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衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)做深大聯(lián)接助力千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型 文 | 石玉龍（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司北京市分公司） 近年來，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮推動下，全球物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用取得了越來越快的進展，基于衛(wèi)星通信的萬物互聯(lián)，開始走向了公眾視野。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要以Wi-Fi、藍牙、LoRa、Zigbee、NFC和Sigfox等通信技術(shù)為主，隨著蜂窩移動通信技術(shù)的普及，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也走向前臺，特別是在網(wǎng)絡(luò)覆蓋較為完善的我國。其中最具代表性的就是NB-IoT、LTE M，還有備受關(guān)注的5G。無論是基于逐步退網(wǎng)的2G、3G還是目前主流的4G、5G，現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)還主要是城市內(nèi)部的覆蓋，城市以外的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍是無人區(qū)。在城市的外圍，有山水林田湖草沙......從生態(tài)環(huán)境建設(shè)到自然災(zāi)害的應(yīng)急預警，從交通物流運輸?shù)侥茉磦魉偷难矙z監(jiān)控，從野外勘查探險到突發(fā)事件的搶險應(yīng)急等等，都缺乏網(wǎng)絡(luò)覆蓋，還有廣闊的海洋和天空也同樣缺乏網(wǎng)絡(luò)信號。
圖1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要承載技術(shù) 我們都知道，地球表面積的71%是寬廣的海洋，只有29%才是陸地。在陸地上，人類建設(shè)了那么多年的通信網(wǎng)絡(luò)，也只不過覆蓋了陸地面積的25%。而海洋上更是只覆蓋了5%。雖然我國的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)全球領(lǐng)先，但我國領(lǐng)土70%的山地、高原、丘陵、荒漠、森林等場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋還有很大欠缺。那么，問題來了。如果覆蓋率這么低，我們憑什么“互聯(lián)萬物”？在沒有地面通信系統(tǒng)信號覆蓋的地方，想要開展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，該怎么辦呢？
圖2通過地形特點分析衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢 這就是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的意義所在—借助衛(wèi)星的廣域覆蓋能力，彌補地面通信系統(tǒng)的不足，實現(xiàn)更廣闊的連接。 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；瘧?yīng)用，離不開網(wǎng)絡(luò)和終端兩個重要基礎(chǔ)。近年來，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進步很快。高通量衛(wèi)星（HTS，High Throughput Satellite，20-1000Gbps）的出現(xiàn)，還有低軌（LEO，Low Earth Orbit）衛(wèi)星星座的建設(shè)，大大提升了衛(wèi)星通信的速率、容量以及覆蓋。高通量衛(wèi)星的帶寬能力，比傳統(tǒng)衛(wèi)星（低通量，1-2Gbps以內(nèi)）多了幾倍甚至幾十倍。它采用了更高的通信頻段，更大的衛(wèi)星搭載平臺，更多的轉(zhuǎn)發(fā)器，更先進的天線技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為各個國家發(fā)展靜止軌道（GEO，Geostationary Orbit）衛(wèi)星的首選。
圖3衛(wèi)星軌道示意 在網(wǎng)絡(luò)層面，北京聯(lián)通按照市政府“南箭北星”的整體發(fā)展戰(zhàn)略，整合京北衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源，建成了全國唯一的高低軌融合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，承載4/5G基站的速率、時延、抖動三大指標均為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。其衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用從2020年6月6日完成我國首次低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合測試后，三年來陸續(xù)完成了5G專網(wǎng)與低軌衛(wèi)星協(xié)同應(yīng)用、高低軌衛(wèi)星融合通信、5G與衛(wèi)星編隊交互通信等前沿課題，5G與高低軌衛(wèi)星融合通信構(gòu)建了全球領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
圖4我國首次低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合測試記錄 在終端層面，北京聯(lián)通積極協(xié)調(diào)衛(wèi)星終端設(shè)備廠商進行技術(shù)攻關(guān)，針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展急需解決的大聯(lián)接問題，整合衛(wèi)星通信最新技術(shù)進展，確定衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的最優(yōu)方案，彌補地面通信系統(tǒng)的不足。 在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信中，終端站需要用一米左右，甚至更大口徑的天線指向衛(wèi)星才能建立衛(wèi)星通信鏈路。近年來，相控陣技術(shù)在5G和衛(wèi)星通信中海量應(yīng)用，其具有的響應(yīng)速度快、多波束掃描、掃描精度高等優(yōu)點特別適用于衛(wèi)星通信。尤其是以稀布陣、光控陣、數(shù)字陣、液晶陣為代表的低成本相控陣天線技術(shù)的逐步成熟，衛(wèi)星通信擺脫了傳統(tǒng)拋物面天線的束縛，在汽車、輪船、飛機、便攜終端等載體上方便布置，甚至實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星。針對高軌衛(wèi)星廣覆蓋和低軌衛(wèi)星大速率低延遲的技術(shù)特點，北京聯(lián)通分別進行了高低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驗證測試，協(xié)調(diào)廠家不斷打磨、完善產(chǎn)品方案，解決測試中發(fā)現(xiàn)的問題。經(jīng)多輪迭代、驗證測試，綜合考慮用戶體驗、產(chǎn)品性能和終端的便攜、能耗、成本等多方面因素后，最終在常用寬波束衛(wèi)星上實現(xiàn)用1張A4紙大小的動中通相控陣終端完成了物聯(lián)網(wǎng)全場景應(yīng)用驗證，真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的廣域覆蓋、隨遇接入、萬物互聯(lián)。
圖5北京聯(lián)通衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍
表1 北京聯(lián)通衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端主要指標 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用，經(jīng)充分溝通驗證確定了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)兩個主要方式，分別是終端直連衛(wèi)星和經(jīng)關(guān)口站連衛(wèi)星。 終端直連衛(wèi)星，顧名思義就是指每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都擁有自己的物聯(lián)網(wǎng)終端，并且直接與衛(wèi)星通信，適用于速率需求高、實時性要求高、對價格不敏感的用戶； 經(jīng)關(guān)口站連衛(wèi)星，就是指多個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享一套衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)關(guān)口站，此關(guān)口站也只是一張A4紙大小，經(jīng)過關(guān)口站轉(zhuǎn)發(fā)再連接衛(wèi)星，適用于速率需求低、實時性要求不高、特定區(qū)域內(nèi)已經(jīng)有物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的用戶?，F(xiàn)網(wǎng)絕大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都可以適配在這兩個場景中，實現(xiàn)了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的標準化。
圖6衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)兩種連接方式
智慧農(nóng)業(yè) 在位置較為偏僻，地面網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋差的農(nóng)場，部署衛(wèi)星物聯(lián)設(shè)備，采集農(nóng)場風速、風向、溫濕度、光照等參數(shù)，為農(nóng)業(yè)種植，農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖提供更精確的數(shù)據(jù)。 智慧農(nóng)業(yè)可以采用經(jīng)關(guān)口站連衛(wèi)星的方式解決廣域農(nóng)場覆蓋問題，農(nóng)場的環(huán)境監(jiān)測、智能控制等低速傳感器可將采集的信息匯總到衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)關(guān)口站，經(jīng)關(guān)口站連接衛(wèi)星實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。大量的現(xiàn)場管理工作都可以由物聯(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)，極大節(jié)省了人力物力成本，提高了管理效率。 智慧科研 野外科學研究依靠大量的傳感器，如監(jiān)測長白山林區(qū)野生動物、環(huán)境變化，因現(xiàn)場沒有網(wǎng)絡(luò)連接，相關(guān)數(shù)據(jù)、視頻采用移動硬盤本地存儲方式，預計數(shù)據(jù)存儲滿了再派人更換硬盤。這種方式?jīng)]有時效性，不能及時發(fā)現(xiàn)觀測目標動態(tài)，人員頻繁上站一方面增加了科研成本，另一方面也增加了人身傷害風險。且海量數(shù)據(jù)依靠人工后期分析，影響了科研進展。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)可以把重要監(jiān)控信息實時回傳，并能接受遠端控制，及時根據(jù)監(jiān)測目標動態(tài)調(diào)整監(jiān)控方案，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以上云端算力平臺實時處理，極大提升了科研效率。 智慧水利 全國有9.8萬多座水庫，10萬多座水閘，931萬處農(nóng)村供水工程，數(shù)量多、分布散，新技術(shù)可有效加強水利工程運行管理。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)助力智慧水利從拼體力到拼算力，防災(zāi)減災(zāi)調(diào)度更主動。水文監(jiān)測點捕捉數(shù)據(jù)。雨量自動觀測儀“緊盯”變動。雨勢化作持續(xù)更新的數(shù)字，顯示在雨水情遙測系統(tǒng)中。“過去靠人工測量、記錄、計算，一趟得個把小時，如今只需5分鐘，數(shù)據(jù)就能全部匯總。 結(jié)合大網(wǎng)資源實現(xiàn)水文自動化測報，數(shù)據(jù)跑在前面；自動預警平臺，為群眾轉(zhuǎn)移避險贏得時間……新技術(shù)的運用，不斷提升水旱災(zāi)害防御能力。契合水利部大力推進智慧水利建設(shè)，強化5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等與水利工作深度融合。 地質(zhì)監(jiān)測 我國地質(zhì)條件復雜，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，對人民生命和財產(chǎn)造成了不可估量的損失，較多地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域都在無信號覆蓋區(qū)且監(jiān)測環(huán)境惡劣，急需無人區(qū)覆蓋、低功耗、全天候不受天氣影響的衛(wèi)星通信手段，解決數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測問題。帶有衛(wèi)星通信能力的高性能地質(zhì)災(zāi)害預警、土壤地質(zhì)監(jiān)測、氣象環(huán)境監(jiān)測等采集設(shè)備， 將為西藏、江西、云南等地進行地質(zhì)監(jiān)測提供技術(shù)支撐，保證設(shè)備在惡劣天氣影響下仍可穩(wěn)定工作。 智慧物流 物聯(lián)網(wǎng)在交通物流中應(yīng)用廣泛，它的規(guī)?？梢孕〉杰囕v與人的通信，也可以大到監(jiān)控全球公司的運輸物流。可以采用多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來跟蹤貨物、優(yōu)化交付和運輸路線、降低與物流效率低下相關(guān)的成本。結(jié)合天氣預報和道路封閉等實時交通信息幫助運營順利進行。在物流的運輸、倉儲、包裝、裝卸搬運、流通加工、配送、信息服務(wù)等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)感知、全面分析、及時處理以及自我調(diào)整的功能。智慧物流的實現(xiàn)能大大地降低各相關(guān)行業(yè)運輸?shù)某杀?，提高運輸效率，增強企業(yè)利潤。 資產(chǎn)管理 企業(yè)都有自己的資產(chǎn)，需要對資產(chǎn)進行監(jiān)測和管理。有些企業(yè)的資產(chǎn)分布較廣，可能在偏遠地區(qū)（例如野外林區(qū)、戈壁地區(qū)的油田、深山里的水電站等）。采用人力前往巡查，會產(chǎn)生較大的成本。而傳統(tǒng)蜂窩基站覆蓋并不完善，特別是我國有很多跨國企業(yè)的境外機構(gòu)。這時候，就可以讓數(shù)據(jù)采集終端通過衛(wèi)星通信，及時上報企業(yè)資產(chǎn)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。 農(nóng)林應(yīng)用 現(xiàn)在很多農(nóng)林牧漁場景都是規(guī)?；\作，面臨著大面積、遠距離等問題，同時農(nóng)業(yè)場景對環(huán)境的要求也很高，需要實時對溫濕度、土壤成分等進行嚴格監(jiān)測。很明顯，矛盾產(chǎn)生了。人力所能采集到的數(shù)據(jù)不僅在準確性上有待考究，同時效率低、成本高。所以，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)成為了解決這個矛盾的新思路。在畜牧業(yè)場景，對大量的牲畜進行放牧，也可以借助衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，防止牲畜走失。野生動物保護、重要植被保護，道理也是一樣。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)可以大大提升保護效率，降低成本。 電網(wǎng)監(jiān)測 以國家電網(wǎng)川藏線為例，以前都是使用直升機及車輛進行川藏線特高壓電力塔巡檢工作，由于川藏線大部分區(qū)域都在海拔3000m以上，部分區(qū)域海拔4000-6000米，接近直升機飛行高度極限，稍微有溫度極具變化、強風、霜凍、暴雪等現(xiàn)象出現(xiàn)為直升機及地面人員巡檢帶來極大風險。大范圍的天氣預報在高原地區(qū)、尤其是埡口、山頂基本不具備參考性，而且危險地區(qū)基本沒有手機信號覆蓋，無法及時采集當?shù)匦畔ⅰ?/span> 此時就可通過衛(wèi)星回傳氣象信息，積累埡口風力、風向（具備湍流預警功能）、壓強、溫度、濕度及降雨數(shù)據(jù)，獲得氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為電力巡檢人員提供積累區(qū)域氣象數(shù)據(jù)，時刻掌握區(qū)域氣象信息動態(tài)。 海上應(yīng)用 海洋浮標、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、海產(chǎn)養(yǎng)殖等場景都可以廣泛應(yīng)用。通過追蹤洋流運動，測量海洋表層下面設(shè)定深度的平均海流和表層溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，利用通信衛(wèi)星傳輸北斗/GPS位置及溫度鹽度數(shù)據(jù)給地面監(jiān)控站。可應(yīng)用于海洋洋流研究、溢油等污染擴散追蹤、海洋漁業(yè)監(jiān)測、海洋搜救等領(lǐng)域。 升級優(yōu)化多源衛(wèi)星大數(shù)據(jù)處理、構(gòu)建基于船舶位置的大數(shù)據(jù)分析能力，融合人工智能、大數(shù)據(jù)計算等技術(shù)，提供面向航海保障的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，為海事安全監(jiān)管和支撐航運經(jīng)濟發(fā)展提供有效服務(wù)?？赏ㄟ^運用AIS、北斗定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，獲得證據(jù)并推算走私船舶運行位置，協(xié)助相關(guān)部門調(diào)取船舶航行數(shù)據(jù)，為打擊海上走私，越界等違法行為提供幫助。
圖7衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景 綜上所述，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)有如下優(yōu)點：
衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，是地面物聯(lián)網(wǎng)的強有力補充，在海上、空中、沙漠、山地、森林等特殊場景或地面基站建設(shè)困難的地方，使用衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)確實是一種很好的選擇。北京聯(lián)通適時推出低成本輕量化衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相控陣一體化終端，摒棄了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信俗稱“大鍋”的拋物面天線，不僅有形，更加有料，通信速率也獲得了一定提升，是低成本實現(xiàn)全國甚至更廣域覆蓋的不二之選，能夠高效助力千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。  參考文獻 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1762764095583532030&wfr=spider&for=pc 南箭北星. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1764738961905373794&wfr=spider&for=pc 我國首次低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合測試.《數(shù)字通信世界》2020年8月《衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測試及應(yīng)用前景展望》 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)點. https://www.zhihu.com/question/551831099/answer/2829441308?utm_id=0 高通量衛(wèi)星. https://baike.baidu.com/item/高通量衛(wèi)星 低軌衛(wèi)星. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1759239623814537546&wfr=spider&for=pc 相控陣. https://zhuanlan.zhihu.com/p/110407274 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景. https://zhuanlan.zhihu.com/p/560576926 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)點. https://zhuanlan.zhihu.com/p/395669703 |
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