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天基物联网发展与应用关键问题探讨.docx
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强、涉及面广,极大提高了人类认知世界和处理复杂问题的能力,拓
天基物联网发展与应用关键问题探讨
展了信息技术和网络技术的应用,带动了诸多行业的变革与飞速发展。
天基物联网利用卫星通信网络的优势,通过卫星通信网络实现了全球
覆盖,弥补了地面通信网络覆盖能力有限的短板,提供了全球全天候
物联网接入服务,拓展了物联网更广泛的应用场景。从卫星通信领域
来看,天基物联网实现并迅速发展,已经成为卫星通信领域增长速度
最快的一个分支,有着非常广阔的发展前景。
摘要:分析天基物联网的优势和技术特点,并简述天基物联网系统
现状;调研卫星通信产业现状,并结合其他行业的发展、天基物联网适
用性以及用户需求增长点,从宏观产业角度分析天基物联网的市场现状
和发展趋势,并预测市场空间;分析天基物联网关键技术,按照接入技
术、网络高层、应用层 3 个层次讨论技术需求和面临的挑战;从技术层
面和市场层面分析天基物联网的发展前景,提出天基物联网发展与应用
中需要关注的关键问题与关键要素,并对天基物联网的发展建设提出建
议。
2 技术特点和现有系统
2.1 技术特点。物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、
全球定位系统等各种装置,实时采集信息,通过各类网络接入,实现
人、机、物的泛在连接,以及任何时间、任何地点对物品和过程的智
能化感知、识别、互动和管理。物联网是与现有信息网络无缝融合的、
基于标准和互操作通信协议的、具有自组织网络能力的、全球动态的
网络基础设施,是互联网基础上延伸和扩展的网络。物联网协议架构
关键词:天基物联网;物联网市场;物联网技术;卫星通信
1 引言
物联网(InternetofThings,IoT)的概念自 1999 年提出以来,经
过二十年来的发展,取得了广泛的应用,成为继计算机技术、移动通信
技术和互联网技术之后的又一次信息技术革命。物联网技术由于渗透性
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可分为 3 个层次:感知层、网络层、应用层,如图1 所示。其中,感知
(LongRangeRadio,LoRa)。这些 LPWAN 技术作为地面物联网专用的
技术体制,促进了物联网的快速发展。地球表面 70%的面积是海洋,
海洋没有地面通信网络覆盖;陆地也有相当多的区域没有网络覆盖,
我国 85%以上的陆地面积、95%以上的海洋面积没有地面通信网络覆盖。
大量的物联网应用如交通运输、航空、海洋开发、极地应用等均在陆
地无人区和海洋区域,这些应用都需要全球覆盖的通信网络来支持。
极地、海上以及陆地无人区等布设基站难度很大,而卫星通信网络全
球覆盖、对地形和距离不敏感,不受地理环境、气候条件的限制,因
此,最简单有效的方式就是采用卫星通信网络来提供物联网接入服务,
天基物联网成为必然选择。与地面物联网的发展相似,虽然卫星通信
系统已经发展得较为成熟,但现有的卫星通信系统仍然不能满足物联
网的应用需求。现有卫星通信系统所提供的服务类型主要针对传统的
通信业务,包括语音、短消息、低速 IP 接入和宽带接入。因此,专门
针对物联网接入服务的卫星通信系统或分系统开始兴起,如 Orbcomm
层主要由物联网终端实现,完成数据采集/控制和网络接入功能,也可
以由物联网接入网关、感知延伸网和物联网终端组成一个数据接入核心
网络之前的传感器网络;网络层包括现有的各种网络,如互联网、地面
移动通信网、卫星通信网以及 Wi-Fi、Zigbee 等,同时也包括物联网应
用支撑层,用来完成物联网信息分发功能;应用层利用数据为用户提供
特定的服务,如数据采集、系统监控等,为用户提供物联网应用。物联
网通常具有广域、海量连接、低功率、低带宽等特点,占较大比例的物
联网终端的工作特点是数量大、分布地域广、休眠时间长、单次数据传
输量小、有低功耗要求等,而现有网络技术体制不能完全支持这些技术
要求。因此,物联网对无线通信技术提出了新的需求,以海量连接、远
距离、低带宽、低功耗为特点的低功率广域网
(LowPowerWideAreaNetwork ,LPWAN)快速兴起,其中最有代表性的有
窄带物联网(NarrowBandInternetofThings ,NB-IoT)和远距离无线电
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(轨道通信)、Argos(高级研究与全球观测卫星)、Iridium-SBD、
法国国际空间研究中心与美国宇航局和海洋大气局核准的第一个全球
定位和数据采集系统,主要目标是研究和保护地球环境。该系统利用
低轨卫星传送各种环境监测数据,并对测量仪器的运载体进行定位,
为水文、气象监测仪器提供良好的通信服务,可对全球范围内的固定
和移动平台进行环境数据的采集、处理和分发,在气候变化监测、海
洋与气象监测、生物多样性保护、水资源监控、海上资源管理和保护
等领域得到了广泛的应用。Argos 系统由 6 颗极轨道卫星组成,轨道
高度 850km,轨道周期约为 100min,单颗卫星的横扫直径为 5000km 。
(3)Iridium-SBD:铱系统短脉冲数据。铱系统主要由 4 部分组成:
空间段、系统控制段(SystemControlSection,SCS)、用户段、关口
站段。其中空间段由分布在 6 个极地圆轨道面的 72 颗卫星(6 颗备用
卫星)组成,轨道高度 780km,星际链路速率 25Mbit/s。SBD
Inmarsat-D+等。这些系统或分系统采用专门针对物联网需求而设计的
技术体制,满足了天基物联网的迫切需求。2.2 现有系统概况。目前在
轨运行的物联网系统中,有新建设的专门针对物联网的卫星系统,也有
增加了物联网接入支持的在轨运行的系统,还有一些系统正在建设中,
比较有代表性的系统主要有以下几个。(1)Orbcomm 系统:美国的
Orbcomm 系统是一个专门针对窄带数据通信的低轨星座,向用户提供远
程数据采集、系统监控、车辆船舶跟踪定位等服务,在交通运输、油气
田、水利、环保等领域有大量应用。该系统 1997 年投入使用,目前已
经在 13 个国家建立了 16 个网关站,为 120 多个国家和地区提供服务。
Orbcomm 系统空间段包括 36 颗卫星,轨道高度 825km。系统内所有通信
均须经过网关站,卫星之间没有星际链路,采用存储转发模式工作。用
户链路工作在 VHF 频段,信号受雨雪影响小。用户与卫星之间上行链路
2.4kbit/s,下行链路 4.8kbit/s。(2)Argos 系统:Argos 系统是由
(ShortBurstData)系统包括现场应用模块、铱星传输单元、铱星星
座、铱星网关、互联网以及应用商应用模块。SBD 系统能够在现场设
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