ARTICLE / 2026·07·04

Ambient IoT技术调研与3GPP规范解读

基于3GPP TR 38.848、38.769、TR 23.700-13等资料整理Ambient IoT的AS/NAS架构、物理层、MAC、PDRCH与D2R机制。

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Ambient-IoTAIoT3GPP5G-AdvancedD2RPDRCHNASRAN
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Ambient IoT技术调研与3GPP规范解读

1. 资料基线与结论范围

本文以3GPP官方archive文档为主线整理Ambient IoT(AIoT):

资料版本/位置用途
3GPP TR 38.84838848-i00RAN侧可行性、拓扑、Device A/B/C、KPI目标
3GPP 38.769 archive38769-k00,并参考j00目录RAN侧solution study,覆盖PHY、MAC、AS procedure、RAN architecture、D2R/PDRCH
3GPP TR 23.700-1323700-13-j00SA2架构研究,覆盖AIOTF、NEF exposure、AIoT Device NAS、Topology 1/2核心网流程
3GPP TR 22.840official archiveStage 1业务需求来源
3GPP TR 33.713official archivesecurity study来源,AIoT Device ID protection、NAS security待定项

需要注意:截至本文整理时,Ambient IoT仍处于从Rel-19走向Rel-20增强的标准演进阶段。38.769中的部分章节是study结论、候选方案或仍待WI阶段down-selection的内容;本文会用“baseline”“studied”“待定”区分确定性。

相关阅读:PDRCH的流程、T_bit/T_chip、small frequency shift、CW载波、sideband频谱、参数来源和Rel-20演进已单独整理为专题文档:PDRCH信道原理与参数详解

2. Ambient IoT总体定义

Ambient IoT面向低成本、低复杂度、低功耗或无电池的海量物品连接。典型device依靠ambient energy或reader/CW node提供的RF energy工作,并通过reader接入5G系统。

与传统RFID相比,Ambient IoT的关键差异不只是“更远距离读标签”,而是将reader、radio resource control、5GC service exposure、device identity和security纳入3GPP系统:

维度RFIDAmbient IoT
网络归属专用reader系统3GPP RAN/5GC体系
设备能力以ID读取为主Inventory、Read、Write、Disable、sensor/report等
能量模型多为reader供能RF/light/heat/motion等ambient energy,RF CW也可供能
接入控制reader局部控制RAN调度、AIOTF/NEF服务触发、reader selection
协议栈RFID协议AIoT PHY + AIoT MAC + AIoT NAS/AIoT AP等

3. Device分类与目标KPI

3GPP TR 38.848按energy storage和RF signal generation能力定义三类device;38.769在后续研究中进一步使用Device 1/2a/2b/C等更细粒度分类。

类型能量存储RF生成/放大典型发送方式功耗目标/特征
Device A / Device 1无或极小无独立RF生成,无D2R amplificationBackscatter1 µW10 µW量级
Device B / Device 2a有limited energy storage无独立carrier,可有reflection amplifierBackscatter on external CW几百µW以内,覆盖优于Device A
Device 2b有limited energy storage可内部生成carrierInternally-generated carrier wave几百µW以内,频偏/本振校准成为重点
Device C有limited energy storage有active RF componentsActive-like D2R1 mW10 mW量级,复杂度仍低于NB-IoT

TR 38.848中的RAN设计目标可概括为:

KPI目标
Coverageindoor 10-50 m,outdoor 50-500 m,按device和deployment下选
User experienced data rateUL/DL最大不低于5 kbps,最小不低于0.1 kbps
Maximum message sizeAIoT device收/发应用层packet约1000 bits
Latencyone-way end-to-end最大10 s1 s,不含charging time
Positioningindoor 1-3 m @ 90%,outdoor数十米级
Densityindoor 150 devices / 100 m^2,outdoor 20 devices / 100 m^2
Moving speed至少支持indoor 10 km/h

4. 拓扑与网络层级

4.1 四类连接拓扑

flowchart LR
    BS["BS / AIoT RAN Reader"] <--> D["AIoT Device"]
    BS2["BS"] <--> I["Intermediate node / UE Reader"] <--> D2["AIoT Device"]
    BS3["BS"] <--> A["Assisting node"] <--> D3["AIoT Device"] <--> BS3
    UE["UE Reader"] <--> D4["AIoT Device"]
Topology关系典型说明
Topology 1BS Reader ↔ AIoT Device基站/AIoT RAN直接作为reader
Topology 2BS ↔ Intermediate UE/UE Reader ↔ AIoT DeviceUE作为reader或中间节点,受网络授权和资源控制
Topology 3BS ↔ Assisting node ↔ Device ↔ BS辅助节点分担供能/链路
Topology 4UE Reader ↔ AIoT DeviceUE直接reader场景

Rel-19/Rel-20研究重点集中在Topology 1和Topology 2。Topology 2要求UE Reader具备订阅授权,且A-IoT radio resource由网络控制。

4.2 网络层级结构

flowchart TB
    AF["AF / Application Function"] --> NEF["NEF: Nnef_AIoT exposure"]
    NEF --> AIOTF["AIOTF: AIoT control, reader selection, aggregation"]
    AIOTF --> AMF["AMF (optional routing via N2/Nz)"]
    AIOTF --> AIRAN["AIoT RAN / BS Reader"]
    AMF --> AIRAN
    AIRAN --> PHY["AIoT PHY: PRDCH/PDRCH, R-TAS/D-TAS"]
    PHY --> DEV["AIoT Device"]
    AIOTF -. "AIoT Device NAS" .- DEV

5. AS(Access Stratum)技术内容

5.1 AIoT radio interface协议栈

38.769给出的AIoT radio interface极度简化:

层级支持情况说明
Physical layer支持R2D、D2R、PRDCH、PDRCH、TAS、CW相关机制
AIoT MAC支持Paging、random access、data transmission、轻量segmentation候选
RLC不支持无RLC ARQ/AM
PDCP不支持不做传统PDCP处理
SDAP不支持无QoS flow映射
RRCAIoT device侧不支持无RRC states、connection management、legacy paging/DRX
AS securitybaseline不支持安全主要由上层/NAS/security study决定

这意味着AIoT device不是“缩小版NR UE”,而是受reader触发的轻量device。它不执行传统NR的RRC连接建立、mobility、RRM L3 measurement reporting、HARQ、BSR、SR等功能。

5.2 AS总体流程

sequenceDiagram
    participant CN as AIOTF/CN
    participant R as Reader/AIoT RAN
    participant D as AIoT Device

    CN->>R: Service request / reader assistance
    R->>D: Step A: AIoT paging over R2D
    D-->>R: Step B: D2R device ID / inventory response
    alt Inventory and command
        R->>D: Step C1: R2D command / scheduling
        D-->>R: Step C2: D2R command response
    end
    R-->>CN: Inventory/Command report with correlation ID
步骤方向内容
Step AR2DAIoT paging,指示single device、group或all devices响应
Step BD2R设备通过random access或非random access发送device ID/数据
Step C1R2D可能的command,例如Read、Write、Disable
Step C2D2Rcommand response或device状态/数据

5.3 AIoT paging

AIoT paging不是NR legacy paging。它由reader发送,目标是触发device响应。paging message可包含:

字段/信息用途
Device ID / Group ID / All-device indication决定哪些device需要响应
Access/resource indication指示D2R response使用的time/frequency occasion
Service/correlation information避免同一service request被多reader重复触发后产生重复响应
Command/service type(待定)指示后续是否有command、是否期待D2R响应

5.4 Random access与multiple access

AIoT random access由reader触发,用于多个device上报。baseline是slotted-ALOHA,并研究TDMA、FDMA以及CDMA候选。

方案角色优点风险
Contention-free accessreader指定resource碰撞少,适合已知device需要reader已有device/resource上下文
Contention-based accessdevice随机选择occasion适合inventory和未知devicecollision、re-access由reader控制
Slotted-ALOHAbaseline实现简单高密度场景效率受限
FDMAD2R多device并行提升inventory效率受SFO/CFO、guard band、reader处理复杂度影响
CDMA序列并发可提升preamble/Msg1并发code orthogonality受SFO/CFO和功率差影响

Contention resolution候选包括:

  1. Msg1 without data:device发送16-bit random ID,reader在Msg2 echo random ID。
  2. Msg1 with data:Msg1同时包含random ID和upper-layer data。
  3. 统一方案:Msg1至少有random ID,是否携带data由reader控制。

AIoT device不应自主re-access。重试由reader通过后续R2D指示控制。

6. NAS与5GC(Non-Access Stratum)技术内容

6.1 AIOTF与服务暴露

TR 23.700-13引入AIOTF作为Ambient IoT核心功能。它负责:

功能说明
Reader selection根据AF请求、target area、last known reader、UE Reader ID选择reader
Operation orchestration向BS Reader/UE Reader触发Inventory或Command
Correlation使用correlation identifier关联请求与多个reader/device响应
Aggregation聚合多个reader返回的inventory/command结果,去重device记录
Device context可维护Permanent AIoT Device ID、last known reader等上下文
Authorization assist与NEF、ADM、AAA等配合检查AF和device权限

NEF侧支持新的Nnef_AIoT类服务暴露,向AF提供:

Service operation含义
Inventory盘点/发现AIoT device
Read读取AIoT device信息
Write写入AIoT device信息
Permanent Disable永久关闭device RF transmit capability

Rel-19未达成临时Disable/Enable支持结论,因此不作为Rel-19支持项。

6.2 AIoT Device NAS

TR 23.700-13的结论包括:AIoT Device NAS protocol在AIoT Device和AIOTF之间支持。AIoT Device NAS层至少承载:

NAS消息方向典型内容
Device → AIOTFInventory Response、Command Response
AIOTF → DeviceCommand Request,例如Read、Write

AIoT Device不区分Topology 1/2,也不需要理解reader到AIOTF之间走direct、AMF、RRC还是UP。拓扑和transport差异对device透明。

6.3 Topology 1核心网路径

Topology 1有两种路径:

路径接口说明
Direct pathAIOTF ↔ AIoT RAN over Nx适合local deployment或独立AIoT部署
Indirect path via AMFAIOTF ↔ AMF over Nz,AMF ↔ AIoT RAN over N2AMF路由AIoT request/response,NGAP增强支持Ambient IoT服务

6.4 Topology 2核心网路径

Topology 2中UE Reader必须被授权。UE subscription data扩展为包含“是否允许作为AIoT Reader”的指示;AMF可向NG-RAN提供UE Reader authorization indication。

方案传输说明
User-plane optionUE Reader通过PDU Session承载AIoT-AP到AIOTFUE预配置DNN/S-NSSAI和AIOTF FQDN
RRC optionUE Reader和gNB间使用RRC,gNB/AMF/AIOTF之间经NGAP/SBIRRC细节仍待进一步定义
NAS-based/UP based candidate在38.769 RAN architecture中作为候选用于UE Reader与CN传递AIoT upper-layer information

6.5 Identity、Subscription与Security

AIoT Device配置Permanent Ambient IoT Device Identifier,可由operator或third party分配。ID包含:

部分内容
Part 1ID type、network identifier(MCC/MNC/NID)、third-party identifier等
Part 2EPC或unstructured format,用于区分具体device

Device subscription-like data可存在5GC中的ADM(Ambient IoT Data Management)或第三方/credential holder AAA server。AIoT security、ID privacy protection、NAS消息保护依赖SA WG3结论;本文不把它写成已冻结的Rel-19机制。

7. 信道与信号分类

方向信道/信号作用备注
R2DPRDCH(Physical reader-to-device channel)承载higher-layer payload、R2D data、可能的L1 R2D controlR2D唯一physical channel
R2DR-TAS(R2D timing acquisition signal)指示R2D开始、帮助device确定OOK chip durationpreamble,不属于PRDCH
R2DCFO calibration signal面向Device 2b的carrier frequency calibration可为single-tone RF signal
D2RPDRCH(Physical device-to-reader channel)承载higher-layer payload、random access response、可能的L1 D2R controlD2R核心物理信道
D2RD-TAS(D2R timing acquisition signal)D2R开始检测、timing/SFO/CFO/channel/interference estimation候选preamble,不属于PDRCH
D2R/CWCW(Carrier Wave)Backscatter carrier和RF energy sourcesingle-tone为主,two-tone为候选

8. R2D简要解读

R2D从reader到device,核心约束是device接收机极低复杂度。38.769研究的baseline包括:

结论/候选
WaveformOFDM-based OOK,SCS 15 kHz,CP-OFDM/DFT-s-OFDM可行
Line codingManchester和PIE;Manchester有固定码长、易clock recovery,PIE有能量供给稳定性优势
FECPRDCH without FEC为baseline;Device 2b可研究简单block/convolutional code
CRC可用6-bit或16-bit CRC,复用TS 38.212 polynomial为baseline
MultiplexingTime-domain multiplexing baseline
Scheduling info可通过L1 R2D control或higher-layer signaling承载

9. D2R深度解读

D2R(Device-to-Reader)是Ambient IoT的瓶颈方向。原因是device功耗极低、backscatter信号弱、SFO/CFO大、多个device并发,且reader可能同时面对强CW leakage。

9.1 D2R物理机制

对于Device 1/2a,D2R基于backscatter:device不产生独立高功率RF信号,而是改变antenna impedance,将外部CW调制后反射到reader。对于Device 2b/C,device可内部生成carrier或使用active-like RF链路。

flowchart LR
    CW["CW source / Reader"] -->|incident RF energy| DEV["AIoT Device"]
    DEV --> EH["Energy harvesting"]
    DEV --> SW["Impedance switching / modulation"]
    SW --> BSIG["Backscattered signal"]
    BSIG --> R["Reader receiver"]
    R --> DEC["D-TAS detection + PDRCH decoding"]

9.2 D2R waveform与modulation

内容
Baseband waveformnon-OFDM
Backscatter carrier外部CW提供;Device 2b也可内部生成single-tone carrier
ModulationOOK、BPSK、Binary FSK/MSK均被研究
Feasible baselineOOK和BPSK对所有device可行
MSK争议低sidelobe/BER潜力 vs impedance switching复杂度、phase accuracy、spectral efficiency问题
Sideband2SB可行;1SB取决于device filtering、image suppression、RF resource usage

D2R不是NR PUSCH的简化版。reference signals如DMRS、PTRS、SRS不作为D2R设计基线;CSI feedback和autonomous SR也不作为L1 D2R control。

9.3 D2R line coding

Line coding状态技术影响
Manchester重点候选固定码长,利于clock recovery;多源评估显示相对Miller/FM0有0.5-5.5 dB0.2-2.5 dB增益区间
FM0deprioritized性能与复杂度收益不突出
Miller候选低频能量集中,靠近carrier,干扰处理较差
No line coding候选可降低device处理,但同步与频谱控制压力更大

Manchester映射:

0{1,0},1{0,1}0 \rightarrow \{1,0\}, \qquad 1 \rightarrow \{0,1\}

9.4 D2R channel coding、CRC与repetition

PDRCH可attach CRC,baseline研究CRC-6CRC-16,polynomial复用TS 38.212。CRC长度在短包中开销显著,因此需按TBS、message type和false alarm rate权衡。

D2R FEC主要研究convolutional code:

参数候选
Constraint lengthK = 4/6/7/8
Mother code rateR = 1/6, 1/4, 1/3, 1/2
参考LTE convolutional code polynomial作为参考

Repetition类型:

类型说明D2R观察
Block-level repetitionCRC/FEC后block整体重复可获得combining gain和time diversity,部分评估比无repetition有约5-6 dB增益
Bit-level type 1CRC后、FEC前逐bit重复receiver端不能直接形成FEC前LLR合并,性能较弱
Bit-level type 2CRC+FEC后逐bit重复可LLR combining,性能优于type 1
Chip-level repetitionchip持续时间扩展等价于降低chip rate,是否单独标准化待定

9.5 PDRCH:Physical device-to-reader channel

PDRCH是D2R方向唯一被重点定义的physical channel,承载:

  1. higher-layer payload,例如AIoT NAS response、device ID、sensor data;
  2. contention-based access中的device response;
  3. 可能的L1 D2R control information;
  4. ACK/NACK或energy status等候选辅助信息。

PDRCH transmission scheduling由对应PRDCH提供,即reader先通过R2D告诉device何时、在哪个frequency resource、用什么chip duration/MCS-like信息发送PDRCH。

PDRCH生成链可抽象为:

flowchart LR
    Payload["Higher-layer payload / random ID / control"] --> CRC["CRC attach optional"]
    CRC --> FEC["FEC optional"]
    FEC --> REP["Repetition optional"]
    REP --> LC["Line coding optional"]
    LC --> MOD["OOK / BPSK / MSK"]
    MOD --> SFS["Small frequency shift optional"]
    SFS --> RF["Backscatter or internally generated RF"]

无line coding时:

flowchart LR
    Payload["Payload"] --> CRC["CRC optional"]
    CRC --> FEC["FEC optional"]
    FEC --> REP["Repetition optional"]
    REP --> MOD["OOK / BPSK square wave"]
    MOD --> SFS["Small frequency shift"]
    SFS --> RF["D2R RF signal"]

PDRCH关键设计点

设计点说明
Start detection依靠D-TAS preamble,不属于PDRCH本体
End detection可用D2R postamble或control information
Payload size需适配从16/20 bits短包到约1000 bits应用包
SchedulingPRDCH指示time/frequency/MCS-like/chip duration/repetition/midamble
ReliabilityCRC、FEC、repetition、amble配置共同决定
Energydevice可上报1-bit energy status候选,用于reader决定后续过程

9.6 D-TAS、preamble、midamble与postamble

D-TAS在每个PDRCH前,用于reader进行D2R timing acquisition,并可辅助SFO/CFO、channel、interference estimation。

Amble位置用途代价
PreamblePDRCH前Start indication、timing、SFO/CFO/channel estimation必要开销
MidamblePDRCH中长包中的tracking/channel estimation降低payload效率
PostamblePDRCH后End timing、SFO/channel估计补充reader需等postamble,影响pipelining

研究中常见结论:

Packet/Payload观察
16/20 bits短包preamble-only通常可达10%/1% BLER;midamble/postamble收益有限
96 bits中包preamble-only是否足够存在分歧;postamble或midamble可带来1-5 dB级收益
400 bits长包在大SFO下preamble-only常难以达到10% BLER;midamble+postamble更有价值

SFO估计精度目标可按消息长度收紧:

ϵSFO,residual5×103 ppm\epsilon_{\mathrm{SFO,residual}} \le 5 \times 10^3 \text{ ppm}

适用于短消息的粗略目标;更长消息可能需要:

ϵSFO,residual103 ppm\epsilon_{\mathrm{SFO,residual}} \le 10^3 \text{ ppm}

甚至更低。

9.7 D2R bandwidth与small frequency shift

D2R定义:

Bocc,D2RBtx,D2RB_{\mathrm{occ,D2R}} \ge B_{\mathrm{tx,D2R}}

其中:

符号含义
Btx,D2RB_{\mathrm{tx,D2R}}reader为单个device D2R transmission调度的frequency resources
Bocc,D2RB_{\mathrm{occ,D2R}}transmission bandwidth加上AIoT内部guard band
Bguard,D2RB_{\mathrm{guard,D2R}}由SFO、CFO、multiple access等引入的guard band

Small frequency shift用于:

  1. D2R FDMA,支持多个device并发;
  2. 避开强CW附近的干扰;
  3. 将backscatter sideband移到reader更容易滤波/接收的位置。

对Manchester code,small-frequency-shift factor可表示为:

fshift=RTb=12Tchipf_{\mathrm{shift}} = \frac{R}{T_b} = \frac{1}{2T_{\mathrm{chip}}}

其中RR为bit duration内的codeword repetition或square-wave period相关因子,TbT_b为information bit duration,TchipT_{\mathrm{chip}}为chip duration。

9.8 D2R multiple access

Multiple access状态解读
TDMAbaselinedevice/reader复杂度最低,但inventory latency较高
FDMA重点研究通过small frequency shift并发,提高效率;受SFO/CFO、guard band、harmonics影响
CDMA候选用m-sequence、Gold、orthogonal code等提升Msg1/preamble并发;SFO/CFO破坏orthogonality

FDMA在D2R中尤其有吸引力,因为inventory场景常有大量device同时响应。但FDMA对device频率稳定度和reader多用户检测提出要求:

影响因素说明
Large SFO10^4-10^5 ppm级SFO可能造成inter-device interference或BLER floor
Timing offset不同device propagation/timing差异会带来数dB级损失
Guard band需覆盖SFO/CFO和sideband泄露,降低频谱效率
HarmonicsBackscatter square wave产生谐波,resource allocation需避开冲突
Device countdevice越多,reader检测和interference management越复杂

D2R receiver sensitivity可按下式表达:

PREFSENS(dBm)=174+10log10(BW)+NF+IM+ICW+SNRtargetP_{\mathrm{REFSENS}}(\mathrm{dBm}) = -174 + 10\log_{10}(BW) + NF + IM + I_{\mathrm{CW}} + SNR_{\mathrm{target}}
符号含义
BWBWreader接收D2R信号的receiver bandwidth,单位Hz
NFNFreceiver noise figure
IMIMimplementation margin
ICWI_{\mathrm{CW}}residual CW interference或等效CW影响
SNRtargetSNR_{\mathrm{target}}达到目标BLER所需SNR,例如10%或1% BLER

Backscatter链路还要考虑双程path loss和backscatter loss。简化形式:

Prx,D2R=PCW+GCW+Gdev+GreaderLCWdevLdevreaderLbackscatterLmiscP_{\mathrm{rx,D2R}} = P_{\mathrm{CW}} + G_{\mathrm{CW}} + G_{\mathrm{dev}} + G_{\mathrm{reader}} - L_{\mathrm{CW\rightarrow dev}} - L_{\mathrm{dev\rightarrow reader}} - L_{\mathrm{backscatter}} - L_{\mathrm{misc}}

若CW和reader同址,常近似为双程路径损耗:

Prx,D2RPCW+Gt+Gr2L(d)LbackscatterLmiscP_{\mathrm{rx,D2R}} \approx P_{\mathrm{CW}} + G_t + G_r - 2L(d) - L_{\mathrm{backscatter}} - L_{\mathrm{misc}}

这解释了为什么D2R常比R2D更难:路径损耗可能出现“双程惩罚”,且backscatter signal远弱于reader发出的CW/R2D。

9.10 CW leakage与reader接收挑战

对于backscatter D2R,reader可能一边发/接收强CW,一边接收极弱PDRCH sideband。CW leakage可能使LNA desensitization,必须依靠:

技术作用
Spatial isolation分离TX/RX antenna或CW node与reader空间隔离
Analog cancellationLNA前生成反相信号抵消CW leakage
Digital cancellation基带DC/自干扰消除
Frequency offset将PDRCH移离CW,降低phase noise与滤波压力
Training timeCW cancellation需要训练时间,训练期间避免D2R接收

若CW leakage过强,单靠LNA线性度很难满足要求。研究中给出示例:monostatic场景下CW leakage可达到18 dBm级;若只允许3 dB SNR degradation,LNA IIP3要求会非常高,因此CW cancellation是reader实现的关键。

10. 应用场景

场景典型业务技术关注点
物流/仓储托盘、包裹、容器inventory高density、slotted-ALOHA/FDMA、重复响应去重
零售商品盘点、防伪、货架状态低成本tag、reader覆盖、AF/NEF服务暴露
工业零件追踪、工装夹具、温湿度/振动金属环境、多径、reader布设
医疗药品、器械、血袋追踪ID privacy、authentication、Disable/Write安全
农业/冷链农产品追溯、温度记录低功耗sensor、长时间energy harvesting
城市资产井盖、路灯、公共设施巡检reader ID granularity定位、室外覆盖

11. 标准化状态与工程判断

  1. Ambient IoT不是单一PHY技术,而是RAN、SA2、SA3、CT、RAN4共同推进的系统特性。
  2. AS侧已明确走轻量协议栈:AIoT PHY + AIoT MAC,无传统NR RRC/RLC/PDCP/SDAP。
  3. NAS侧核心是AIOTF和AIoT Device NAS,device对Topology 1/2透明。
  4. D2R/PDRCH是最关键瓶颈:覆盖、SFO/CFO、CW leakage、multiple access、reader cancellation共同决定系统是否可商用。
  5. PDRCH不应按PUSCH理解;它是面向极低功耗device的special-purpose physical channel。
  6. 对工程实现而言,reader能力比device能力更复杂:reader要承担CW管理、资源调度、多device检测、aggregation和CN协同。

12. 参考资料

寻名 印章
© 2026 寻名画师

此间江湖,后会有期