卫星物联网再次引发热议,原因在这里

中国电子报|2020-09-14 22:05:24
作者:齐旭 来源:中国电子报、电子信息产业网

日前,联发科宣布成功利用高轨卫星测试了NB-IoT卫星基站的数据传输能力,证明移动网络的技术应用在地球同步轨道卫星也能有效工作,这将为无处不在的全球物联网覆盖提供一种更具经济性的方式。一时间,卫星物联网再次引发热议。

世界银行数据显示,目前地面物联网(IoT)业务在陆地的覆盖率仅为20%,而海洋覆盖率则不到5%。在这些人迹罕至却又需要通信的区域,建设基站和铺设线路的难度大、成本高。这降低了实现“万物互联”的可能性。为突破地面基站覆盖范围的限制,近年来物联网向太空进军的势头开始增强。目前,国内外已有多家企业启动了卫星物联网计划,让卫星物联网市场绽放出了巨大的潜力。

卫星成助力“万物互联”关键一环

5G时代,万物互联当道。移动物联网的快速部署已经成为5G时代乃至未来的重要趋势。然而,物联网技术需要依靠基站等基础设施来完成区域的覆盖,而这种连续不间断的覆盖需要大量地投资基础设施建设。由于在岛屿、沙漠、海洋等人迹罕至的偏远地区安装基站和铺设光纤线路的难度大、成本高,目前地面蜂窝基站的陆地覆盖率约为20%,而海洋覆盖率则不到5%。

卫星物联网通信技术能够突破因地面基站所不能及而带来的物联网覆盖限制。因此,不受地理环境和气候环境影响,且具备全天候服务能力的卫星通信近年来常常获得业内的青睐。

中国航天科工集团行云工程总设计师刘萧磊对《中国电子报》记者表示,与卫星互联网相比,卫星物联网不追求传输速率。物联网连接的是人与物、物与物,且主要追求的是“广链接”,因此对速率没有过高要求。

根据全球多家咨询机构的预测情况,卫星物联网产业在未来全球物联网生态系统中表现出了巨大的发展潜力。从市场规模来看,美国权威卫星行业咨询公司NSR预测,2022年将有1亿至2亿台物联网设备有接入卫星的需求。麦肯锡公司预测,天基物联网的产值在2025年可达5600亿美元至8500亿美元。

从应用场景来看,农业管理、工程建筑、海上运输和能源行业将成为卫星物联网最重要的应用方向,能够对相关行业的发展模式产生重大影响。在农业应用方面,卫星物联网能够大面积收集农场的土壤成分、温度、湿度等数据。在工程应用方面,卫星物联网能够实现对偏远地区土木工程项目的远程监控。预计到2022年,该市场将以每年25%的增速达到34亿美元。在海运应用方面,卫星物联网能够全程跟踪海上船舶和集装箱,并提高货运的效率。在能源应用方面,卫星物联网可以监控天然气、石油和风能等能源在市场上下游的流动数据,以此得到投资回报比更高的解决方案。此外,水资源监控可以提高缺水地区的水资源利用率,而这也将促进缺水地区的可持续发展。

各国加紧布局卫星物联网计划

卫星物联网并不是新兴概念。自20世纪90年代末以来,以铱星(Iridium)、全球星(Globalstar)、轨道通信(Orbcomm)为代表的低轨移动星座均展开了各自的物联网计划,并持续推动了应用范围和深度的不断拓展。

近年来,随着商业航天领域的快速发展,可回收运载火箭、“一箭多星”等技术正在持续降低卫星发射的成本,因此利用小卫星及其先进的制造技术来推动流水线的批量生产已经成为行业标配。随着卫星研发和制造成本的不断下降,准入门槛正在进一步降低,而这能够帮助许多初创企业缩短建设周期、降低研制成本并实现快速组网。

轨道通信公司的Orbcomm-2是较早在轨运行的卫星物联网计划。该计划的18颗微型卫星在2012—2015年间全部完成了发射,目前已有数百万个卫星物联设备部署在工业物联网领域。天空和空间全球公司由英国、以色列和澳大利亚三国联合建立,该公司计划在2020年创建200颗由3u立方体星组成的大型星座,前三颗实验卫星已于2017年发射成功。欧盟Eutelsat公司初期部署的物联网星座由25颗卫星组成,第一批四颗卫星预计于2020年至2021年之间发射,入轨后将提供商业服务。

以中国航天科工的“行云工程”和中国航天科技的“鸿雁星座”为代表的低轨卫星物联网星座计划正在稳步推进。今年5月,中国航天科工集团的卫星物联网计划取得进展,“行云工程”的“行云二号”01星、02星两颗卫星全部发射成功。据悉,“行云工程”计划分三个阶段,由80颗低轨通信卫星组成的卫星物联网星座将在2023年前建成。这能够为极地环境监测、地质灾害监测、气象数据预报、海洋环境监测、海上运输通信等多个行业提供应用测试,并为后续卫星物联网的组网奠定基础,以实现真正的全球万物互联。

高、低轨联合提供卫星物联网新型解决方案

中国航天系统科学与工程研究员战略规划研究部咨询师刘洁在接受记者采访时指出,从轨道分布来看,GEO(高轨)、LEO(低轨)两种轨道配置均被用来提供物联网服务,且各具优势。从SpaceX、亚马逊、OneWeb等新入局的新兴初创企业的星座计划来看,低轨已成为卫星通信计划的“新赛道”。

低轨卫星在卫星通信计划中的优势明显。“低轨卫星传输的延迟更短、路径损耗更小,因此发射成本相对更低。”中国科学院国家空间科学中心空间频谱感知技术研究室副主任闫毅告诉记者。

目前,已有多家互联网企业和卫星运营商提出星座计划,并发射了多颗试验星和业务星以抢占蓝海市场。一时间,低轨空间变得拥挤不堪。根据赛迪顾问发布的《“新基建”之中国卫星互联网产业发展白皮书》,近地轨道可容纳约6万颗卫星。预计到2029年,地球近地轨道将部署约5.7万颗卫星,因此轨位空间将所剩无几。

基于此,高、低轨联合提供的卫星物联网解决方案将成未来卫星物联网发展的趋势之一,而高轨也将在星座计划中释放出更多的潜力和更大的市场空间。2019年8月,澳大利亚物联网企业Myriota与澳大利亚最大的GEO卫星运营商Optus合作,结合高低轨卫星的各自优势来服务于卫星物联网市场。

日前,联发科基于标准NB-IoT芯片开发出了支持卫星功能的设备。该设备通过国际海事卫星组织的Alphasat L波段卫星,已成功与商用GEO卫星建立了双向链路,实现了物联网业务的全球覆盖。国际海事卫星组织产品高级总监Jonathan Beavon先生介绍,此次试验表明,通过小幅修改即可让移动通信技术有效地应用于GEO卫星。这将为混合型全球物联网的覆盖提供一个极具成本效益的途径,同时也能释放出高轨卫星的更多应用价值。”

高、低轨共同发展物联网业务可以打造立体式的物联网服务模式,并为行业提供卫星物联网发展的新解决方案。

“天地一体化”服务仍有待探索

实现卫星和地面设备的互联会涉及地面通信和卫星通信等多种手段的结合,因此这种“天地一体化”的服务需要将二维地面网络与近地三维卫星通信网络进行融合与升级,以此打破通信基础设施由于空间分布不同而导致的业务、服务的隔阂。目前,虽然“天地一体”物联网服务的前景被广泛看好,但尚未形成真正成熟的商业模式。

在赛迪顾问物联网产业研究中心高级分析师刘暾看来,卫星物联网会更多地面向行业用户。卫星物联网具有传输覆盖广、不受地理环境限制、可靠性高等特性,将有望为行业客户提供更加优质的专网服务。然而,由于“天地一体化”网络涉及复杂的通信环境和多个通信系统,其节点比传统的物联网环境更加繁多和复杂。与此同时,由于多个通信系统的运营者不同,更多安全、可靠、高效的网络接口需要被设计出来,以此实现网络深度和安全的融合。这将给整个通信设备产业带来更多挑战。

赛迪智库无线电管理研究所副研究员周钰哲此前向记者表示,这种“天地一体化”网络需要攻克技术难题。要做到地面物联网信号和非地面网络信号的无感切换,一是要重新设计兼容的星地通信协议,比如优化通信系统间的切换流程;二是要考虑智能、高效的频率共享与干扰消除方法,以应对每条链路上不同的数据速率需求;三是要实现卫星等非地面通信设备小型化和轻量化设计,以此避免非地面通信网络的载荷限制。

此外,由于卫星与地面运营商之间的利益关系还有待协调,这种协议体制竞争存在着极大变数。刘洁指出,“天地一体化”的网络融合需要优化资源配置,并平衡好协议体制的竞争,从而更好地发挥作用。目前,国际通信卫星公司、欧洲卫星通信公司、天空完美日星公司等卫星运营服务商在融合服务方面已经进行多种尝试并积累了成功的经验,因此能够向用户提供融合天地通信网络资源的解决方案。

“天基和地基通信服务之间存在的激烈竞争会带来降价和利润率降低等问题。在优化资源配置之后,融合服务能够有效地避免这些问题。”刘洁说。

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