近年來,隨著“一箭多星”、火箭回收利用等關(guān)鍵技術(shù)的突破,極大地降低了發(fā)射成本,并增加了有效荷載,提升了衛(wèi)星發(fā)射的整機(jī)經(jīng)濟(jì)效益。此外,隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信和電子元器件等技術(shù)的飛速發(fā)展,衛(wèi)星的設(shè)計(jì)研制也呈現(xiàn)出小型化的發(fā)展態(tài)勢(shì),促使衛(wèi)星的研制成本大幅降低,生產(chǎn)周期大幅縮短。
發(fā)射成本和衛(wèi)星制造門檻的日益降低,為更多的商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用探索創(chuàng)造了可能性。在此背景下,通信衛(wèi)星系統(tǒng)悄然復(fù)蘇, 并受到諸多互聯(lián)網(wǎng)、通信、航天航空等巨頭企業(yè)的青睞。
在已經(jīng)凍結(jié)的3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)中,引入了非地面網(wǎng)絡(luò)(non-terrestrial network,NTN),將衛(wèi)星通信網(wǎng)作為地面網(wǎng)絡(luò)的必要補(bǔ)充。其中,除了提供用于衛(wèi)星通話的5G NR NTN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外,R17還提供了支持NB-IoT和eMTC等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與NTN融合的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為,相較手機(jī)終端,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景更為豐富多樣,能滿足更多細(xì)分場(chǎng)景下設(shè)備的通信需求。因此,相比于NR-NTN,支撐物聯(lián)網(wǎng)的IoT-NTN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展更快,IoT-NTN的商用成熟度也更高。
此外,空天地一體網(wǎng)絡(luò)也是6G核心方向之一,被ITU列為6G七大關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)需求之一。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是空天地一體網(wǎng)絡(luò)的重要組成,通過利用衛(wèi)星平臺(tái)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供通信服務(wù),能夠彌補(bǔ)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、災(zāi)難恢復(fù)、緊急通信等方面的不足,與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、深度融合,共同形成空天地一體的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
此前,物聯(lián)網(wǎng)智庫已經(jīng)發(fā)表了多篇文章討論衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r及相關(guān)技術(shù)。這篇文章中,我們將就之前文章中涉及較少的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)、發(fā)展前景及通信企業(yè)在該領(lǐng)域的布局等話題展開討論,以期圍繞衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的討論拼圖更加完整。
本文為智次方?物聯(lián)網(wǎng)智庫中國AIoT產(chǎn)業(yè)年會(huì)暨2024年智能產(chǎn)業(yè)前瞻洞察大典活動(dòng)預(yù)熱專欄「智聯(lián)先知 一期一會(huì)」的第三期內(nèi)容——【衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)及其發(fā)展前景】。
本質(zhì)上,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)就是利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和各種傳感器,實(shí)現(xiàn)空天地一體化的人、物連接和信息交互,并通過對(duì)信息的分析和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍的物理世界的管理、控制和決策。
根據(jù)科技論文《天基物聯(lián)網(wǎng): 基本概念、體系架構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)》的描述,我們可以將衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)定義為:以衛(wèi)星通信為信息傳輸?shù)闹饕绞剑凑湛仗斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,利用衛(wèi)星通信傳感器和地面通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),將物與物、人與物、人與人連接起來,進(jìn)行信息交換與通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的一種互聯(lián)互通操作的信息網(wǎng)絡(luò)。
相比于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng),衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為:
覆蓋范圍廣,可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。衛(wèi)星的覆蓋范圍半徑高達(dá)上千千米,多顆衛(wèi)星組成的星座可以滿足全球覆蓋需求。同時(shí),地面?zhèn)鞲衅鞯牟荚O(shè)突破地域空間的約束,可任意部署,在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi),也易于向大范圍運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(飛機(jī)、艦船等)提供無間斷的網(wǎng)絡(luò)連接等。
受天氣、地理?xiàng)l件影響小,可全天時(shí)不間斷工作。由于衛(wèi)星位于高空,地面的地形條件和天氣情況對(duì)它的影響相對(duì)較小,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候不間斷地工作。
抗毀性強(qiáng),提高系統(tǒng)可靠性。當(dāng)發(fā)生地震、洪澇、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí),地面通信網(wǎng)很有可能遭受破壞,無法提供服務(wù),而利用衛(wèi)星通信手段依然可以提供正常的物聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù),為災(zāi)區(qū)提供緊急通信及救援服務(wù)。
系統(tǒng)容量大,可支持海量連接。衛(wèi)星的可用頻帶很寬,加之現(xiàn)階段被廣泛采用的多波束星載天線技術(shù),提高了系統(tǒng)容量,可支持海量終端連接需求。
根據(jù)技術(shù)體系架構(gòu),可將衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)體系架構(gòu)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
空間段是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相比于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng),在物理表現(xiàn)形式上的最大不同。空間段分布了位于大氣層外不同軌道平面和高度的通信、導(dǎo)航、遙感等衛(wèi)星以及位于大氣層內(nèi)鄰近空間的飛艇等。這些衛(wèi)星和飛艇上搭載了各類傳感器和通信、路由等設(shè)備,形成互聯(lián)互通的空間網(wǎng)絡(luò)。
地面段
衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的地面段主要包括分布于地面或距離地表較近的信息采集設(shè)備及其他傳感器、地面部署的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及地面數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)地面段的設(shè)備或傳感器因各種原因需要通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入和數(shù)據(jù)傳輸。這些設(shè)備或傳感器有空中飛行的民航客機(jī)、海上航行的艦船搭載的傳感設(shè)備、海面上的浮標(biāo)、野外戰(zhàn)場(chǎng)中布設(shè)的環(huán)境傳感器等。這些地面或地表附近的信息采集設(shè)備和傳感器與空間段中的衛(wèi)星傳感器共同構(gòu)成了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的立體感知網(wǎng)絡(luò)。
用戶段
衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的用戶段就是廣泛分布于天、空、地、海的各個(gè)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。航天飛行器在空中的正常運(yùn)行和任務(wù)執(zhí)行均需要衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)提供功能支撐。空中用戶主要包括各種航空飛行器,如民航客機(jī)、軍用飛機(jī)、無人機(jī)等飛行器以及這些飛行器上搭載的乘客、設(shè)備等均需要通過衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)獲取通信服務(wù)。
地面用戶是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)占比最大、數(shù)量最多的用戶群體。第一類是不便于通過地面網(wǎng)絡(luò)接入的用戶,如位于荒漠、山區(qū)、叢林、野外的旅客、居民、士兵等。第二類是政府部門、行業(yè)用戶等,如國土資源部門需要利用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對(duì)國土資源進(jìn)行周期性的測(cè)繪,氣象部門需要利用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)對(duì)氣候變化情況進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)。
海洋是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要場(chǎng)景,地球約80%的面積都被海洋覆蓋,而在海洋上的信息傳輸基本只能依靠衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)。各類艦船等海上運(yùn)載工具搭載的設(shè)備和乘客均是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的用戶。海面上的浮標(biāo)、海島上的燈塔等也可通過衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。
衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(引自《天基物聯(lián)網(wǎng): 基本概念、體系架構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)》)
一個(gè)規(guī)模可觀的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)正在加速崛起。在消費(fèi)電子巨頭蘋果和華為的雙重推動(dòng)下,手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)得到重視,進(jìn)入發(fā)展高速期。以消費(fèi)需求為牽引,有望加大衛(wèi)星通信技術(shù)的研發(fā)和探索,加快大規(guī)模低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),推動(dòng)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展。
從衛(wèi)星廠商、手機(jī)廠商、芯片廠商再到通信運(yùn)營商,整個(gè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的發(fā)展正在全面加速。綜合Omdia、ABI Research、麥肯錫等機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)到2025年,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)值可達(dá)5600億美元至8500億美元。而根據(jù)信通院預(yù)測(cè),到2027年全球衛(wèi)星通信終端市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到109億美元。
根據(jù)Berg Insight數(shù)據(jù),2021年全球衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)用戶群為390萬,預(yù)計(jì)2026年達(dá)到2120萬,復(fù)合年增長率為40.3%。
目前,不少通信相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開始在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域展開部署。
智次方·物聯(lián)網(wǎng)智庫就行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景相關(guān)的一些問題,對(duì)芯片設(shè)計(jì)公司紫光展銳進(jìn)行了采訪。
對(duì)于衛(wèi)星物聯(lián)芯片行業(yè)的發(fā)展方面,他們?cè)诨貜?fù)中提到,從芯片公司的角度看,技術(shù)預(yù)研和產(chǎn)品應(yīng)用的落地兩個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。紫光展銳在5G NTN標(biāo)準(zhǔn)化研究、業(yè)務(wù)驗(yàn)證和產(chǎn)品開發(fā)上一直在持續(xù)發(fā)力,通過充分的測(cè)試驗(yàn)證,嘗試將5G NTN技術(shù)擴(kuò)展至更豐富的終端平臺(tái),進(jìn)而推動(dòng)終端成本的降低與性能的提升。
截至今年初,紫光展銳已經(jīng)完成全球首次L頻段、S頻段5G NTN技術(shù)上星驗(yàn)證;產(chǎn)品開發(fā)方面,紫光展銳在今年 7 月份推出了首款5G NTN衛(wèi)星通信芯片V8821,單芯片平臺(tái)上集成了基帶、射頻、電源管理、存儲(chǔ)等通信設(shè)備常用功能。
此外,紫光展銳也表示,他們已經(jīng)啟動(dòng)了6G基礎(chǔ)研究、核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)化工作。在推進(jìn)IoT NTN技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品商用落地的同時(shí),紫光展銳已針對(duì)旨在提供更高連接速率的NR-NTN和NR-ATG(地空通信)技術(shù)進(jìn)行深入研究,進(jìn)一步挖掘技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用的價(jià)值空間,以推動(dòng)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化進(jìn)展。
通過公開渠道,我們也獲知了其它一些企業(yè)的相關(guān)動(dòng)作。
2023 年年初,移遠(yuǎn)通信宣布面向物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用推出了CC200A-LB衛(wèi)星通信模組。這一產(chǎn)品主要針對(duì)那些蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)區(qū)域,為其提供可靠的全球無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連接,應(yīng)用在海事、運(yùn)輸、重型設(shè)備、農(nóng)業(yè)、采礦以及石油和天然氣監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景下。
2023年 6 月份,高通推出了高通?212S調(diào)制解調(diào)器和高通?9205S調(diào)制解調(diào)器兩款支持衛(wèi)星通信功能的調(diào)制解調(diào)器芯片。符合3GPP R17標(biāo)準(zhǔn),支持地球同步軌道(GSO)衛(wèi)星的衛(wèi)星通信,能夠在全球范圍實(shí)現(xiàn)連接,并提供便捷的終端設(shè)置和定位功能,賦能需要獨(dú)立非地面網(wǎng)絡(luò)連接或NTN與地面網(wǎng)絡(luò)混合連接的離網(wǎng)工業(yè)用例。
在 2023 年 6 月底的MWCSH 2023上海世界移動(dòng)通信大會(huì)上,美格智能展示了其支持5G NB IoT、Cat.M和雙向衛(wèi)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(jìn)產(chǎn)品進(jìn)入衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng),拓展模組應(yīng)用領(lǐng)域。其正在研發(fā)的SLM156S模組支持Cat-M/NB2及IoT-NTN通信,集成了UART、USB等多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口和豐富網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,可為各類物聯(lián)網(wǎng)終端提供覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)連接。
盡管發(fā)展前景很美好,我們也要意識(shí)到,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)尚處于技術(shù)研究期,仍存在許多的技術(shù)難點(diǎn)待攻克。針對(duì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的困境,紫光展銳在回復(fù)中提到了以下幾點(diǎn):
我國存量衛(wèi)星數(shù)量較小,且基本是同步衛(wèi)星,新建衛(wèi)星速度需要加快。
目前產(chǎn)業(yè)生態(tài)不夠豐富,終端芯片廠商與設(shè)備廠商比較集中,運(yùn)營及商業(yè)模式尚在探索當(dāng)中。
在工程實(shí)踐方面存在一些難題,例如,通信場(chǎng)景豐富、模型復(fù)雜、規(guī)模測(cè)試難度大;衛(wèi)星通信與地面通信體系迥異、互通難度大,融合運(yùn)營挑戰(zhàn)大。
由非陸地平臺(tái)的特點(diǎn)所帶來的通信技術(shù)難點(diǎn),例如,傳播時(shí)延變化快,多普勒頻偏大,大傳播時(shí)延,大路徑損耗等。
衛(wèi)星通信體制選擇方面還存在爭(zhēng)議和不確定性。
在未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展上,紫光展銳提到,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍需產(chǎn)業(yè)各方加強(qiáng)生態(tài)合作,從基礎(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新驗(yàn)證到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),再到包括衛(wèi)星服務(wù)供應(yīng)商、設(shè)備商、芯片公司、終端廠家等在通信技術(shù)、元器件、通信設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)等方面的投入與成果轉(zhuǎn)化,均應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、業(yè)務(wù)運(yùn)營方面促進(jìn)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的融合,推動(dòng)萬物互聯(lián)的天地一體化立體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。
在技術(shù)發(fā)展上,紫光展銳認(rèn)為,在未來,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同和融合將主要從空口、頻率、架構(gòu)等三個(gè)方面進(jìn)行。在空口方面,以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ),充分考慮衛(wèi)星傳輸和地面?zhèn)鬏數(shù)牟町愋裕纬山y(tǒng)一融合的空口協(xié)議設(shè)計(jì),滿足地面通信與衛(wèi)星通信的聯(lián)合需求;在頻率方面,進(jìn)行星地頻率融合和高效互補(bǔ),提高兩張網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合頻譜利用效率;在架構(gòu)方面,接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)的網(wǎng)元功能在衛(wèi)星和地面之間進(jìn)行柔性分割和智能重構(gòu),通過對(duì)星地資源統(tǒng)一調(diào)度和控制,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化和資源綠色集約。
衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合通信的應(yīng)用場(chǎng)景非常多。比如在物流配送領(lǐng)域,便捷而發(fā)達(dá)的物流網(wǎng)絡(luò),既是現(xiàn)代生產(chǎn)生活的重要組成,也是邊遠(yuǎn)地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)的重要支撐。通過星地融合雙模終端,在城鎮(zhèn)區(qū)域進(jìn)行地面蜂窩通信,在邊遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車輛及貨物狀態(tài)的全球無縫回傳和遠(yuǎn)程控制,助力物流后一公里建設(shè)。在電力輸送領(lǐng)域,輸電線路既分布在城鎮(zhèn)農(nóng)村,也分布山區(qū)、戈壁等邊遠(yuǎn)地區(qū)。星地融合物聯(lián)網(wǎng)終端,可通過地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)電力線路參數(shù)的全域無縫常態(tài)化監(jiān)控。
伴隨低軌衛(wèi)星數(shù)量的增多和通信技術(shù)的進(jìn)步,“天網(wǎng)”正在成為地面網(wǎng)絡(luò)的有力補(bǔ)充,覆蓋通信連接的最后一公里。在此背景下,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)正如火箭般蓄勢(shì)待發(fā),我們似乎已經(jīng)看到了它騰飛的火光,聽到了它破空的隆隆聲。
站在起跑線上,各路玩家也早已摩拳擦掌。從芯片、模組企業(yè),到終端廠商,再到運(yùn)營商,無不敏銳地洞察著衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展動(dòng)向,伺機(jī)而動(dòng),他們將攜手推動(dòng)這艘巨輪駛向廣袤的太空海洋。
與此同時(shí),我們也要看到,盡管新大陸充滿了誘惑,航程本身卻依舊任重道遠(yuǎn)。技術(shù)難點(diǎn)仍需克服,生態(tài)鏈亟待完善……在這條通往遠(yuǎn)方的道路上,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)還需要堅(jiān)實(shí)的步伐,穩(wěn)健的節(jié)奏,以及所有的行業(yè)志士們匯聚起的磅礴之力。
但我們相信,只要循著技術(shù)的指引,由萬物互聯(lián)的星辰大海,我們終將會(huì)抵達(dá)。
參考文獻(xiàn):
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《低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景、業(yè)務(wù)特點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)》,電信科學(xué)
《2020 年衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展和衛(wèi)星互聯(lián)市場(chǎng)分析報(bào)告》,重磅數(shù)據(jù)
《衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)建設(shè)全面加速,如何抓住機(jī)遇?》,美格智能
《突發(fā),高通與銥星終止手機(jī)直連衛(wèi)星項(xiàng)目合作,“捅破天”技術(shù)路線將走向統(tǒng)一?》,物聯(lián)網(wǎng)智庫
《華為Mate60Pro也帶不動(dòng)?衛(wèi)星通信發(fā)展不及預(yù)期!但還有解法》,物聯(lián)網(wǎng)智庫
《衛(wèi)星通信牽引物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)升維,模組廠商如何決勝百億市場(chǎng)?》,物聯(lián)網(wǎng)智庫
《Satellite Internet ofThings: challenges, solutions, and development trends》,F(xiàn)rontiers of Information Technology & Electronic Engineering