李爱华：无源物联网网络架构及关键技术探索与进展

中国移动通信研究院2023年11月 目录 Contents 无源物联网使能场景 新型无源物联技术具备低成本、大密度、低功耗等技术优势，与蜂窝通信系统深度融合，既可应用于资产管理、商超零售等“室内做深”场景，也可应用于智能电网、生产物流等“室外做广”场景。 l在线监控设备状态 ‑避免部分放电造成的设备损坏‑温度监测 l要求： ‑区域：10,000㎡级‑密度：<1000设备/k㎡‑上报周期：5-15min‑数据大小：<100bytes-安全-通信距离：50-200m-移动性：静止-精度：10m级 生产+物流全流程 l监测物料数量、位置和状态 ‑区域：600,000㎡级‑移动性：室内/室外‑计费：按次/设备数/流量等‑密度：<1.5百万设备/k㎡‑数据大小：<100bytes –快速盘点–监测料箱位置和状态 业务需求分析：3GPPSA1 为满足自动仓储、智能电网、智能制造、智慧医疗、远程寻物等场景的应用需求，无源物联网络需支持基础通信、设备管理、设备定位、信息收集与能力开放等基础网络功能需求，支持海量室内室外无源物联设备的安全接入和通信。 在2023年11月前，3GPPSA1已完成《Study on Ambient power-enabled Internet of Things》课题研究，定义了包括自动仓储、智能电网、智能制造、智能家居、远程寻物、智慧医疗、环境监测等30个应用场景及需求。 网络架构设计目标分析 无源物联设备根据设备能力可分为A、B和C类，为满足各种类海量无源设备的接入和通信需求，无源物联网络需遵循轻量化、可管可控、多接入的网络架构设计三大目标。 设备功能简单 通信需求低 Device C Device B Device A •无/少能量存储•复杂度低 •通信距离短•数据速率低•时延要求低 •有能量存储，反射通信•终端功率介于A与C之间•复杂度介于A与C之间•支持室内和室外部署•通信距离室内10-50m，室外50-500m•数据速率最大不低于5kbps，最小不低于0.1kbps•包大小接近1kbits•时延1s或10s•连接密度室内150个/100m2，室外20个/100 m2•移动速度10km/h •有能量存储，可发射RF信号•终端功率<=1或10mW•复杂度比NB-IoT低•支持室内和室外部署•通信距离室内10-50m，室外50-500m•数据速率最大不低于5kbps，最小不低于0.1kbps•包大小接近1kbits•时延1s或10s•连接密度室内150个/100m2，室外20个/100m2•移动速度10km/h •无能量存储，反射通信•终端功率<=1或10μW•复杂度与UHF RFID相当•支持室内和室外部署•通信距离10-50m，室外50-500m•数据速率最大不低于5kbps，最小不低于0.1kbps•包大小接近1kbits•时延1s或10s•连接密度室内150个/100m2，室外20个/100 m2•移动速度10km/h 管理难度大 •设备种类多•设备数量多•连接密度大•有一定移动性•大多不主动通信 可管可控 轻量化 网络架构设计三大目标 无源物联核心网关键问题及技术设计思路 •机制极简化：设计极简的协议、流程、安全机制，提升数据传输效率，降低终端成本、功耗和复杂度；•功能分离化：引入无源物联管理功能，负责标识分配及映射、安全接入、访问权限管理、连接管理、移动性管理、计费管理等；•运营开放化：能够将标签的管理、盘点、访问等相关服务开放给第三方客户，确保客户及运营商对无源物联标签的可管、可控、可运营。技术设计思路 面向多接入融合的无源物联网络架构 为实现5G-A网络与无源标签网络的深度融合，中国移动创新性提出“面向多接入融合的无源物联网络通用架构”并积极推动，在5G-A核心网架构基础上进行增强，并具备同时接入2G、4G、NB-IoT、eMTC、5G以及无源物联标签接入的能力。 p核心网可新增网络功能，并增强现有网元能力，实现对无源设备的识别、管理和控制。 •管理无源物联设备，如配置业务/客户所属的无源物联设备列表•处理信令消息、选择网元/基站，与其他网元交互完成鉴权、连接建立等流程•路由消息和数据•轻量化NAS互通•简化的安全机制•业务强相关的服务开放 p核心网具备融合多接入能力，支持2G、4G、5G、NB-IoT、RedCap、无源标签等多种终端，可大幅提升网络运维效率。 群组式标识管理 针对5GC不识别EPC码以及海量设备管理困难的问题，提出基于群组的标识设计，增强网络对无源物联设备的管理能力，同时降低管理的难度和成本。 •当前标签盘点时仅携带EPC码，网络侧不能识别，且无相关安全防护机制；•EPC码不能体现网络属性，给网络管理带来不便；•无源物联设备数量较多，核心网侧存储和管理设备信息存在困难。 •需为无源物联设备设计新型标识，5GC基于该标识进行识别设备；•基于客户、业务等为无源物联设备划分群组，5GC以群组为单位存储设备信息，管理和控制设备。 被动式连接管理 为解决无源物联设备非法接入的问题，业界首创提出基于业务触发的接入控制方案，在业务触发操作流程后，基于业务需求、签约信息等寻呼指定设备（组），并判断是否允许设备接入。 •5GC存储连接管理相关信息，如签约运营商、有效期、可接入设备数等；•基于UE上报的信息，5GC根据业务需求、签约数据、位置等信息寻呼指定设备（组），设备无线接入成功后，由5GC决策是否允许设备（组）接入。 •无源物联设备不能主动发起注册流程，当前5GC方案不适用；•无法区分属于多个电信运营商的Ambient IoT设备；•海量设备接入时，5GC需交互大量信令，存储大量用户信息，将影响网元性能。 复用式会话管理方案 为提升无源物联设备基于会话传输时的资源利用率，提出了高效资源复用方案，可实现一份资源多个设备使用；同时，基于海量IPv6地址方便设备与外部网络进行通信。 当前问题 •无源物联设备通常数量较多且单个标签数据量小，如果每个标签占用一个隧道将导致会话资源的大量浪费。 方案设计 核心网侧可基于预留、实时建立等方式实现多个标签的隧道复用技术，提升会会话资源利用效率；网络可基于设备标识为各标识逐一分配IPv6地址。 询问式移动性管理方案 为解决网络和基站无法及时感知无源物联设备、跨基站移动导致设备失联的问题，提出网络主动发起“询问”的无源物联设备移动性管理方案，是设备局域跨站接入和广域接入的基础性技术。 当前问题 •广域场景下，无源物联设备移动后核心网无法感知设备位置，容易导致后续设备盘点失败。 方案设计 •5GC周期性向无源物联设备发送位置更新指令；•无源物联设备全部或部分应答完成位置更新，实现周期性盘点。 精简化的数据传输方案 为解决局域场景下海量设备的网络资源浪费的问题，提出精简化的数据传输方案，在无需保持/维护会话的前提下基于提前编排或规划的传输路径实现数据的即到即传，大大提升了局域场景下的资源利用率。 当前问题 •从无源物联设备看，设备大部分时间处于静默状态，频繁的会话管理对无源物联设备的能量消耗大；•从核心网角度看，在局域场景下，海量设备的会话管理和移动性管理将浪费大量核心网网元资源。 方案设计 •核心网为无源物联设备（组）完成数据路径的动态编排或静态规划；•核心网侧各网元基于获取的传输路径直接转发。 研究进展 新型无源物联技术已引发国内外广泛关注，成为5G-A及下一代网络的热点课题。中国移动从标准推动、技术攻关、产业推动等三个方面开展无源物联网络架构及需求的研究工作，深度布局标准化，创新性提出面向多接入融合的无源物联网络架构，攻关5项核心技术方案，并完成业界首次核心网原型样机的发布以及应用功能验证，实现“走深走实、见行见效”。 •3GPP：在SA1，主导将群组管理、批量授权等核心需求正式写入标准；在SA2，积极推进无源物联网络架构及业务流程课题的立项，倡议normative工作；在RAN，作为Editor发布R18 TR38.848。 标准推动 •CCSA：立项《基于蜂窝通信的无源物联第一部分：应用场景及需求》和《基于蜂窝通信技术的无源物联服务第二部分：总体技术要求》。 技术攻关 •产业活动：联合发布《电力需求应用白皮书》，上海MWC2023展示端到端能力；•原型设计：设计核心网原型系统的轻量化数传协议、标签管理等7项关键能力，完成业界首次核心网原型的联合发布；•技术验证：温度采集、湿度采集、防拆感应、状态指示等典型场景的应用验证，基本功能（拓扑管理、标签读写）、增益功能（安全认证、计费）等功能测试。 产业推进 未来展望 共同打造网络技术基础 共同构建无源物联标准 共同推进关键技术验证 创建无源物联网络技术及应用的试验样本间，验证关键技术，通过样板间“表率作用”，以点带面，加速无源物联技术在各领域的应用落地进程。 积极推动3GPP、CCSA等国内外重要标准组织的无源物联课题的立项及标准化研究，凝聚产业共识，为无源物联网络技术的深入拓展提供标准依据。 进一步优化面向多接入融合的无源物联网络架构和基础协议设计，为实现5G网络与无源标签网络的深度融合奠定坚实的技术基础。