5G无源物联网系统白皮书

中国联通 5G无源物联网系统白皮书 中国联通研究院2024年2月 版权声明 本报告版权属于中国联合网络通信有限公司研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其他方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国联通研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 目录 一、前言2 （一）打造长距离变频无源物联网通讯终端3 （二）打造面向变频物联网通讯终端的5G通讯模组3 二、基于微波直驱变频技术的5G无源物联网系统4 （一）总体架构4 （二）关键技术5 1.基于微波直驱变频技术的5G无源物联网系统基站关键技术.5 2.基于微波直驱变频技术的5G无源物联网系统终端关键技术16三、应用场景29 （一）危险品仓储29 （二）矿山31 （三）制造32 四、总结与展望33 （一）技术演进路线33 1.基础技术演进路线34 2.系统产品及形态演进路线38 （二）市场展望42 附录43 缩略语43 引用44 参编单位与编写组成员： 中国联合网络通信集团有限公司： 范济安、荆雷、李双权、范斌、赵兴龙 中国联通研究院： 叶晓煜、安岗、魏梓原、盛明哲、王宣、崔振霄、李希金、李卓凡 联想集团： 李瞳、袁树新、王晓东、王俊龙、王黎伟 浙江龙感科技有限公司： 曾庆、罗宇、陈柳、李科、陈静、连利波、孙佳宇 重庆数智融合创新科技有限公司：周华、唐尚禹、向静波 一、前言 物联网正在迅速发展，预计将推动数十亿甚至上百亿个物品实现智能互联。当前，基于有源技术的物联网连接数量虽在增长，但与业界预期的全面万物智联尚有较大差距。有源物联网模组成本较高，限制了其在某些领域的广泛应用，例如在物流行业，采用有源技术实现每个快件的连接将导致巨额的成本。因此，无源物联网技术，特别是其无需电池的特点，正成为重要的技术补充，它不仅降低了成本，还提高了连接海量物品的可行性。 另一方面，许多物件因分布广泛、需灵活移动或应用于极端环境，使得电池更换困难或无法使用电池供电。无源物联网技术解决了这一问题，无源物联网设备无需内置电池，可通过采集环境能量进行供能，因此具有长久的使用寿命，设备更加紧凑，简化了维护，并提高了安全性和效率。随着物联网连接需求的不断增长，无源物联网技术预计将支持更大规模终端节点设备，实现更大规模的传感感知和传输连接。这一特点使得无源物联网在智能城市、农业、工业自动化等领域得到广泛应用。随着技术的不断创新和标准的逐步完善，无源物联网有望在未来实现更广泛的应用，推动物联网生态系统的进一步发展。 中国联通联合行业伙伴联想集团、浙江龙感科技有限公司，开展5G无源物联网系统的技术实践，期间进行了以下两个方面的探索： （一）打造长距离变频无源物联网通讯终端 当前，无源物联网技术在通信距离和上下行同频干扰等方面面临多重挑战，限制了其在工业应用场景中的效能。为解决这些问题，中国联通携手合作伙伴共同研发并推出了一款创新性的长距离变频无源物联网通讯终端。该终端不仅能够显著扩展通信范围，还能有效应对同频干扰，提高通信稳定性。在工业领域，这一技术突破满足在工业场景下物联网终端在通信距离、可靠性和全面无源技术方面的紧迫需求，为工业物联网的发展提供了强大的支持。这一创新成果的推出将为工业应用场景下的智能化、远程监测等提供更为可靠、高效的无源物联网解决方案。 （二）打造面向变频物联网通讯终端的5G通讯模组 面对无源物联网终端技术的不断升级，中国联通积极跟进并对通讯网络进行了升级和改造，包括对现有5G基站进行了升级，使其不仅维持了现有通信业务的高效性，还能够与无源终端进行交互，避免彼此之间的潜在干扰。这一技术改进为更广泛的物联网应用提供了稳健的基础，加强了无源物联网与通信网络的协同性。通过这种先进的基站升级，中国联通不仅提升了网络的整体性能，还确保了对无源物联网的有效支持，推动了数字化时代的无线通信技术的蓬勃发展。 目前，物联网行业发展迅速，中国联通在物联网领域积极布局，紧跟技术前沿，为数字化时代的通信技术和智能化应用发展创造了新的机遇，与合作伙伴共同推动无源物联网技术突破与创新。 二、基于微波直驱变频技术的5G无源物联网系统 （一）总体架构 5G无源传感物联网系统，包括云端处理层、通信层、无源感知层、应用层。如图1所示，感知层依靠各类传感终端收集标签、温度、振动、湿度等环境信息，通信层将信息传输至云端处理层。在云端处理层进行机器学习及数据挖掘等，分析并提取数据的价值。基于高精度无源定位、标识设计，提供物品的全生命周期管理、用户行为分析等服务。最终，赋能物流、仓储、制造、电力、交通、医疗、畜牧、家居等各类垂直行业。 图15G无源传感物联网系统整体架构图 （二）关键技术 1.基于微波直驱变频技术的5G无源物联网系统基站关键技术 无源物联网系统（PIOT）的关键组成，包括基站（含驱动站和接收站）、传感侧标签两大部分，并根据实际场景构建相应的PIOT管理平台。其中，基站侧和传感侧标签的技术发展情况将成为无源物联网系统未来能否大规模应用的关键。 无源物联网系统基站侧技术发展需要考虑的关键领域有基站的组网与部署方式、空口物理层设计以及其他辅助技术。 （1）基站的组网与部署方式 现阶段，随着5G商用的不断提速，5G在物联网领域的大规模应用逐步成为了关注的焦点。在此领域，无源物联网系统由于其自身无源、低功耗、低成本的特性，必将在5G万物互联的时代取得一席之地。在这一过程中，需要掌握好演进的节奏，既符合技术发展的整体趋势和成熟度，也要兼顾规模部署的需要。从5G未来演进趋势来看，通感一体、大规模低功耗物联网成为发展必然方向，因此将微波直驱变频技术与5G蜂窝通信相融合的5G无源物联网将是值得的形态。在2023年初，3GPP已在5GR18标准中加入了相关内容的提案，并计划在R19标准中进行充分的讨论。 在5G标准不断演进的同时，基于微波直驱变频技术的无源物联网系统已开始崭露头角，其商用部署可能会早于5GR19标准。微波直驱变频技术与5G无源物联网的结合可以分为两个阶段。如图2所 示。 图25G微波直驱变频技术的两个阶段 两个阶段的特点如表1所示。 方案 特点 第一阶段 无源物联网与5G采用各自频段，并共站址部署 无需修改物理层技术架构简单、成熟度高 可借用运营商已有的城域网回传标签信息 成本较高且增加了单位功耗 第二阶段 无源物联网与5G深度融合，采用5G频段中特定载频作为驱动信号 需要重新设计空口的物理层需要等待3GPP相关标准成熟成本和功耗更低 需要提前规划好对既有5G业务的影响 表15G微波直驱变频技术的两个阶段 两个阶段各有特点。异频共站的模式可以选择现有的5G基站和 成熟的微波直驱变频信源站，在天线端实现整合，产品化的工作量小，可快速实现商用，但从长期演进来看，In-Band的模式更有优势。 异频共站模式，在天线端实现双站融合，与5G通讯模组共享电源、通信和组网架构，安装简便，开通简单。如图3所示： 图3异频共站模式架构图 这种共站模式下，需要重点关注无源通信和5G通讯之间的频谱干扰问题，以RFID为例，其典型的工作频率有：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz~928MHz、2.45GHz和 5.8GHz等，当前可用于无源微波射频标签的产品相对集中在902MHz~ 928MHz。根据以往测试发现，RFID设备的带外发射对于基站业务存在一定的干扰可能。当RFID设备的带外发射在基站下行链路频段中的功率谱密度能够小于-47dBm时，在距离RFID设备3米的保护距离下，一般网络覆盖条件下的手机基本上不受干扰。这一点可以通过调整RFID设备的发射功率进行调整。 但共站模式也存在明显的缺点，天线端存在两套射频系统，RFID 对于5G基站是一种带外传输，需要进行防止射频互干扰的复杂设计。两者各自独立，无法实现联动，仅能作为一种过渡方案。未来无源物联网通信的演进方向为5G带内通信，即在基站的正常工作频段上，划出一定的带宽，专门用于传输标签信息，可以极大提高设备集成性，便于管理和灵活调度资源，当前已经列为3GPPR18的重要研究课题。 无源物联网系统需要考虑在广域网以及室内局域网场景的应用：前者以宏站作为驱动站，可以满足大部分场景下无源标签对驱动信号强度的需求，覆盖面积可以达到几十米；但是在室内应用的场景下，由于建筑物的存在，依靠室外宏站直接提供驱动源，信号强度水平可能无法满足要求。因此，需要探索室内场景下的组网模型，如下。 a.室分站直驱的方式 该方式通过改造运营商已有的5G数字化室分系统，将驱动源与5G数字化室分小站相结合，利用室分小站一方面提供无源物联网的驱动源，一方面接受无源标签返回的数据信息。由于室分小站部署在室内，无需考虑外墙对无线信号的影响。现阶段主流室分小站单通道功率在250mW水平，基本上可以实现半径10~20m的覆盖，可以满足室内无源标签覆盖的需求。具体部署方式如图4所示。 图4室分站直驱方式架构图 室分站直驱的方式实现了5G与无源物联网的深度融合，具备如下的特点： 1 基于数字化室分系统，pRRU与rHUB之间采用光电混合缆的方式，rHUB与BBU之间采用跨楼层光纤的方式进行通信，施工和部署简单。 2 室分站与无源标签之间采用直驱的方式，信号稳定，保证较好的通信质量。 3 后期网络优化更便捷，对于信号盲区可以较方便的通过增加室内pRRU的方式提升信号质量。 4 可以利用5G数字化室内基站提供较好的室内定位服 务。 该方式将会成为未来室内无源物联网系统主要的组网方式。b.第三方中继的方式 室分站直驱的方式有着灵活组网、便捷部署、信号稳定等特点，但在实际部署中，如果室外宏站信号过强，也容易对室内无源标签的驱动造成干扰；或者在某些场景下，建筑物内无5G数字化室分小站，重新搭建一套室分小站会增加相应的投资。因此，除室分站直驱的方式外，第三方中继的方式也会成为某些场景的选择。 第三方中继方式的核心是增加一个中继端，作为室外宏站与无源标签之间的信号中继，这个中继端可以是固定射频基站，也可以是一种移动的UE设备，如下图所示。 图5第三方中继方式架构图 这种第三方中继方式的主要特点为不依赖于运营商室分网络，可以快速的提升室内驱动信号强度。室外宏站与中继站之间可以通过5G空口进行通信，中继站自身建议具备供电的能力，中继站与无源标签之间采用微波直驱变频技术，驱动信号仅存在于中继端与标签之间，因此室外宏站与中继站之间无需特定的功率要求，保证数据信号通信即可。 c．驱动源与接受端分离的方式 在无源物联网系统的实际部署中，需要特殊考虑驱动源与无源标签之间的距离或遮挡问题，由于标签返回的上行数据数据量很小，空口信道的要求相对较低。因此在设计中，可以尝试驱动源与基站接收端分离的方式，将驱动信号与标签返回的上行信号分成不同的信道，从而实现更灵活的部署。具体如下图所示。 图6驱动源与接受端分离的方式架构图 常见的方式有两种： 方式一：中继站作为驱动源向无源标签发射驱动信号，无源标签返回的上行数据信息直接通过5G空口返回给室外宏站，如上图右半边所示。该方式的优点在于简化了中继站的设计，中继站不与室外宏站进行数据通信，接受来自宏站的控制信令，并按照控制信令向无源标签发射驱动信号。同时，也免去了宏站与中继站之间的数据通信，节省了宏站的空口资源。 方式二：直接通过室外宏站作为驱动源向无源标签发射驱动信 号，无源标签返回的上行数据通过已有的室分小站回传，如上图左半 边所示。该方式的优点在于避免了室分站直驱方式下宏站可能带来的干扰，同时回传的数据信息通过既有室分小站进行回传，节省了宏站的空口资源。 （2）5G空口物理层的调整 如前文所述，5G无源物联网可以有多种组网方式，以满足各种场景下的实际需求。本节将探讨为满足大规模无源物联网的应用，5G空口侧需要关注的关键技术。 传统的5G协议栈包括物理层、L2层和L3层相关协议，对于无源物联网的支持需要对协