近年(nian)來，隨著(zhu)“一(yi)箭(jian)多星”、火箭(jian)回收利用等關鍵技術的(de)(de)突(tu)破(po)，極大地(di)降低了(le)發射成(cheng)本(ben)，并增加(jia)了(le)有效荷載，提升了(le)衛(wei)星發射的(de)(de)整(zheng)機(ji)經(jing)濟效益。此外(wai)，隨著(zhu)現代移動通信和(he)電子元器件等技術的(de)(de)飛速發展(zhan)，衛(wei)星的(de)(de)設(she)計研制(zhi)也呈現出小型化的(de)(de)發展(zhan)態勢，促使(shi)衛(wei)星的(de)(de)研制(zhi)成(cheng)本(ben)大幅降低，生產周(zhou)期大幅縮(suo)短。
發射成本和衛(wei)星(xing)制(zhi)造(zao)門檻的(de)日益降低，為更多(duo)的(de)商業衛(wei)星(xing)應用探索創造(zao)了可能性。在此(ci)背景下，通(tong)信(xin)衛(wei)星(xing)系(xi)統悄然復(fu)蘇(su)， 并受到諸多(duo)互聯網、通(tong)信(xin)、航(hang)天航(hang)空等巨頭企(qi)業的(de)青睞。
在已經凍結的3GPP R17標準中，引入了非地面網絡（non-terrestrial network，NTN），將衛星通(tong)信網作(zuo)為地(di)面網絡的必要補充。其中(zhong)，除(chu)了提(ti)供用于衛星通(tong)話的5G NR NTN標準規范外，R17還提(ti)供了支持NB-IoT和eMTC等(deng)物(wu)聯網技術與NTN融合的標準規范。
業內人士普遍認為，相較手機終端，衛星物聯網相關的應用場景更為豐富多樣，能滿足更多細分場景下設備的通信需求。因此，相比于NR-NTN，支撐物聯網的IoT-NTN標準進展更快，IoT-NTN的商用成熟度也更高。
此外，空天地一體網絡也是6G核心方向之一，被ITU列為6G七大關鍵網絡需求之一。衛星物聯網(wang)是空(kong)天(tian)地一(yi)(yi)體(ti)網(wang)絡(luo)(luo)的(de)重要組成，通過利用衛星平臺為物聯網(wang)設備提供(gong)通信服務(wu)，能夠彌(mi)補地面(mian)蜂(feng)窩網(wang)絡(luo)(luo)在(zai)覆蓋(gai)范圍、災(zai)難恢復、緊急通信等方面(mian)的(de)不足，與(yu)地面(mian)蜂(feng)窩網(wang)絡(luo)(luo)優勢互補、深度融合(he)，共同(tong)形成空(kong)天(tian)地一(yi)(yi)體(ti)的(de)異構網(wang)絡(luo)(luo)架構。
此前，物聯網智庫已經發表了多(duo)篇文章(zhang)討(tao)論衛星(xing)物(wu)聯網(wang)(wang)的(de)(de)(de)發展狀(zhuang)況(kuang)及相關技術。這篇文章(zhang)中，我們(men)將就(jiu)之前文章(zhang)中涉及較少(shao)的(de)(de)(de)衛星(xing)物(wu)聯網(wang)(wang)的(de)(de)(de)架(jia)構(gou)、發展前景及通(tong)信企業在(zai)該領(ling)域的(de)(de)(de)布局等(deng)話題(ti)展開(kai)討(tao)論，以期(qi)圍繞衛星(xing)物(wu)聯網(wang)(wang)相關的(de)(de)(de)討(tao)論拼圖更加完(wan)整(zheng)。
本文為智次方?物聯網智庫中國AIoT產業年會暨2024年智能產業前瞻洞察大典活動預熱專欄「智聯先知 一期一會」的第三期內容——【衛星物聯網的技術架構及其發展前景】。
什么是(shi)衛星(xing)物聯網的(de)概念、體系架(jia)構？ 為(wei)什么(me)當前衛星物聯網正處于高速發(fa)(fa)展(zhan)期(qi)？往(wang)后的發(fa)(fa)展(zhan)趨勢將會(hui)如何？ 通信相(xiang)關廠商圍繞衛星(xing)物聯網進行(xing)了哪些積極布局？ 衛星物(wu)聯(lian)網(wang)仍(reng)然存在的技術(shu)難題有哪些(xie)？
衛星物聯網的定義及優勢
本質上，衛星(xing)物(wu)(wu)聯網就是利用衛星(xing)通信網絡和(he)各種(zhong)傳感(gan)器，實現空天(tian)地(di)一體(ti)化的人、物(wu)(wu)連接和(he)信息交互，并通過(guo)對(dui)信息的分析和(he)處理(li)，實現對(dui)更大范圍的物(wu)(wu)理(li)世(shi)界的管(guan)理(li)、控制和(he)決策。
根據科技論文《天基物聯網: 基本概念、體系架構及發展趨勢》的描述，我們可以將衛星物聯網定義為：以衛星通信為信息傳輸的主要方式，按照空天地一體化信息網絡的標準通信協議，利用衛星通信傳感器和地面通信網絡不便于連接的其它傳感器等信息感知裝置，獲取物體信息，并通過多種網絡接入技術，將物與物、人與物、人與人連接起來，進行信息交換與通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的一種互聯互通操作的信息網絡。
相比于傳統物聯網，衛星物聯網的優勢體現為：
覆蓋范(fan)(fan)圍廣(guang)，可以(yi)實現全球(qiu)(qiu)覆蓋。衛(wei)星(xing)的(de)覆蓋范(fan)(fan)圍半徑高達上(shang)千千米，多顆衛(wei)星(xing)組成的(de)星(xing)座可以(yi)滿足全球(qiu)(qiu)覆蓋需求。同時，地面傳感器的(de)布設突破地域(yu)(yu)空間的(de)約束，可任意(yi)部署，在衛(wei)星(xing)覆蓋區域(yu)(yu)內，也(ye)易于向大范(fan)(fan)圍運動目標(biao)（飛機、艦船等）提供無(wu)間斷的(de)網絡連接(jie)等。
受天氣、地理條(tiao)件影響小(xiao)，可全(quan)天時不(bu)間斷工(gong)作。由于衛星(xing)位于高空，地面(mian)的地形(xing)條(tiao)件和天氣情(qing)況對(dui)它的影響相對(dui)較小(xiao)，系統可實(shi)現全(quan)天時全(quan)天候不(bu)間斷地工(gong)作。
抗毀(hui)性強(qiang)，提(ti)高系統可(ke)靠性。當發生地震、洪澇、臺(tai)風等自然災(zai)害時，地面通信(xin)網很(hen)有可(ke)能遭受(shou)破壞，無法提(ti)供服務(wu)，而利用(yong)衛(wei)星通信(xin)手段依然可(ke)以提(ti)供正常的(de)物聯網通信(xin)服務(wu)，為(wei)災(zai)區提(ti)供緊急通信(xin)及救(jiu)援服務(wu)。
系統容(rong)量大，可(ke)支(zhi)持海量連接。衛星的(de)可(ke)用(yong)頻帶很寬，加之現階段被廣泛采用(yong)的(de)多波束星載天線技術(shu)，提高了系統容(rong)量，可(ke)支(zhi)持海量終端連接需求。
衛星物聯網的系統體系架構
根據技術體系架構，可將衛星物聯網的系統體系架構從物理空間和功能組成上分為空間段、地面段和用戶段。
空間段
空(kong)間(jian)段是衛(wei)星物聯網相(xiang)比于傳(chuan)(chuan)統物聯網，在物理表現形式上的最(zui)大不同(tong)。空(kong)間(jian)段分(fen)布了(le)位于大氣層(ceng)外(wai)不同(tong)軌道(dao)平面和(he)高度的通信(xin)、導航、遙(yao)感等衛(wei)星以及位于大氣層(ceng)內鄰近空(kong)間(jian)的飛艇(ting)等。這些衛(wei)星和(he)飛艇(ting)上搭載了(le)各類傳(chuan)(chuan)感器和(he)通信(xin)、路由等設(she)備，形成互聯互通的空(kong)間(jian)網絡。
地面(mian)段
衛(wei)星(xing)物(wu)聯網(wang)的(de)(de)(de)(de)地(di)面(mian)(mian)段(duan)主要包括(kuo)分布于地(di)面(mian)(mian)或距離地(di)表較近(jin)的(de)(de)(de)(de)信(xin)息采集(ji)設(she)備及(ji)其他傳感器、地(di)面(mian)(mian)部署(shu)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據傳輸(shu)(shu)網(wang)絡(luo)以及(ji)地(di)面(mian)(mian)數(shu)據處理站網(wang)。衛(wei)星(xing)物(wu)聯網(wang)地(di)面(mian)(mian)段(duan)的(de)(de)(de)(de)設(she)備或傳感器因各種原因需(xu)要通(tong)過(guo)衛(wei)星(xing)網(wang)絡(luo)進行(xing)接(jie)入和(he)數(shu)據傳輸(shu)(shu)。這(zhe)些設(she)備或傳感器有(you)空中(zhong)飛行(xing)的(de)(de)(de)(de)民航(hang)客機(ji)、海(hai)上航(hang)行(xing)的(de)(de)(de)(de)艦(jian)船(chuan)搭載的(de)(de)(de)(de)傳感設(she)備、海(hai)面(mian)(mian)上的(de)(de)(de)(de)浮標、野外(wai)戰場(chang)中(zhong)布設(she)的(de)(de)(de)(de)環(huan)境傳感器等。這(zhe)些地(di)面(mian)(mian)或地(di)表附近(jin)的(de)(de)(de)(de)信(xin)息采集(ji)設(she)備和(he)傳感器與空間段(duan)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)衛(wei)星(xing)傳感器共同(tong)構成了衛(wei)星(xing)物(wu)聯網(wang)的(de)(de)(de)(de)立體感知網(wang)絡(luo)。
用戶段
衛星物聯網的用戶段就是廣泛分布于天、空、地、海的各個角落的用戶終端。
天空用戶包括各類航天飛行器和臨近空間飛行器中搭載的用戶終端。航天飛行(xing)(xing)器在空(kong)中的(de)正(zheng)常運行(xing)(xing)和任務(wu)執行(xing)(xing)均需(xu)要衛星物聯(lian)(lian)網提(ti)供功能支(zhi)撐。空(kong)中用戶主要包括各(ge)種航空(kong)飛行(xing)(xing)器，如民航客機、軍用飛機、無人機等(deng)飛行(xing)(xing)器以(yi)及這些飛行(xing)(xing)器上搭載的(de)乘客、設(she)備等(deng)均需(xu)要通(tong)過衛星物聯(lian)(lian)網獲(huo)取通(tong)信(xin)服務(wu)。
地面用戶是衛星物聯網占比最大、數量最多的用戶群體。第一類(lei)是不便于(yu)通過(guo)地面(mian)網絡接入的(de)用(yong)戶(hu)，如(ru)位(wei)于(yu)荒漠(mo)、山區、叢林、野外的(de)旅(lv)客、居民(min)、士兵(bing)等(deng)。第二類(lei)是政府(fu)部門、行(xing)業用(yong)戶(hu)等(deng)，如(ru)國土(tu)資源部門需要利用(yong)衛星(xing)物聯(lian)網對(dui)國土(tu)資源進行(xing)周期性的(de)測(ce)繪(hui)，氣象部門需要利用(yong)衛星(xing)物聯(lian)網對(dui)氣候變化情況進行(xing)及時的(de)監測(ce)。
海洋是衛星物聯網應用的重要場景，地球約80%的面積都被海(hai)(hai)(hai)洋(yang)覆蓋(gai)，而在(zai)海(hai)(hai)(hai)洋(yang)上(shang)的信息傳輸(shu)基本只(zhi)能(neng)依靠衛星(xing)通(tong)信實現。各類艦船等海(hai)(hai)(hai)上(shang)運載(zai)工(gong)具(ju)搭載(zai)的設備和乘客均是衛星(xing)物聯網的用戶。海(hai)(hai)(hai)面上(shang)的浮標、海(hai)(hai)(hai)島上(shang)的燈塔(ta)等也(ye)可通(tong)過衛星(xing)物聯網實現信息的傳輸(shu)。
衛星物(wu)聯網(wang)體系架(jia)構(gou)（引(yin)自(zi)《天基物(wu)聯網(wang): 基本概念、體系架(jia)構(gou)及發展趨勢》）
衛星物聯網的發展前景
一個規模可觀的衛星物聯網市場正在加速崛起。在消(xiao)費(fei)(fei)電子巨頭蘋果和華為的(de)雙(shuang)重推(tui)動(dong)下，手機(ji)直連(lian)衛星業(ye)(ye)務得到重視，進(jin)入(ru)發展高速期。以消(xiao)費(fei)(fei)需求為牽引，有望加(jia)大(da)衛星通信技術的(de)研發和探索，加(jia)快大(da)規模低軌(gui)衛星互聯網(wang)的(de)建設，推(tui)動(dong)衛星物聯網(wang)行業(ye)(ye)快速發展。
從衛星廠商、手機廠商、芯片廠(chang)商再到通信運營商，整個衛星物(wu)聯網生(sheng)態的發展正在(zai)全面加速。綜合Omdia、ABI Research、麥肯錫等機(ji)構數據，預計到2025年(nian)(nian)，衛星物(wu)聯網產值可達(da)5600億(yi)美元(yuan)至8500億(yi)美元(yuan)。而根據信通院預測(ce)，到2027年(nian)(nian)全球衛星通信終端市場(chang)規模將達(da)到109億(yi)美元(yuan)。
根據Berg Insight數據，2021年全(quan)球衛星物聯(lian)網用戶群(qun)為390萬，預計2026年達到2120萬，復合(he)年增長率為40.3%。
通信企業的布局
目前(qian)，不少(shao)通信相關企業已經開始在衛星物聯網領域展開部署。
智次方(fang)·物(wu)聯網智庫就行業發展現狀及前景相關的一(yi)些問題，對芯(xin)片設計(ji)公司紫光(guang)展銳進行了采訪。
對于(yu)衛(wei)星物聯芯(xin)片行業(ye)的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)方面，他(ta)們在(zai)回復中提到，從芯(xin)片公司的(de)(de)(de)(de)角度看，技術(shu)預研和(he)產品(pin)(pin)應用的(de)(de)(de)(de)落地兩(liang)個(ge)環(huan)節都至關重要。紫光展(zhan)銳在(zai)5G NTN標(biao)準化研究、業(ye)務驗證和(he)產品(pin)(pin)開發上一直在(zai)持續發力，通過充分的(de)(de)(de)(de)測試驗證，嘗試將5G NTN技術(shu)擴展(zhan)至更豐富(fu)的(de)(de)(de)(de)終端(duan)(duan)平臺，進而推動終端(duan)(duan)成本的(de)(de)(de)(de)降低與性(xing)能的(de)(de)(de)(de)提升。
截至今年初，紫光展銳已經完成全球首次L頻段、S頻段5G NTN技術上星驗證；產品開發方面，紫光展銳在今年 7 月份推出了首款5G NTN衛星通信芯片V8821，單芯(xin)片平臺上集(ji)成(cheng)了基(ji)帶、射頻、電源管理(li)、存(cun)儲等(deng)通信設備(bei)常(chang)用功(gong)能(neng)。
此外，紫(zi)光展(zhan)銳(rui)也表示，他們已經啟動了6G基礎研(yan)(yan)究、核心(xin)關鍵技(ji)術攻關和標準(zhun)化(hua)工作(zuo)。在推(tui)進(jin)IoT NTN技(ji)術創新和產品商(shang)用落地的(de)同時，紫(zi)光展(zhan)銳(rui)已針(zhen)對旨在提供(gong)更高連接速率的(de)NR-NTN和NR-ATG（地空(kong)通信(xin)）技(ji)術進(jin)行(xing)深入(ru)研(yan)(yan)究，進(jin)一(yi)步(bu)挖(wa)掘技(ji)術演進(jin)與應用的(de)價值空(kong)間，以(yi)推(tui)動空(kong)天(tian)地一(yi)體化(hua)網絡商(shang)業(ye)化(hua)進(jin)展(zhan)。
通過(guo)公開渠道，我們也獲知了其它一些(xie)企業的(de)相(xiang)關動作。
2023 年年初，移遠通信宣布面向物聯網行業應用推出了CC200A-LB衛星通信模組。這一產品主要(yao)針對那(nei)些蜂窩(wo)網絡無法覆蓋(gai)的偏遠區(qu)域，為其提供可靠的全球(qiu)無線(xian)網絡覆蓋(gai)和連接，應用在海事、運輸、重型設備、農(nong)業、采礦以及石油和天然氣(qi)監測等場景下。
2023年 6 月份，高通推出了高通?212S調制解調器和高通?9205S調制解調器兩款支持衛星通信功能的調制解調器芯片。符合3GPP R17標(biao)準，支持地球(qiu)同步軌(gui)道（GSO）衛星(xing)的(de)衛星(xing)通信，能(neng)夠在全球(qiu)范圍實現連(lian)接，并(bing)提(ti)供便(bian)捷的(de)終端設(she)置(zhi)和(he)定位(wei)功能(neng)，賦(fu)能(neng)需要獨立非地面(mian)網絡(luo)連(lian)接或NTN與地面(mian)網絡(luo)混合連(lian)接的(de)離網工業(ye)用例。
在 2023 年 6 月底的MWCSH 2023上海世界移動通信大會上，美格智能展示了其支持5G NB IoT、Cat.M和雙向衛星鏈路的新一代智能定位終端（Tracker）解決方案。并且宣稱，正在積極推進產品進入衛星物聯網市場，拓展模組應用領域。其正在研發的SLM156S模組支持Cat-M/NB2及IoT-NTN通信，集成了UART、USB等多個工業標準接口和豐富(fu)網絡(luo)協(xie)議，可為各類物(wu)聯網終端提供覆(fu)蓋(gai)全(quan)球的網絡(luo)連接。
需要克服的難點
盡管發(fa)展(zhan)前景很美好，我們也要意(yi)識到，衛(wei)星物(wu)聯網(wang)尚處于技術(shu)研究期，仍存在許多的技術(shu)難點待攻克。針對衛(wei)星物(wu)聯網(wang)發(fa)展(zhan)面臨的困境，紫光(guang)展(zhan)銳(rui)在回復中提到了以下幾點：
我國存量(liang)衛(wei)星數量(liang)較小(xiao)，且基本是(shi)同步衛(wei)星，新建(jian)衛(wei)星速度需要加(jia)快。
目前產業生態不夠豐富(fu)，終端(duan)芯片廠(chang)商(shang)與設備廠(chang)商(shang)比較集中，運營及商(shang)業模式尚在探索當中。
在工(gong)程實(shi)踐方面存在一些難題(ti)，例如，通(tong)(tong)信場(chang)景豐(feng)富(fu)、模型(xing)復(fu)雜、規模測試難度大(da)；衛星通(tong)(tong)信與地面通(tong)(tong)信體系(xi)迥異、互通(tong)(tong)難度大(da)，融合運(yun)營挑戰(zhan)大(da)。
由非陸地平臺(tai)的特(te)點所帶來的通(tong)信技術難點，例如，傳播時延(yan)變(bian)化(hua)快，多普勒頻(pin)偏大(da)，大(da)傳播時延(yan)，大(da)路徑損耗等(deng)。
衛星(xing)通信體(ti)制(zhi)選擇方面還存在(zai)爭議(yi)和不確定性。
在未來的產業發展上，紫光展銳提到，衛星物聯網的發展仍需產業各方加強生態合作，從基礎科學研究和技術創新驗證到基礎設施建設，再到包括衛星服務供應商(shang)、設備(bei)商(shang)、芯片公(gong)司、終端廠家(jia)等在(zai)通信(xin)技術(shu)、元(yuan)器件、通信(xin)設備(bei)、通信(xin)網絡等方面的(de)投入與成果轉化，均應在(zai)標準(zhun)、技術(shu)、業務運營方面促進創新鏈(lian)和產業鏈(lian)的(de)融合，推動萬物互聯的(de)天地(di)一體(ti)化立體(ti)網絡構(gou)建(jian)。
在技術發展上，紫光展銳認為，在未來，衛星物聯網與地面蜂窩網絡的協同和融合將主要從空口、頻率、架構等三個方面進行。在空(kong)口方(fang)面(mian)，以5G通(tong)信(xin)技術為基礎，充分考慮(lv)衛(wei)星(xing)傳輸(shu)和(he)地面(mian)傳輸(shu)的差異性(xing)，形(xing)成統一(yi)融合(he)的空(kong)口協議設計，滿足地面(mian)通(tong)信(xin)與衛(wei)星(xing)通(tong)信(xin)的聯合(he)需求；在頻(pin)率方(fang)面(mian)，進(jin)行星(xing)地頻(pin)率融合(he)和(he)高(gao)效(xiao)互補，提高(gao)兩張(zhang)網(wang)(wang)絡的聯合(he)頻(pin)譜利用效(xiao)率；在架構(gou)方(fang)面(mian)，接入(ru)網(wang)(wang)、承(cheng)載網(wang)(wang)、核心網(wang)(wang)的網(wang)(wang)元功能在衛(wei)星(xing)和(he)地面(mian)之間進(jin)行柔(rou)性(xing)分割和(he)智能重(zhong)構(gou)，通(tong)過(guo)對星(xing)地資源統一(yi)調度和(he)控制，實現網(wang)(wang)絡全局優化和(he)資源綠色集約。
衛星物聯網與地面蜂窩網絡融合通信的應用場景非常多。比如在(zai)物(wu)流配送(song)領域，便捷而發達的(de)物(wu)流網(wang)(wang)絡，既是(shi)現代生(sheng)產生(sheng)活的(de)重要組成，也(ye)是(shi)邊(bian)遠(yuan)地區(qu)新農(nong)村建設的(de)重要支撐(cheng)。通(tong)過(guo)星地融合雙(shuang)模終(zhong)端，在(zai)城鎮(zhen)區(qu)域進行地面蜂窩(wo)通(tong)信(xin)，在(zai)邊(bian)遠(yuan)地區(qu)進行衛星物(wu)聯網(wang)(wang)通(tong)信(xin)，實現運輸車(che)輛及(ji)貨物(wu)狀態(tai)的(de)全(quan)(quan)球無(wu)縫回傳和遠(yuan)程控(kong)制，助力物(wu)流后一(yi)公里建設。在(zai)電力輸送(song)領域，輸電線(xian)路既分布(bu)在(zai)城鎮(zhen)農(nong)村，也(ye)分布(bu)山(shan)區(qu)、戈壁等邊(bian)遠(yuan)地區(qu)。星地融合物(wu)聯網(wang)(wang)終(zhong)端，可通(tong)過(guo)地面網(wang)(wang)絡和衛星物(wu)聯網(wang)(wang)，實現電力線(xian)路參(can)數(shu)的(de)全(quan)(quan)域無(wu)縫常(chang)態(tai)化監控(kong)。
寫在最后
伴隨低(di)軌衛(wei)星數量的(de)增多和通(tong)信(xin)技術的(de)進步，“天網”正在成為地面網絡的(de)有力(li)補(bu)充，覆蓋通(tong)信(xin)連接的(de)最后一公里。在此背景下，衛(wei)星物聯網正如火(huo)箭般蓄(xu)勢待發，我(wo)們(men)似(si)乎已經看到了它騰飛的(de)火(huo)光，聽到了它破(po)空的(de)隆隆聲。
站在起跑線上，各路玩家也(ye)早(zao)已摩拳擦掌。從芯(xin)片(pian)、模組企業，到終端廠(chang)商，再到運(yun)營商，無不(bu)敏(min)銳地(di)洞察著衛星物聯網的(de)發展動向，伺機而(er)動，他們將攜手推動這(zhe)艘巨輪駛向廣袤(mao)的(de)太空(kong)海洋。
與此同時，我(wo)們也要看到，盡管新大陸充(chong)滿了(le)誘惑(huo)，航程(cheng)本身卻依(yi)舊任重道(dao)遠。技術難點仍需(xu)克服，生態鏈(lian)亟待(dai)完善……在這條通往遠方的道(dao)路上，衛星物聯網還需(xu)要堅實的步伐，穩健的節奏，以及所有的行(xing)業志(zhi)士們匯聚起的磅礴之力(li)。
但(dan)我們相信，只要循著技(ji)術的指引，由萬(wan)物互聯的星辰大海(hai)，我們終將會抵達。
參考文獻：
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