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从北斗短报文、LoRa和NB-IoT谈卫星物联网的通信技术

发布时间:2021-12-28作者来源:金航标浏览:446

4月14日孟非和他的伙伴又一次上船,沿着浑黄的长江口东行。船长连导航也不需要,毕竟为了海上的那个“伙计”已经跑了无数趟。远远看去,一个浮桶,一个浮标,就像一对连体人在一起浮沉。



五五世纪 抛锚,起捞,检查,更换电池板,连接电脑,拷贝数据,密封盖盖上,放下浮标,起锚…经过一连串作业,孟非顺利的完成任务返航。



为了获取浮标数据,孟非及其同事每隔一段时间就会重复上述繁琐的步骤。但是既然浮标上有天线,可以进行无线通信,为什么还要费那么大费周折,跑那么远来到浮标身旁拷贝数据呢?


原来,九段沙保护区(多像一块肝)距离公网基站至少8公里,2G信号时断时续,4G信号基本没有。浮标当初的设计只有蜂窝网络通信,这下就只能通过巡检时才能下载到浮标上各种传感器感知的数据。



传统的地面物联网通讯大多是基于是蜂窝网络、蓝牙、WIFI等,但是2G基站的覆盖半径的约为5-10公里,3G基站的覆盖半径约为2-5公里,4G基站的覆盖半径约为1-3公里,蓝牙和WIFI的覆盖范围最大也就几百米,这就导致了地面物联网无法实现全球覆盖


但是卫星通信凭借广覆盖优势可实现全球无缝覆盖,从而极大拓展地面物联网的业务范围。相比于地面物联网,低轨卫星具有覆盖范围广,链路容量大,顽存性强等优势,相比于传统的高轨道卫星,低轨卫星又有低损耗、低时延、广覆盖、大数量级等优势,是实现卫星物联网全球覆盖的最佳方式。


低轨卫星低轨卫星


五五世纪 在低轨卫星物联网中,终端负责采集数据,上传至卫星,卫星负责路由与转发,卫星转发至地面网,由信关站与主控站负责数据业务处理、用户接入管理、资源调度等。卫星接入海量数据,根据业务类型,部分数据需要卫星实时把数据传回地面,卫星间设计有星间链路,卫星主要负责路由及中继终端与地面段之间的信息传输。

低轨卫星网络架构图


五五世纪 卫星物联网的通讯手段也如地面物联网一般,千姿百态。例如广为人知的北斗卫星,不仅可以实现定位功能,更是可以使用短报文来实现通讯;同时LORA、NB-IOT等技术在卫星通信领域也大放异彩。下面让我们来具体了解以上三种技术是如何应用在卫星物联网领域的吧!



 01 北斗短报文卫星通信



北斗系统采用了RNSS和RDSS双模结构体制,不但具有GPS的导航、定位和授时功能,同时还提供RDSS双向短报文信息服务,也就是卫星通信的功能是全球首个在定位、授时之外集报文通信为一体的卫星导航系统,这一点是其他三大卫星导航系统(美国的GPS,欧洲的Galileo和俄罗斯的GLONASS)所不具备的,这也是北斗系统的核心优势。


五五世纪 这是一段Argo剖面浮标的原始数据:

五五世纪 internal ID number 0433

五五世纪 transmission ID number 404434

五五世纪 transmission type BEIDOU

五五世纪 positioning system BEIDOU

五五世纪 WMO ID number 2902758

start time [dd mm yyyy hh mm (Z)] 21 03 2021 02 17

launch time [dd mm yyyy hh mm (Z)] 21 03 2021 02 53

launch position [lat latm lon lonm] 16. 11.64 90. 13.98

delay of first down time [hours] 0.5

down time [days] 4.583

五五世纪 up time [hours] 10

五五世纪 transmission repetition rate [sec] 75

五五世纪 clock drift [hours/hours] 0.


其数据传输方式采用的是北斗短报文卫星通信,五分钟传一次报文,每次628位约44个汉字,已经可以解决非实时小数据应用场景的传输问题。



 02 基于LORA的卫星通信



五五世纪 2013 年,Semtech 公司宣布研制出 LoRa 芯片,该芯片接收灵敏度高,较之前最高工艺水平的 Sub-GHz 芯片相比,该芯片可改善接收灵敏度 20dB 以上,一节 5 号电池可供终端工作10 年以上,功耗极低。


为推动 LoRa 技术的发展,2015 年,由 Cisco、IBM、Semtech 等公司联合成立非盈利组织--LoRa 联盟,该联盟规范了 LoRaWAN 协议,很快,LoRa 在物联网、智慧工业、智慧城市等场景下得到广泛使用。目前,全球已有超过 100 个部署 LoRa 的国家。2018 年 2 月,在 TTN(The Things Network)大会上,接收机捕捉到从低轨卫星传来的LoRa信号,这是证明 LoRa 可在卫星物联网下应用的里程碑事件。


从NORSAT2卫星回传的LoRa信号捕捉


在国内,LoRa 应用也日渐广泛。2016 年,在 LoRa 联盟支持下,由中兴发起的中国 LoRa 应用联盟(CLAA)成立了,CLAA 希望以开放共享的心态,联合物联网内各家公司,共建LoRa 技术生态,推进 LoRa 产业链在中国更好的应用与发展。


随着2018年“杭州·云栖大会”期间,阿里云获得了LoRa芯片IP授权一事,国内LoRa芯片供应商多元化的市场形态逐渐被打开,一定程度上对于LoRa行业的发展起到了促进作用。



由于LoRaWAN标准的开放性和灵活性,中国已成为LoRa产业生态最大的市场,国内已有上千家公司的业务与LoRa相关。其中,中兴通讯、阿里巴巴、腾讯、中国联通、贵州广电、铁塔公司等重量级玩家的加入,对中国LoRa产业的发展和壮大,其重要性是不言而喻的。


 03 基于NB-IoT的卫星通信



五五世纪 NB-IoT一个新的扩展方向是向天基物联网发展,即通过卫星提供全球无处不在的 NB-IoT 网络,这样不论身处海洋还是深山中,都可以实现物联网连接。


NB-IOT优势分析(资料来源:前瞻产业研究院整理)


美国Skylo Technologies 为全球物联网用户提供泛在连接服务,其中一个亮点是于 2020 年夏季推出基于卫星的全球化 NB-IoT 网络,一 NB-IoT 网络旨在为移动性设备提供服务,主要应用于农业、交通、航海、应急等领域。Skylo 公司成立于 2017 年,并于当年年底获得三家机构 1300 万美元的 A 轮融资,其中一家机构是谷歌前 CEO Eric Schmidt 的风投公司;近期,该公司又获得了软银领投的 1.03 亿美元的 B 轮投资。


Skylo 公司基于卫星的 NB-IoT 网络是采用地球同步通信卫星连接 Skylo 部署在地球上的网关,网络运行频段除了专门的同步卫星通信业务频段外,也运行在 3GPP 所定义的频段上。这是一个双向通信的网络,除了网关将数据回传给卫星外,由于专有的天线技术,卫星无需额外设备也可以将数据反馈至网关。其中,那些网关是 8*8 英寸的盒子,一般安装在渔船、火车车厢以及其他场景设备上,网关盒子作为收发器,收集本地传感器数据,并通过卫星网络将数据传输至云端平台。



目前已有大量卫星通信的方案,但卫星通信一般成本很高,而这张 NB-IoT 网络成本并不高。根据 Skylo 公司所述,该网络连接成本比现有卫星通信方案节约 95%的成本。具体来说,该网络连接资费大约为每个用户每月 1 美元,硬件成本低于 100 美元。Skylo 公司的卫星 NB-IoT 网络首先在印度提供服务,首家客户是印度铁路公司,印度铁路公司将在其车厢安装 Skylo 的网关,使用 Skylo 的 NB-IoT 网络。


根据 GSMA 发布的数据,截止 2021 年 2 月,全球已有 103 张商用 NB-IoT 网络。在全球主流运营商都部署 NB-IoT 网络的同时,基于卫星的 NB-IoT 网络正在践行着“连接未连接物”的使命,一方面对运营商蜂窝网络形成补充,另一方面在一定程度上也和蜂窝网络形成竞争。


五五世纪 实际上,Skylo 并非独家提供卫星 NB-IoT 的厂商,美国另一家物联网公司 Ligado Networks 表示其准备在 1500MHz-1700MHz 频段上使用 NB-IoT 标准建设一个卫星网络;卢森堡一家名为 OQ Technology 的公司已经在一些商业卫星上测试软件定义无线电(SDR)的 NB-IoT 无线接入。


除此之外,我们也看到近年来大量初创公司均推出廉价的低轨卫星物联网方案,国内也有数家民营卫星公司推动卫星物联网进展,当然国内还未出现基于卫星的 NB-IoT 网络。



 04 总结



近年来,物联网已经深入到人们工作和生活的方方面面,智能家居、智能网关、智能驾驶、智慧城市等无处不存在它的身影。然而,物联网所描绘的“万物互联”的世界,仅仅依靠地面的通信网络无法做到,此外现今的全球物联网中,60%是需要广域低功耗窄带技术的终端,需要借助卫星通信架构的物联网来实现连接。


低轨卫星具有轨道高度低、覆盖范围广、信号衰减小等优点,是实现卫星物联网的最佳选择,低轨卫星物联网非常适合短数据、偏远或者远距离移动物体的监测、跟踪、传感器数据采集等应用场景,是解决“万物互联”的极佳路径。


“Kinghelm”商标由金航标公司原始注册,金航标是GPS天线北斗天线研发生产直销厂家,在北斗GPS导航定位行业非常高的知名度和美誉度,研发生产产品广泛应用于bds卫星导航定位无线通信等领域。主要产品包括:RJ45-RJ45网络,网络接口连接器、射频连接器转接线、同轴线缆连接器、type-c连接器、hdmi接口type-c接口、排针排母、SMA、fpc、FFC天线连接器、天线信号传输防水接头、hdmi接口、usb连接器、端子端子线、端子板接线端子、接线端子排、射频rfid标签、定位导航天线、通讯天线天线连接线、胶棒天线吸盘天线、433天线4G天线,GPS模块天线等。广泛应用于航天航空、通信、军工、仪器仪表和安防、医疗等行业。


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