01

研究背景

隨時萬物智聯(lián)時代的到來，大量設(shè)備需要接入無線網(wǎng)絡(luò)，以提供各種先進(jìn)無線業(yè)務(wù)，如智慧交通、智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療和智慧農(nóng)業(yè)等。據(jù)預(yù)計(jì)到2025年，無線設(shè)備的數(shù)量將超過416億，到2030年將達(dá)到千億數(shù)量級。因此，3GPP將大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)作為5G三大應(yīng)用場景之一。然而，大量設(shè)備分布在森林、海洋、山陵和沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)，目前并無有效無線覆蓋。因此，亟需研究以衛(wèi)星作為接入點(diǎn)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，助力萬物智聯(lián)。

02

研究內(nèi)容

本綜述旨在總結(jié)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用。首先，給出衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，重點(diǎn)揭示了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和需求。然后，分析了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)存在的挑戰(zhàn)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(xì)探討了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

03

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)

圖1 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)主要包括4個部分，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、信關(guān)站、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要是各類傳感器、攝像機(jī)和控制器等。信關(guān)站建立與衛(wèi)星之間的饋電鏈路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的接入網(wǎng)一般由低軌衛(wèi)星構(gòu)成。低軌衛(wèi)星軌道低，傳輸損耗和時延低，可以滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)可以由高軌衛(wèi)星組成，高軌衛(wèi)星具有較強(qiáng)處理能力，并且容易通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。對于簡易衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，也可以直接通過信關(guān)站接入地面核心網(wǎng)。

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)主要用于偏遠(yuǎn)地區(qū)物聯(lián)服務(wù)，其與傳統(tǒng)面向人類通信的通信業(yè)務(wù)不同。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)有如下特點(diǎn)：

?偶發(fā)性：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)由事件驅(qū)動，每個時隙只有10%~15%的設(shè)備有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。 小數(shù)據(jù)：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較小，一次只有幾十至上百比特。 大流量：由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量極其龐大，這些設(shè)備將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)包。

異構(gòu)性：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)覆蓋區(qū)域廣、業(yè)務(wù)類型眾多，具有差異化極大的服務(wù)質(zhì)量要求。

04

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是一類新型無線網(wǎng)絡(luò)，與地面網(wǎng)絡(luò)具有較大差異，在設(shè)計(jì)中存在如下挑戰(zhàn)性問題：

巨連接：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需要支持大規(guī)模設(shè)備接入。由于無線資源的有限性，傳統(tǒng)正交接入策略無法滿足大規(guī)模設(shè)備接入要求。 廣覆蓋：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的地面設(shè)備分布在極廣區(qū)域，并且這些區(qū)域無線傳播環(huán)境差異極大，傳統(tǒng)多波束技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)有效無線覆蓋。 高移動：低軌衛(wèi)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(tài)信息，另一方面使得一顆衛(wèi)星的服務(wù)時間很短，需要有效的移動性管理。 低功耗：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)兩端都具有有限能量供應(yīng)。因此，需要采用有效的低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)高移動遠(yuǎn)距離情況下的可靠通信。

?低時延：盡管采用低軌衛(wèi)星作為接入點(diǎn)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)仍具有較大傳輸時延。進(jìn)一步，如果采用傳統(tǒng)基于授權(quán)的接入策略，4次握手將導(dǎo)致極大的接入時延。

05

可行解決方案

針對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)和需求，我們需要設(shè)計(jì)有效方案提高系統(tǒng)的整體性能，滿足各種服務(wù)質(zhì)量要求。由于接入和傳輸是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)空口的核心技術(shù)，本綜述重點(diǎn)給出新型解決方案。 一、接入技術(shù)：傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用如圖2（a）所示的基于授權(quán)的隨機(jī)接入技術(shù)。在大連接情況下，基于授權(quán)的隨機(jī)接入技術(shù)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(quán)的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。所有激活設(shè)備在發(fā)送前導(dǎo)序列后，無需獲得衛(wèi)星授權(quán)，直接發(fā)射數(shù)據(jù)信號，滿足了大規(guī)模設(shè)備的低時延接入要求。 ?

圖2（a）基于授權(quán)的隨機(jī)接入；（b）免授權(quán)隨機(jī)接入 ? 二、 傳輸技術(shù)：傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用如圖3（a）所示的基于四色復(fù)用的多波束正交傳輸技術(shù)。在海量數(shù)據(jù)包傳輸情況下，基于四色復(fù)用的多波束正交傳輸技術(shù)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(fù)用的多波束技術(shù)，并且每個波束支持多個數(shù)據(jù)流的傳輸，即非正交傳輸，從而滿足海量數(shù)據(jù)包的傳輸需求。 ?

圖3（a）基于四色復(fù)用的多波束正交傳輸；（b）全頻率復(fù)用的多波束非正交傳輸

06

未來發(fā)展趨勢

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在不斷演進(jìn)中，具有如下發(fā)展趨勢：

星地融合：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)各有優(yōu)勢和特點(diǎn)，只有相互融合才能實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。 低軌合作：低軌衛(wèi)星移動速度快，單星覆蓋能力弱，只有大量低軌衛(wèi)星合作，組成低軌衛(wèi)星星座，才能提供可靠的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。 高低軌協(xié)同：低軌衛(wèi)星傳輸時延小，但是服務(wù)時間短，高軌衛(wèi)星傳輸時延大，但是服務(wù)時間長。高低軌協(xié)同可以有效提高服務(wù)質(zhì)量。 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)與深空通信網(wǎng)絡(luò)融合：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)和深空通信網(wǎng)絡(luò)的融合，可以進(jìn)一步擴(kuò)大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)范圍，從地球向更大深空范圍擴(kuò)展。 ?

作者貢獻(xiàn)

所有作者聯(lián)合設(shè)計(jì)論文研究架構(gòu)，陳曉明負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)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(xué)信息與電子工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師、德國洪堡學(xué)者、日本學(xué)術(shù)振興會特邀研究員。研究領(lǐng)域?yàn)?G/6G關(guān)鍵技術(shù)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)和無線人工智能。出版專著2部，發(fā)表論文100多篇，研究成果獲教育部自然科學(xué)獎、浙江省科技進(jìn)步獎和德國貝塞爾研究獎。擔(dān)任IEEE Transactions on Communications等國內(nèi)外期刊編委。

徐兆斌，浙江大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院和微小衛(wèi)星研究中心副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向包括微納衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、軟件無線電、衛(wèi)星通信、星群通信及組網(wǎng)、高精度星間測量及導(dǎo)航。

尚琳，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副研究員、多媒體衛(wèi)星總體主任設(shè)計(jì)師、導(dǎo)航衛(wèi)星總體副主任設(shè)計(jì)師，研究方向包括衛(wèi)星通信技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)、通信導(dǎo)航一體化和空間信息網(wǎng)絡(luò)。

編輯：黃飛

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