天基物聯網發展與應用關鍵問題探討

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摘要：分析天基物聯網的優勢和技術特點，并簡述天基物聯網系統現狀；調研衛星通信產業現狀，并結合其他行業的發展、天基物聯網適用性以及用戶需求增長點，從宏觀產業角度分析天基物聯網的市場現狀和發展趨勢，并預測市場空間；分析天基物聯網關鍵技術，按照接入技術、網絡高層、應用層3個層次討論技術需求和面臨的挑戰；從技術層面和市場層面分析天基物聯網的發展前景，提出天基物聯網發展與應用中需要關注的關鍵問題與關鍵要素，并對天基物聯網的發展建設提出建議。

關鍵詞：天基物聯網；物聯網市場；物聯網技術；衛星通信

1引言

物聯網（InternetofThings，IoT）的概念自1999年提出以來，經過二十年來的發展，取得了廣泛的應用，成為繼計算機技術、移動通信技術和互聯網技術之后的又一次信息技術革命。物聯網技術由于滲透性強、涉及面廣，極大提高了人類認知世界和處理復雜問題的能力，拓展了信息技術和網絡技術的應用，帶動了諸多行業的變革與飛速發展。天基物聯網利用衛星通信網絡的優勢，通過衛星通信網絡實現了全球覆蓋，彌補了地面通信網絡覆蓋能力有限的短板，提供了全球全天候物聯網接入服務，拓展了物聯網更廣泛的應用場景。從衛星通信領域來看，天基物聯網實現并迅速發展，已經成為衛星通信領域增長速度最快的一個分支，有著非常廣闊的發展前景。

2技術特點和現有系統

2.1技術特點。物聯網是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等各種裝置，實時采集信息，通過各類網絡接入，實現人、機、物的泛在連接，以及任何時間、任何地點對物品和過程的智能化感知、識別、互動和管理。物聯網是與現有信息網絡無縫融合的、基于標準和互操作通信協議的、具有自組織網絡能力的、全球動態的網絡基礎設施，是互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。物聯網協議架構可分為3個層次：感知層、網絡層、應用層，如圖1所示。其中，感知層主要由物聯網終端實現，完成數據采集/控制和網絡接入功能，也可以由物聯網接入網關、感知延伸網和物聯網終端組成一個數據接入核心網絡之前的傳感器網絡；網絡層包括現有的各種網絡，如互聯網、地面移動通信網、衛星通信網以及Wi-Fi、Zigbee等，同時也包括物聯網應用支撐層，用來完成物聯網信息分發功能；應用層利用數據為用戶提供特定的服務，如數據采集、系統監控等，為用戶提供物聯網應用。物聯網通常具有廣域、海量連接、低功率、低帶寬等特點，占較大比例的物聯網終端的工作特點是數量大、分布地域廣、休眠時間長、單次數據傳輸量小、有低功耗要求等，而現有網絡技術體制不能完全支持這些技術要求。因此，物聯網對無線通信技術提出了新的需求，以海量連接、遠距離、低帶寬、低功耗為特點的低功率廣域網（LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN）快速興起，其中最有代表性的有窄帶物聯網（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）和遠距離無線電（LongRangeRadio，LoRa）。這些LPWAN技術作為地面物聯網專用的技術體制，促進了物聯網的快速發展。地球表面70%的面積是海洋，海洋沒有地面通信網絡覆蓋；陸地也有相當多的區域沒有網絡覆蓋，我國85%以上的陸地面積、95%以上的海洋面積沒有地面通信網絡覆蓋。大量的物聯網應用如交通運輸、航空、海洋開發、極地應用等均在陸地無人區和海洋區域，這些應用都需要全球覆蓋的通信網絡來支持。極地、海上以及陸地無人區等布設基站難度很大，而衛星通信網絡全球覆蓋、對地形和距離不敏感，不受地理環境、氣候條件的限制，因此，最簡單有效的方式就是采用衛星通信網絡來提供物聯網接入服務，天基物聯網成為必然選擇。與地面物聯網的發展相似，雖然衛星通信系統已經發展得較為成熟，但現有的衛星通信系統仍然不能滿足物聯網的應用需求?，F有衛星通信系統所提供的服務類型主要針對傳統的通信業務，包括語音、短消息、低速IP接入和寬帶接入。因此，專門針對物聯網接入服務的衛星通信系統或分系統開始興起，如Orbcomm（軌道通信）、Argos（高級研究與全球觀測衛星）、Iridium-SBD、Inmarsat-D+等。這些系統或分系統采用專門針對物聯網需求而設計的技術體制，滿足了天基物聯網的迫切需求。2.2現有系統概況。目前在軌運行的物聯網系統中，有新建設的專門針對物聯網的衛星系統，也有增加了物聯網接入支持的在軌運行的系統，還有一些系統正在建設中，比較有代表性的系統主要有以下幾個。（1）Orbcomm系統：美國的Orbcomm系統是一個專門針對窄帶數據通信的低軌星座，向用戶提供遠程數據采集、系統監控、車輛船舶跟蹤定位等服務，在交通運輸、油氣田、水利、環保等領域有大量應用。該系統1997年投入使用，目前已經在13個國家建立了16個網關站，為120多個國家和地區提供服務。Orbcomm系統空間段包括36顆衛星，軌道高度825km。系統內所有通信均須經過網關站，衛星之間沒有星際鏈路，采用存儲轉發模式工作。用戶鏈路工作在VHF頻段，信號受雨雪影響小。用戶與衛星之間上行鏈路2.4kbit/s，下行鏈路4.8kbit/s。（2）Argos系統：Argos系統是由法國國際空間研究中心與美國宇航局和海洋大氣局核準的第一個全球定位和數據采集系統，主要目標是研究和保護地球環境。該系統利用低軌衛星傳送各種環境監測數據，并對測量儀器的運載體進行定位，為水文、氣象監測儀器提供良好的通信服務，可對全球范圍內的固定和移動平臺進行環境數據的采集、處理和分發，在氣候變化監測、海洋與氣象監測、生物多樣性保護、水資源監控、海上資源管理和保護等領域得到了廣泛的應用。Argos系統由6顆極軌道衛星組成，軌道高度850km，軌道周期約為100min，單顆衛星的橫掃直徑為5000km。（3）Iridium-SBD：銥系統短脈沖數據。銥系統主要由4部分組成：空間段、系統控制段（SystemControlSection，SCS）、用戶段、關口站段。其中空間段由分布在6個極地圓軌道面的72顆衛星（6顆備用衛星）組成，軌道高度780km，星際鏈路速率25Mbit/s。SBD（ShortBurstData）系統包括現場應用模塊、銥星傳輸單元、銥星星座、銥星網關、互聯網以及應用商應用模塊。SBD系統能夠在現場設備與集中式主機系統之間、或現場設備之間傳輸短數據信息，最大有效字節數2000byte。在L頻段10.5MHz頻帶內按FDMA方式劃分為12個頻帶，在此基礎上再利用TDMA結構，幀長90ms，每幀可支持4個50kbit/s用戶連接。（4）Inmarsat-D+：國際海事衛星組織（Inmarsat）是一個國際衛星移動通信組織，也是世界上最主要的全球移動衛星通信供應商，廣泛服務于航海和航空通信，是世界上最成功的衛星通信系統之一。Inmarsat提供B站、C站、D站、M站、BGAN等多種類型的終端和服務。D+是Inmarsat-D站的增強型，具有位置報告和短信功能。D+終端高度集成化，安裝非常簡便。通過D+，可以在全球范圍內無盲區地追蹤船隊，并與船隊保持可靠的雙向短信通信功能；與C站相比，D+去除了郵件和傳真功能，但卻具有無可比擬的成本優勢，非常適合近海船舶和邊遠地區卡車的定位通信。（5）我國的天基物聯網系統：近年來，“天通一號”系統建成并投入使用，新一代衛星移動通信系統也正在建設中，上述系統均支持天基物聯網應用。其中“天通一號”為GEO系統；新一代衛星移動通信系統包括GEO系統和極軌道低軌星座系統，能夠實現全球覆蓋。我國的衛星移動通信系統建設采用天地一體化的建設理念，由高軌衛星網絡、低軌衛星網絡、地基節點網絡組成；高軌衛星網絡由布設在地球同步軌道的GEO衛星組成，低軌衛星網絡由低軌衛星構成極軌道星座，地基節點網絡由地面關口站等節點互聯形成，并與地面網絡互聯互通；提供全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信的服務能力，為全球海陸空天各類用戶提供網絡信息服務。低軌衛星網絡節點配置多種載荷，支持多種業務，主要可分為三大類：窄帶業務、寬帶業務和行業專用業務。其中窄帶業務包括傳統的語音、短消息、低速IP接入以及物聯網業務；寬帶業務支持中高速寬帶接入服務；行業專用業務包括AIS/VDES和ADS-B等。物聯網業務采用全新的技術體制，在分析對比現有技術的基礎上，充分考慮新一代網絡體系架構和未來的應用需求，進行了全新的設計。物聯網終端針對不同類型的應用設置了多種工作模式，除常規的天基物聯網的工作模式外，還包括快速響應模式等，以支持更多應用場景。

3應用現狀和需求

3.1衛星通信產業現狀。衛星產業鏈主要包含衛星制造、衛星發射、地面設備制造、衛星運營服務四大環節，其中衛星運營服務業和地面設備制造業是主要的組成部分，近十年來二者占比均為45%。而其中，衛星通信收入占衛星服務業收入的比重高達98.34%，且年增長率超過4%；衛星通信行業增長率略高于衛星產業總體增長水平，而遙感、衛星電視、衛星音頻廣播等行業年增長在-3%至-1.7%之間。上述市場數據表明，衛星通信應用的普及程度已經很高，因此通信服務收入和地面設備制造（主要是終端）已經成為衛星產業收入最主要的部分，同時，衛星通信應用仍然保持較高增長水平。衛星通信可劃分為3個主要業務類型：語音和窄帶業務、寬帶業務、物聯網業務。在衛星通信市場平均年增長率為4%的前提下，最近十年里，物聯網業務的年增長率遠高于平均增長率，年增長率超過10%，并趨于更高，衛星物聯網兩大運營商Inmarsat和Orbcomm的營業年報與此增長率相符。3.2需求和市場空間。物聯網用戶的需求近十年來持續增長，特別是一些行業用戶，物聯網終端需要工作在地面網絡無法覆蓋到的區域，對天基物聯網提出了迫切需求。其中需求最為突出的行業如下。（1）氣象水文地質監測：隨著環境監測和災害預警需求的提高，氣象、水文、地質監測終端數量越來越多，布設也更廣，氣象和地質監測的終端經常需要布設在無人區，水文和海洋監測需要全球投放浮標；這些終端大多數無法使用地面網絡，最佳方式是天基物聯網。（2）野生動物保護：在野生動物保護行業，實時追蹤一直是一大難題，陸地野生動物活動區域廣泛，且都在無人區，海洋動物和鳥類則可能全球活動，更為精確的動物實時追蹤手段，需要依賴天基物聯網。（3）交通運輸：交通運輸行業是對天基物聯網需求最為迫切的行業。在陸地交通方面，一方面是交通基礎設施監控，路、橋、隧道、邊坡數據點分布量大且廣，偏遠山區公路、橋梁等現有地面網絡無法覆蓋或自然災害高發的區域難以接入監測網絡；另一方面是車輛監控，隨著交通運輸業的發展和跨國道路運輸的增長，以及車輛實時精確監控、電子圍欄、駕駛員安全管理等技術的提高，對物聯網提出了更高的需求。在海洋方面，隨著智慧海洋、智能航行概念的提出和實用化，對天基寬帶網絡和天基物聯網都提出了更迫切的需求。物流行業屬于交通行業的一部分，其中，全球集裝箱位置跟蹤是對天基物聯網需求最大的場景。綜上所述，相關行業技術的發展、數字化信息化水平的提高，更加帶動和強化了對天基物聯網的需求。根據英國市場研究公司ABIResearch、美國北方天空研究所（NSR）等的調查和預測數據，到2024年預期將有2400萬臺設備通過衛星實現物聯網接入，由此產生的衛星物聯網產業鏈將得到進一步的完善與發展。

4技術需求和挑戰

天基物聯網彌補了地面物聯網的局限性，滿足了應用需求，因此得以快速發展。隨著天基物聯網的快速發展，應用領域也不斷拓展，對天基物聯網技術層面又提出了新的挑戰。天基物聯網與地面物聯網在技術上有很大差異，主要表現在通信距離遠、衛星覆蓋域廣等方面，相對于地面物聯網，天基物聯網面臨的技術需求和挑戰主要表現在以下幾個方面。4.1接入技術。按照物聯網協議架構，接入技術從屬于協議架構中的網絡層，是天基物聯網的核心技術之一。接入技術的實體包括衛星和終端，故技術需求與挑戰主要包括以下幾個方面。（1）海量接入：衛星覆蓋域遠遠大于地面網絡基站的覆蓋域，隨著天基物聯網應用規模不斷擴大，天基物聯網終端數量快速增長，網絡規模不斷擴大，在大容量并發信號的檢測分離技術方面，以及接入控制和協議方面，天基物聯網面臨的技術挑戰更為緊迫。（2）接入策略：由于終端應用本身的差別，對終端特性的側重點不同，可能對業務實時性要求很低、對終端低功耗要求很高，也可能相反或者折中，或者同一臺終端在不同時刻的場景下，需求會有變化。因此，在海量接入技術基礎上，從技術體制上還需要設計多種終端接入模式和策略，包括接收系統廣播、休眠機制等，以解決不同應用類型或不同應用場景下的接入需求。（3）天地一體的多模接入技術：天基物聯網接入有諸多優勢，但從資源合理利用、提高終端性能與降低功耗、提升可靠性、降低費用等多方面考慮，有效利用地面移動通信網絡和其他地面無線網絡仍然非常有必要，因此值得進一步研究。天地一體的多模接入技術包括具備多模接入能力的物聯網終端，也包括應用支撐層技術，即支持天地一體多模接入的物聯網信息匯聚與分發技術體制。（4）終端自組織網絡通信：終端間自組織網絡在物聯網概念上屬于感知延伸網，在傳統應用中，多個非獨立接入的物聯網終端通過感知延伸網，連接到物聯網接入網關，再通過物聯網接入網關間接接入傳輸網絡。在某些特定的應用場景中，獨立接入的終端仍然對終端間的自組織網絡有一定需求，一是在邊緣計算場景下對自組織網絡的需求；二是為提高終端可靠性，在傳輸發生故障情況下啟用終端自組織網絡通信，一個終端經由另一個終端中繼，接入傳輸網絡。（5）頻譜資源利用率：隨著地面移動通信和衛星通信的高速發展，頻譜資源緊張的局面進一步加劇，如何在有限的頻譜資源內獲得更大的系統容量，以及如何與地面系統共享頻譜資源，都是目前面臨的技術挑戰。（6）終端設計技術：一方面，天基物聯網的終端主要工作在難以維護的場景，其應用場景決定了終端在低功耗、免維護、環境適應性等方面，技術需求均高于地面物聯網終端；另一方面，隨著應用水平的不斷提高，地面物聯網采用的人工智能、邊緣計算等技術，將成為天基物聯網終端的技術需求。4.2網絡高層技術。按照物聯網協議架構，網絡高層技術仍然從屬于物聯網協議架構中的網絡層。網絡高層技術方面的需求主要包括以下幾個方面。（1）標準、互聯與融合：目前，天基互聯網處于各自發展的狀態，一方面由于頻率資源的限制；另一方面考慮與其他網系的互聯與網絡融合，都需要建立天基物聯網方面的標準框架。在天基物聯網技術不斷發展的形式下，保證系統兼容性，促進互聯與網間融合應用，是天基物聯網行業下一步發展的必經之路。（2）安全性：天基物聯網上下行信道均為無線信道，由于功率和帶寬有限，傳輸能力弱，傳輸協議通常采用輕量化協議，交互盡可能少，安全性相對不足。隨著越來越多的關鍵應用采用天基物聯網技術，如何在有效傳輸能力下提高安全性，是較為迫切的技術需求。4.3應用層技術應用層技術實際上涵蓋了兩個層面，一是應用層本身，二是概念上屬于網絡層的應用支撐層。因此技術需求也包括以下兩個方面。（1）應用層：應用層本身更多建立在地面網絡基礎上，在5G等地面技術不斷提高的形勢下，以及云計算、大數據、人工智能等技術的推動下，應用水平和需求也不斷提升，相應地對天基物聯網應用層的協議體制框架也提出了更高的要求。（2）應用支撐層：應用支撐層主要完成物聯網信息的匯聚與分發功能，應用支撐層一方面需要滿足應用層協議體制框架的要求，另一方面需要考慮天基網絡本身的發展演變，如GEO/LEO組合、多星座網系互聯與融合等。因此，應用層技術方面必須基于未來的發展需求，提出一個完整的、安全可信的、可伸縮裁剪的協議體制框架。

5發展趨勢和關鍵問題

5.1技術層面。衛星通信產業進入了高速發展的時期，其驅動力一方面來自市場應用需求，另一方面也來自自身技術的發展，更先進的衛星通信技術能夠支撐更先進的技術體制和更大的系統規模。發展趨勢主要表現在以下幾個方面。（1）低軌星座占比高：以往通信衛星主要部署在地球同步軌道，高度為36000km，低軌星座主要部署在高度為800～1500km的近地軌道。由于低軌星座傳輸時延和鏈路指標都更理想，不僅對寬帶傳輸有更好的支持，也更符合天基物聯網對鏈路質量和覆蓋特性的需求。同時，更密集的低軌星座衛星，使每顆衛星或每個波束的覆蓋域更小，這對于海量接入和安全性的技術挑戰也有一定緩解。目前全球新推出的計劃，均為中低軌星座并以低軌星座為主，包括O3b、OneWeb、Starlink等。（2）Ka高頻段物聯網：隨著信息技術的發展，邊緣計算能力在災害監測等天基物聯網應用場景中顯示出越來越強的必要性，物聯網終端在進行邊緣計算時對數據傳輸能力的要求比通常情況可能高幾個數量級，這就要求物聯網接入速率具有非常高的彈性，對傳統物聯網概念的窄帶特征也是一個沖擊。受限于頻譜資源和接入體制，目前天基物聯網使用L/S頻段并且技術體制上只能提供窄帶接入，考慮邊緣計算的高彈性帶寬應用需求，采用Ka頻段是技術途徑之一。天基物聯網接入采用Ka頻段，也是解決L/S頻段資源緊張的途徑。因此，Ka高頻段物聯網技術是未來的發展趨勢之一，相關關鍵技術值得研究儲備。（3）頻譜共享技術應用：提高頻譜利用率的技術是通信技術拓展的方向之一。隨著衛星通信系統和地面移動通信系統的快速發展，頻譜資源緊張的局面進一步加劇，并成為發展的主要瓶頸。如何共享頻譜、有效提高頻譜利用率，實現衛星波束和地面蜂窩小區的頻率復用，是地面移動通信和衛星通信共同面臨的問題，并得到了廣泛的關注和研究。部分研究工作將認知無線電技術等應用于衛星—地面通信網絡中，用以解決頻譜共享問題。（4）系統架構創新：天基物聯網廣泛深入的應用，帶來多方面技術的拓展。一是在新的天基物聯網技術體制方面，從空中接口到高層體系架構不斷發展，并與地面移動通信系統進一步融合，軟件定義網絡等技術融入天基物聯網體系架構，而不局限于傳統物聯網的技術特性，以提供更強的物聯網服務能力；二是在安全性方面，在系統架構發展的同時，安全性設計更多納入技術體制和協議框架之中；三是在應用層拓展方面，隨著人工智能和數據挖掘等技術發展，給物聯網應用層帶來巨大變革。物聯網應用水平的提高將推動物聯網技術進一步發展，這些發展潛力和趨勢，給技術研究工作拓展了新的領域和方向。5.2市場層面。與計算機、移動通信、互聯網技術的加速發展相似，物聯網技術也處在不斷加速的發展中。從物聯網領域看，天基物聯網是物聯網的重要分支之一，對于某些行業用戶的偏遠地區數據采集、全球跟蹤監控等應用，天基物聯網是最佳選擇。隨著信息化水平的提高，相關行業對物聯網應用越來越廣泛深入，對天基物聯網的需求也更加迫切。從衛星通信領域看，剛剛興起的天基物聯網已經成為衛星通信領域發展最快的一個分支，在目前衛星行業平均年增長率為4%的前提下，天基物聯網分支的年增長率已經超過10%。而根據世界清算銀行（BIS）研究公司《全球衛星機器對機器（M2M）和物聯網（IoT）網絡市場、2018-2023分析與預測》報告，全球衛星M2M和物聯網市場到2023年將達到321億美元，年復合增長率將達到32.58%，增長潛力仍然非常巨大。就像計算機、移動通信、互聯網帶來了電子商務、移動支付等社會生活方式巨大變革一樣，未來幾年天基物聯網的應用水平以及所帶來的深遠影響很可能超過現在的預計，而不僅僅是天基物聯網本身。市場層面發展趨勢和關鍵問題主要表現在以下幾個方面。（1）衛星部署數量快速增長：截至2019年9月，全球在軌衛星總數為2218顆，其中2017年和2018年新發射衛星數量都超過350顆，2019年前3季度衛星發射數已達250顆。目前全球計劃部署衛星星座公司近30家，衛星部署計劃高達2萬顆，預期在未來10年內，在軌衛星數量將提高10倍。（2）資源緊張加?。河捎谛l星移動通信和天基物聯網的市場空間，全球互聯網公司、初創公司等紛紛申請各自的衛星星座，搶占軌位和頻率資源，大量部署具備綜合服務能力的衛星，包括窄帶業務、寬帶業務、物聯網接入以及專用業務。因此，頻率資源緊張的局面日益加劇，相對來說頻譜資源比軌位資源更為緊張，特別是S/L頻段更為突出，該頻段除了各國衛星系統之間的激烈競爭外，地面系統也在進行激烈的使用權搶奪。ITU為了不使這些資源成為“紙面衛星”，規定申請者需要在一定年限內發射衛星，預計未來幾年內，具備穩定衛星制造和發射能力的公司能夠鎖定住更多的資源。（3）敏捷系統工程與超低成本控制：以Starlink星座為代表，建設過程采用一個多周期快速迭代過程，快速的決策、快速的原型開發和高效的驗證，及時發現問題、及時改進，根據最新的用戶需求、先進技術的發展，不斷更新優化，實現整體最優并極大降低技術和決策風險。通過非航天器件選用、衛星批量化生產與發射部署、可回收運載技術等，大幅降低系統成本，目前成本僅為OneWeb的46%，預期還能降低30%以上。

6結束語

天基物聯網有著廣泛的應用前景，近10年來處于加速發展中，并有著巨大的發展潛力。天基物聯網的戰略意義和巨大的市場空間吸引了各航天強國和有實力的公司在這個領域加緊布局，我國新一代的天地一體化信息網絡也正在緊張建設中。在此形勢下，應加快技術研發和系統建設，盡快申請軌位和頻率資源，確保軌位和頻率資源儲備。

作者:劉永健 李斌成 王妍哲 單位:1.中國電子科技集團公司第五十四研究所 2.電子科技大學格拉斯哥學院