引言
无源物联技术利用环境能量采集技术，将周围能量转化为电能，通过反向散射向目标节点传递信息，其发展经历了无源1.0阶段、无源2.0阶段和无源3.0阶段，其中，无源3.0 系统与蜂窝网络融合，充分利用蜂窝网络覆盖广、性能优的特性，可有效提升通信距离和传输可靠性，已成为无源物联网技术的重要发展方向，深受产、学、研、用各领域关注。
当前，国内外标准组织均已针对蜂窝无源物联技术（Ambient power-enabled Internet of Things，AIoT）开展研究，制定相关国际标准和行业标准，我司积极参与其中。国际上，3GPP SA1已完成无源物联场景和需求研究，3GPP SA2正在定义网络架构和关键技术，3GPP SA3研究安全相关技术，3GPP RAN1、RAN2、RAN3和RAN4定义无线侧技术以及与核心网的交互，目前已发布R18版本标准，正在开展R19版本的研究工作。国内，CCSA已完成应用需求、定位技术、核心网技术等多项研究课题的立项。
面向蜂窝无源物联业务，5G网络需支持海量无源物联设备室内室外多种应用场景下的安全接入和通信。室外场景中，尤其是广域移动场景，核心网的广域服务能力和对设备的移动性管理能力不可或缺。此外，基于核心网，运营商可对室内室外场景中的无源物联设备进行必要管控，同时，蜂窝无源物联网络可与运营商现有运营系统无缝衔接，支撑未来多样化业务开展与服务提供。为降低无源物联设备的复杂性和成本，需设计机制极简化、功能分离化和运营开放化的无源物联核心网，实现对无源物联设备的管理，满足其接入和通信需求。
本文主要介绍无源物联核心网架构、设备标识管理、设备状态管理和数据传输与开放，其中，我司提出的网络架构、标识设计、数据聚合等关键方案已获得广泛支持，后续将推动写入标准。
无源物联核心网架构
5G核心网架构针对普通终端的管理机制和流程较为复杂，对终端能力要求较高，为降低无源物联设备复杂度和成本，快速发展业务，需设计轻量化核心网架构，支持Topology1（基站作读写器）和Topology2（辅助节点作读写器，如用户设备UE，可区分固定UE读写器和移动UE读写器）两种拓扑，如图1所示。
图1 无源物联网络架构
在现有5GC架构基础上，无源物联核心网架构中新增无源物联功能（Ambient IoT Function，AIoTF），负责管理设备相关信息、处理信令消息、整合操作结果等，该网元可与无线接入网（Radio Access Network，RAN）直接通信，也可经接入与移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）转发交互信令消息和业务数据；同时，AIoTF也可经用户面接收业务数据。基于该架构，无源物联设备不需要复杂的会话管理、策略管理等，简化了设备与网络的交互流程，可有效降低设备复杂度成本，便于业务推广。
无源物联核心网架构
本章基于3GPP SA2标准进展和我司重点推进方案，从设备标识管理、设备状态管理和数据传输与开放三个方面展开介绍。
设备标识管理
传统射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）标签由电子产品编码（Electronic Product Code，EPC）和标签识别码（Tag Identification Number，TID）标识，其中，EPC用于识别标签对象，TID为标签生产厂商设定的ID号。基于EPC，RFID系统可对物品进行编码和管理，实现全球范围内的物品跟踪与信息共享。
然而，RFID系统的EPC标识不能体现运营商网络或签约属性，因此，需设计无源物联设备新型标识，增强5G-A网络对海量无源物联设备的感知和管理能力。
无源物联设备标识可分为永久标识和临时标识：
1）永久标识：5G-A网络中全网唯一，用于标识无源物联设备或设备组，该标识在设备或设备组生命周期内有效；
2）临时标识：出于安全考虑临时使用的标识，由5G-A网络分配或设备运行加密算法生成，代替永久标识在空口和网络中传输。
目前，永久标识的设计方案有两种，取决于标识的分配方：
1）运营商分配：永久标识由运营商分配，包含标识类型、网络信息和设备信息，如图2所示，其中，网络信息标识运营商的网络，可设置为移动国家代码（Mobile Country Code，MCC）+移动设备国家代码（Mobile Network Code，MNC）；设备信息唯一标识网络中的某个设备，可复用EPC或EPC的部分字段，也可由运营商自行分配，其部分字段可标识一组设备；
图2 运营商分配的设备ID
2）第三方分配：永久标识由第三方分配，包含标识类型、第三方信息和设备信息，如图3所示，其中，第三方可为认证数据的所有方，基于此定位鉴权服务器，设备信息可复用EPC码，也可由第三方自行分配，其部分字段可标识一组设备。
图3 第三方分配的设备ID
设备状态管理
5GC支持的无源物联业务包括盘存、读、写、禁用和使能，处于不同状态的设备可进行的操作不同，基于此，核心网需维护设备状态，并根据设备状态决策设备合法性以及可执行的操作。
无源物联设备状态可分为激活态（或注册态）、非激活态（或非注册态）和禁用态，该状态由核心网维护，无需写入设备。设备状态间的转换如图4所示。设备首次接入网络时处于非激活态，应用功能（Application Function，AF）发起激活请求（或注册请求），核心网根据签约数据执行鉴权授权，通过后，建立设备的用户上下文，进入激活态。若AF侧或网络侧发起去激活请求（或去注册请求），激活态设备可进入非激活态，核心网删除设备的用户上下文。若AF侧需禁用设备，经核心网、无线侧向设备发送禁用请求，核心网将设备状态修改为禁用态，该状态可细分为永久禁用或临时禁用，若为临时禁用，可通过使能消息再次激活设备，设备进入激活态。
图4 设备状态转换
处于激活态的设备可执行盘存、读、写操作，设备在接收到激励信号后返回响应消息，核心网验证设备状态，接收激活态设备的响应消息，基于配置触发非激活态设备的激活流程或通知AF，由AF决策是否执行激活。
数据传输与开放
由于无源物联设备大部分时间处于静默状态，5G现有的会话管理流程将导致频繁的会话建立与删除，不适用于无源物联设备。
为匹配无源物联设备的特点，需采用精简化数据传输方案，多个无源物联设备可共享一个端到端会话，业务数据通过控制面网元AIoTF经NEF开放给AF，如图5所示。针对Topology1，信令消息和业务数据都经过控制面传输，传输路径为设备 RAN （AMF） AIoTF NEF AF，其中，是否经过AMF与部署的网络架构相关。针对Topology2，网络逐UE执行会话管理，信令消息经控制面传输，传输路径为AF NEF AIoTF AMF RAN UE 设备，而无源物联设备返回的业务数据可经控制面AMF或用户面UPF返回给AIoTF，传输路径为设备 UE RAN AMF AIoTF NEF AF或设备 UE RAN UPF AIoTF NEF AF。
图5 服务开放路径
为提升传输效率，避免海量设备响应造成信令风暴，可对无源物联设备返回的消息进行数据聚合，UE或RAN将多个设备的响应消息聚合成一条消息反馈给AIoTF，AIoTF可进行二次聚合，进一步解读和分析消息内容，将分析结果反馈给AF，同时，AIoTF可剔除重复的设备条目。
总结与展望
蜂窝无源物联技术已在产学研各领域引起广泛关注，开展研究和试点验证，基于核心网，无源物联可支持广域组网、移动性、差异化服务和计费等。未来，将从技术、标准和产业三个方面推动无源物联核心网技术发展，支撑未来蜂窝无源物联技术商用：
增强网络能力：核心网将进一步研究支持设备主动通信、移动性、差异化服务、计费和全程全网业务等，扩展服务场景，为实现5G网络与无源物联技术的深度融合奠定坚实的基础；
完善标准体系：面向高端无源物联设备、广域移动和漫游场景，需进一步推动3GPP、CCSA等国内外重点标准组织针对无源物联的标准立项及研究，为蜂窝无源物联网络技术的深入拓展提供标准依据；
推动技术验证：创建蜂窝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，加速蜂窝无源物联技术在各领域的应用落地进程。
[参考文献]
[1] 面向万物互联的无源物联网技术（2022），2022.09.
[2] 3GPP TS 22.369 V19.0.0,Service requirements for ambient power-enabled IoT.Stage 1(Release 19),2023.12.
[3]3GPP TR 23.700-13 V1.1.0, Study on Architecture support of Ambient power-enabled Internet of Things(Release 19),2024.10.
[4]3GPP TR 38.848 V18.0.0,Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN (Release 18),2023.09.
审稿：魏彬 | 网络与IT技术研究所
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