面向萬物互聯(lián)的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

01概述

1.1物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)本著萬物皆可入網(wǎng)的思想，以實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)作為最終目標(biāo)，已幫助數(shù)以億計(jì)的設(shè)

備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。然而，隨著市場(chǎng)規(guī)模的蓬勃增長(zhǎng)，設(shè)備的供能、續(xù)航等問題正在成為物聯(lián)

網(wǎng)發(fā)展的新挑戰(zhàn)?？梢哉f，如何實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、長(zhǎng)生命周期的網(wǎng)絡(luò)已成為物聯(lián)網(wǎng)下一

階段亟待突破的關(guān)鍵。

在此背景下，低功耗物聯(lián)網(wǎng)從2010年左右開始萌芽，經(jīng)過十多年的發(fā)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(lián)網(wǎng)技術(shù)。其中，BLE是低功耗

藍(lán)牙技術(shù)，與經(jīng)典藍(lán)牙保持連接的工作模式不同，BLE采用“睡眠-喚醒”模式節(jié)能，具有

易用性、集成性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類智能終端中。LoRa是遠(yuǎn)距離無線電技術(shù)，定義了

三種不同的終端工作模式以降低功耗，具有多節(jié)點(diǎn)，廣域連接等特點(diǎn)，適用于物聯(lián)網(wǎng)報(bào)警，

燃?xì)鉄o線抄表等場(chǎng)景。NB-IoT是低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，相比LoRa，其使用授權(quán)頻段，干

擾相對(duì)較少，具有高可靠性、高安全性特點(diǎn)。RedCap是輕量級(jí)的5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠滿

足可穿戴設(shè)備、工業(yè)無線傳感器等對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的需求介于eMBB、uRLLC和mMTC之間的

場(chǎng)景需求。

上述低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端低功耗、大連接為愿景，但隨著技術(shù)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(xiàn)瓶頸，在面對(duì)食品溯源、商品流

通等對(duì)單品跟蹤管理需求高的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)不具備明顯優(yōu)勢(shì)。另一方面，受制于常規(guī)電源的工

作環(huán)境，此類低功耗終端無法在高溫、超低溫、高濕、高輻射等嚴(yán)苛的通信環(huán)境中正常工作，

應(yīng)用場(chǎng)景受限。

為解決上述問題，無源物聯(lián)網(wǎng)開始走上產(chǎn)業(yè)舞臺(tái)，并于近兩年逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)。無源

物聯(lián)網(wǎng)是利用環(huán)境能量采集技術(shù)，將周圍可利用的信號(hào)與能量轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)自身電路的電能，

同時(shí)利用以反向散射為核心的通信模式，實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳遞信息的技術(shù)。其最顯著的特征

是完全不依賴傳統(tǒng)電池供電，能夠很好地解決低功耗物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的瓶頸問題，是下一

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代物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模分布金字塔

物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模分布金字塔如圖1所示。其中，金字塔頂端是以5GNR、LTE為代表

的高速物聯(lián)網(wǎng)，目前主要應(yīng)用于高清視頻傳輸、AGV集群控制等對(duì)時(shí)延及帶寬要求高的場(chǎng)

景；第二部分是以RedCap為代表的中速物聯(lián)網(wǎng)，可支持工業(yè)傳感器、可穿戴設(shè)備、監(jiān)控?cái)z

像頭等用例，實(shí)現(xiàn)十億級(jí)連接；第三部分是以BLE、LoRa、NB-IoT為代表的低速物聯(lián)網(wǎng)，

面向視頻監(jiān)控、工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)更低終端復(fù)雜度的信息采集，支持百

億級(jí)連接規(guī)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(lián)網(wǎng)，因其在

終端功耗、尺寸以及成本等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理領(lǐng)域，創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)千

億級(jí)市場(chǎng)的突破。

1.2無源物聯(lián)網(wǎng)分類

20世紀(jì)40年代，雷達(dá)的改進(jìn)和應(yīng)用催生了最具代表性的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——RFID。20

世紀(jì)60年代后期，簡(jiǎn)單的商用RFID系統(tǒng)（1bit標(biāo)簽系統(tǒng)）開始出現(xiàn)。1980年后出現(xiàn)了無

源RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽中不再需要加載能量，標(biāo)簽價(jià)格及維護(hù)成本大大降低。2003年，EPCglobal

組織成立，開始管理RFIDEPC網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)，從此，RFID進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展階段，產(chǎn)品種

類更加豐富，應(yīng)用更加廣泛。近年來，以RFID為代表的無源物聯(lián)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在資產(chǎn)管

理等領(lǐng)域。作為標(biāo)識(shí)的重要承載技術(shù)之一，無源RFID技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息互通的

關(guān)鍵，是產(chǎn)業(yè)數(shù)智化升級(jí)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。

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RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器和控制平臺(tái)組成，讀寫器利用感應(yīng)耦合或反向散射耦合原理，

向標(biāo)簽發(fā)送電磁波信號(hào)，標(biāo)簽將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換成能量，激活標(biāo)簽芯片并反饋信息，實(shí)現(xiàn)目

標(biāo)物體的識(shí)別。目前，國(guó)際上主流的RFID系統(tǒng)可以支持多種頻段，低頻（125KHz）、高

頻（13.54MHz）、超高頻（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。其中，超高頻RFID

系統(tǒng)基于電磁波反向散射技術(shù)，理論傳輸距離為1~10米，使用范圍較廣，涉及物流、制造

業(yè)、航空等眾多行業(yè)，也是本白皮書關(guān)注的重點(diǎn)。

近年來，隨著無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)，衍生出一批基于藍(lán)牙、Wi-Fi、LoRa等通信

技術(shù)的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。目前，無源藍(lán)牙標(biāo)簽的功耗雖已可以做到與無源RFID標(biāo)簽相近，

但因其產(chǎn)業(yè)化程度較低，商品標(biāo)簽種類較為單一，應(yīng)用受限；相較無源藍(lán)牙與無源RFID，

基于Wi-Fi及LoRa的無源通信技術(shù)可通過優(yōu)化調(diào)制、編碼等方式實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離，但

此類技術(shù)多處于學(xué)術(shù)研究階段，還未規(guī)?；逃茫瑧?yīng)用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證；無源RFID標(biāo)

簽種類多樣，生態(tài)成熟，產(chǎn)業(yè)鏈完善，且在功耗，成本等方面同樣具備顯著優(yōu)勢(shì)，尤其面向

終端替換率高，成本要求嚴(yán)格的場(chǎng)景時(shí)，成為了產(chǎn)業(yè)內(nèi)的首選方案。

另外，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸興起，可為設(shè)備提供全新、廣域的連接方式，

深受產(chǎn)業(yè)關(guān)注，預(yù)計(jì)將成為無源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向之一。

1.3產(chǎn)業(yè)數(shù)字化帶來新的發(fā)展契機(jī)

1.3.1政策支持

近年來，國(guó)家出臺(tái)的“物聯(lián)網(wǎng)三年行動(dòng)計(jì)劃”，“碳達(dá)峰，碳中和”等政策，都推動(dòng)

了超高頻RFID行業(yè)的規(guī)范發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

2020年，工業(yè)和信息化部印發(fā)《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，明確提

出“推動(dòng)2G/3G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)遷移轉(zhuǎn)網(wǎng)，建立NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、4G（含LTE-Cat1，

即速率類別1的4G網(wǎng)絡(luò)）和5G協(xié)同發(fā)展的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)綜合生態(tài)體系，在深化4G網(wǎng)絡(luò)覆

蓋、加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)上，以NB-IoT滿足大部分低速率場(chǎng)景需求，以LTE-Cat1滿足

中等速率物聯(lián)需求和話音需求，以5G技術(shù)滿足更高速率、低時(shí)延聯(lián)網(wǎng)需求”[1]。

2021年工信部、網(wǎng)信辦、科技部等八部門聯(lián)合印發(fā)《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行

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動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》，在行業(yè)應(yīng)用建設(shè)指引中明確指出，在智能制造領(lǐng)域，“加快射

頻識(shí)別、智能傳感器、視覺識(shí)別等感知裝置應(yīng)用部署”；在智能建造領(lǐng)域，“加快智能傳感

器、射頻識(shí)別（RFID）、二維碼、近場(chǎng)通信、低功耗廣域網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建材部品生產(chǎn)

采購(gòu)運(yùn)輸、BIM協(xié)同設(shè)計(jì)、智慧工地、智慧運(yùn)維、智慧建筑等方面的應(yīng)用”[2]。

2021年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的

意見》指出，要“堅(jiān)定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路，確保如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、

碳中和”[3]。受“碳達(dá)峰、碳中和”政策影響，我國(guó)加速了物聯(lián)網(wǎng)與5G、人工智能等技術(shù)

相結(jié)合的推進(jìn)，該類技術(shù)的發(fā)展可在全球范圍內(nèi)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(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)收集與傳輸。因此，“碳中和”

背景下推動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)也勢(shì)必推進(jìn)超高頻RFID快速發(fā)展。

1.3.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際上無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的制訂起步較早，技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)較完善。本世紀(jì)初，五大

RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化已初步形成，分別為ISO/IEC、EPCglobal、UID、AIMGlobal和IP-X。其

中，ISO/IEC是制定RFID標(biāo)準(zhǔn)最早、最成熟的組織，規(guī)定了RFID有關(guān)技術(shù)特征、技術(shù)參

數(shù)和技術(shù)規(guī)范，主要包括ISO/IEC18000（空中接口參數(shù)）、ISO/IEC10536（密耦合、非接

觸集成電路卡）、ISO/IEC15693（疏耦合、非接觸集成電路卡）、ISO/IEC18000（近耦合、

非接觸集成電路卡）等，涉及動(dòng)物識(shí)別、集裝箱運(yùn)輸、物流供應(yīng)鏈、交通管理、項(xiàng)目管理等

應(yīng)用領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)無源物聯(lián)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系的制訂起步較晚，但隨著RFID在全球快速普及，我國(guó)政

府及相關(guān)企業(yè)積極參與RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，并形成了我國(guó)的RFID標(biāo)準(zhǔn)體系。2016

年，工信部發(fā)布《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)分冊(cè)（2016-2020年）》，重點(diǎn)支持RFID

技術(shù)研究，推進(jìn)RFID標(biāo)簽在物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備中的布局。RFID行業(yè)逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

階段。截止到目前，國(guó)內(nèi)已標(biāo)準(zhǔn)化了包括GB/T29768-2013、GB/T35102-2017等在內(nèi)的一

系列RFID協(xié)議及測(cè)試方法[4-5]。

近年來，RFID系統(tǒng)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)受到廣泛關(guān)注，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究也逐步開展。

2020年，由中國(guó)移動(dòng)牽頭在CCSA主導(dǎo)成立了國(guó)內(nèi)首個(gè)新型RFID技術(shù)研究項(xiàng)目——《基

于蜂窩通信的無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求研究》[6]，目前，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)工作正在積極推動(dòng)中。

2021年，由OPPO牽頭，中國(guó)移動(dòng)、華為、中興、OPPO、vivo等公司大力推動(dòng)的《基于環(huán)

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境能量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》研究項(xiàng)目在3GPPSA1開展[7]。同時(shí)，中國(guó)移動(dòng)和華為也在3GPPRAN

提出了面向5GA的蜂窩無源物聯(lián)網(wǎng)研究項(xiàng)目[8-9]。開啟了蜂窩無源的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程。

此外，全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)物聯(lián)網(wǎng)分技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC28/SC41）于2022

年成立了新型超低功耗物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合特設(shè)組（SAC/TC28/SC41/WG2/JAHG1），目前，已經(jīng)

啟動(dòng)了無源物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，正在開展標(biāo)準(zhǔn)化需求分析，并提出了《反向散射通信

網(wǎng)絡(luò)》[10-11]等標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)建議。

1.3.3產(chǎn)業(yè)環(huán)境

超高頻RFID經(jīng)過多年的迭代與發(fā)展，已經(jīng)構(gòu)建出一套成熟的產(chǎn)業(yè)鏈條，如圖2、3所

示，產(chǎn)業(yè)上游主要是芯片廠商與天線廠商，可以看出，超高頻RFID標(biāo)簽芯片及天線設(shè)計(jì)廠

商比較豐富，代表性企業(yè)有以英頻杰、恩智浦、飛利浦、西門子為代表的國(guó)際巨頭，以及以

遠(yuǎn)望谷、坤銳、復(fù)旦微電子為代表的國(guó)內(nèi)廠商。產(chǎn)業(yè)中游可以分為標(biāo)簽產(chǎn)品線與讀寫器產(chǎn)品

線。其中，標(biāo)簽產(chǎn)品線涵蓋了Inlay生產(chǎn)環(huán)節(jié)、空白標(biāo)簽生產(chǎn)環(huán)節(jié)、噴繪印刷環(huán)節(jié)以及標(biāo)簽

集成環(huán)節(jié)；讀寫器產(chǎn)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(chǎn)

業(yè)中游的代表性企業(yè)有艾利丹尼森、意聯(lián)科技、Intermec等國(guó)外廠商，以及達(dá)華智能、先施

等國(guó)內(nèi)廠商。超高頻RFID產(chǎn)業(yè)下游以各類解決方案集成商與應(yīng)用終端用戶為主，主要參與

者為IBM、惠普、微軟、遠(yuǎn)望谷等國(guó)內(nèi)外集成商以及服裝、物流等國(guó)內(nèi)外行業(yè)應(yīng)用商。

圖2超高頻RFID產(chǎn)業(yè)鏈

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圖3超高頻RFID產(chǎn)業(yè)全景圖

目前來看，我國(guó)企業(yè)主要集中在超高頻RFID系統(tǒng)集成服務(wù)、標(biāo)簽及封裝市場(chǎng)，在核心

技術(shù)如芯片研發(fā)方面投入及占比較少。隨著近期“缺芯”問題的凸顯，業(yè)內(nèi)對(duì)于芯片技術(shù)的

國(guó)產(chǎn)化發(fā)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(guó)產(chǎn)化芯片的占

比將會(huì)取得突破，同時(shí)，伴隨國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，我國(guó)在超高頻RFID的核心技術(shù)與

產(chǎn)品方面將迎來新的跨越式發(fā)展。

近年來，隨著芯片設(shè)計(jì)與微電子技術(shù)的發(fā)展，超高頻RFID標(biāo)簽價(jià)格大幅下降，平均已

低至0.3元，預(yù)計(jì)到2023年快遞業(yè)標(biāo)簽甚至可以降至0.1元，這將極大推動(dòng)超高頻RFID市

場(chǎng)的擴(kuò)展。根據(jù)IDTechEx統(tǒng)計(jì)，2019年全球超高頻RFID標(biāo)簽銷量約為150億個(gè)，較2018

年增長(zhǎng)20%，全球超高頻RFID標(biāo)簽市場(chǎng)規(guī)模達(dá)9.5億美元[12]。近幾年，中國(guó)超高頻RFID

電子標(biāo)簽的使用量也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)超高頻RFID標(biāo)簽銷量從2017

年約35億枚增長(zhǎng)至2019年約45億枚，預(yù)計(jì)將于2024年達(dá)到115億枚[13]，以超高頻RFID

為代表的無源物聯(lián)網(wǎng)具有巨大的市場(chǎng)潛力。

目前，超高頻RFID技術(shù)已在零售、物流、航空、醫(yī)療、能源、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)

用，無源物聯(lián)網(wǎng)在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)日漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸。

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02無源物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)路線

國(guó)家政策的大力支持，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的日漸完善，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的快速拓展以及標(biāo)簽天線、芯片

等制造工藝的不斷提升，為無源物聯(lián)網(wǎng)帶來新的發(fā)展契機(jī)。然而，不斷擴(kuò)展的應(yīng)用需求也帶

來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，為實(shí)現(xiàn)能量受限條件下的通信距離增強(qiáng)、覆蓋能力提升、感知能力集成

等，亟需推動(dòng)無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)與迭代。

綜合產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展需求，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展可劃分為三個(gè)階段：如圖4所示，一是

以單點(diǎn)式架構(gòu)為主的無源1.0階段，在傳統(tǒng)RFID基礎(chǔ)上，對(duì)讀寫器及標(biāo)簽性能進(jìn)一步優(yōu)化，

有效提升點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、近距離通信性能；二是以組網(wǎng)式架構(gòu)為主的無源2.0階段，將激勵(lì)器和接

收器分離，有效降低讀寫一體機(jī)的自干擾問題，有助于提升單系統(tǒng)通信距離，同時(shí)支持組網(wǎng)

部署，優(yōu)化系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)幾十米到百余米區(qū)域級(jí)覆蓋；三是以蜂窩式架構(gòu)為主的無源3.0

階段，無源物聯(lián)技術(shù)與蜂窩通信技術(shù)融合，將進(jìn)一步推動(dòng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。利用基站實(shí)現(xiàn)對(duì)

無源標(biāo)簽的激勵(lì)和感知，借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)上下行干擾抑制、優(yōu)化編碼調(diào)制方式、實(shí)時(shí)資源調(diào)度、

多天線多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合傳輸、移動(dòng)性管理等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)橛脩籼峁叭倘W(wǎng)”的連接服務(wù)，并

實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離、規(guī)模化覆蓋。

若類比現(xiàn)階段成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征，我們可以看到，1.0系統(tǒng)解決的問題類似藍(lán)牙系

統(tǒng)，主要針對(duì)單點(diǎn)覆蓋；2.0系統(tǒng)在架構(gòu)及性能上進(jìn)行優(yōu)化，其工作模式可類比于室內(nèi)Wi-Fi

通信，局部區(qū)域可組網(wǎng)；3.0系統(tǒng)由于和蜂窩融合，屬于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的下一步演進(jìn)方向，可

以充分體現(xiàn)5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，廣域覆蓋，規(guī)模通信。

無源1.0~3.0系統(tǒng)以覆蓋與讀寫能力增強(qiáng)為目標(biāo)，不斷進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)的迭代與演進(jìn)，可分

別滿足不同行業(yè)的應(yīng)用需求，未來很可能將長(zhǎng)期共存。由于無源2.0及無源3.0系統(tǒng)在整體

性能上有較大提升，極大擴(kuò)展無源物聯(lián)網(wǎng)使用的場(chǎng)景，被行業(yè)普遍認(rèn)為是新型無源物聯(lián)網(wǎng)技

術(shù)發(fā)展的代表，成為了產(chǎn)業(yè)目前關(guān)注的重點(diǎn)，中國(guó)移動(dòng)也將協(xié)同產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)力新型無源物聯(lián)

網(wǎng)的技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新。

圖4無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展三階段

11

2.1單點(diǎn)式無源1.0階段

無源1.0是以超高頻RFID為代表的單點(diǎn)式無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖5所示，系統(tǒng)包含無

源標(biāo)簽、讀寫器及上層管理平臺(tái)三部分。其中，讀寫器發(fā)射射頻激勵(lì)信號(hào)為無源標(biāo)簽提供射

頻載波及射頻供能，無源標(biāo)簽利用反向散射通信技術(shù)將自身信息調(diào)制到該射頻信號(hào)上，讀寫

器接收標(biāo)簽反向散射的信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)，并將采集到的信息上傳到后端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，從而

實(shí)現(xiàn)無源標(biāo)簽信息的讀取與傳輸。

圖5無源1.0系統(tǒng)架構(gòu)

如表2所示，無源1.0系統(tǒng)使用免授權(quán)頻譜，以LoS信道模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，關(guān)鍵性

能指標(biāo)可參考如表2。

表2無源1.0系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)

無源讀寫器標(biāo)簽接收標(biāo)簽發(fā)射標(biāo)簽鏈路預(yù)算

1.0靈敏度功率

系統(tǒng)發(fā)送：36dBm-20dBm-26dBm下行：58dB

接收：-92dBm上行：74dB

參照上表數(shù)據(jù)可估算，無源1.0系統(tǒng)下行鏈路預(yù)算為58dB，上行鏈路預(yù)算為74dB，受

限于下行預(yù)算，覆蓋距離不足10m。

無源1.0系統(tǒng)中，讀寫器接收的反向散射信號(hào)經(jīng)歷了雙程路徑損耗，信號(hào)強(qiáng)度較弱，同

時(shí)，該系統(tǒng)中，讀寫器端存在較強(qiáng)的載波泄露自干擾和讀寫器間干擾，限制了讀寫器和標(biāo)簽

之間的通信距離，已成為無源1.0系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。相關(guān)產(chǎn)業(yè)也在不斷探索無

源1.0系統(tǒng)技術(shù)方案的演進(jìn)，重點(diǎn)提升單點(diǎn)通信的可靠性和讀寫效率，但應(yīng)用場(chǎng)景仍然受限，

主要應(yīng)用方式仍然是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式識(shí)別場(chǎng)景。

12

2.2組網(wǎng)式無源2.0階段

業(yè)界自2014年開始研究無源2.0系統(tǒng)，將讀寫器從傳統(tǒng)的收發(fā)一體分為激勵(lì)器和接收

器兩個(gè)設(shè)備，提高了發(fā)送、接收信號(hào)的空間隔離度，降低了讀寫器的自干擾，進(jìn)而提升接收

器對(duì)標(biāo)簽反射信號(hào)的接收靈敏度，擴(kuò)展系統(tǒng)覆蓋范圍。在系統(tǒng)性能上，無源2.0系統(tǒng)的傳輸

距離和傳輸效率明顯提升，且具有良好的識(shí)別準(zhǔn)確率，可應(yīng)用于大型倉(cāng)儲(chǔ)、資產(chǎn)管理等場(chǎng)景

中的單/多道口區(qū)域，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)化、大規(guī)模、高效盤點(diǎn)。在商用進(jìn)度上，無源2.0系統(tǒng)

具備更快速、更便捷的推廣模式，且對(duì)現(xiàn)有標(biāo)簽不做改動(dòng)，能夠盡可能的復(fù)用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)資源，

支持技術(shù)的無縫切換及產(chǎn)品快速落地。

圖6無源2.0系統(tǒng)組成

13

無源2.0系統(tǒng)由四個(gè)核心部分組成，如圖6所示，包括管理平臺(tái)，接收器，激勵(lì)器以及

無源標(biāo)簽。其中，管理平臺(tái)負(fù)責(zé)啟動(dòng)業(yè)務(wù)流程、統(tǒng)一調(diào)度多接收器以及數(shù)據(jù)的分析展示；接

收器負(fù)責(zé)下發(fā)選擇標(biāo)簽、盤存標(biāo)簽等指令信號(hào)給激勵(lì)器，同時(shí)，對(duì)激勵(lì)器進(jìn)行管理控制，調(diào)

控多激勵(lì)器間的接入資源；激勵(lì)器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自接收器的指令信號(hào)給無源標(biāo)簽，并給標(biāo)簽供

能以完成激勵(lì)；激活狀態(tài)的無源標(biāo)簽向外界反向散射自身數(shù)據(jù)，由接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與

上報(bào)，最終完成無源標(biāo)簽承載信息的讀取。

如表3所示，無源2.0使用免授權(quán)頻譜，以LoS信道模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，關(guān)鍵性能指標(biāo)

參考如表3。

表3無源2.0系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)

無源接收器接收器接標(biāo)簽接收標(biāo)簽發(fā)射標(biāo)簽鏈路預(yù)算

2.0EIRP收靈敏度靈敏度功率

系統(tǒng)36dBm-112dBm-20dBm-26dBm下行：58dB

上行：94dB

若參照上表數(shù)據(jù)可估算，無源2.0系統(tǒng)下行鏈路預(yù)算58dBm，上行鏈路預(yù)算94dBm。

與無源1.0系統(tǒng)對(duì)比可知，通過收發(fā)分離架構(gòu)，增強(qiáng)上行鏈路預(yù)算，上行覆蓋距離是商用

RFID的10倍，可達(dá)百米；激勵(lì)器和標(biāo)簽之間的下行鏈路預(yù)算與無源1.0系統(tǒng)保持一致。

無源2.0系統(tǒng)較無源1.0系統(tǒng)，在通信距離以及組網(wǎng)能力等方面都有較大的提升；同時(shí)，

無源2.0系統(tǒng)在空口協(xié)議方面改動(dòng)較少，可兼容主流的無源1.0協(xié)議，有利于無源物聯(lián)網(wǎng)技

術(shù)的平滑演進(jìn)，快速形成商業(yè)閉環(huán)。另外，無源2.0系統(tǒng)能夠顯著提高標(biāo)簽盤點(diǎn)準(zhǔn)確率，且

由于激勵(lì)器功能簡(jiǎn)單，硬件成本較低，可降低連續(xù)盤點(diǎn)解決方案成本，應(yīng)用于工業(yè)或商業(yè)領(lǐng)

域，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)設(shè)備管理及進(jìn)出庫(kù)智能管理。

2.3蜂窩式無源3.0階段

蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)質(zhì)的通信性能，隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)的不斷優(yōu)化革新，將蜂

窩網(wǎng)絡(luò)與無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，可以充分發(fā)揮蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)密集組網(wǎng)，抑制設(shè)備

互干擾，增強(qiáng)運(yùn)維管理能力，同時(shí)，還可以進(jìn)一步提升通信距離和傳輸可靠性，成為目前業(yè)

內(nèi)認(rèn)可的無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展重要方向。

基于當(dāng)前蜂窩能力的無源3.0系統(tǒng)，可以充分利用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施和授權(quán)頻譜的優(yōu)勢(shì)，復(fù)

14

用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多能，室內(nèi)同小站共部署（NLoS>20m），室外同桿站

共部署(NLoS>150m)。另外，無源3.0系統(tǒng)可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，靈活選用無源標(biāo)簽/半

無源標(biāo)簽，其中，無源標(biāo)簽又分為普通無源標(biāo)簽和儲(chǔ)能式無源標(biāo)簽（含儲(chǔ)能電容），半無源

標(biāo)簽為支持環(huán)境能量（如射頻能、太陽能）采集的標(biāo)簽。

如表4所示，以LoS信道模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，可得無源3.0預(yù)期關(guān)鍵性能指標(biāo)參考如下。

表4無源3.0系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)

基站標(biāo)簽類型標(biāo)簽接收靈敏度標(biāo)簽發(fā)射基站接收下行鏈上行鏈

無源EIRP功率靈敏度路預(yù)算路預(yù)算

3.046dBm普通無源-20dBm/-28dBm/-5-26dBm/-36-101dBm68dB/83dB/

系統(tǒng)/儲(chǔ)能式0dBmdBm/-11376dB/85dB/

無源/半/-34dBmdBm96dB98dB

無源標(biāo)簽/-124dBm

無源3.0系統(tǒng)中，標(biāo)簽的上下行鏈路預(yù)算較上述1.0、2.0系統(tǒng)有明顯提升，且對(duì)于半無

源標(biāo)簽，其上下行鏈路預(yù)算基本相等，解決了無源1.0及2.0系統(tǒng)中的“收發(fā)不對(duì)稱”問題。

2.3.1空口架構(gòu)

蜂窩式無源3.0系統(tǒng)有兩類主要的潛在空口架構(gòu)，一是蜂窩基站和標(biāo)簽直接通信，基站

同時(shí)支持下行信號(hào)激勵(lì)和上行數(shù)據(jù)接收，硬件部署成本低，適用于戶外大規(guī)模部署場(chǎng)景；二

是通過UE中繼或其他中繼來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)發(fā)送和/或反向散射信號(hào)接收，可滿足區(qū)域無源

標(biāo)簽定點(diǎn)激勵(lì)，數(shù)據(jù)匯總、再加密、統(tǒng)一上報(bào)等需求。

1.直連式空口架構(gòu)

蜂窩直連式無源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的特點(diǎn)為基站直接管理無源標(biāo)簽，借助基站在頻段、發(fā)射功

率、多天線、多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，蜂窩直連式無源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可顯著改善無源標(biāo)簽

下行通信存在瓶頸的問題，提升系統(tǒng)整體通信距離，使無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到更多室外場(chǎng)景。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，此類架構(gòu)可衍化出三種變形。

Case1：蜂窩直連式

蜂窩基站直接與無源標(biāo)簽進(jìn)行通信，向無源標(biāo)簽發(fā)送射頻載波信號(hào)和指令信號(hào)，其中，

射頻載波信號(hào)用于向無源標(biāo)簽提供能量及用于調(diào)制的載波，指令信號(hào)攜帶無源標(biāo)簽的控制信

15

息；無源標(biāo)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(gòu)涉及硬件設(shè)備

少，通信時(shí)延低，組網(wǎng)方案相對(duì)簡(jiǎn)單，但受限于標(biāo)簽接收靈敏度，下行鏈路預(yù)算小于上行鏈

路預(yù)算。適用于物流、畜牧、交通等空曠室外應(yīng)用場(chǎng)景。

圖7蜂窩直連式空口架構(gòu)

Case2：基站中繼式

引入中繼基站（如：由運(yùn)營(yíng)商建設(shè)、管理的微站、桿站等），對(duì)基站空口信令進(jìn)行中繼、

轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)行上報(bào)，如圖8所示。主站與中繼基站間可采用5GNR有線回傳，

中繼基站與標(biāo)簽間可沿用現(xiàn)有無源通信協(xié)議（如：ISO/IEC18000-6CRFID）。此類架構(gòu)中，

中繼基站一方面支持信息轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，另一方面，可兼容傳統(tǒng)無源標(biāo)簽，保證技

術(shù)平滑演進(jìn)。適用于已廣泛部署傳統(tǒng)RFID設(shè)備的環(huán)節(jié)，如，大型倉(cāng)儲(chǔ)、零售行業(yè)。

圖8基站中繼式空口架構(gòu)

16

Case3：輔助供能式

在直連式通信的基礎(chǔ)上，為解決下行覆蓋收縮的問題，引入供能節(jié)點(diǎn)。基站向標(biāo)簽發(fā)送

下行指令信號(hào)，接收標(biāo)簽上行反向散射信息，并通過空口信令統(tǒng)一調(diào)度分布式供能節(jié)點(diǎn)，實(shí)

現(xiàn)標(biāo)簽近距離供能，如圖9所示。此類架構(gòu)中，供能節(jié)點(diǎn)功能單一，因此，可復(fù)用已有網(wǎng)絡(luò)

設(shè)備（如：網(wǎng)關(guān)、CPE）的傳統(tǒng)無線通信信號(hào)，無需額外升級(jí)；同時(shí)，也可以結(jié)合標(biāo)簽側(cè)能

力，采集轉(zhuǎn)化環(huán)境能量源（如太陽能、動(dòng)能、熱能等）。此類架構(gòu)適用于家居、零售等已存

在可復(fù)用供能節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，以及倉(cāng)儲(chǔ)、工廠、電力電纜監(jiān)測(cè)等對(duì)多徑干擾強(qiáng)，需提升發(fā)射功

率以彌補(bǔ)穿透損耗的場(chǎng)景。

圖9輔助供能式空口架構(gòu)

2.中繼空口架構(gòu)

中繼式無源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的特點(diǎn)為基站與標(biāo)簽間存在UE設(shè)備，基站僅對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行弱管理。

UE設(shè)備（如：手機(jī)、AP）可實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽定點(diǎn)、近距離激勵(lì)，同時(shí)，對(duì)標(biāo)簽上行信息進(jìn)行統(tǒng)一

匯總上報(bào)，減少帶寬資源占用，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加密，保障遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)安全。但

受限于中繼式收發(fā)的工作模式，此類架構(gòu)中，基站與UE通信往往存在1毫秒/10毫秒級(jí)固

有時(shí)延。相應(yīng)地，中繼式架構(gòu)也可以衍化出多種變形，其中，以下四種架構(gòu)變形較為實(shí)用。

Case4：UE中繼式

UE作為中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)來自蜂窩基站的空口信令或來自標(biāo)簽的反向散射信號(hào)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)

發(fā)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令至UE，UE發(fā)送射頻載波信號(hào)與指令信號(hào)啟動(dòng)和標(biāo)簽之間的通信，

如圖10所示。此類架構(gòu)中，與Case2相似，UE近距離激勵(lì)可改善下行傳輸距離，保障網(wǎng)絡(luò)

17

z連續(xù)覆蓋；同時(shí)，由于UE的覆蓋范圍遠(yuǎn)小于基站，因此，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)激勵(lì)（如：僅激勵(lì)

某車間特定流水線上的無源標(biāo)簽）；另外，UE可具備協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，兼容性好。但與Case

2不同的是，此類UE設(shè)備多由終端廠商生產(chǎn)、管理。因此，多適用于家居、醫(yī)療等存在可

復(fù)用UE的室內(nèi)場(chǎng)景，以及工廠、零售等需定點(diǎn)激勵(lì)的場(chǎng)景。

圖10UE中繼式空口架構(gòu)

Case5：中繼分離式接收

基站向標(biāo)簽發(fā)送射頻載波信號(hào)、下行指令信號(hào)，標(biāo)簽上行反向散射信息由UE接收、回

傳，如圖11所示。與Case4相比，此類架構(gòu)中，降低了對(duì)于UE消除信號(hào)自干擾能力的要

求，因此成本也相對(duì)較低，但由于基站側(cè)上下行交互信息不對(duì)等，蜂窩網(wǎng)絡(luò)難以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行

認(rèn)證、鑒權(quán)、移動(dòng)性等管理。因此，此類架構(gòu)僅適用于廣告推送、博物館展品講解等盲激勵(lì)

需求場(chǎng)景。

圖11中繼分離式接收空口架構(gòu)

Case6：中繼分離式供能

基站向標(biāo)簽發(fā)送指令信號(hào)并接收標(biāo)簽上行信息，UE接受基站統(tǒng)一調(diào)度，發(fā)送射頻載波

18

信號(hào)以完成標(biāo)簽激活，如圖12所示。此類架構(gòu)對(duì)UE接收及轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)能力要求低，可復(fù)用

已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備充當(dāng)UE，但需協(xié)調(diào)射頻載波信號(hào)與指令信號(hào)到達(dá)標(biāo)簽處的順序，適用場(chǎng)景與

Case4相似。

圖12中繼分離式供能空口架構(gòu)

Case7：中繼分離式激勵(lì)

如圖13所示，中繼分離式激勵(lì)架構(gòu)與Case6架構(gòu)相似，區(qū)別僅在于此類架構(gòu)中，射頻

激勵(lì)信號(hào)與指令信號(hào)由UE統(tǒng)一發(fā)送，因此，雖對(duì)UE能力要求更高，但射頻激勵(lì)信號(hào)與指

令信號(hào)到達(dá)更易協(xié)調(diào)。

圖13中繼分離式激勵(lì)空口架構(gòu)

19

2.3.2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到無源物聯(lián)網(wǎng)相較于傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)信息以標(biāo)識(shí)信息與小數(shù)據(jù)量傳感

信息為主；且無源通信交互邏輯較簡(jiǎn)單，控制調(diào)度信令遠(yuǎn)沒有蜂窩系統(tǒng)復(fù)雜，因此，其網(wǎng)絡(luò)

架構(gòu)設(shè)計(jì)也將在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上作出進(jìn)行簡(jiǎn)化，以實(shí)現(xiàn)更加輕量化、便捷化的端到端架構(gòu)。

蜂窩無源物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)有兩種潛在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別滿足不同應(yīng)用需求。一是完整版架構(gòu)，

即，基于核心網(wǎng)網(wǎng)元，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行認(rèn)證、鑒權(quán)、移動(dòng)性管理；二是簡(jiǎn)化版架構(gòu)，即，將核心

網(wǎng)部分能力下沉至代理節(jié)點(diǎn)，以完成本地化的標(biāo)簽識(shí)別等基本流程。

完整版網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)繼承了部分核心網(wǎng)網(wǎng)元，如圖14所示。用戶指令由無源物聯(lián)服務(wù)器發(fā)

起，經(jīng)過核心網(wǎng)后下發(fā)至基站，由基站執(zhí)行盤存操作和接入控制操作，并將獲取到的盤存信

息、標(biāo)簽數(shù)據(jù)等交由核心網(wǎng)后，通過數(shù)據(jù)開放網(wǎng)元完成向用戶平臺(tái)的上報(bào)。

此類網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可基于核心網(wǎng)網(wǎng)元（如：AMF、UDM、SMF等）完成對(duì)于標(biāo)簽的移動(dòng)性

管理，可以實(shí)現(xiàn)無源標(biāo)簽的全流程追蹤，應(yīng)用于如交通、物流、畜牧等場(chǎng)景中。同時(shí)，核心

網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)、加密、管控、策略控制等操作，標(biāo)簽的盤尋、讀寫等功能可

由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器或核心網(wǎng)提供。此類架構(gòu)涉及核心網(wǎng)，功能完整，可實(shí)現(xiàn)“全程全網(wǎng)”。由

于無源物聯(lián)場(chǎng)景的交互場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單，后續(xù)可以進(jìn)一步考慮對(duì)現(xiàn)有的NAS層協(xié)議的優(yōu)化，

以精簡(jiǎn)標(biāo)簽和核心網(wǎng)交互流程。

圖14完整版蜂窩無源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

簡(jiǎn)化版網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是考慮到無源應(yīng)用的輕量化需求后，將核心網(wǎng)的路由功能下沉至邊緣代

理節(jié)點(diǎn)，并通過代理節(jié)點(diǎn)和用戶應(yīng)用服務(wù)器的交互，獲取用戶指令，以此調(diào)度基站完成盤存

操作和接入控制操作，并將基站上報(bào)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖15

所示，其中的代理節(jié)點(diǎn)也可以為下沉的小型化核心網(wǎng)，以滿足用戶對(duì)包含無源物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的

多種制式的蜂窩通信接入需求。在此環(huán)節(jié)中，由于代理節(jié)點(diǎn)和基站綁定，屬于本地化部署，

20

因此，適用于倉(cāng)儲(chǔ)、家居、工廠等本地化應(yīng)用。代理節(jié)點(diǎn)除具備路由功能外，也需要支持中

間件的功能，實(shí)現(xiàn)基站的調(diào)度控制以及數(shù)據(jù)的初步處理。該架構(gòu)下，標(biāo)簽的認(rèn)證、授權(quán)，以

及移動(dòng)性管理等均由用戶平臺(tái)側(cè)完成，由于本地化通信，標(biāo)簽僅需支持RRC--MAC--PHY

三層協(xié)議，功能較簡(jiǎn)單，功耗也相對(duì)較低，但計(jì)費(fèi)、加密、管控、策略控制等操作實(shí)現(xiàn)難度

較高，具體方案仍需進(jìn)一步研究。

圖15簡(jiǎn)化版蜂窩無源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

21

03無源物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

無源物聯(lián)網(wǎng)具有低成本、零功耗、易部署等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、智能家居等

各種復(fù)雜場(chǎng)景下，支持泛在數(shù)據(jù)感知，并以極低功耗的通信方式完成感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。

同時(shí)，新型無源標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)與傳感信息是未來產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)，可為物品全生命周期管理

提供服務(wù)，提升數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)的能力，打造端到端的通信網(wǎng)絡(luò)，助力實(shí)現(xiàn)具備“感、

通、算”能力的新型通信系統(tǒng)。

無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖16所示，可分為“感知”、“通信”、“數(shù)據(jù)與智能”

以及“多場(chǎng)景應(yīng)用”四個(gè)層級(jí)。具體地，感知層主要包含了新型無源標(biāo)簽、讀寫設(shè)備以及信

號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備；通信層以5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)與反向散射通信為基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)議融合與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)

極低功耗的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)與智能層依靠各類數(shù)據(jù)挖掘、分析方法，充分提取前端采集數(shù)據(jù)

的價(jià)值，基于高精度無源定位、標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)，提供全生命周期管理、用戶行為分析等服務(wù)。最

終，賦能物流、倉(cāng)儲(chǔ)、制造、電力、交通、醫(yī)療、畜牧、家居等各類垂直行業(yè)。

圖16無源物聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)端到端架構(gòu)全景圖

盡管無源物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用不斷拓展，技術(shù)演進(jìn)路線清晰，但為了更好的服務(wù)應(yīng)用，在

22

上述“感知”、“通信”及“數(shù)據(jù)與智能”三個(gè)層級(jí)中，依然存在眾多技術(shù)難點(diǎn)值得研究。

3.1感知技術(shù)

無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)依靠無源標(biāo)簽及讀寫設(shè)備完成端側(cè)感知，感知層關(guān)鍵技術(shù)包括新型無源

標(biāo)簽芯片、天線、環(huán)境能量采集和感知能力集成技術(shù)的研究；以及新型讀寫設(shè)備抗干擾、防

碰撞和組網(wǎng)技術(shù)的研究。

3.1.1新型無源標(biāo)簽

無源標(biāo)簽主要由核心芯片和外圍天線組成，是一個(gè)高度集成的智能微系統(tǒng)，無源標(biāo)簽的

性能對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)至關(guān)重要，新型無源標(biāo)簽旨在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式多樣”等優(yōu)點(diǎn)的面向全

場(chǎng)景的新型無源標(biāo)簽。為了滿足不同的應(yīng)用需求，新型無源標(biāo)簽形態(tài)多樣，有條形、環(huán)型、

卡片型、扎帶型、紐扣型和防水型等，需要對(duì)天線材料、型號(hào)及封裝工藝進(jìn)行研究，如圖

17所示。

圖17各種形式的無源標(biāo)簽

另外，與傳統(tǒng)無源RFID標(biāo)簽相比，新型無源標(biāo)簽可支持的能力有較大升級(jí)，具備數(shù)據(jù)

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感知與通信一體化的能力，并需具備與蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的能力，因此，需考慮系統(tǒng)級(jí)方案，包

括新型芯片及天線技術(shù)、電路集成技術(shù)、新標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)、新協(xié)議適配等研究方向。另外，無源

標(biāo)簽的性能提升主要受限于能量的供給，需要研究環(huán)境能量采集技術(shù)，以在標(biāo)簽?zāi)芰坎杉?/p>

存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化效率方面實(shí)現(xiàn)突破，確保低功耗場(chǎng)景下的高效通信。

3.1.1.1芯片技術(shù)

無源標(biāo)簽芯片架構(gòu)包括模擬射頻前端、數(shù)字控制部分以及存儲(chǔ)器。其中，模擬射頻前端

主要實(shí)現(xiàn)電源產(chǎn)生、調(diào)制/解調(diào)、時(shí)鐘產(chǎn)生、上電復(fù)位等功能。數(shù)字控制部分決定標(biāo)簽內(nèi)部

數(shù)據(jù)流向，能夠按照接收到的指令，對(duì)標(biāo)簽狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)并返回所需要的內(nèi)容，具有

命令解析、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀寫等功能。存儲(chǔ)器部分使用可擦可編程讀寫器，負(fù)責(zé)存

儲(chǔ)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)及感知數(shù)據(jù)。由于無源標(biāo)簽的主要能耗來源于芯片，為滿足新型無源標(biāo)簽低

功耗與低成本的要求，需對(duì)芯片前端射頻功能模塊、模擬與數(shù)字電路、門級(jí)網(wǎng)表等核心模塊

進(jìn)行低復(fù)雜度、低功耗的設(shè)計(jì)與布局。其中，低功耗模擬電路設(shè)計(jì)，整流效率提升等關(guān)鍵技

術(shù)，將大大提升標(biāo)簽接收靈敏度，有助于下行激勵(lì)距離的進(jìn)一步拉遠(yuǎn)。

3.1.1.2天線技術(shù)

天線是決定無源標(biāo)簽性能的重要單元，天線設(shè)計(jì)與制造技術(shù)包含天線極化選型、方向性

研究、阻抗匹配技術(shù)以及小型化設(shè)計(jì)等。對(duì)于天線極化方式的研究，常見的標(biāo)簽天線（如：

偶極子天線）為線極化天線，但同樣可以考慮應(yīng)用圓極化天線，以解決標(biāo)簽方向性不可知的

問題。對(duì)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(shí)可帶來

天線增益、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(dāng)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(shè)計(jì)技術(shù)外，由于天線的尺寸決定了

封裝后標(biāo)簽的大小，因此，可以采用曲流技術(shù)、加載技術(shù)、分形技術(shù)等實(shí)現(xiàn)天線小型化，以

減小標(biāo)簽整體體積，滿足不同場(chǎng)景下的標(biāo)簽體積要求。

3.1.1.3環(huán)境能量采集技術(shù)

環(huán)境能量采集技術(shù)能夠采集環(huán)境能量以驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽電路，提升標(biāo)簽靈敏度，增強(qiáng)下行距離，

24

為標(biāo)簽側(cè)增加低功耗放大器等模塊創(chuàng)造可能性，能夠極大降低遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸所需的鏈路預(yù)

算，同時(shí)，為標(biāo)簽數(shù)據(jù)感知能力的升級(jí)提供保障。

環(huán)境能量采集技術(shù)的核心在于，需要針對(duì)不同行業(yè)內(nèi)的場(chǎng)景需求，設(shè)計(jì)出多樣的供能方

案，以確保在各種環(huán)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(dòng)能

等環(huán)境能量采集。

各類能量采集技術(shù)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(hào)

轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因此，目前業(yè)界的研究方向主要集中在提高能量轉(zhuǎn)化效率及場(chǎng)景匹配度。其

中，由于環(huán)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(yè)界廣泛關(guān)注和深入研究，其優(yōu)點(diǎn)在于用于射頻能量轉(zhuǎn)換的器件簡(jiǎn)單易得；即，所需器件

僅為普通導(dǎo)體或半導(dǎo)體器件，無需要其它形式的非標(biāo)準(zhǔn)材料及器件，如光伏電池、熱電結(jié)和

機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)等，即可完成能量轉(zhuǎn)換。除此之外，環(huán)境射頻能量分布廣泛，易于獲取?；谏?/p>

頻能的能量采集技術(shù)的主要研究方向有多天線技術(shù)射頻能量采集、多頻段寬帶射頻能量采集、

環(huán)境能量存儲(chǔ)技術(shù)等。

多天線射頻能量采集

多天線射頻能量技術(shù)能夠深度挖掘空間維度資源，提供陣列增益、復(fù)用增益和分集增益，

并具有較強(qiáng)的干擾抑制功能，已成為5G及下一代無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。將多天線技術(shù)

應(yīng)用于無源標(biāo)簽中，能夠?qū)崿F(xiàn)同步的能量采集與數(shù)據(jù)傳輸，將顯著的增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度和分

集增益，進(jìn)而改善系統(tǒng)的通信距離，降低誤碼率[14]。

多頻段寬帶射頻能量采集

環(huán)境射頻信號(hào)具有時(shí)域高度動(dòng)態(tài)變化、空域覆蓋不規(guī)則和頻域帶寬不均衡等特點(diǎn)，因此，

存在某一時(shí)間和地點(diǎn)，單頻收集器無法有效地收集能量的情況?；诙囝l段的能量采集可以

劃分和使用任意頻段和帶寬進(jìn)行有效的能量采集，并且允許無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用超寬頻域范

圍內(nèi)的信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，能夠有效拓寬環(huán)境反向散射通信的應(yīng)用范圍。

光伏能量采集

光伏能量采集是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，

是能量采集效率最高，也是目前最成熟的能量采集技術(shù)。室外光源穩(wěn)定情況下，晶硅太陽能

電池組件的光電轉(zhuǎn)換率約可達(dá)到20%，功率密度一般為10~20左右，供給能量可

2

25mW/cm

以支撐中小型設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作，但缺點(diǎn)在于能量完全取決于光亮強(qiáng)度，在陰暗天氣或室內(nèi)時(shí)

難以有效采集能量，因而常應(yīng)用在室外環(huán)境。目前，業(yè)內(nèi)已有部分光伏無源標(biāo)簽產(chǎn)品，但多

采用光伏硅板，導(dǎo)致標(biāo)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(biāo)簽有望成為未來趨勢(shì)。

振動(dòng)能量采集

振動(dòng)能廣泛存在各種生產(chǎn)環(huán)境中，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、汽車行駛、橋梁等場(chǎng)景中，蘊(yùn)藏著巨大的

振動(dòng)能量，在高頻振動(dòng)下可達(dá)1~8mW級(jí)別，因此，相比于光伏也更適用于室內(nèi)生產(chǎn)及移動(dòng)

場(chǎng)景。振動(dòng)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(dòng)發(fā)電技術(shù)具備輸出電壓高、成本低、重量輕、材料選擇性

廣等優(yōu)點(diǎn)，是目前業(yè)界研究的主流趨勢(shì)，也是在工業(yè)場(chǎng)景下無源標(biāo)簽的首選供能源。但振動(dòng)

發(fā)電技術(shù)本身也有一定局限性，其頻帶有限，需要針對(duì)應(yīng)用設(shè)備的振動(dòng)頻率進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，

以將電路諧振頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率進(jìn)行匹配。

熱電能量采集

熱電能收集主要源于環(huán)境中常見的溫度梯度（溫差），其工作原理基于席貝克（Seebeck）

效應(yīng)，依據(jù)兩個(gè)不同導(dǎo)體接合處的溫度差產(chǎn)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(huán)境的溫差很難有效利用，因此，利用溫差發(fā)電的無源標(biāo)簽可能更適

用于工業(yè)環(huán)境中具備高溫的內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、各類泵站上，有效利用廢熱進(jìn)行供能，提供通

信與感知能力。

環(huán)境能量存儲(chǔ)

環(huán)境能量存儲(chǔ)技術(shù)能夠利用環(huán)境中間斷的能源作為激勵(lì)信號(hào)，以能量存儲(chǔ)模塊對(duì)激勵(lì)能

量進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化，并使用存儲(chǔ)的能量驅(qū)動(dòng)自身電路，降低無源標(biāo)簽激活門限，完成輔助式反

向散射通信，甚至任意時(shí)刻的數(shù)據(jù)讀取與回傳[15]。

3.1.1.4感知能力集成技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，傳感器作為數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)設(shè)施，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要入口，將

無源標(biāo)簽與溫濕度、加速度、氣體、壓力及生物等多種感知能力進(jìn)行集成，以環(huán)境能量使能

無源標(biāo)簽，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與低功耗傳輸，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽“感、通”一體。將有效解

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決傳統(tǒng)傳感器的部署及應(yīng)用受限的問題，有望成為未來大范圍感知網(wǎng)絡(luò)的主要形態(tài)。

感知與無源技術(shù)的結(jié)合可以分為多種形式，一種是將完整的傳感器芯片直接內(nèi)嵌至射頻

芯片，二者進(jìn)行SIP或SOC級(jí)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(biāo)簽芯片中增加自動(dòng)調(diào)諧電路，對(duì)隨環(huán)境變化的天線阻抗進(jìn)行自

動(dòng)調(diào)諧修正，這個(gè)修正值也可用于計(jì)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(jī)理相關(guān)，還依賴于能量采集天線設(shè)計(jì)、環(huán)

境能量采集技術(shù)、能量轉(zhuǎn)化與管理電路設(shè)計(jì)、多傳感器集成技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的融合。二者的

融合可極大的拓展無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，賦能無源標(biāo)簽采集高溫、極寒、易泄露等特

殊環(huán)境中的數(shù)據(jù)，滿足無源物聯(lián)系統(tǒng)場(chǎng)景感知的需求。

3.1.2新型讀寫設(shè)備

讀寫設(shè)備是無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集終端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽信息的讀取與寫入

操作，讀寫設(shè)備與標(biāo)簽一起，構(gòu)成無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)前端無源感知的基礎(chǔ)。讀寫設(shè)備的特點(diǎn)為

場(chǎng)景定制化程度高、注重用戶實(shí)際需求，因此，面向不同應(yīng)用場(chǎng)景，讀寫設(shè)備的形態(tài)多樣，

包括但不限于移動(dòng)式讀寫設(shè)備、固定式讀寫設(shè)備、通道式讀寫設(shè)備、以及未來集成了標(biāo)簽讀

寫功能的微站、桿站等蜂窩空口設(shè)備。

目前一體式的讀寫設(shè)備受限于無源標(biāo)簽跳頻能力，多工作于同一頻段，且同時(shí)進(jìn)行上下

行信號(hào)收發(fā)，容易出現(xiàn)信號(hào)自干擾及異系統(tǒng)互干擾問題；另外，當(dāng)對(duì)大批量標(biāo)簽進(jìn)行讀取時(shí)，

由于標(biāo)簽接入時(shí)隙碰撞帶來的系統(tǒng)吞吐率降低將會(huì)極大影響系統(tǒng)工作效率。因此，需要對(duì)讀

寫設(shè)備的抗干擾技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)以及防碰撞技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1.2.1抗干擾技術(shù)

信號(hào)自干擾問題嚴(yán)重制約了讀寫設(shè)備接收靈敏度的提升。標(biāo)簽反向散射的工作方式?jīng)Q定

了讀寫設(shè)備必須在接收信號(hào)的同時(shí)，持續(xù)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行供能；且由于現(xiàn)階段標(biāo)簽不具備頻移能

力或頻移能力有限，讀寫設(shè)備發(fā)射頻譜與接收頻譜處于同一位置。因此，低成本讀寫設(shè)備的

自干擾消除機(jī)制不同于一般的無線通信系統(tǒng)，需要對(duì)其進(jìn)行專門研究。

目前，主要的研究方向有以下四個(gè)。首先，對(duì)于一體式系統(tǒng)，可以對(duì)讀寫設(shè)備本身自干

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擾信號(hào)對(duì)消算法、載波相消電路等技術(shù)進(jìn)行深入研究與優(yōu)化。第二，可以采用物理隔離方式，

將讀寫設(shè)備收、發(fā)模塊拆分，形成分離式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)讀寫距離的突破。另外，分離式反向散

射系統(tǒng)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(shè)計(jì)具有差分特性的反向散射基帶信號(hào)，并聯(lián)合載波信號(hào)的時(shí)頻域結(jié)構(gòu)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，借助現(xiàn)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(shè)備抗干擾能力。

3.1.2.2防碰撞技術(shù)

無源物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量的上升使得多標(biāo)簽碰撞問題凸顯，鑒于多個(gè)無源標(biāo)簽工作在同一頻

率，當(dāng)它們處于同一個(gè)讀寫設(shè)備作用范圍內(nèi)時(shí)，若選擇統(tǒng)一時(shí)隙接入，則標(biāo)簽信號(hào)將在讀寫

設(shè)備端產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致信息讀取失敗。

考慮到無源標(biāo)簽對(duì)功耗限制的嚴(yán)苛性，可以研究以讀寫設(shè)備控制的防碰撞技術(shù)，又因?yàn)?/p>

標(biāo)簽時(shí)鐘偏差普遍較大，同步精度難以滿足比特碰撞檢測(cè)要求，因此，可以基于時(shí)隙Aloha

的思想，研究隨機(jī)時(shí)隙類接入與二進(jìn)制搜索樹類接入方法相疊加的新型防碰撞技術(shù)，以降低

標(biāo)簽碰撞率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上千枚標(biāo)簽的讀取，滿足大規(guī)模盤存的需求。

3.1.2.3組網(wǎng)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連續(xù)組網(wǎng)與廣域覆蓋，需要對(duì)讀寫設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)部署。

面向無源2.0系統(tǒng)，針對(duì)“單接收器與多激勵(lì)器”，或“多接收器與多激勵(lì)器”協(xié)同調(diào)

度控制需求，為解決多設(shè)備同時(shí)工作時(shí)的系統(tǒng)間干擾問題，需要研究的關(guān)鍵技術(shù)為抗干擾檢

波技術(shù)與基于功率競(jìng)爭(zhēng)的信號(hào)算法等。同時(shí)，由于各系統(tǒng)覆蓋多存在重疊區(qū)域，為解決各系

統(tǒng)間通信的競(jìng)爭(zhēng)問題，需要研究干擾協(xié)調(diào)機(jī)制、信道資源調(diào)度方法與數(shù)據(jù)融合分析算法。

面向無源3.0系統(tǒng)，針對(duì)“蜂窩基站與蜂窩基站”“蜂窩基站與中繼設(shè)備”組網(wǎng)需求，

可參考蜂窩網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，研究多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化算法、組網(wǎng)控制協(xié)議、信道質(zhì)量測(cè)量方法、

干擾協(xié)調(diào)機(jī)制等，以降低系統(tǒng)間干擾，完成區(qū)域無死角激勵(lì)，提升多設(shè)備協(xié)同工作時(shí)的系統(tǒng)

效率。

28

3.2通信技術(shù)

通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴通信系統(tǒng)的優(yōu)化與簡(jiǎn)化，包括高效調(diào)制、編碼方式，合適的多址接

入方式，低功耗通信安全保障機(jī)制以及簡(jiǎn)化的通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)。

3.2.1調(diào)制、編碼方式

傳統(tǒng)無源RFID標(biāo)簽承載的數(shù)據(jù)量較小，多采用負(fù)載調(diào)制，通過調(diào)整標(biāo)簽天線接口的阻

抗，進(jìn)而改變天線接口的反射系數(shù)，實(shí)現(xiàn)ASK、FSK等低階調(diào)制方式；并采用PIE碼、米

勒碼等簡(jiǎn)單編碼方式。這種極低復(fù)雜度的調(diào)制和編碼方式，一方面使得標(biāo)簽僅需支持簡(jiǎn)單的

信道估計(jì)和均衡運(yùn)算便可實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，很大程度地簡(jiǎn)化了電路，降低了計(jì)算功耗；但另一

方面，也造成了無源系統(tǒng)吞吐率低的問題，限制了無源標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。為了提高標(biāo)簽的信

息傳輸速率，可以考慮對(duì)無源標(biāo)簽電路進(jìn)行升級(jí)，以在能量受限的前提下，支持例如BPSK、

QPSK、Polar、TBCC等更高效的調(diào)制及編碼方式。

3.2.2多址接入技術(shù)

隨著無源系統(tǒng)架構(gòu)的革新、無源標(biāo)簽接收靈敏度的提升，無源通信距離進(jìn)一步擴(kuò)大，在

網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，多標(biāo)簽同時(shí)被激活的概率增大，因此，高效的多標(biāo)簽協(xié)調(diào)多址接入機(jī)制在

無源物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中顯得尤為重要。目前主流的無源多址接入技術(shù)以TDMA為主，即，

系統(tǒng)在時(shí)域上劃分多個(gè)時(shí)隙，不同終端基于不同時(shí)間延遲，在不同的時(shí)隙上進(jìn)行通信。該類

算法簡(jiǎn)易可行，應(yīng)用成熟，但由于其需要確定一定的時(shí)間延遲并基于該時(shí)間延遲進(jìn)行通信，

因此，對(duì)信號(hào)的時(shí)間同步性要求較高，在面對(duì)海量連接場(chǎng)景時(shí)，因信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸而造成的

高時(shí)延問題將在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備處暴露出來。

近年來興起的非正交多址接入（NOMA）技術(shù)具有信號(hào)同步到達(dá)要求低的特性[16-17]，使

系統(tǒng)免除反向散射信號(hào)傳輸前的調(diào)度信令，對(duì)于無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上行鏈路，基于時(shí)域擴(kuò)展的

NOMA方式可以實(shí)現(xiàn)覆蓋、效率、容量等多方面提升，有望為無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供自治的、

低復(fù)雜度的高效接入方式。

29

3.2.3通信安全技術(shù)

由于無源標(biāo)簽的能量受限性與電路結(jié)構(gòu)的低復(fù)雜性，無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)無法支持無線網(wǎng)絡(luò)

中主流的密鑰生成算法和機(jī)制。因此，有必要對(duì)無源物聯(lián)網(wǎng)的信道特征進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出適

用于低功耗設(shè)備的加密算法及安全保障機(jī)制，以防止標(biāo)簽欺騙，保護(hù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)隱私，提升系

統(tǒng)的通信安全。

無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信安全領(lǐng)域潛在的研究方向有：最小功耗動(dòng)態(tài)生成密鑰技術(shù)、基于信

道特征的物理層加密機(jī)制等[18-19]。此外，面向蜂窩式無源3.0系統(tǒng)，也可以研究蜂窩基站與

無源標(biāo)簽的雙向認(rèn)證鑒權(quán)機(jī)制，在保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)安全的同時(shí)，既避免偽基站對(duì)無源標(biāo)簽數(shù)據(jù)

的讀取和篡改，又能拒絕偽造標(biāo)簽接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)對(duì)標(biāo)簽安全問題進(jìn)行研究時(shí)，在確保通信安全的基礎(chǔ)上，還需考慮標(biāo)簽數(shù)據(jù)的安全，

研究感知層安全加密芯片、低功耗應(yīng)用層加密算法等技術(shù)，以提升無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)端到端安

全性能。

3.2.4簡(jiǎn)化協(xié)議棧設(shè)計(jì)

由于新型無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽僅支持極低的設(shè)備復(fù)雜度以及極低的電路功耗，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)

的多層協(xié)議棧架構(gòu)以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法滿足無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求。因此，需要設(shè)計(jì)

扁平化的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，以支持極簡(jiǎn)的信令控制以及數(shù)據(jù)傳輸。

在空口協(xié)議棧方面，針對(duì)無源標(biāo)簽，可以采用PHY—MAC—RRC三層或PHY-MAC兩

層極簡(jiǎn)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與基站的交互，基站將來自無源標(biāo)簽的上行數(shù)據(jù)通過裁剪后的協(xié)議

棧傳輸，經(jīng)核心網(wǎng)或代理節(jié)點(diǎn)上報(bào)給用戶應(yīng)用平臺(tái)，完成標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取；對(duì)于有較高通信

能力的標(biāo)簽，如基于環(huán)境能量采集的半無源標(biāo)簽，可以采用完整版網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，考慮在三層或

兩層協(xié)議棧的基礎(chǔ)上增加特定類型的NAS層協(xié)議，如UL/DLNASTransport，借助核心網(wǎng)能

力實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽功能及數(shù)據(jù)的管理。

在信令設(shè)計(jì)方面，可參照RFID系統(tǒng)中包括Select、Query、QueryRep等在內(nèi)的12條必

選指令，設(shè)計(jì)相應(yīng)的簡(jiǎn)化RRC及MAC層信令，保障從傳統(tǒng)RFID協(xié)議向新型無源物聯(lián)網(wǎng)

協(xié)議的平滑過渡。

30

3.2.5核心網(wǎng)技術(shù)

蜂窩無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完整版的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)離不開核心網(wǎng)的支持。基于核心網(wǎng)的無源物聯(lián)網(wǎng)

技術(shù)可從業(yè)務(wù)需求和降本增效兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)功能：首先，核心網(wǎng)具備路由匯聚、認(rèn)證授權(quán)、

計(jì)費(fèi)、加密、管控、策略控制等能力，可有效滿足垂直行業(yè)用戶的多樣化業(yè)務(wù)需求；另外，

隨著后續(xù)無源物聯(lián)業(yè)務(wù)的廣泛開展，通過復(fù)用現(xiàn)有核心網(wǎng)并進(jìn)行相關(guān)功能改造，可在未來有

效平攤成本，形成規(guī)模效應(yīng)，有效降低單客戶成本下降。

新型無源標(biāo)簽數(shù)量巨大且數(shù)據(jù)傳輸速率極低，如果按照現(xiàn)有機(jī)制每個(gè)標(biāo)簽占用一個(gè)會(huì)話，

將會(huì)導(dǎo)致大量的會(huì)話資源浪費(fèi)，降低網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。在進(jìn)行新型無源標(biāo)簽的會(huì)話管理設(shè)

計(jì)時(shí)，可基于UDM簽約、PCF策略下發(fā)等方式實(shí)現(xiàn)群組、DNN、切片等粒度的多標(biāo)簽會(huì)話

共用技術(shù)，不僅可通過GTP-U隧道的共用實(shí)現(xiàn)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(dòng)性管理等流程實(shí)現(xiàn)控制面網(wǎng)元之間的資源共用，有效提升核心網(wǎng)的用戶

面資源利用率。

3.3數(shù)據(jù)與智能技術(shù)

3.3.1定位技術(shù)

標(biāo)簽定位技術(shù)可細(xì)分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位技術(shù)。相對(duì)定位技術(shù)可主要應(yīng)用于一些典型

小范圍室內(nèi)場(chǎng)景如：物品查找等；絕對(duì)定位技術(shù)主要應(yīng)用于一些較廣域的移動(dòng)性場(chǎng)景如：人

員定位、貨物追蹤等。現(xiàn)階段無源定位的實(shí)現(xiàn)方法多為基于RSSI或基于參考地標(biāo)的粗略定

位方法。隨著無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，人們對(duì)無源標(biāo)簽單品級(jí)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(dá)方向定位等是提升

無源定位精度的有效技術(shù)，同時(shí)，也可以考慮在應(yīng)用平臺(tái)側(cè)應(yīng)用MUSIC算法等空間譜估計(jì)

技術(shù)，以準(zhǔn)確預(yù)估出信號(hào)到達(dá)角度。

另外，面向無源3.0系統(tǒng)，可以考慮將無源定位技術(shù)與5G定位技術(shù)相結(jié)合，基站通過

計(jì)算標(biāo)簽和基站的無線信號(hào)多徑，預(yù)估出標(biāo)簽的位置，并經(jīng)多個(gè)站點(diǎn)聯(lián)合定位以提升預(yù)估位

置精度，實(shí)現(xiàn)更低成本定位方案。

31

3.3.2標(biāo)識(shí)技術(shù)

標(biāo)識(shí)是物品在數(shù)字化世界的通行證，對(duì)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級(jí)有重要意義。新型無源物聯(lián)標(biāo)識(shí)

可應(yīng)用于數(shù)字孿生、元宇宙領(lǐng)域，協(xié)助虛擬空間中真實(shí)物理世界的精準(zhǔn)數(shù)字化映射，結(jié)合仿

真分析、人工智能等形成高價(jià)值應(yīng)用，支撐網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化、智能化演進(jìn)。然而，由于傳統(tǒng)無源

RFID標(biāo)簽基于EPC碼的標(biāo)識(shí)方式與蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)識(shí)有較大差異，且實(shí)際使用不規(guī)范，難

以直接應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，在向蜂窩無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)演進(jìn)的過程中存在障礙。因此，在無

源3.0新的通信架構(gòu)下，需要考慮新型標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的重新設(shè)計(jì)，構(gòu)建新的標(biāo)識(shí)體系。

新型標(biāo)識(shí)可以沿用EPC編碼來實(shí)現(xiàn)對(duì)于貨物信息描述，但同時(shí)也需要考慮蜂窩通信過

程中的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別碼，可參考手機(jī)終端的SIM管理方案及SUPI/SUCI的使用方式，由專門部

門對(duì)新型標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別碼進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)制定管理相關(guān)號(hào)碼的使用規(guī)則，同時(shí)由運(yùn)營(yíng)商與第

三方使用方協(xié)商共同發(fā)放相關(guān)碼號(hào)，用于后續(xù)的標(biāo)簽通信及管理。

3.3.3數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在全場(chǎng)景感知與低功耗通信能力的助力下，可以實(shí)現(xiàn)泛在的數(shù)據(jù)采集與

回傳，但最終為行業(yè)的賦能必然離不開智能化的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，最終向用戶提供定制化應(yīng)用

服務(wù)。無源標(biāo)簽所采集的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)條目多、單體數(shù)據(jù)量小的特點(diǎn)，對(duì)標(biāo)簽身份及感知數(shù)

據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，將有利于打通各產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)，真正做到生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、全流程監(jiān)管，

為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展構(gòu)筑堅(jiān)實(shí)的數(shù)字基座。

標(biāo)簽采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過集成、規(guī)約、清理等預(yù)處理流程后，可選用合適的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方

法、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等處理信息，挖掘出有用的數(shù)據(jù)，服務(wù)于物品全生命周期

管理和用戶行為分析。一方面，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可為用戶提供業(yè)務(wù)報(bào)表生成、關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)指標(biāo)實(shí)

時(shí)監(jiān)測(cè)等多樣化、定制化的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)物品在全生命周期流轉(zhuǎn)過程中的全鏈條數(shù)據(jù)貫通，極

大提升生產(chǎn)管理效率及精細(xì)化程度；另一方面，通過對(duì)標(biāo)簽環(huán)境信息及位置信息的挖掘，能

夠分析與判斷佩戴無源標(biāo)簽的用戶在各類智能空間內(nèi)的行為信息，跟蹤用戶手勢(shì)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

的變化，實(shí)現(xiàn)非侵入式健康監(jiān)測(cè)、智能交通輔助傳感等應(yīng)用。

32

04典型行業(yè)應(yīng)用

無源物聯(lián)網(wǎng)通信的顯著優(yōu)勢(shì)為免電池、免維護(hù)、低成本，借助無源感知、極低功耗通信

技術(shù)以及數(shù)據(jù)與智能各層級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)，新型無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽以極低的硬件復(fù)雜度，可支持

“感通”一體能力，結(jié)合全新的系統(tǒng)架構(gòu)，新型無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠滿足超低功耗、超低成

本、極小體積的應(yīng)用需求，拓展支持豐富的行業(yè)應(yīng)用，賦能如倉(cāng)儲(chǔ)、物流、制造、交通、醫(yī)

療、畜牧、家居等行業(yè)應(yīng)用。

4.1物流

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)加快推廣應(yīng)用，建設(shè)高效化的物流體

系已成為當(dāng)今物流行業(yè)發(fā)展的基本要求。智慧物流體系是我國(guó)物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型的必由之

路，以現(xiàn)代信息技術(shù)為標(biāo)志的智慧物流正步入快速發(fā)展階段。

如圖18所示，供應(yīng)鏈物流管理貫穿物流的全流程環(huán)節(jié)，通過對(duì)采購(gòu)過程中資金流、物

流和信息流的統(tǒng)一控制，可達(dá)到采購(gòu)過程總成本和總效率的最優(yōu)匹配。智慧物流還可以為供

應(yīng)商、生產(chǎn)商、消費(fèi)者提供運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、包裝、配送等全方位的信息服務(wù)，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

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。

33

圖18智慧物流全流程管理

物流應(yīng)用場(chǎng)景具有移動(dòng)范圍廣、數(shù)據(jù)讀取頻發(fā)、并發(fā)數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，一般要求室內(nèi)網(wǎng)

絡(luò)通信距離大于30米，室外網(wǎng)絡(luò)通信距離大于百米，且要求標(biāo)簽具備溫濕度傳感、壓力/

振動(dòng)傳感等感知能力。

作為自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的典型代表，新型無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備識(shí)別準(zhǔn)確度高、性能可靠、存

儲(chǔ)信息量大、耐油污水洗等特點(diǎn)，且新型無源標(biāo)簽體積小、免維護(hù)、成本低，適用于資產(chǎn)的

全流程管理、產(chǎn)品的全生命周期管理以及物流的精細(xì)化管理。同時(shí)，新型無源標(biāo)簽易與傳感

器結(jié)合，通過附帶溫濕度、加速度等環(huán)境傳感器的無源標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)冷鮮物品的全程狀態(tài)監(jiān)

測(cè)與高價(jià)值物品的全程溯源，保證物品的安全以及運(yùn)輸過程中的質(zhì)量，顯著提升物流運(yùn)輸與

管理效率，助力智慧物流的實(shí)現(xiàn)。