一文看懂卫星物联网系统体系架构，发展态势及主要障碍｜智联先知 一期一会
近年来，随着“一箭多星”、火箭回收利用等关键技术的突破，极大地降低了发射成本，并增加了有效荷载，提升了卫星发射的整机经济效益。此外，随着现代移动通信和电子元器件等技术的飞速发展，卫星的设计研制也呈现出小型化的发展态势，促使卫星的研制成本大幅降低，生产周期大幅缩短。
发射成本和卫星制造门槛的日益降低，为更多的商业卫星应用探索创造了可能性。在此背景下，通信卫星系统悄然复苏， 并受到诸多互联网、通信、航天航空等巨头企业的青睐。
在已经冻结的3GPP R17标准中，引入了非地面网络（non-terrestrial network，NTN），将卫星通信网作为地面网络的必要补充。其中，除了提供用于卫星通话的5G NR NTN标准规范外，R17还提供了支持NB-IoT和eMTC等物联网技术与NTN融合的标准规范。
业内人士普遍认为，相较手机终端，卫星物联网相关的应用场景更为丰富多样，能满足更多细分场景下设备的通信需求。因此，相比于NR-NTN，支撑物联网的IoT-NTN标准进展更快，IoT-NTN的商用成熟度也更高。
此外，空天地一体网络也是6G核心方向之一，被ITU列为6G七大关键网络需求之一。卫星物联网是空天地一体网络的重要组成，通过利用卫星平台为物联网设备提供通信服务，能够弥补地面蜂窝网络在覆盖范围、灾难恢复、紧急通信等方面的不足，与地面蜂窝网络优势互补、深度融合，共同形成空天地一体的异构网络架构。
此前，物联网智库已经发表了多篇文章讨论卫星物联网的发展状况及相关技术。这篇文章中，我们将就之前文章中涉及较少的卫星物联网的架构、发展前景及通信企业在该领域的布局等话题展开讨论，以期围绕卫星物联网相关的讨论拼图更加完整。
本文为智次方・物联网智库中国AIoT产业年会暨2024年智能产业前瞻洞察大典活动预热专栏「智联先知 一期一会」的第三期内容——【卫星物联网的技术架构及其发展前景】。
什么是卫星物联网的概念、体系架构？ 为什么当前卫星物联网正处于高速发展期？往后的发展趋势将会如何？ 通信相关厂商围绕卫星物联网进行了哪些积极布局？ 卫星物联网仍然存在的技术难题有哪些？
卫星物联网的定义及优势
本质上，卫星物联网就是利用卫星通信网络和各种传感器，实现空天地一体化的人、物连接和信息交互，并通过对信息的分析和处理，实现对更大范围的物理世界的管理、控制和决策。
根据科技论文《天基物联网: 基本概念、体系架构及发展趋势》的描述，我们可以将卫星物联网定义为：以卫星通信为信息传输的主要方式，按照空天地一体化信息网络的标准通信协议，利用卫星通信传感器和地面通信网络不便于连接的其它传感器等信息感知装置，获取物体信息，并通过多种网络接入技术，将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种互联互通操作的信息网络。
相比于传统物联网，卫星物联网的优势体现为：
覆盖范围广，可以实现全球覆盖。卫星的覆盖范围半径高达上千千米，多颗卫星组成的星座可以满足全球覆盖需求。同时，地面传感器的布设突破地域空间的约束，可任意部署，在卫星覆盖区域内，也易于向大范围运动目标（飞机、舰船等）提供无间断的网络连接等。
受天气、地理条件影响小，可全天时不间断工作。由于卫星位于高空，地面的地形条件和天气情况对它的影响相对较小，系统可实现全天时全天候不间断地工作。
抗毁性强，提高系统可靠性。当发生地震、洪涝、台风等自然灾害时，地面通信网很有可能遭受破坏，无法提供服务，而利用卫星通信手段依然可以提供正常的物联网通信服务，为灾区提供紧急通信及救援服务。
系统容量大，可支持海量连接。卫星的可用频带很宽，加之现阶段被广泛采用的多波束星载天线技术，提高了系统容量，可支持海量终端连接需求。
卫星物联网的系统体系架构
根据技术体系架构，可将卫星物联网的系统体系架构从物理空间和功能组成上分为空间段、地面段和用户段。
空间段
空间段是卫星物联网相比于传统物联网，在物理表现形式上的最大不同。空间段分布了位于大气层外不同轨道平面和高度的通信、导航、遥感等卫星以及位于大气层内邻近空间的飞艇等。这些卫星和飞艇上搭载了各类传感器和通信、路由等设备，形成互联互通的空间网络。
地面段
卫星物联网的地面段主要包括分布于地面或距离地表较近的信息采集设备及其他传感器、地面部署的数据传输网络以及地面数据处理站网。卫星物联网地面段的设备或传感器因各种原因需要通过卫星网络进行接入和数据传输。这些设备或传感器有空中飞行的民航客机、海上航行的舰船搭载的传感设备、海面上的浮标、野外战场中布设的环境传感器等。这些地面或地表附近的信息采集设备和传感器与空间段中的卫星传感器共同构成了卫星物联网的立体感知网络。
用户段
卫星物联网的用户段就是广泛分布于天、空、地、海的各个角落的用户终端。
天空用户包括各类航天飞行器和临近空间飞行器中搭载的用户终端。航天飞行器在空中的正常运行和任务执行均需要卫星物联网提供功能支撑。空中用户主要包括各种航空飞行器，如民航客机、军用飞机、无人机等飞行器以及这些飞行器上搭载的乘客、设备等均需要通过卫星物联网获取通信服务。
地面用户是卫星物联网占比最大、数量最多的用户群体。第一类是不便于通过地面网络接入的用户，如位于荒漠、山区、丛林、野外的旅客、居民、士兵等。第二类是政府部门、行业用户等，如国土资源部门需要利用卫星物联网对国土资源进行周期性的测绘，气象部门需要利用卫星物联网对气候变化情况进行及时的监测。
海洋是卫星物联网应用的重要场景，地球约80%的面积都被海洋覆盖，而在海洋上的信息传输基本只能依靠卫星通信实现。各类舰船等海上运载工具搭载的设备和乘客均是卫星物联网的用户。海面上的浮标、海岛上的灯塔等也可通过卫星物联网实现信息的传输。
卫星物联网体系架构（引自《天基物联网: 基本概念、体系架构及发展趋势》）
卫星物联网的发展前景
一个规模可观的卫星物联网市场正在加速崛起。在消费电子巨头苹果和华为的双重推动下，手机直连卫星业务得到重视，进入发展高速期。以消费需求为牵引，有望加大卫星通信技术的研发和探索，加快大规模低轨卫星互联网的建设，推动卫星物联网行业快速发展。
从卫星厂商、手机厂商、芯片厂商再到通信运营商，整个卫星物联网生态的发展正在全面加速。综合Omdia、ABI Research、麦肯锡等机构数据，预计到2025年，卫星物联网产值可达5600亿美元至8500亿美元。而根据信通院预测，到2027年全球卫星通信终端市场规模将达到109亿美元。
根据Berg Insight数据，2021年全球卫星物联网用户群为390万，预计2026年达到2120万，复合年增长率为40.3%。
通信企业的布局
目前，不少通信相关企业已经开始在卫星物联网领域展开部署。
智次方·物联网智库就行业发展现状及前景相关的一些问题，对芯片设计公司紫光展锐进行了采访。
对于卫星物联芯片行业的发展方面，他们在回复中提到，从芯片公司的角度看，技术预研和产品应用的落地两个环节都至关重要。紫光展锐在5G NTN标准化研究、业务验证和产品开发上一直在持续发力，通过充分的测试验证，尝试将5G NTN技术扩展至更丰富的终端平台，进而推动终端成本的降低与性能的提升。
截至今年初，紫光展锐已经完成全球首次L频段、S频段5G NTN技术上星验证；产品开发方面，紫光展锐在今年 7 月份推出了首款5G NTN卫星通信芯片V8821，单芯片平台上集成了基带、射频、电源管理、存储等通信设备常用功能。
此外，紫光展锐也表示，他们已经启动了6G基础研究、核心关键技术攻关和标准化工作。在推进IoT NTN技术创新和产品商用落地的同时，紫光展锐已针对旨在提供更高连接速率的NR-NTN和NR-ATG（地空通信）技术进行深入研究，进一步挖掘技术演进与应用的价值空间，以推动空天地一体化网络商业化进展。
通过公开渠道，我们也获知了其它一些企业的相关动作。
2023 年年初，移远通信宣布面向物联网行业应用推出了CC200A-LB卫星通信模组。这一产品主要针对那些蜂窝网络无法覆盖的偏远区域，为其提供可靠的全球无线网络覆盖和连接，应用在海事、运输、重型设备、农业、采矿以及石油和天然气监测等场景下。
2023年 6 月份，高通推出了高通®212S调制解调器和高通®9205S调制解调器两款支持卫星通信功能的调制解调器芯片。符合3GPP R17标准，支持地球同步轨道（GSO）卫星的卫星通信，能够在全球范围实现连接，并提供便捷的终端设置和定位功能，赋能需要独立非地面网络连接或NTN与地面网络混合连接的离网工业用例。
在 2023 年 6 月底的MWCSH 2023上海世界移动通信大会上，美格智能展示了其支持5G NB IoT、Cat.M和双向卫星链路的新一代智能定位终端（Tracker）解决方案。并且宣称，正在积极推进产品进入卫星物联网市场，拓展模组应用领域。其正在研发的SLM156S模组支持Cat-M/NB2及IoT-NTN通信，集成了UART、USB等多个工业标准接口和丰富网络协议，可为各类物联网终端提供覆盖全球的网络连接。
需要克服的难点
尽管发展前景很美好，我们也要意识到，卫星物联网尚处于技术研究期，仍存在许多的技术难点待攻克。针对卫星物联网发展面临的困境，紫光展锐在回复中提到了以下几点：
我国存量卫星数量较小，且基本是同步卫星，新建卫星速度需要加快。
目前产业生态不够丰富，终端芯片厂商与设备厂商比较集中，运营及商业模式尚在探索当中。
在工程实践方面存在一些难题，例如，通信场景丰富、模型复杂、规模测试难度大；卫星通信与地面通信体系迥异、互通难度大，融合运营挑战大。
由非陆地平台的特点所带来的通信技术难点，例如，传播时延变化快，多普勒频偏大，大传播时延，大路径损耗等。
卫星通信体制选择方面还存在争议和不确定性。
在未来的产业发展上，紫光展锐提到，卫星物联网的发展仍需产业各方加强生态合作，从基础科学研究和技术创新验证到基础设施建设，再到包括卫星服务供应商、设备商、芯片公司、终端厂家等在通信技术、元器件、通信设备、通信网络等方面的投入与成果转化，均应在标准、技术、业务运营方面促进创新链和产业链的融合，推动万物互联的天地一体化立体网络构建。
在技术发展上，紫光展锐认为，在未来，卫星物联网与地面蜂窝网络的协同和融合将主要从空口、频率、架构等三个方面进行。在空口方面，以5G通信技术为基础，充分考虑卫星传输和地面传输的差异性，形成统一融合的空口协议设计，满足地面通信与卫星通信的联合需求；在频率方面，进行星地频率融合和高效互补，提高两张网络的联合频谱利用效率；在架构方面，接入网、承载网、核心网的网元功能在卫星和地面之间进行柔性分割和智能重构，通过对星地资源统一调度和控制，实现网络全局优化和资源绿色集约。
卫星物联网与地面蜂窝网络融合通信的应用场景非常多。比如在物流配送领域，便捷而发达的物流网络，既是现代生产生活的重要组成，也是边远地区新农村建设的重要支撑。通过星地融合双模终端，在城镇区域进行地面蜂窝通信，在边远地区进行卫星物联网通信，实现运输车辆及货物状态的全球无缝回传和远程控制，助力物流后一公里建设。在电力输送领域，输电线路既分布在城镇农村，也分布山区、戈壁等边远地区。星地融合物联网终端，可通过地面网络和卫星物联网，实现电力线路参数的全域无缝常态化监控。
写在最后
伴随低轨卫星数量的增多和通信技术的进步，“天网”正在成为地面网络的有力补充，覆盖通信连接的最后一公里。在此背景下，卫星物联网正如火箭般蓄势待发，我们似乎已经看到了它腾飞的火光，听到了它破空的隆隆声。
站在起跑线上，各路玩家也早已摩拳擦掌。从芯片、模组企业，到终端厂商，再到运营商，无不敏锐地洞察着卫星物联网的发展动向，伺机而动，他们将携手推动这艘巨轮驶向广袤的太空海洋。
与此同时，我们也要看到，尽管新大陆充满了诱惑，航程本身却依旧任重道远。技术难点仍需克服，生态链亟待完善……在这条通往远方的道路上，卫星物联网还需要坚实的步伐，稳健的节奏，以及所有的行业志士们汇聚起的磅礴之力。
但我们相信，只要循着技术的指引，由万物互联的星辰大海，我们终将会抵达。
参考文献：
《天基物联网: 基本概念、体系架构及发展趋势》，电讯技术
《低轨卫星物联网的发展背景、业务特点和技术挑战》，电信科学
《2020 年卫星物联网行业发展和卫星互联市场分析报告》，重磅数据
《卫星物联网生态建设全面加速，如何抓住机遇？》，美格智能
《突发，高通与铱星终止手机直连卫星项目合作，“捅破天”技术路线将走向统一？》，物联网智库
《华为Mate60Pro也带不动？卫星通信发展不及预期！但还有解法》，物联网智库
《卫星通信牵引物联网竞争升维，模组厂商如何决胜百亿市场？》，物联网智库
《Satellite Internet ofThings: challenges, solutions, and development trends》，Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering
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