5G无源物联网系统白皮书（2024.2）

目录一前言 2（）打长距变频源物网通终端 3（）打面向频物网通终端的5G通模组 3二基于波直变频术的5G无物联系统 4（）总架构 4（）关技术 55G5基微波驱变技术的5G无物联系统端关技术16三应用景 （）危品仓储 29（）矿山 31（）制造 32四总结展望 33（）技演进线 33基技术进路线 34系产品形态进路线 38（）市展望 42附录 43缩语 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，更加紧凑，简化了维护，并提高了安这（一）打造长距离变频无源物联网通讯终端（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5G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5G1图15G无源传感物联网系统整体架构图（二）关键技术5G（PIOT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5G5G5G5G5G5GR18在R195G5GR195G2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段，并共站址部署可借用运营商已有的城域网第二阶段无源物联网5G采用5G定载频作为驱动信号需要等待3GPP需要提前规划好对既有5G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In-Band5G3图3异频共站模式架构图5G干扰问题，以RFID125kHz、133kHz、13.56MHz27.12MHz、433MHz、902MHz~928MHz、2.45GHz5.8GHz902MHz~928MHzRFID在一定的干扰可能。当RFID47dBmRFID3整RFID但共站模式也存在明显的缺点，天线端存在两套射频系统，RFID5G5G3GPPR18a.室分站直驱的方式5G250mW10~20m4图4室分站直驱方式架构图5G1与rHUBrHUB与BBU1223增加室内pRRU34可以利用5G数字化室内基站提供较好的室内定位服4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5G种移动的UE图5第三方中继方式架构图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5Gc．驱动源与接受端分离的方式图6 驱源与受端离的式架图5G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（2）5G空口物理层的调整如前文所述，5G5GL2L3多址技术设计5GOFDMAOFDMA4GOFDMAOFDMA景下展现出更好的适应性。首先，NOMA求更低，这有助于降低终端的难度；其次，NOMA调制与编码方式在该领域，3GPP即将展开深入的讨论，目前看为了适应无源物联网的需求，5G空口上行和下行的编码与调制方式需要进行优化设计。设计的关注点可能会围绕如下几个方面：In-Band5G5G其他关键技术5G空口安全性5G5G5G5GSBAAF图7管理和健全机制逻辑图无源标签定位技术在传统RFIDRSSI5G5G8图8无源定位5G加相关参考信号设置。基站在接受标签返回的ULdata5G5G5G和无源物联网的发展趋势来看，未来两者的深度融合将成为重要方5G5G段。可以预见在不远的将来，5G无源物联网系统将在工业、物流、能源、农业等众多行业领域发挥巨大的价值。5G感器技术形成的无源无线传感终端不用直流供电就能远距离无线工低了功耗需求，从而在实现传感功能的同时不降低灵敏度和作用距离。图9微波直驱变频传感基本原理图（1）微波直驱变频技术典型的微波直驱变频电路（如图10所示）由输入匹配网络、微图10微波直驱技术典型电路系统组成较低输入功率条件下（≤-dm，能量转化效率一般低于3%，在极低输入功率条件下（≤-dm，能量转化效率一般低于1%。因此在终端侧限制了其驱动能力，在实际应用中极大限制了作用距离。目前采用微波直驱变频技术的驱动灵敏度一般在-18dBm～-dm15~17dB表2微波直驱输入输出功率的关系表输入功率(dBm)输出功率(dBm)驱动频率(MHz)能量衰减(dB)-10-2543315-15-3143316-20-3643316-21-3843317-10-2694916-15-3094915-20-3694916-21-3794916-22-3994917（2）无源传感技术无源传感技术的核心是通过待检测物理量对无源传感器产生影题，从而不影响整个终端的能耗平衡。LC（（子铝电解电容器（高分子Al、薄膜电容器（Fm、温度补偿用独MC高分子TM11图111279。感湿高分子材料的介电常数较小，湿度图12高分子薄膜电介质湿度传感器结构等磁材制成如图13所， 表铁芯衔铁的气厚，表示振动引起的微小位移。振动发生时，其运动部分与动铁心（振动图13自感式可变电感组成1414（a）为硅电容式压力传感器，淀积在膜片下表面上的金属层形成电为硅谐振式压力传感器，硅膜片由静电或其它方法激励而产生谐振f0，当膜片受被测压力直接（间接）作用时，刚度发生改变，从而导致谐振频率的变化Δf，该变化量与被测压力相对应。图14电容式压力传感器和谐振式压力传感器结构（3）无源信号调制技术无源信号调制技术的核心是将传感器转换的信号以调频的方式15图15频分型传感区分示意图频率标记为f标记为f标记额为S传感信号加载在返回信号上，并通过空间以无线的方式传输至采集16图16变频调制与变频信号解调的工作原理10～301001005kHz250kHz10～3017图17终端序列号频率区分方式示意图ASK18图18终端序列号编码区分方式示意图三、应用场景（一）危险品仓储无源物联网在危险品储存（19）的应用案例涉及到利5G图195G无源物联网系统危险品仓储场景该系统由传感器网络、5G通信网、中心控制系统与远端控制平台组成。5G5G（二）矿山（20图20无源物联网煤矿应用场景与解决方案）范电源引起的爆燃风险。无论是表层还是内部难以检测到的煤层位（三）制造随着新一轮科技革命和产业变革的兴起，现代制造业呈现出绿5G、人工同时，新型无源标签的极低成本特性对现代制造业产生深远影四、总结与展望（一）技术演进路线联网传感和通信终端的能源依赖问题制约了物联网技术进一步规模目前巨大的新增应用需求与现有技术的不足形成了现阶段无源（基础技术演进路线作用距离的提升2035dBm图20驱动灵敏度与传输距离的关系示意图传感种类与准确度提升200Hz±50Hz物联与通信融合自由度提升5G6G主要实现对融合型基站的补盲，以及在网络架设初期小成本快速部署。215G6G图21物联与通信基站融合工作示意图海量终端接入能力提升ID终端实现方法、超大IDIDID以使用通信基站融合无源物联网功能，在保持现有通信覆盖的能力22图22大规模无源互联示意图（融合基站主力覆盖，专用基站辅助补盲）系统产品及形态演进路线微波直驱基站产品演进路线无源物联网专用基站息交互的功能，可以对覆盖范围内的所有无源传感终端标签实现驱-通信融合基站盲区进行辅助补盲。物联-通信融合基站5G6G无源物联终端交互的功能，在通信基站的覆盖范围内可以任意地增无源微波直驱终端产品演进路线微波直驱传感器产品下的微波直驱变频传感终端通过使用不同的频率来区分各自的序列对公频干扰的同时，依靠基站发射的大功率微波实现更远的作用距离。同时基于现阶段成果及微波直驱变频技术的特征及潜在指标优势，可以实现码分型ID微波直驱标准化模组微波直驱标准化模组是根据微波直驱技术基础与微波直驱传感微波直驱标准化芯片无源物联网管理平台演进路线云管端三位一体管理平台大数据人工智能分析平台（二）市场展望附录缩略语下列术语和定义适用于本文件：缩略语英文全名中文解释BBUBasebandUnit基带单元NOMANon-OrthogonalMultipleAccess非正交多址接入OFDMAOrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess正交频分多址接入PIOTPassiveInternetofThings无源物联网RFIDRadioFrequencyIdentification射频识别技术RRURemoteRadioUnit远程射频单元RSSIReceivedSignalStrengthIndication接收信号强度指示SBAService-BasedArchitecture服务架构UEUserEquipment用户设备引用CN115940821B。2023-07-25。UHFRFIDZ]。2021。RFIDJ2008,(07)。KeremKapucu,CatherineDehollain.ApassiveUHFRFIDsystemwithalow-powercapacitivesensorinterface[R].2014IEEERFIDTechnologyandApplicationsConference(RFID-TA),2014JiaMZ,YaoCC,LiuW,YeRY,TutunJuhana,AiB.Sensitivityanddistancebasedperformanceanalysisforbatterylesstagswithtransmitbeamformingandambientbackscattering[J].ChinaCommunications，2022,19:2.RicardoCorreia,NunoBorgesCarvalho.Designofhighordermodulationbackscatterwirelesssensorfo