2024年5G无源物联网系统白皮书.pdf

中国联通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 月中国联通 5G 无源物联网系统白皮书目录目录一、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.51.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.52.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.331.基础技术演进路线.342.系统产品及形态演进路线.38（二）市场展望.42附录.43中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-4-缩略语.43引用.44中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-1-参编单位与编写组成员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、向静波中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-2-一、前言一、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：中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-3-（一）打造长距离变频无源物联网通讯终端（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（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。报告免费分享+V：R t h e 4 5中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-4-二、基于微波直驱变频技术的 5G 无源物联网系统二、基于微波直驱变频技术的 5G 无源物联网系统（一）总体架构（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 1 5G 无源传感物联网系统整体架构图中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-5-（二）关键技术（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（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 5G R18 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 5G R19 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 所中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-6-示。图 2 5G 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 1 5G 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 基站和中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-7-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、27.12 MHz、433 MHz、902 MHz 928 MHz、2.45 GHz 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 902 MHz928 MHz。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中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-8-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 3GPP R18 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 1020m 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。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-9-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b.第三方中继的方式中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-10-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。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-11-c驱动源与接受端分离的方式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，如上图左半报告免费分享+V：R t h e 4 5中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-12-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（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议栈进行针对性的重新设计。本文由于篇幅原因，重点围绕物理层设计和调整进行阐述。a.多址技术设计a.多址技术设计在传统 5G 系统中，主要采用 OFDMA 作为多址技术。OFDMA 在 4G时代的技术延续在众多主要场景中都已非常成熟。但面对海量无源物联网的连接，OFDMA 面临一些挑战，比如：无源标签由于成本限制，器件功能非常简单，对 OFDMA 的支撑能力受限，同时海量的连接数量也是重大的挑战。近年来兴起的非正交多址接入技术（NOMA）在海量无源物联网场景下展现出更好的适应性。首先，NOMA 技术对于信号同步到达的要求更低，这有助于降低终端的难度；其次，NOMA 可以更容易实现容量的扩展，非常适合海量物联网连接的场景，非常有望成为这一领域的标准多址技术。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-13-b.调制与编码方式b.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：下行 In-Band 方案：如何选取合适的载频作为 5G 无源物联网的驱动信道将成为关注的焦点，既需要考虑标签侧器件的产业情况，也需要考虑如何避免对现网既有 5G 用户的干扰。高效的编码方式：通过优化信道编码提升无源物联网系统的吞吐效率，从而在低功耗的大原则下，进一步提升标签的信息传输能力。（3）其他关键技术（3）其他关键技术5G 无源物联网系统的基站侧除了上述物理层优化外，还有一些关键技术需要产业界共同关注，如：系统的安全性、标签的定位能力、数据整合技术等。由于篇幅原因，本节仅探讨无源物联网系统空口安全和标签定位技术。a.空口安全性a.空口安全性传统 5G 系统具备较为完善的安全机制，通过对终端的鉴权确保非授权的终端无法接入到 5G 系统中。但在无源物联网场景下，由于无源标签低功耗、低成本的特性，终端标签结构非常简单，很难支持传统 5G 网络中加密机制和算法。这就导致无源物联网系统存在重大的安全挑战。因此，有必要针对无源物联网系统重新设计一套安全方案。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-14-目前，业内针对这一领域有很多标准层面的探讨和研究。认为可以从鉴权和加密两个维度来进行设计。首先充分利用 5G 核心网 SBA 架构的特点，通过 AF 网元与无源物联网管理平台进行通信，建立一套针对海量无源标签的管理和健全机制，如下图所示。图 7管理和健全机制逻辑图其中无源物联网管理平台可以向行业客户开放一定权限，行业用户可以结合自身实际应用场景设置相关鉴权策略，甚至实现在无源标签的二次鉴权。其次是信道加密技术，目前无源物联网系统信道安全潜在的技术方向有：最小功耗动态生成密钥技术、信道物理层特定加密机制等。最后在标签侧也需要考虑低功耗场景下的安全性，如低功耗安全加密芯片的使用等。b.无源标签定位技术b.无源标签定位技术在传统 RFID 时代，无源标签多基于 RSSI 或者其他参考信标的方式进行粗略定位。在 5G 无源物联网系统中，可以将 5G 定位技术与无中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-15-源标签相结合，实现更加精准的无缘标签定位技术。主要设计思路如图 8 所示。图 8 无源定位5G 基站发射驱动信号给无源标签，标签在返回上行数据时，增加相关参考信号设置。基站在接受标签返回的 UL data 信号的同时，通过参考信号解析出波束角度信息，通过后端解算软件，计算出标签的位置。该方案的定位机制已较为成熟，需要标签侧结合 5G 信号做相应的定制修改。本节内容阐述了 5G 无源物联网系统的相关关键技术。从目前 5G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向。在这一过程中，结合产业链、标准的发展，分阶段进行相关商用探索。在具体组网和部署时，需要根据实际环境，灵活采用不同的组网架构。同时，5G 无源物联网系统也带来 5G 空口侧技术的革新和优化，包括符合无源、低功耗需求的物理层，相应的安全机制和标签定位手中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-16-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。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微波直驱变频技术可在无源工况下改变微波频率，其结合无源传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作。当传感终端中的微波直驱变频器接收到微波驱动信号时，无需额外能量即可产生频率相异的受驱微波信号，同时终端中的无源传感器将待检测的物理量转换后，控制受驱微波信号的频率，即产生携带传感信息的调频式受驱信号，并以无线的方式返回到空间中。通过驱动微波信号与受驱返回微波信号的异频特性，有效避免了上、下行同频干扰和收发同频阻塞等问题，大幅提升了无源无线传感的稳定性和可靠性。因此，基站侧可以在不恶化接收通路的同时发射更大的功率，极大地扩展覆盖范围。此技术有望成为未来万亿级无源物联网市场的基础底座技术，支撑无源物联网的快速发展。相较于基于背向散射技术的无源无线传感技术，微波直驱变频技术实现了上下行载波的频率分隔，从而规避了背向散射技术中上下行频率一致带来的同频干扰、能量阻塞等问题，有利于基站发射功率及接收灵敏度的提升，从而提升无源无线传感的作用距离和可靠性。同时，由于传感终端中的传感器件和调制过程无需额外能量，进一步降低了功耗需求，从而在实现传感功能的同时不降低灵敏度和作用距离。报告免费分享+V：R t h e 4 5中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-17-基于微波直驱变频技术的无源无线传感终端具有无需额外供电、作用距离远、使用寿命长、部署成本低、维护难度低五大特点。整个无源无线传感系统由微波直驱传感终端、微波直驱基站、无源物联网管理平台三大产品部分组成。作为无源无线传感的底层技术，微波直驱变频技术结合无源传感技术和无源信号调制技术形成无需额外供电的传感终端。终端通过采集环境中来自微波直驱基站的微波能量驱动内部电子部件工作，并通过无源传感器对环境参量进行关联转换，最后形成携带传感信息的变频返回信号回传至微波直驱基站进行解析、还原。图 9 微波直驱变频传感基本原理图（1）微波直驱变频技术（1）微波直驱变频技术微波直驱变频技术的核心是利用微波交流信号进行直接驱动，无需交流转直流的过程，省去了电源转换和管理的组件，避免了交直流转换过程中的能量损耗，提高了能量利用效率，从而增加了终端的驱动灵敏度，提升下行作用距离。典型的微波直驱变频电路（如图 10 所示）由输入匹配网络、微中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-18-波能量扩散模块、能量汇聚模块、谐振模块构成。其中输入匹配网络主要用于将天线从空间接收的微波能量以最大效率引入至后续电路，微波能量扩散模块和能量汇聚模块是终端核心，可将驱动微波的能量分散在宽谱内后再进行某一频率的能量汇聚，汇聚后的能量经谐振模块滤除、选择、净化后与驱动微波相互作用，产生类似混频的变频信号。可以看出该工作机制中没有交流与直流转换的过程，整个流程仅包含各类频率的交流信号之间的匹配、谐振、控制等操作，这也是微波直驱变频技术能够达到较高能量利用效率的基础。图 10 微波直驱技术典型电路系统组成在传统依靠射频能量实现无源无线通讯的技术中，需要将射频的交流能量转换为直流能量供给后续电路使用，能量转换效率随输入功率的降低而大幅降低。目前，受限于实现原理及半导体材料特性，在较低输入功率条件下（-10dBm），能量转化效率一般低于 30%，在极低输入功率条件下（-20dBm），能量转化效率一般低于 10%。因中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-19-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-22dBm 之间（与驱动信号频率相关），受驱返回能量与驱动能量的衰减一般为 1517dB 之间。由于基站侧具有较高的接收灵敏度，返回信号的功率的衰减几乎不影响作用距离。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（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响，将物理量的变化转换为电感、电容等参数的变化。该信号类型转换的过程中无需能源，避免了传统传感器转换过程需要额外能量的问中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-20-题，从而不影响整个终端的能耗平衡。通过各种传感元件在不同的环境参量下所产生的不同特性，例如不同的面积、距离、介电常数、磁导率等，影响传感元件电容值或电感值发生改变，进一步可将这种改变转为 LC 谐振频率的改变。与其他阻性等传感器相比，频率型传感器的信号读出电路可不放置在传感器内，且能以无线的方式读取，无需在传感器内设置模数转换、编码等耗能电路，避免了对传感量进行数字化计算中所消耗的能量，进一步降低终端的能量需求。以温度传感为例，将介温陶瓷作为电容两极之间的电介质形成的无源温度传感器，温度的变化使陶瓷材料介电常数等参数发生相应的变化，从而导致电容值的变换，这种变换并不需要额外能量的介入。此种温度传感器配合其他电路（如电感）形成谐振器时，谐振器的谐振频率也会随温度发生相应的变化。为了使传感量（温度）带来足够大的频率变化量（即温度系数高），需要选择电容量随温度变化大的介温材料和元件结构。全温度段温度系数较高的电容器有导电性高分子铝电解电容器（高分子 Al）、薄膜电容器（Film）、温度补偿用独石陶瓷电容器（MLCC）。而在高温段，导电性高分子钽电容器（高分子 Ta）、高介电常数独石陶瓷电容器（MLCC）具有较高的温度系数，如图 11 所示。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-21-图 11 不同材质的电容容值随温度变化示意图以湿度传感为例，使用有机高分子材料制成高分子薄膜电介质，其基本结构如图 12 所示。利用某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变这一特性。其上部多孔质的金电极可使水分子透过，水的介电系数比较大，室温时约为 79。感湿高分子材料的介电常数较小，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加。所以根据电容量的变化，可将被测传感量（湿度）转换为可变电容的电容量变化，使无源压电类振荡器的共振频率随之变化。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-22-图 12 高分子薄膜电介质湿度传感器结构以振动传感为例，将振动产生的微小位移转换成线圈自感系数或互感系数的变化，形成可变电感器，再配合固定电容形成谐振频率可变的谐振式振动传感器。这种无源可变电感可分为自感式和差动变压式。自感式可变电感由三部分组成。铁芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成，如图 13 所示，表示铁芯与衔铁间的气隙厚度，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（衔铁）相连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发生改变，再配合谐振电路导致谐振频率发生变化，只要测量谐振频率的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和方向。差动变压器式传感器是互感式传感器，其工作原理是利用电磁感应，将被测传感量（振动）的变化转换成变压器线圈的互感系数的变化。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-23-图 13 自感式可变电感组成以压力传感为例，无源压力传感器根据敏感机理的不同，主要分为电容式压力传感器和谐振式压力传感器两种，如图 14 所示。图 14（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容器的活动电极，另一电极淀积在硅衬底表面上，二者构成平行板式电容器。当膜片感受压力作用发生弯曲时，电容器的极板间距发生变化，从而引起电容量的变化，该变化量与被测压力相对应；图 14（b）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动，谐振频率为 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f，该变化量与被测压力相对应。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-24-图 14 电容式压力传感器和谐振式压力传感器结构现有的无源传感技术除了可以实现对温度、湿度、压力、振动的感知外，还可以实现很多类型传感量的无源转换。这种将传感量以无源的方式转换为电容、电感等参数的传感技术，可以满足绝大部分应用场景。（3）无源信号调制技术（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加载在受驱返回微波上，调制的过程也无需额外能源。其机理是通过无源电容类、电感类传感器引起谐振电路的谐振频率发生变化，从而引起变频返回信号频率（fsen）的变化，即形成了携带传感信息的调频信号。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-25-以温度传感量为例，在传感器端利用陶瓷谐振器内部的等效介温电容或外加实体介温电容，将待测传感量转换为电容量的变化，从而影响无源谐振器的谐振频率。当然，温度-频率特性可通过测试标定，即对某一系列介温传感器的在每个温度点上的电容值、谐振器谐振频率值进行初始标定，则可以得出一系列的温度值与受驱返回微波频率值的标定关系数据表。系统工作时，采集器收到终端的返回信号并解调。对于缓变类的温度、压力、湿度等传感量，采集器对返回信号的频率进行测定，获取短时内信号的确定频率，并根据传感量-频率对照表，推算或查询出频率所代表的物理量值，如图 15 所示。对于振动类的捷变类传感量，捷变的原始信号以调频的方式直接加载在返回频率上，采集器需要采用调频制式解调的方法恢复原始信号。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-26-图 15 频分型传感区分示意图基于微波直驱变频的无源无线传感系统工作时，采集器发射驱动微波（频率标记为 fsta）。传感终端接收到驱动微波后，经由内部电路将其转换为频率相异的返回信号（标记为 fres），同时无源传感器将传感量转换为电容、电感等参量（标记额为 Ssen），引起谐振电路的谐振频率变化，从而引起返回信号频率的变化，即以调频的方式将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端，进行信息解调、信息恢复。变频调制与变频信号解调的工作原理如图 16 所示。图 16 变频调制与变频信号解调的工作原理不同终端的区分一般有两种方式，分别是频率区分和编码区分。其中频率区分终端驱动灵敏度最低、工作距离较远，但携带终端数量有限，一般为 1030 个。而编码区分终端需要数字编码，就需要一部分直流能源，即存在转换功耗，其优势在于携带的终端数量较大，中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-27-可以超过 100 个，但牺牲少量灵敏度和作用距离，但由于其解决了同频阻塞的难题，工作距离较传统无源无线识别有较大提升。使用频率区分的方式适用于覆盖区域内终端数量不多的情况，通过在传感终端配置不同的返回信号频率加以区分，不同的频率代表不同的终端序列号。若使用频率代表终端的序列号，考虑到传感信号的带宽，在不混叠的情况下，一定频带内仅能共存有限个终端，终端的数量和传感信号带宽和可用频带相关。以温度传感器为例，目前常用的温度-频率系数为 200Hz/，如果在测温区间为 100的情况下，则信号的带宽为 20kHz，考虑 5kHz的隔离带（器件一致性容错），那么 250kHz 的信道容量下，可容纳约10 个不同返回频率的传感器。如果降低温度-频率系数则信号的带宽和隔离带都有所缩减，那么可容纳数量有所增加，但会牺牲一定的传感准确度。再考虑器件生产制造中的一致性，一般携带数量为 1030 个，如 17 所示。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-28-图 17 终端序列号频率区分方式示意图为使单个基站可以携带的终端标签数量不受限制，可以使用数字编码区分的方式对终端加以区分。此时需要将一部分微波能量转换为直流用于驱动数字电路。工作时，基站发出携带叫号信息的 ASK 信号，以控制单一目标响应，终端在收到该信号时与自身序列号进行比对，若匹配成功，将序号信息加载在返回微波上，基站对这一异频的返回信号进行接收确认，并持续发送一定时间的驱动微波，并对携带传感信息的返回信号进行接收和解调、还原。若终端匹配不成功，则终端保持静默状态，不对外发射返回信号，这样所有终端可用一个频率的返回信号，在保证某一时刻只有基站-终端握手成功的唯一终端返回传感信息，具体方式如图 18 所示。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-29-图 18 终端序列号编码区分方式示意图三、应用场景三、应用场景（一）危险品仓储（一）危险品仓储无源物联网在危险品储存（如图 19 所示）的应用案例涉及到利用各类传感器和 5G 技术，通过对危险品环境参数的实时监测、数据采集、分析和管理，提高储存过程的安全性和效率。图 19 5G 无源物联网系统危险品仓储场景中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-30-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。传感器网络传感器网络：在危险品仓库内部布置了各类传感器，包括温度传感器、湿度传感器、振动传感器等。这些传感器负责实时监测危险品的存储环境，捕捉任何可能引发安全隐患的异常情况。面向无源终端的 5G 通信模组面向无源终端的 5G 通信模组：采用 5G 技术，实现传感器数据的高可靠、低时延传输。这为实时监控提供了可靠的数据通道，确保监测系统能够及时响应危险品储存环境中的任何变化。中心控制系统中心控制系统：配备智能算法的中心控制系统用于接收、分析和处理传感器传来的数据。系统通过人工设定阈值或者自学习危险品的存储特性和历史数据，识别异常状态，提高预测和检测的准确性。远程控制平台远程控制平台：具备远程控制功能，管理人员可以通过安全认证的方式远程访问系统，实时监测储存环境并进行远程控制，例如调整传感器参数、设定警戒阈值等。相较于传统人工检测的方案，5G 无源物联网在危险品存储领域具有响应及时、智能巡检分析、远端可见、无源终端本征安全等技术优势，不仅提高了安全性和效率，也为管理人员提供了更为便捷和可靠的监控手段。中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-31-（二）矿山（二）矿山在煤矿及其他资源开发过程中（如图 20 所示），安全问题至关紧要。通常采用矿用锚杆支护巷道的方法，即在巷道掘进后，向围岩中钻孔并将锚杆布设在孔内，对巷道围岩进行人工加固。图 20 无源物联网煤矿应用场景与解决方案目前的测量方式主要依赖于人工抽检，但存在多项缺陷，包括检测效率极低、仅能进行抽检、存在盲区，并存在较大的安全隐患。为了提高安全性和效率，亟需研究和应用更先进的监测技术和方法。在锚杆的拱形垫板和锚网支护之间放置压力传感器，当锚杆体受到煤层内部位移挤压力时，传感器受到的挤压力发生变化，发送的频率信号发生变化（对应解析出压力的变化）可由巡检手持设备(或者是固定的收发网关）监测到，可大量节省人工、提高效率。此种解决方案具有压力传感端完全无源无线的特点，全面降低了安全隐患，同时表现出高效、便携等优势。通过此方案，能够有效防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移，均能进行监测，从而显著减少安全隐患。不再需要人工逐一对锚中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-32-杆预紧力进行测量，而是直接测量压力的变化，从而节约了人力和时间成本。其小巧的体积和简便的安装过程，不会对锚杆造成任何不良影响。这一方案支持巡检方式，同时可以通过在重点区域放置收发网关，实现多点的全面实时监测。（三）制造（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色、数字化、智能化以及定制化的发展趋势。制造业从过去的规模扩张逐渐向数字化和智能化技术创新与应用的强化转变。以 5G、人工智能、无线感测等先进技术为核心的智能制造，已经迈入现代制造业发展的新阶段，推动着制造业向更高水平迈进。在现代化制造环境中，随着多方生产元素的加入，制造链日趋变长，制造行业对链条之间的紧密衔接以及数据的实时共享提出了更高的要求。亟需一种更智能、更高效，并且具有更强兼容性的资产全生命周期管理方式。新型无源标签以其独特的免电源、免维护特性，在制造工厂等特殊环境中得到广泛应用。这些标签能够在温度、湿度、振动监测、生产线监测、危险事件监测等多个方面发挥作用，并且有望通过环境能量采集技术实现传感器终端的自供能。这一技术特性不仅使得标签能够在特殊工厂环境中可靠运行，而且极大地降低了对电池更换等维护工作的需求，提高了设备的稳定性和可靠性。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中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-33-响。这种低成本标签的应用为实现“一码到底”提供了可能性，即一个标签可以在整个生命周期中贯穿采购、加工、流转到报废等各个环节。这种全程标签的应用有助于打通制造业的各个环节，实现业务流程和数据的无缝对接。通过协同上下游部门的管理，对资产库存进行精准控制与及时共享，能够有效避免“多采重复采”等问题，从而提高了整体生产效率。四、总结与展望四、总结与展望（一）技术演进路线（一）技术演进路线传感与通信技术作为物联网神经末梢级的底层技术，是物联网技术的重要组成部分。超低功耗传感技术和无线通信技术的快速发展对扩展末梢触点和物联网覆盖范围，增强物联网功能具有极大意义。物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化应用，人们向着主动供能、超低功耗的方向不断努力，这一方向的极致将是无源无线。但现有的无源无线通信传感技术限于能量利用效率低、传感器功耗高、上下行同频干扰阻塞等问题，因此存在作用距离短、传感种类少、应用范围窄等缺陷。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物联网发展的主要矛盾。由微波直驱变频技术、无源传感技术、无源信号调制技术三大核心技术组成的新一代无源无线传感技术，以变频通信特性、更低的能量消耗、更好的能量使用效率，实现了无需额外中国联通 5G 无源物联网系统白皮书-34-供电、更远的传输距离、更长的寿命（免维护），逐步解决无源物联网发展的主要矛盾，且该技术完全国产自主可控，具有广泛的应用价值。1.基础技术演进路线1.基础技术演进路线从产品应用的角度而言，基于无源微波直驱变频技术的无源无线传感技术的发展主要在四个方向，分别为作用距离的提升、传感种类和准确度的提升、物联与通信融合自由度的提升、海量接入能力的提升。（1）作用距离的提升（1）作用距离的提升作用距离的提升主要通过两个技术指标的优化实现，第一是通过材料、工艺、电路结构的优化，优化终端的驱动灵敏度，第二是基站的发射功率与接收灵敏度的优化。如图 20 所示，目前基于微波直驱变频技术的传感器产品的驱动灵敏度约为-20dBm，实验室部分数据可达-30dBm，未来通过改良材料和优化工艺，最终使驱动灵敏度达到-35dBm。进一步拓展作用距离和覆盖范