天基網路在物聯網中的應用研究

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概述

物聯網從1999年提出至今，已經形成了完整的概念，根據國際電信聯盟定義，物聯網是解決物品與物品、人與物品、人與人之間的互聯互通的網路。目前依託地面網路的物聯網應用逐漸發展成熟，但在一些大範圍、跨地域、惡劣環境等數據收集的領域，由於空間、環境等限制，地面物聯網無能為力，出現了服務能力與需求失配的現象。

而隨著天基網路設施和技術的逐新發展成熟，國內外都在積極利用天基網路開展應用服務，將天基網路應用於物聯網中。天基信息網在物聯網中的應用目前分為兩種形式，一種是物聯網利用天基信息網加強覆蓋；另一種則是直接用天基信息網建立和實現空間物聯網。

國內外相關各界都已開展了天基信息網路與技術對地面物聯網的輔助應用研究。鑒於天基信息系統的特點，物聯網使用天基信息網路設施後相比傳統的物聯網有很多優勢：

（1）通信網路覆蓋地域廣，可實現全球覆蓋，感測器的布設幾乎不受空間限制。

（2）幾乎不受天氣、氣候影響，全天時全天候工作。

（3）系統抗毀性強，自然災害、突發事件等應急情況下依舊能夠正常工作。

利用天基信息網路的優勢，通過天基物聯網載荷和終端設備，將複雜環境下的感測器連入天基物聯網，實現物聯信息的跨地域傳輸，是解決目前地面物聯網短板的有效途徑。美國也已開展了空間互聯網研究，積極利用天基網路為未來物聯網服務，並開展空間物物相連的研究，將物聯網擴展至太空。

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利用天基網路加強物聯網

業界積極在物聯網中應用天基網路設施與技術，以此來增強物聯網的覆蓋範圍。目前主要集中在衛星通信系統在物聯網中的應用。衛星通信系統在物聯網中可作為接入網，即與觀測對象數據採集終端組成數據採集系統；另一種是起傳輸網作用，作為地面網路的補充、延伸和備用。

目前業界主要關注於利用衛星系統實現的M2M網路和小衛星的利用方面。

2.1 建立藉助衛星的M2M網路，輔助地面網路擴大覆蓋範圍

M2M通信技術對物聯網領域來說是非常重要的技術，衛星將成為這項技術發展的一項重要基礎。利用衛星實現M2M對偏遠地區的高服務級別協議（SLA）應用如近海石油和天然氣、運輸行業等來說更有價值，並且衛星連接通常更為可靠，特別在偏遠和無服務地區，因此，許多應用如可能會依賴衛星而不是地面網路。此外，基於衛星的M2M能實現真正的全球覆蓋，如跨洋運輸就只能依賴衛星解決。

據美國衛星通信事業國際市場研究與諮詢公司NSR報告稱，2023年前預計全球將有5800萬台物聯網設備使用衛星實現M2M連接，基於衛星的M2M應用收入將從2013年的11億美元增長到2023年前的25億美元。因而利用衛星實現M2M是目前許多公司的關注熱點。

（1）利用ORBCOMM系統建立專用M2M網路

ORBCOMM系統是美國ORBCOMM公司擁有的全球數據通信衛星系統。ORBCOMM網路使用低軌衛星，能為大多數偏遠地區提供可靠經濟的M2M通信。ORBCOMM地面段包括一個網路控制中心和一定數量的關口站。整個ORBCOMM系統由一個網路控制中心負責運行管理。關口站的主要任務是在一定的服務區內提供報文處理和對用戶進行管理。

ORBCOMM在不斷進行升級，以擴大全球覆蓋範圍，提高性能和可靠性。2016年ORBCOMM 已發展為由第二代衛星OG2組成的網路，這是世界上首個專用於M2M的商用衛星網路。一顆OG2衛星相當於6顆OG1衛星，能提供更快的消息傳送能力，更好的覆蓋率，同時顯著提高了網路容量。

ORBCOMM的地面基礎設施能實現全球範圍的M2M衛星消息發送。網關地面站跟蹤和建立雙向衛星通信鏈路，同時網關控制中心處理數據並提供與地面通信網路的互連能力。網路控制中心管理衛星星座並確保可靠的消息傳輸。

（2）Sigfox公司提出Mustang衛星/地面混合方案

Sigfox公司與空客防務與空間公司一起合作提出了Mustang解決方案，關注M2M市場中的低成本短消息交換，旨在為物聯網開發一種創新型混合地面/衛星接入方案，提供覆蓋全球的無縫、泛在通信能力。

Mustang是一種地面/衛星混合網路，其中衛星鏈路使用專用的通信協議，能獲得出色的覆蓋範圍，同時將使用868到915MHz ISM（工業、科學和醫療）頻段與Sigfox地面網路通信。雙模式衛星/地面終端能自動依據已連接設備所在地區的資源利用情況在兩種通信信道間切換。

基於新的地面和衛星通信技術，該解決方案將實現已連接設備在全球範圍的通信，為用戶提供最優的綜合低成本短消息服務。

圖1 MUSTANG項目示意圖

（3）Inmarsat公司建立L波段M2M網路

Inmarsat公司在2015年也發布了新型M2M和物聯網解決方案。Inmarsat新提出的L波段M2M網路有助於對固定或移動設備完成監視、跟蹤和控制。Inmarsat網路將提供兩種專用M2M服務：

· IsatData Pro（IDP）——為M2M和全球範圍的近實時操作而建立。IDP是一種低數據速率消息傳送服務，監測和跟蹤遠程固定或移動資產，如氣體流動計量等。

· BGAN M2M——一種全球範圍的雙向IP數據服務，用於監測和控制無人或遠程站點中的固定或移動設備，BGAN M2M旨在為用戶提供數據速率在Mbps到Gbps範圍的服務，用於實時監測、大數據量計量和遙測。

Inmarsat M2M網路的優勢如下：

·覆蓋範圍：全球都能利用Inmarsat的服務，各組織機構的設備無論位於何處即便它們是在移動或從一區域轉移到另一區域時都能依賴完整的連通能力。

· 無與倫比的可靠性和規模可變性：Inmarsat網路有助於用戶在蜂窩網和其他衛星服務擁擠或不可用等條件下實現對運行設備的完全控制，在L波段衛星網路中可實現99.9%的可用能力。Inmarsat解決方案能輕鬆與現有基礎設施集成，並隨需求變動變化規模。

· 投資收益：通過衛星實現一個全球化網路、一個運營商，為M2M服務帶來更多價值。用戶能提高工作效率，節約成本和資源。

2.2 積極利用小衛星星座，提高運行效率降低成本

微小衛星技術是近年來空間應用中的一個技術熱點，利用數量眾多的低成本小型衛星構成衛星星座服務於同一目標，其應用效率將得到極大提升。小衛星的低成本使得構建星座在經濟上可行，並提供了同樣預算條件下大衛星項目無法實現的能力。其優勢在於更高的重訪周期、更快實現新技術以及更大的系統彈性。因而業界也在積極利用小衛星星座，大大降低衛星系統用作物聯網回傳功能時所需成本，擴大覆蓋範圍，提高信息共享能力。據NSR市場報告稱，2025年前在用的衛星物聯網終端數量將達到596萬。隨著全球衛星M2M和物聯網市場的增長，物聯網專用的小衛星系統也將進入市場。

2016年8月，加拿大的Kepler通信公司宣布，該公司正設計一個由便於替換的小型衛星組成的網路，用於物聯網並提供星間服務，它能轉發機器發送的實時消息，作為物聯網設備（包括地面或在軌設備）的服務提供商。這是一個實時網路，可用於物聯網設備通信，並能作為空間蜂窩網路，使機器和設備互相間或與操縱者間能相互通話。該網路是一個由足球大小的立方體衛星組成的星座，還能為國際空間站提供必要的數據連接能力，將照片傳回地球。預計該網路將能完成一些傳統地面蜂窩網路很難實現的機器或設備間通信。

澳大利亞的FleetSpace公司也致力於為全球物聯網提供免費衛星連接。該公司計劃利用納衛星星座為偏遠地區提供機器終端智能交互鏈接，使得小衛星和物聯網緊密聯繫。該公司計劃從2017年開始在地球低軌道中發射100顆物聯網小衛星，以更好地實現連續高級別覆蓋能力和信息共享能力。為了提供經濟高效、低帶寬數據服務，該公司已開發了低成本快速製造小衛星基礎設施的能力。

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利用天基網路形成空間物聯網

隨著物聯網和天基網路技術研究的深入，利用空間飛行器實現的物物聯通方式也逐步被深入研發。美國率先投入到天基信息網路的研究，2007年美國防部實施空間Internet路由（IRIS）計劃，進行天基路由技術研究，美國宇航局（NASA）完成了「太空互聯網」的首輪測試，2009年已開始在軌驗證工作。並且NASA的物聯網實驗室還開展了一些實驗，致力於研究在空間建立一個專用網路，將感測器數據傳送至基於IP的伺服器，在空間中利用物聯網技術完成各種空間任務，將物聯網擴展至太空。

近期NASA在天基互聯網以及空間物聯網方面又有了一些新的研究進展。

3.1 DTN通信協議開始進行空間測試，為構建未來空間物聯網奠定基礎

為了更好的完成空間任務，空間飛行器將利用物聯網和天基網路技術進行連通，在空間中形成空間物聯網。空間飛行器的組網需要利用空間互聯網技術，也需要解決飛行器間的信號中斷和延遲問題。NASA的容中斷/延遲組網（DTN）協議就是解決這一問題的好辦法。DTN的開發始於10年前，它可以在行星和衛星運動引起信號中斷的情況下存儲臨時數據，從而實現更快捷方便的行星間通信，並在未來構建一種類似於地球上互聯網的行星間空間通信系統，形成一個覆蓋整個太陽系的互聯網。

目前NASA開始測試用於行星間通信的「太陽系互聯網」，為建立空間互聯網更邁進一步，對未來物聯網發展起到重要作用。2016年6月，NASA表示，已在國際空間站Telescience資源工具包中加入了一種新型通信協議——容中斷/延遲組網（DTN），這是NASA構建未來星際互聯網的第一步。

圖 2 星際互聯網示意圖

隨著這一協議的應用，NASA將開始在國際空間站和地面站之間使用DTN測試電文傳送。實際上，儘管最初目的是空間應用，DTN對於地面通信也是有益的，尤其是對連接無法確定或者不連續的移動通信，都有很大幫助。

3.2 開發流控制傳輸協議，解決空間網路中物的移動問題

空間物聯網是由衛星、飛行器等組成，上面包含的可使用IP地址的設備如感測器、雷達、望遠鏡、氣象觀測設備等，都可看做為「物」，這些物都是高速移動的，都需要連接到互聯網中，網路移動問題是當前空間物聯網組網方面所面臨的重要技術難題。

2016年10月，NASA空間信息網路項目子課題負責人，在2016年物聯網辨識、信息與知識國際會議上（IIKI 2016）做了NASA在物聯網方面研究進展的專題報告，指出當前空間物聯網全IP化組網的技術難題在於，衛星、飛行器等通信節點處於高速移動狀態，終端難以建立和保持連接，最終導致傳輸速率和穩定性受到極大影響。該物聯網子項目研究中設計了一種新的流控制傳輸協議（SCTP）。該協議相當於TCP協議的空間網路升級版，針對終端數量極大的空間物聯網傳輸和組網做了專門的優化設計，在傳輸延遲、吞吐量、掉話率、信令負載等指標上全面優於TCP協議，物聯網終端無需面對衛星、飛行器等高速移動帶來的頻繁切換問題，而是通過虛擬IP建立靜態鏈接，使得在終端側僅需要面向虛擬IP進行傳輸，無需應對運動帶來的切換問題，從而保證空間物聯網的傳輸速率穩定。目前該成果已經完成實驗室演示驗證，2016年底交付NASA關鍵技術及源代碼用於星上實驗。

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結語

物聯網可利用天基信息網路更好的提供各種服務，並能藉助天基信息網路向太空擴展。近期，業界和NASA都在積極開展天基網路在物聯網中的應用研究，業界主要關注的是將天基網路作為對物聯網的加強，建立藉助衛星的M2M網路，輔助地面網路擴大覆蓋範圍，並利用小衛星技術，利用提高運行效率，而NASA已開始研究利用天基網路在空間中實現物物相連，形成空間物聯網，目前在解決空間組網的延遲和移動性管理方面有了一定進展，為最終實現空間物聯網提供了技術支持。

電科小氙

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