淺談衛星物聯網的網絡架構和難題

研究背景

隨時萬物智聯時代的到來，大量設備需要接入無線網絡，以提供各種先進無線業務，如智慧交通、智慧工業、智慧醫療和智慧農業等。據預計到2025年，無線設備的數量將超過416億，到2030年將達到千億數量級。因此，3GPP將大規模物聯網作為5G三大應用場景之一。然而，大量設備分布在森林、海洋、山陵和沙漠等偏遠地區，目前并無有效無線覆蓋。因此，亟需研究以衛星作為接入點的衛星物聯網，實現全球無縫覆蓋，助力萬物智聯。

研究內容

本綜述旨在總結衛星物聯網的基礎理論、關鍵技術和典型應用。首先，給出衛星物聯網的網絡架構，重點揭示了物聯網業務的特點和需求。然后，分析了衛星物聯網存在的挑戰性問題，包括巨連接、廣覆蓋、高移動、低功耗、低時延等。針對這些問題，提出一些可行解決方案，特別是從接入和傳輸角度給出有效方案。最后，詳細探討了衛星物聯網的發展趨勢。

衛星物聯網的網絡架構和業務特點

圖1 低軌衛星物聯網的網絡架構

如圖1所示，衛星物聯網主要包括4個部分，即物聯網設備、信關站、接入網和核心網。物聯網設備主要是各類傳感器、攝像機和控制器等。信關站建立與衛星之間的饋電鏈路，進而實現與地面網絡的互聯互通。衛星物聯網的接入網一般由低軌衛星構成。低軌衛星軌道低，傳輸損耗和時延低，可以滿足大多數物聯網業務需求。衛星物聯網的核心網可以由高軌衛星組成，高軌衛星具有較強處理能力，并且容易通過星間鏈路實現全球覆蓋。對于簡易衛星物聯網，也可以直接通過信關站接入地面核心網。

衛星物聯網主要用于偏遠地區物聯服務，其與傳統面向人類通信的通信業務不同。衛星物聯網的業務有如下特點：

?偶發性：衛星物聯網業務由事件驅動，每個時隙只有10%~15%的設備有數據需要發送。 小數據：衛星物聯網業務數據量較小，一次只有幾十至上百比特。 大流量：由于物聯網設備數量極其龐大，這些設備將產生海量數據包。

異構性：衛星物聯網覆蓋區域廣、業務類型眾多，具有差異化極大的服務質量要求。

衛星物聯網面臨的挑戰

衛星物聯網是一類新型無線網絡，與地面網絡具有較大差異，在設計中存在如下挑戰性問題：

巨連接：衛星物聯網需要支持大規模設備接入。由于無線資源的有限性，傳統正交接入策略無法滿足大規模設備接入要求。 廣覆蓋：衛星物聯網的地面設備分布在極廣區域，并且這些區域無線傳播環境差異極大，傳統多波束技術很難實現有效無線覆蓋。 高移動：低軌衛星以極高速率移動，這一方面造成信道快速變化，很難獲得精確信道狀態信息，另一方面使得一顆衛星的服務時間很短，需要有效的移動性管理。 低功耗：衛星物聯網收發兩端都具有有限能量供應。因此，需要采用有效的低功耗技術實現高移動遠距離情況下的可靠通信。

?低時延：盡管采用低軌衛星作為接入點，衛星物聯網仍具有較大傳輸時延。進一步，如果采用傳統基于授權的接入策略，4次握手將導致極大的接入時延。

可行解決方案

針對衛星物聯網的特點和需求，我們需要設計有效方案提高系統的整體性能，滿足各種服務質量要求。由于接入和傳輸是衛星物聯網空口的核心技術，本綜述重點給出新型解決方案。 一、接入技術：傳統衛星網絡采用如圖2（a）所示的基于授權的隨機接入技術。在大連接情況下，基于授權的隨機接入技術具有接入時延高和失敗概率大的問題，因此需要采用如圖2（b）所示的免授權的隨機接入協議。所有激活設備在發送前導序列后，無需獲得衛星授權，直接發射數據信號，滿足了大規模設備的低時延接入要求。 ?

圖2（a）基于授權的隨機接入；（b）免授權隨機接入 ? 二、傳輸技術：傳統衛星網絡采用如圖3（a）所示的基于四色復用的多波束正交傳輸技術。在海量數據包傳輸情況下，基于四色復用的多波束正交傳輸技術具有頻譜效率低的問題，因此需要采用如圖3（b）所示的全頻譜復用的多波束技術，并且每個波束支持多個數據流的傳輸，即非正交傳輸，從而滿足海量數據包的傳輸需求。 ?

圖3（a）基于四色復用的多波束正交傳輸；（b）全頻率復用的多波束非正交傳輸

未來發展趨勢

衛星物聯網在不斷演進中，具有如下發展趨勢：

星地融合：衛星網絡和地面網絡各有優勢和特點，只有相互融合才能實現全球無縫覆蓋。 低軌合作：低軌衛星移動速度快，單星覆蓋能力弱，只有大量低軌衛星合作，組成低軌衛星星座，才能提供可靠的衛星物聯網服務。 高低軌協同：低軌衛星傳輸時延小，但是服務時間短，高軌衛星傳輸時延大，但是服務時間長。高低軌協同可以有效提高服務質量。 衛星物聯網與深空通信網絡融合：衛星物聯網和深空通信網絡的融合，可以進一步擴大衛星網絡的服務范圍，從地球向更大深空范圍擴展。 ?

作者貢獻

所有作者聯合設計論文研究架構，陳曉明負責實驗仿真和論文撰寫，徐兆斌和尚琳修改論文。

利益沖突聲明

陳曉明是FITEE期刊通訊專家，未參與該文同行評審過程。所有作者聲明無利益沖突。

引用信息

Chen XM, Xu ZB, Shang L, 2023. Satellite Internet of Things: challenges, solutions, and development trends.?Front Inform Technol Electron Eng, early access. https://doi.org/10.1631/FITEE.2200648

作者簡介

陳曉明，浙江大學信息與電子工程學院研究員、博士生導師、德國洪堡學者、日本學術振興會特邀研究員。研究領域為5G/6G關鍵技術、天地一體化信息網絡和無線人工智能。出版專著2部，發表論文100多篇，研究成果獲教育部自然科學獎、浙江省科技進步獎和德國貝塞爾研究獎。擔任IEEE Transactions on Communications等國內外期刊編委。

徐兆斌，浙江大學先進技術研究院和微小衛星研究中心副教授、碩士生導師。研究方向包括微納衛星總體設計、軟件無線電、衛星通信、星群通信及組網、高精度星間測量及導航。

尚琳，中國科學院微小衛星創新研究院副研究員、多媒體衛星總體主任設計師、導航衛星總體副主任設計師，研究方向包括衛星通信技術、衛星導航與定位技術、通信導航一體化和空間信息網絡。

編輯：黃飛

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