作者

ValerioCarta，蜂窩高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用形式多樣，對(duì)帶寬、移動(dòng)性、功耗和使用壽命的要求也各不相同。人們通常認(rèn)為，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都依賴蜂窩技術(shù)作為傳輸數(shù)據(jù)的主要渠道，因?yàn)榉涓C技術(shù)在大多數(shù)大洲都可用，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，這是蜂窩技術(shù)的兩大優(yōu)勢(shì)。

盡管歐洲、北美和亞洲的人口覆蓋率高達(dá)99%，但在這些大洲的廣大地區(qū)卻無法使用蜂窩連接。通常情況下，蜂窩技術(shù)對(duì)人口密度較低的山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)的服務(wù)較差。在非洲和澳大利亞，城市和鄉(xiāng)村的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好，但在人口較少的地區(qū)，情況就大不相同了，那里的廣大地區(qū)都沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

考慮到包括海洋在內(nèi)的整個(gè)世界，我們可以估計(jì)蜂窩技術(shù)只覆蓋了地球表面的10%。

我們遇到了一個(gè)全球性問題，尤其是對(duì)于那些需要無處不在的連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言。典型的例子包括在全球各地旅行并需要監(jiān)控的資產(chǎn)、車輛和貨物，例如人們?cè)跉W洲吃到的來自拉丁美洲的甜芒果。對(duì)擴(kuò)展連接的需求不僅限于移動(dòng)應(yīng)用。用于發(fā)電的風(fēng)力渦輪機(jī)或太陽能電池板需要持續(xù)監(jiān)控。這些基礎(chǔ)設(shè)施通常位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，如近海、山頂、鄉(xiāng)村或沙漠。

通過衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充

迄今為止，上述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都是通過衛(wèi)星技術(shù)對(duì)蜂窩技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，確保了全球通信的擴(kuò)展。這得益于多個(gè)衛(wèi)星星座和運(yùn)營商為物聯(lián)網(wǎng)提供連接、平臺(tái)管理和其他定制服務(wù)。

雖然這些衛(wèi)星解決方案可以為用戶提供全球通信，但它們?cè)趦蓚€(gè)主要層面上造成了成本不便。

目前，幾乎所有的多模蜂窩和衛(wèi)星解決方案都使用雙核解決方案：一個(gè)用于蜂窩，一個(gè)用于衛(wèi)星。每種方案都需要一個(gè)完全獨(dú)立的硬件部分，并通過通信天線進(jìn)行射頻。

使用這種雙核方法訪問蜂窩和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)非地面網(wǎng)絡(luò)（IoT-NTN）會(huì)大大增加解決方案的總體成本，因?yàn)橛布?a target="_blank">認(rèn)證和設(shè)備管理都會(huì)影響最終價(jià)格。事實(shí)上，多模蜂窩和衛(wèi)星終端都是昂貴的設(shè)備，只有一小部分物聯(lián)網(wǎng)用戶負(fù)擔(dān)得起。只有在特殊情況下，例如監(jiān)控危險(xiǎn)品、昂貴材料和戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，才會(huì)對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行投資。

除了終端成本問題外，當(dāng)前衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)解決方案的另一個(gè)痛點(diǎn)是，每個(gè)衛(wèi)星終端都是為與特定衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)配合運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。這意味著它們必須使用基于專有協(xié)議的定義明確且經(jīng)運(yùn)營商認(rèn)可的硬件和軟件。

因此，每當(dāng)用戶需要從一個(gè)衛(wèi)星供應(yīng)商轉(zhuǎn)到另一個(gè)供應(yīng)商時(shí)，就必須將所有衛(wèi)星終端更換為與新供應(yīng)商兼容的新系列。這一行動(dòng)需要大量投資。

更佳的解決方案應(yīng)運(yùn)而生

由于存在上述接入障礙，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用僅限于一小部分潛在的物聯(lián)網(wǎng)用戶。然而，隨著新的3GPP第17版NTN標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，這種情況即將改變。有了這項(xiàng)新的全球標(biāo)準(zhǔn)，許多以前無法使用衛(wèi)星技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)用戶現(xiàn)在可以使用衛(wèi)星技術(shù)了。

為滿足對(duì)擴(kuò)展蜂窩連接日益增長的需求，3GPP*對(duì)5G 新無線電（NR）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）和面向機(jī)器類型通信的長期演進(jìn)（LTE）（LTE-M）進(jìn)行了調(diào)整，使其可在衛(wèi)星鏈路上運(yùn)行，分別稱為NR-NTN和IoT-NTN。通過這些協(xié)議，現(xiàn)在可以以較低的成本進(jìn)行衛(wèi)星通信。

3GPP 第17版采用無需不同硬件組件的標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信協(xié)議（NB-IoT、LTE-M或5G NR），朝著將物聯(lián)網(wǎng)蜂窩和衛(wèi)星連接集成到統(tǒng)一系統(tǒng)的方向邁出了重要一步。

雖然條件已經(jīng)具備（2022年推出了NTN規(guī)范），但生態(tài)系統(tǒng)的形成還需要時(shí)間。衛(wèi)星供應(yīng)商在提供全球全面覆蓋、獲得著陸權(quán)**以及在多個(gè)國家建立全面漫游協(xié)議方面還有很長的路要走。

如今，一些衛(wèi)星運(yùn)營商（如Skylo）已通過與地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星群所有者和地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商達(dá)成協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了覆蓋整個(gè)大陸的強(qiáng)大運(yùn)營能力。Skylo的IoT-NTN產(chǎn)品完全基于3GPP Rel 17 NB-IoT協(xié)議。

這并不是唯一的案例。其他衛(wèi)星運(yùn)營商，如OQ Technology或Sateliot，正在發(fā)射和擴(kuò)展其低地軌道(LEO)星座，通過NB-IoT協(xié)議提供IoT-NTN連接。

主要優(yōu)勢(shì)

誤差補(bǔ)償

3GPP第17版對(duì)NB-IoT和LTE-M進(jìn)行了修改，使其能夠支持NTN。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何管理衛(wèi)星相對(duì)于地球的移動(dòng)（即多普勒頻移）造成的往返延遲和頻率變化。3GPP解決方案通過要求用戶設(shè)備(UE)在連接網(wǎng)絡(luò)前調(diào)整服務(wù)鏈路延遲和頻率變化來解決這一問題。

由于UE可以補(bǔ)償往返延遲和多普勒頻移，因此基站(gNB)可以保持其分配的頻率。上行鏈路（UL）和下行鏈路（DL）通信的時(shí)間可以同步，模擬地面網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

這種新框架可以在地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換，就像移動(dòng)設(shè)備在國際旅行或在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)可以在不同蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間漫游一樣。

與地面網(wǎng)絡(luò)相比，使用衛(wèi)星通信很可能會(huì)增加每比特的成本，盡管其他因素可能有助于最大限度地降低總體成本。

性能相近，成本更低

蜂窩NTN的主要優(yōu)勢(shì)不在于數(shù)據(jù)速度或帶寬。在性能方面，IoT-NTN或NR-NTN將與用戶在現(xiàn)有衛(wèi)星運(yùn)營商處體驗(yàn)到的類似。

真正的好處是，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將成為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的延伸，使用相同的協(xié)議、路由程序、網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)則等。這樣就可以使用普通蜂窩網(wǎng)絡(luò)、低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

雖然IoT-NTN蜂窩設(shè)備必須支持NTN專用的三個(gè)額外頻段（B23、B255和B256），但額外成本不會(huì)對(duì)材料清單產(chǎn)生重大影響。符合NTN標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星終端的成本將大大低于為連接現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的衛(wèi)星設(shè)備。IoT-NTN設(shè)備的成本很可能與目前僅為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的成本相似。

消除成本障礙將促使業(yè)界采用與NTN兼容的物聯(lián)網(wǎng)終端。這些設(shè)備可能并不經(jīng)常需要接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，但如果情況需要，它們將有能力這樣做。

有些讀者可能已經(jīng)想到了在哪些情況下這可能是一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)。考慮一下COVID-19大流行期間發(fā)生的情況，當(dāng)時(shí)成千上萬的集裝箱在港口和倉庫丟失。這導(dǎo)致了物資短缺，工廠無法對(duì)進(jìn)貨進(jìn)行合理規(guī)劃。但是，如果這些集裝箱的跟蹤系統(tǒng)能夠接入衛(wèi)星連接呢？

衛(wèi)星漫游

如上所述，使用衛(wèi)星通信的另一個(gè)障礙是需要對(duì)特定的衛(wèi)星供應(yīng)商做出承諾。更換衛(wèi)星供應(yīng)商需要更換整個(gè)衛(wèi)星設(shè)備。采用新的標(biāo)準(zhǔn)化方法后，這不再是一個(gè)問題，物聯(lián)網(wǎng)用戶可以訪問衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并從地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行漫游。

假設(shè)一個(gè)跟蹤應(yīng)用從堪培拉前往珀斯，途經(jīng)澳大利亞中部沙漠，那里沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋。假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用擁有一張支持NTN的本地SIM卡，那么物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用就可以從Telstra切換到與Telstra簽訂了漫游協(xié)議的NTN衛(wèi)星運(yùn)營商。這種切換將是無縫的，物聯(lián)網(wǎng)用戶無需采取任何措施進(jìn)行管理，因?yàn)樗鼘⑻幱诼文Ｊ健?/p>

第二種可能的情況是使用NTN衛(wèi)星運(yùn)營商提供的SIM卡對(duì)海上風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。在這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將靜態(tài)連接到指定的NTN衛(wèi)星運(yùn)營商。覆蓋問題、費(fèi)率和服務(wù)可能是用戶考慮更換運(yùn)營商的原因。拋開原因不談，物聯(lián)網(wǎng)用戶只需將衛(wèi)星運(yùn)營商的SIM卡更換為其他供應(yīng)商的SIM卡，或者在eSIM/iSIM具有遠(yuǎn)程SIM卡配置(RSP)功能的情況下更新SIM卡配置文件。

在這兩種情況下，用戶都不需要對(duì)提供商做出承諾，因?yàn)楦鼡Q移動(dòng)設(shè)備中的SIM卡會(huì)自動(dòng)更換運(yùn)營商。

未來前景

蜂窩NTN將促進(jìn)地面和衛(wèi)星系統(tǒng)融合為單一的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)，從而徹底改變物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。它將消除以往限制衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入的障礙，如高昂的成本。

有了蜂窩NTN，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入將實(shí)現(xiàn)民主化。基于標(biāo)準(zhǔn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用將能夠按需使用。NTN用戶將從龐大的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)提供的規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受益。我們可以預(yù)期終端成本將大幅下降，簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)將通過消除多個(gè)部件來降低外形尺寸。

我們不應(yīng)期待帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率或有效載荷等功能會(huì)發(fā)生重大變化。最初的每比特成本可能會(huì)高于蜂窩連接，但隨著衛(wèi)星生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)大，成本可能會(huì)降低。

目前，只有極少數(shù)NTN衛(wèi)星運(yùn)營商能夠提供全球連接。衛(wèi)星和蜂窩運(yùn)營商之間的漫游協(xié)議還處于早期階段，大多數(shù)低地軌道星座還沒有達(dá)到提供連續(xù)服務(wù)所需的衛(wèi)星密度。對(duì)基于地球同步軌道的非地軌道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說，覆蓋范圍不是全球性的，而對(duì)基于低地軌道的運(yùn)營商來說，連接是間歇性/周期性的。

NTN將與其他標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)走類似的道路。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正在趨同，各星座將使用相同的協(xié)議，最終實(shí)現(xiàn)全球互操作性......。