品管理的工作效率，同時滿足高溫、高壓或高濕度環境中特殊醫療器械的管理；另一方面，通過將新型無源標簽以小型手環等形式附加在病人身上，可以實現病人的后續治療和身體健康監測，也可以反應病人的活動軌跡，防止病人私自出走，簡化醫院護理流程，提高管理水平。另外，新型無源標簽基于環境能量通信的特性可以實現醫療植入性器械免電池工作，極大的延長設備工作年限，且可以做到足夠微型化，進一步降低人體排異反應的風險。404.7 畜牧隨著畜牧業產業的飛速發展，規?；?、專

79、業化水平的不斷提高。改造和提升傳統畜牧業、開拓創新現代智慧畜牧業，加快推進畜牧業的信息化建設已成為畜牧業發展越來越重要的因素?，F代畜牧業智能化水平較低，但隨著牲畜管理精細化程度的提升，現代畜牧業對牲畜和物品的自動化標識與周邊環境信息的采集及監控提出較高的需求?，F有常見管理監控手段為牲畜佩戴較厚重的有源傳感器，周期性溫度監控及盤存的頻次、效率及準確率都較低，且設備維護成本較高。同時，隨著現代畜牧業朝著大型和集約化方向發展，牲畜的分布與活動范圍將變得非常廣泛，需要通信范圍遠、回傳速度快的新型通信與感知技術以滿足遠程操作需求。畜牧場景具有牲畜數量多，分布、活動范圍廣泛，牲畜佩戴設備尺寸限制嚴格等特點

80、，一般要求室外通信距離大于百米，且網絡覆蓋無盲區，同時，標簽支持周期性傳感數據采集上報。新型無源標簽具有小尺寸、體量輕、低成本的特點，可與多種生物識別傳感器結合，放置于牲畜身體上，監測牲畜的數量、身體狀態、行為軌跡，并在必要時及時向農戶反饋。且畜牧場景多為室外，可便捷的采集太陽能等環境能量使能標簽，并基于室外基站能力，實現大范圍信息采集與通信，農戶不需要實地逐個清點和檢查牲畜，通過手機即可遠程掌握牲畜情況，極大地提高了工作效率和便利性。新型無源物聯網技術可實現從農業養殖、收購、加工、運輸、銷售等各個環節的標識、識別、追蹤和查詢，同時，也為牲畜疾病防治，相關監督和管理提供有效信息，助力現代畜牧業

81、的智能化發展。414.8 家居近年來，在智能化、自動化高新技術的驅動下，智能家居行業進入了飛速發展時期。尤其是疫情影響的當下，人們對于家居生活環境的要求及期望更加迫切，也促使智能家居行業迎來新的發展機遇。智能家居以住宅為平臺，通過物聯網將家中的各種設備連接到一起，其最初的發展主要以燈光遙控控制、電器遠程控制和電動窗簾控制為主，隨著人們生活水平的提高，以智能尋物為代表的物聯網技術逐漸在智能家居環境下得以應用。人們期待使用具備更低成本、極小的設備尺寸、無需充電免維護的物聯網技術用于對家庭資產的管理，實現快速家庭物品尋找，物品周期盤點等應用。家居場景具有部署環境復雜，業務需求多樣等特點，一般要求室內

82、網絡通信距離大于10 米，支持中繼，抗多徑干擾能力強，且能夠支持單品級定位。新型無源標簽因其超低成本、極小體積、可清洗、靈活/折疊的外形因素等特點，可以在家居中靈活部署，例如嵌在墻壁、天花板和家具中，或者貼在鑰匙、護照、衣服上，極大增加智能家居中交互的設備種類，并提供家庭環境傳感數據采集、告警信息采集、提供安防保護等服務。4205 總結及展望無源物聯網是實現千億級連接的基礎使能技術，同時也是標識信息的“重要載體”，是生產要素在數字化世界里的“唯一身份證”，將成為產業數字化轉型的核心要素。無源物聯網技術以其低成本、零功耗、易部署等優勢，近年來深受產、學、研、用各領域的重點關注，廣泛應用于快消品零

83、售、快遞物流、資產管理等行業。隨著無源物聯網場景的不斷拓展，行業對無源物聯網技術提出了更高要求，如何實現自動化管理、提升識別率、提供標簽定位能力、進一步擴展覆蓋等，成為了無源物聯網技術需要攻克的目標。在此背景下，中國移動研究院聯合產業各方，深入分析產業需求、研判技術發展趨勢，提出了無源物聯網三階段的演進路線，通過單點式、組網式和蜂窩式的漸進化迭代發展，結合無源物聯網系統端到端能力升級，共同打造基于“感通算”能力的“全程全網”連接服務，為設備提供嶄新的連接方式，更好地賦能于物流、倉儲、制造、電力、交通、醫療、畜牧、家居等行業。面向未來，無源物聯網通信作為一種新型通信技術，有望與 6G 通信網絡深

84、入融合，助力構建綠色節能、智能高效的下一代移動通信網絡。本白皮書通過產業背景介紹，演進路線思考，關鍵技術分析及應用介紹，展示了中國移動研究院對于無源物聯網技術發展的思考。后續中國移動研究院將攜手產業各方，依托國家自然科學基金、高校載體、聯合實驗室等形式，開展技術創新、產品研發和應用拓展。并打造“無源物聯網技術聯合創新中心”，凝聚共識，形成合力，共同推進無源物聯產業發展，打造萬物互聯新業態。43縮略語列表縮略語英文全名中文解釋BLEBluetooth low energy低功耗藍牙LoRaLong range遠距離無線電NB-IoTNarrow band Internet of things窄帶

85、物聯網RedCapReduced capacity輕量級 5GeMBBEnhanced mobile broadband增強移動寬帶uRLLCUltra-reliable low-latency communications超可靠低延遲通信mMTCMassive Machine Type Communication大規模機器通信5G NR5th generation mobile networks new radio第五代移動通信技術新空口LTELong term evolution長期演進AGVAutomated guided vehicle自動導引運輸車RFIDRadio frequenc

86、y identification無線射頻識別Wi-FiWireless fidelity無線保真5GA5th generation advanced增強版第五代移動通信技術EIRPEffective isotropic radiated power有效全向輻射功率LoSLine of sight視距傳播NLoSNone line of sight非視距傳播UEUser equipment用戶設備CPECustomer premise(s)equipment用戶駐地設備APAccess point無線接入點AMFAccess and mobility management function接入和

87、移動性管理功能網元UDMUnified data management統一數據管理網元SMFSession management function會話管理功能無源RANRadio access network無線接入網NASNon-access stratum非接入層44RRCRadio resource control無線資源控制層MACMedia access control媒體介入控制層PHYPhysical物理層SIPSystem in Package系統級封裝SOCSystem on Chip片上系統ASKAmplitude shift keying振幅鍵控FSKFrequency

88、shift keying頻移鍵控PIEPulse interval encoding脈沖間隔編碼BPSKBinary phase shift keying二進制相移鍵控QPSKQuadrature phase shift keying正交相移鍵控TBCCTail biting conventional coding咬尾卷積編碼TDMATime division multiplexing access時分多址接入NOMANon orthogonal multiple access非正交多址接入PCFPolicy control function策略控制功能DNNData network name

89、數據網絡名稱GTP-UGPRS Tunnel Protocol UserGPRS用戶面隧道傳輸協議RSSIReceived signal strength indicator接收信號強度指示MUSICMultiple signal classification多重信號分類SIMSubscriber identity module用戶識別卡SUPISubscription permanent identifier訂閱永久識別符SUCISubscription concealed identifier訂閱隱藏標識符6G6th generation mobile networks第六代移動通信技術4

90、5參考文獻1“關于深入推進移動物聯網全面發展的通知”，2020-04-30.2“物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃（2021-2023 年）”，2021-09-10.3“關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見”.2021-09-22.4GB/T 29768-2013,射頻識別 800/900MHz 空中接口協議.5GB/T 35102-2017,射頻識別 800/900MHz 空中接口符合性測試方法.6CCSA,2021B108 基于蜂窩通信的無源物聯網應用需求研究.73GPP TR 22.840,Study onAmbient power-enabled Internet

91、of Things.8RP-211990 Motivation for NR Passive IoT for automotive industry CMCC,BMWBrilliance Automotive.9RP-213369 Study proposal on Passive IoT Huawei,HiSilicon.10 全國信標委 WG2-JAHG1，反向散射通信網絡 OFDMA 接入 第 1 部分：物理層規范.11 全國信標委 WG2-JAHG1，反向散射通信網絡 OFDMA 接入 第 2 部分：媒體訪問控制層要求.12 IDTechEx.RFID Forecasts,Player

92、s and Opportunities 2022-2032S.2021.13 AIoT 星圖研究院,中國 RFID 無源物聯網市場調研報告（2022 版）.2022.14Hu G,YZhu,Zhao W,et al.Signal Detection for Batteryless Backscatter SystemswithMultiple-AntennaTagsC/2019IEEE/CICInternationalConferenceonCommunications Workshops in China(ICCC Workshops).2019.15 Khan D,Oh S J,Yeo S

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95、s,2019,PP(99):1-1.19Ji Y H,Mi J K,Kim J,et al.Physical Layer Security in Multi-Tag AmbientBackscatter Communications Jamming vs.CooperationC/2020 IEEE WirelessCommunications and Networking Conference(WCNC).IEEE,2020.47版權聲明本白皮書版權屬于中國移動，并受法律保護。任何單位和個人未經中國移動書面授權，不得以任何目的（包括但不限于學習、研究等非商業用途）修改、使用、復制、截取、編纂、上傳、下載等方式轉載和傳播本書中的任何部分，授權后轉載、摘編或利用其它方式使用本白皮書文字或者觀點的，應注明“來源：中國移動”。違法上述聲明者，將被追究其相關法律責任。