浅谈卫星物联网的网络架构和难题

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研究背景

随时万物智联时代的到来，大量设备需要接入无线网络，以提供各种先进无线业务，如智慧交通、智慧工业、智慧医疗和智慧农业等。据预计到2025年，无线设备的数量将超过416亿，到2030年将达到千亿数量级。因此，3GPP将大规模物联网作为5G三大应用场景之一。然而，大量设备分布在森林、海洋、山陵和沙漠等偏远地区，目前并无有效无线覆盖。因此，亟需研究以卫星作为接入点的卫星物联网，实现全球无缝覆盖，助力万物智联。

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研究内容

本综述旨在总结卫星物联网的基础理论、关键技术和典型应用。首先，给出卫星物联网的网络架构，重点揭示了物联网业务的特点和需求。然后，分析了卫星物联网存在的挑战性问题，包括巨连接、广覆盖、高移动、低功耗、低时延等。针对这些问题，提出一些可行解决方案，特别是从接入和传输角度给出有效方案。最后，详细探讨了卫星物联网的发展趋势。

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卫星物联网的网络架构和业务特点

图1 低轨卫星物联网的网络架构

如图1所示，卫星物联网主要包括4个部分，即物联网设备、信关站、接入网和核心网。物联网设备主要是各类传感器、摄像机和控制器等。信关站建立与卫星之间的馈电链路，进而实现与地面网络的互联互通。卫星物联网的接入网一般由低轨卫星构成。低轨卫星轨道低，传输损耗和时延低，可以满足大多数物联网业务需求。卫星物联网的核心网可以由高轨卫星组成，高轨卫星具有较强处理能力，并且容易通过星间链路实现全球覆盖。对于简易卫星物联网，也可以直接通过信关站接入地面核心网。

卫星物联网主要用于偏远地区物联服务，其与传统面向人类通信的通信业务不同。卫星物联网的业务有如下特点：

 偶发性：卫星物联网业务由事件驱动，每个时隙只有10%~15%的设备有数据需要发送。 小数据：卫星物联网业务数据量较小，一次只有几十至上百比特。 大流量：由于物联网设备数量极其庞大，这些设备将产生海量数据包。

异构性：卫星物联网覆盖区域广、业务类型众多，具有差异化极大的服务质量要求。

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卫星物联网面临的挑战

卫星物联网是一类新型无线网络，与地面网络具有较大差异，在设计中存在如下挑战性问题：

巨连接：卫星物联网需要支持大规模设备接入。由于无线资源的有限性，传统正交接入策略无法满足大规模设备接入要求。 广覆盖：卫星物联网的地面设备分布在极广区域，并且这些区域无线传播环境差异极大，传统多波束技术很难实现有效无线覆盖。 高移动：低轨卫星以极高速率移动，这一方面造成信道快速变化，很难获得精确信道状态信息，另一方面使得一颗卫星的服务时间很短，需要有效的移动性管理。 低功耗：卫星物联网收发两端都具有有限能量供应。因此，需要采用有效的低功耗技术实现高移动远距离情况下的可靠通信。

 低时延：尽管采用低轨卫星作为接入点，卫星物联网仍具有较大传输时延。进一步，如果采用传统基于授权的接入策略，4次握手将导致极大的接入时延。

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可行解决方案

针对卫星物联网的特点和需求，我们需要设计有效方案提高系统的整体性能，满足各种服务质量要求。由于接入和传输是卫星物联网空口的核心技术，本综述重点给出新型解决方案。 一、接入技术：传统卫星网络采用如图2（a）所示的基于授权的随机接入技术。在大连接情况下，基于授权的随机接入技术具有接入时延高和失败概率大的问题，因此需要采用如图2（b）所示的免授权的随机接入协议。所有激活设备在发送前导序列后，无需获得卫星授权，直接发射数据信号，满足了大规模设备的低时延接入要求。  

图2（a）基于授权的随机接入；（b）免授权随机接入   二、 传输技术：传统卫星网络采用如图3（a）所示的基于四色复用的多波束正交传输技术。在海量数据包传输情况下，基于四色复用的多波束正交传输技术具有频谱效率低的问题，因此需要采用如图3（b）所示的全频谱复用的多波束技术，并且每个波束支持多个数据流的传输，即非正交传输，从而满足海量数据包的传输需求。  

图3（a）基于四色复用的多波束正交传输；（b）全频率复用的多波束非正交传输

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未来发展趋势

卫星物联网在不断演进中，具有如下发展趋势：

星地融合：卫星网络和地面网络各有优势和特点，只有相互融合才能实现全球无缝覆盖。 低轨合作：低轨卫星移动速度快，单星覆盖能力弱，只有大量低轨卫星合作，组成低轨卫星星座，才能提供可靠的卫星物联网服务。 高低轨协同：低轨卫星传输时延小，但是服务时间短，高轨卫星传输时延大，但是服务时间长。高低轨协同可以有效提高服务质量。 卫星物联网与深空通信网络融合：卫星物联网和深空通信网络的融合，可以进一步扩大卫星网络的服务范围，从地球向更大深空范围扩展。  

作者贡献

所有作者联合设计论文研究架构，陈晓明负责实验仿真和论文撰写，徐兆斌和尚琳修改论文。

利益冲突声明

陈晓明是FITEE期刊通讯专家，未参与该文同行评审过程。所有作者声明无利益冲突。

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

作者简介

陈晓明，浙江大学信息与电子工程学院研究员、博士生导师、德国洪堡学者、日本学术振兴会特邀研究员。研究领域为5G/6G关键技术、天地一体化信息网络和无线人工智能。出版专著2部，发表论文100多篇，研究成果获教育部自然科学奖、浙江省科技进步奖和德国贝塞尔研究奖。担任IEEE Transactions on Communications等国内外期刊编委。

徐兆斌，浙江大学先进技术研究院和微小卫星研究中心副教授、硕士生导师。研究方向包括微纳卫星总体设计、软件无线电、卫星通信、星群通信及组网、高精度星间测量及导航。

尚琳，中国科学院微小卫星创新研究院副研究员、多媒体卫星总体主任设计师、导航卫星总体副主任设计师，研究方向包括卫星通信技术、卫星导航与定位技术、通信导航一体化和空间信息网络。

编辑：黄飞