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利用卫星通信支持全球物联网部署

电子工程专辑 · 公众号 · · 2024-12-29 09:28

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早在2011年，思科就发布了一份物联网发展报告——“物联网：下一次互联网革命将如何改变世界”。该报告(后来被广泛引用)预测2020年与互联网连接的设备将达到500亿台。

思科是如何为一项刚处于起步阶段的技术计算出这样一个数字的呢?这确是一个大胆的数字!其实计算方法也很简单，即以全球76亿人口和平均每人6.58台联网设备为基础。

如今物联网的发展方式，已超出当年所有人的想象，物联网设备的设计方法亦是如此。IoT Analytics公司最近发布的一份研究报告预测，2023年期间，物联网中活跃的联网终端数量将达到167亿个。尽管该数字与思科的预测还相差甚远，但却以高达16%的增长率高速增长着。

无线连接的灵活性和便利性

无论是何种物联网设备，最关键的要求可能都是连通性，而使用成熟的无线协议可以实现高度可靠、灵活和经济高效的通信。连通性的其他关键因素包括通信频率和传输的数据量，这些都取决于具体应用。另外，并非所有物联网设备都需要始终保持连接，有许多设备、尤其是电池供电的传感器和资产跟踪器，只需定期通信就可以了。

在需要广泛地理覆盖的应用中，以及在其他通信技术不可靠或不可用的部署中，卫星连接正迅速得到普及。据IoT Analytics估计，在2022至2027年间，与蜂窝、Wi-Fi、蓝牙以及LPWAN协议相比，卫星物联网终端连接将以25%的复合年增长率增长，设备数将达到2200万台。

卫星连接将提供全球覆盖

Astrocast公司(瑞士)主要提供物联网连接服务和硬件模块，并运营着一个正在不断扩大的瑞士超小型卫星网络，其每颗卫星重约5千克，卫星位于低地球(LEO)太阳同步轨道和赤道轨道。该公司通过已在轨的冗余超小型卫星，来保证服务的可靠性。除了提供卫星网络服务外，公司还提供采用定制低功耗芯片组实现的L波段(1～2GHz)调制解调器模块。

其首席执行官Fabien Jordan在接受电子工程专辑采访时表示，“在超小型卫星上使用价格低廉的COTS组件是新太空革命的主要推动力”，能够为物联网连接提供极具成本效益的超小型卫星网络。

Fabien Jordan，Astrocast首席执行官

Fabien Jordan表示，“建立一个可靠的并能提供市场所需安全级别和经济性的[卫星物联网]网络，将非常具有挑战性。物联网行业对成本非常敏感，因此必须提供一个能有效服务市场的系统。坦白讲，已经有很多公司失败了，但我们取得了成功。这是因为我们掌握了系统的全要素，而不仅仅是卫星。”

“成功的一个关键因素是采用了垂直整合方法，”他补充道，“我们从头到尾控制系统，使用的地面站网络是唯一没有被集成到基础设施中的部分。由于没建设地面站，反而带来更多的灵活性，让我们能根据客户不同需求和处理延迟，对覆盖区域进行适配调整。”

COTS元件助力太空革命

过去二十年来，卫星产业发生了巨大变化。随着更小型卫星(特别是纳米星和立方星)的日益普及，大大降低了元件成本，鼓励人们使用现成的商业 (COTS) 组件，并通过成本分摊来大幅降低卫星发射成本。成本的降低为初创企业打开了市场。

Jordan指出，“在超小型卫星上采用价格低廉的COTS组件，是新太空革命的主要推动力。使用成本更低、功耗更小的技术，再加上健壮的冗余方法，使这些小型卫星平台非常可靠，能在低地球轨道稳定运行五年以上。”

“与地球同步赤道轨道(GEO)的卫星相比，低地轨道卫星只要寿命在五年左右，就可以避免使用专门的抗辐射加固组件。”Jordan补充道，“我认为，与之前依赖抗辐射加固组件的太空技术相比，这是一个巨大的转变，因为抗辐射加固技术所实现的卫星体积要大10倍以上。此外，供应商也开始调整他们的产品，现在提供的是耐辐射部件，而不是更昂贵的抗辐射加固产品。”

“关键在于成本。我们的卫星成本为20万美元，而大型地球同步轨道卫星的成本则高达数百万美元，”Jordan介绍道。

包罗万象的物联网协议?

鉴于物联网应用案例的多样性，实际上，没有任何一种无线协议或技术能满足所有需求。通信范围、带宽、数据成本、技术实现、功率预算和延迟等，都是选择协议时需要考虑的主要因素。

还有许多应用，例如资产跟踪，需要采用混合的多协议方法。比如，一家Astrocast客户所设计的一款集装箱运输跟踪设备中，就集成了蜂窝、蓝牙、Wi-Fi和卫星通信等多种协议，可根据资产的位置在协议之间无缝切换。Jordan指出，“卫星服务是在没有其他网络可用的情况下使用的，是地面网络的有效补充，因此许多客户都采用了这种方式。”

针对在实现卫星物联网连接时，嵌入式开发人员是否会遇到什么特定挑战?Jordan回答说：“从设备制造商的角度来看，卫星物联网与其他类型的地面物联网并无太大区别，都有一个调制解调器、一根天线和一些通常的射频电路模组。一般来说，人们都能很好地理解卫星物联网技术，而且已看到不少客户都能自如地使用这项技术。”

Jordan透露，“Astrocast做了大量的工作来收集文档和软件示例并提供给用户，故用户甚至无需技术支持就可以完成所有工作。”

卫星物联网不同于地面无线连接的一个方面就是天线的部署。“由于需要与卫星保持视距通信，射频方面的一些问题就变得比较复杂，所出现的问题往往与天线集成有关”，Jordan表示，“虽然复杂，但许多客户仍需要卫星连接，这是因为他们本就没有其他可用的连接方式，而且他们的资产通常位于室外。比如海运和农业应用(如牲畜跟踪)，这些客户对卫星物联网有着很好的理解。”

作者：Robert Huntley

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