利用蜂窝和卫星技术实现无缝全球覆盖

作者

ValerioCarta，蜂窝高级产品营销经理

物联网（IoT）应用形式多样，对带宽、移动性、功耗和使用寿命的要求也各不相同。人们通常认为，许多物联网应用都依赖蜂窝技术作为传输数据的主要渠道，因为蜂窝技术在大多数大洲都可用，而且经济实惠，这是蜂窝技术的两大优势。

尽管欧洲、北美和亚洲的人口覆盖率高达99%，但在这些大洲的广大地区却无法使用蜂窝连接。通常情况下，蜂窝技术对人口密度较低的山区或偏远地区的服务较差。在非洲和澳大利亚，城市和乡村的蜂窝网络覆盖良好，但在人口较少的地区，情况就大不相同了，那里的广大地区都没有蜂窝网络覆盖。

考虑到包括海洋在内的整个世界，我们可以估计蜂窝技术只覆盖了地球表面的10%。

我们遇到了一个全球性问题，尤其是对于那些需要无处不在的连接的物联网应用而言。典型的例子包括在全球各地旅行并需要监控的资产、车辆和货物，例如人们在欧洲吃到的来自拉丁美洲的甜芒果。对扩展连接的需求不仅限于移动应用。用于发电的风力涡轮机或太阳能电池板需要持续监控。这些基础设施通常位于偏远地区，如近海、山顶、乡村或沙漠。

通过卫星技术进行补充

迄今为止，上述物联网应用都是通过卫星技术对蜂窝技术进行补充，确保了全球通信的扩展。这得益于多个卫星星座和运营商为物联网提供连接、平台管理和其他定制服务。

虽然这些卫星解决方案可以为用户提供全球通信，但它们在两个主要层面上造成了成本不便。

目前，几乎所有的多模蜂窝和卫星解决方案都使用双核解决方案：一个用于蜂窝，一个用于卫星。每种方案都需要一个完全独立的硬件部分，并通过通信天线进行射频。

使用这种双核方法访问蜂窝和卫星物联网非地面网络（IoT-NTN）会大大增加解决方案的总体成本，因为硬件、认证和设备管理都会影响最终价格。事实上，多模蜂窝和卫星终端都是昂贵的设备，只有一小部分物联网用户负担得起。只有在特殊情况下，例如监控危险品、昂贵材料和战略基础设施时，才会对这种技术进行投资。

除了终端成本问题外，当前卫星物联网解决方案的另一个痛点是，每个卫星终端都是为与特定卫星网络配合运行而设计的。这意味着它们必须使用基于专有协议的定义明确且经运营商认可的硬件和软件。

因此，每当用户需要从一个卫星供应商转到另一个供应商时，就必须将所有卫星终端更换为与新供应商兼容的新系列。这一行动需要大量投资。

更佳的解决方案应运而生

由于存在上述接入障碍，卫星物联网的应用仅限于一小部分潜在的物联网用户。然而，随着新的3GPP第17版NTN标准的发布，这种情况即将改变。有了这项新的全球标准，许多以前无法使用卫星技术的物联网用户现在可以使用卫星技术了。

为满足对扩展蜂窝连接日益增长的需求，3GPP*对5G 新无线电（NR）、窄带物联网（NB-IoT）和面向机器类型通信的长期演进（LTE）（LTE-M）进行了调整，使其可在卫星链路上运行，分别称为NR-NTN和IoT-NTN。通过这些协议，现在可以以较低的成本进行卫星通信。

3GPP 第17版采用无需不同硬件组件的标准蜂窝通信协议（NB-IoT、LTE-M或5G NR），朝着将物联网蜂窝和卫星连接集成到统一系统的方向迈出了重要一步。

虽然条件已经具备（2022年推出了NTN规范），但生态系统的形成还需要时间。卫星供应商在提供全球全面覆盖、获得着陆权**以及在多个国家建立全面漫游协议方面还有很长的路要走。

如今，一些卫星运营商（如Skylo）已通过与地球静止轨道(GEO)卫星群所有者和地面蜂窝网络运营商达成协议，实现了覆盖整个大陆的强大运营能力。Skylo的IoT-NTN产品完全基于3GPP Rel 17 NB-IoT协议。

这并不是唯一的案例。其他卫星运营商，如OQ Technology或Sateliot，正在发射和扩展其低地轨道(LEO)星座，通过NB-IoT协议提供IoT-NTN连接。

主要优势

误差补偿

3GPP第17版对NB-IoT和LTE-M进行了修改，使其能够支持NTN。

卫星通信系统面临的主要挑战之一是如何管理卫星相对于地球的移动（即多普勒频移）造成的往返延迟和频率变化。3GPP解决方案通过要求用户设备(UE)在连接网络前调整服务链路延迟和频率变化来解决这一问题。

由于UE可以补偿往返延迟和多普勒频移，因此基站(gNB)可以保持其分配的频率。上行链路（UL）和下行链路（DL）通信的时间可以同步，模拟地面网络的运行。

这种新框架可以在地面网络和非地面网络之间进行切换，就像移动设备在国际旅行或在网络覆盖区域之间移动时可以在不同蜂窝网络之间漫游一样。

与地面网络相比，使用卫星通信很可能会增加每比特的成本，尽管其他因素可能有助于最大限度地降低总体成本。

性能相近，成本更低

蜂窝NTN的主要优势不在于数据速度或带宽。在性能方面，IoT-NTN或NR-NTN将与用户在现有卫星运营商处体验到的类似。

真正的好处是，卫星网络将成为地面蜂窝网络的延伸，使用相同的协议、路由程序、网络管理规则等。这样就可以使用普通蜂窝网络、低成本物联网设备连接到这两个网络。

虽然IoT-NTN蜂窝设备必须支持NTN专用的三个额外频段（B23、B255和B256），但额外成本不会对材料清单产生重大影响。符合NTN标准的卫星终端的成本将大大低于为连接现有卫星系统而设计的卫星设备。IoT-NTN设备的成本很可能与目前仅为地面蜂窝网络设计的标准物联网设备的成本相似。

消除成本障碍将促使业界采用与NTN兼容的物联网终端。这些设备可能并不经常需要接入卫星网络，但如果情况需要，它们将有能力这样做。

有些读者可能已经想到了在哪些情况下这可能是一个重大优势。考虑一下COVID-19大流行期间发生的情况，当时成千上万的集装箱在港口和仓库丢失。这导致了物资短缺，工厂无法对进货进行合理规划。但是，如果这些集装箱的跟踪系统能够接入卫星连接呢？

卫星漫游

如上所述，使用卫星通信的另一个障碍是需要对特定的卫星供应商做出承诺。更换卫星供应商需要更换整个卫星设备。采用新的标准化方法后，这不再是一个问题，物联网用户可以访问卫星网络，并从地面网络进行漫游。

假设一个跟踪应用从堪培拉前往珀斯，途经澳大利亚中部沙漠，那里没有蜂窝网络覆盖。假设物联网应用拥有一张支持NTN的本地SIM卡，那么物联网应用就可以从Telstra切换到与Telstra签订了漫游协议的NTN卫星运营商。这种切换将是无缝的，物联网用户无需采取任何措施进行管理，因为它将处于漫游模式。

第二种可能的情况是使用NTN卫星运营商提供的SIM卡对海上风力涡轮机进行物联网监控。在这种情况下，物联网设备将静态连接到指定的NTN卫星运营商。覆盖问题、费率和服务可能是用户考虑更换运营商的原因。抛开原因不谈，物联网用户只需将卫星运营商的SIM卡更换为其他供应商的SIM卡，或者在eSIM/iSIM具有远程SIM卡配置(RSP)功能的情况下更新SIM卡配置文件。

在这两种情况下，用户都不需要对提供商做出承诺，因为更换移动设备中的SIM卡会自动更换运营商。

未来前景

蜂窝NTN将促进地面和卫星系统融合为单一的标准化网络，从而彻底改变物联网生态系统。它将消除以往限制卫星物联网接入的障碍，如高昂的成本。

有了蜂窝NTN，卫星物联网接入将实现民主化。基于标准硬件的标准应用将能够按需使用。NTN用户将从庞大的物联网生态系统提供的规模经济中受益。我们可以预期终端成本将大幅下降，简化的设计将通过消除多个部件来降低外形尺寸。

我们不应期待带宽、数据传输速率或有效载荷等功能会发生重大变化。最初的每比特成本可能会高于蜂窝连接，但随着卫星生态系统的扩大，成本可能会降低。

目前，只有极少数NTN卫星运营商能够提供全球连接。卫星和蜂窝运营商之间的漫游协议还处于早期阶段，大多数低地轨道星座还没有达到提供连续服务所需的卫星密度。对基于地球同步轨道的非地轨道网络运营商来说，覆盖范围不是全球性的，而对基于低地轨道的运营商来说，连接是间歇性/周期性的。

NTN将与其他标准化技术走类似的道路。卫星物联网系统正在趋同，各星座将使用相同的协议，最终实现全球互操作性......。