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原标题：一文看懂卫星物联网系统体系架构，发展形态趋势及主要障碍｜智联先知 一期一会
星网在天，物联于地——卫星物联网的新纪元即将来临。“哒、哒、哒”，一阵清脆的脚步声从天而降，一位意气风发的年轻人走进了广袤无垠的沙漠。在这里，原本物联网的信号无法触及，他却依然通过卫星终端与外界保持着实时连接。没错，这正是卫星物联网技术的魅力所在。
近年来，随着“一箭多星”、火箭回收利用等关键技术的突破，极大地降低了发射成本，并增加了有效荷载，提升了卫星发射的整机经济效益。此外，随着现代移动通信和电子元器件等技术的快速的提升，卫星的设计研制也呈现出小型化的发展形态趋势，促使卫星的研制成本大幅度降低，生产周期大幅缩短。
发射成本和卫星制造门槛的日益降低，为更多的商业卫星应用探索创造了可能性。在此背景下，通信卫星系统悄然复苏， 并受到诸多互联网、通信、航天航空等巨头企业的青睐。
在已经冻结的3GPP R17标准中，引入了非地面网络（non-terrestrial network，NTN），将卫星通信网作为地面网络的必要补充。其中，除了提供用于卫星通线G NR NTN标准规范外，R17还提供了支持NB-IoT和eMTC等物联网技术与NTN融合的标准规范。
业内人士一致认为，相较手机终端，卫星物联网相关的应用场景更丰富多样，能满足更多细分场景下设备的通信需求。因此，相比于NR-NTN，支撑物联网的IoT-NTN标准进展更快，IoT-NTN的商用成熟度也更高。
此外，空天地一体网络也是6G核心方向之一，被ITU列为6G七大关键网络需求之一。卫星物联网是空天地一体网络的重要组成，通过利用卫星平台为物联网设备提供通信服务，能够弥补地面蜂窝网络在覆盖范围、灾难恢复、紧急通信等方面的不足，与地面蜂窝网络优势互补、深层次地融合，共同形成空天地一体的异构网络架构。
此前，物联网智库已经发表了多篇文章讨论卫星物联网的发展状况及有关技术。这篇文章中，我们将就之前文章中涉及较少的卫星物联网的架构、发展前途及通信企业在该领域的布局等话题展开讨论，以期围绕卫星物联网相关的讨论拼图更加完整。
本文为智次方・物联网智库中国AIoT产业年会暨2024年智能产业前瞻洞察大典活动预热专栏「智联先知 一期一会」的第三期内容——【卫星物联网的技术架构及其发展前途】。
本质上，卫星物联网是利用卫星通信网络和各种传感器，实现空天地一体化的人、物连接和信息交互，并通过对信息的分析和处理，实现对更大范围的物理世界的管理、控制和决策。
根据科技论文《天基物联网: 基本概念、体系架构及发展的新趋势》的描述，我们大家可以将卫星物联网定义为：以卫星通信为信息传输的主要方式，按照空天地一体化信息网络的标准通信协议，利用卫星通信传感器和地面通信网络不便于连接的其它传感器等信息感知装置，获取物体信息，并通过多种网络接入技术，将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种相互连通操作的信息网络。
根据技术体系架构，可将卫星物联网的系统体系架构从物理空间和功能组成上分为空间段、地面段和用户段。
空间段是卫星物联网相比于传统物联网，在物理表现形式上的最大不同。空间段分布了位于大气层外不同轨道平面和高度的通信、导航、遥感等卫星以及位于大气层内邻近空间的飞艇等。这些卫星和飞艇上搭载了各类传感器和通信、路由等设备，形成相互连通的空间网络。
卫星物联网的地面段最重要的包含分布于地面或距离地表较近的信息采集设备及其他传感器、地面部署的数据传输网络以及地面数据处理站网。卫星物联网地面段的设备或传感器因种种原因需要通过卫星网络进行接入和数据传输。这些设备或传感器有空中飞行的民航客机、海上航行的舰船搭载的传感设备、海面上的浮标、野外战场中布设的环境传感器等。这些地面或地表附近的信息采集设备和传感器与空间段中的卫星传感器共同构成了卫星物联网的立体感知网络。
天空用户包括各类航天飞行器和临近空间飞行器中搭载的用户终端。航天飞行器在空中的正常运行和任务执行均需要卫星物联网提供功能支撑。空中用户主要包括各种航空飞行器，如民航客机、军用飞机、无人机等飞行器以及这些飞行器上搭载的乘客、设备等均一定要通过卫星物联网获取通信服务。
地面用户是卫星物联网占比最大、数量最多的用户群体。第一类是不便于通过地面网络接入的用户，如位于荒漠、山区、丛林、野外的旅客、居民、士兵等。第二类是政府部门、行业用户等，如国土资源部门要利用卫星物联网对国土资源进行周期性的测绘，气象部门要利用卫星物联网对气候变动情况进行及时的监测。
海洋是卫星物联网应用的重要场景，地球约80%的面积都被海洋覆盖，而在海洋上的信息传输基本只能依靠卫星通信实现。各类舰船等海上运载工具搭载的设备和乘客均是卫星物联网的用户。海面上的浮标、海岛上的灯塔等也可通过卫星物联网实现信息的传输。
卫星物联网体系架构（引自《天基物联网: 基本概念、体系架构及发展趋势》）
一个规模可观的卫星物联网市场正在加速崛起。在消费电子巨头苹果和华为的双重推动下，手机直连卫星业务得到重视，进入发展高速期。以消费需求为牵引，有望加大卫星通信技术的研发和探索，加快大规模低轨卫星互联网的建设，推动卫星物联网行业快速发展。
从卫星厂商、手机生产厂商、芯片厂商再到通信运营商，整个卫星物联网生态的发展正在全面加速。综合Omdia、ABI Research、麦肯锡等机构数据，预计到2025年，卫星物联网产值可达5600亿美元至8500亿美元。而根据信通院预测，到2027年全球卫星通信终端市场规模将达到109亿美元。
根据Berg Insight数据，2021年全球卫星物联网用户群为390万，预计2026年达到2120万，复合年增长率为40.3%。
智次方·物联网智库就行业发展现状及前景相关的一些问题，对芯片设计企业紫光展锐进行了采访。
对于卫星物联芯片行业的发展方面，他们在回复中提到，从芯片公司的角度看，技术预研和产品应用的落地两个环节都至关重要。紫光展锐在5G NTN标准化研究、业务验证和产品研究开发上一直在持续发力，通过充分的测试验证，尝试将5G NTN技术扩展至更丰富的终端平台，进而推动终端成本的降低与性能的提升。
截至今年初，紫光展锐已完成全球首次L频段、S频段5G NTN技术上星验证；产品研究开发方面，紫光展锐在今年 7 月份推出了首款5G NTN卫星通信芯片V8821，单芯片平台上集成了基带、射频、电源管理、存储等通信设施常用功能。
此外，紫光展锐也表示，他们已启动了6G基础研究、核心关键技术攻关和标准化工作。在推进IoT NTN技术创新和产品商用落地的同时，紫光展锐已针对旨在提供更高连接速率的NR-NTN和NR-ATG（地空通信）技术进行深入研究，进一步挖掘技术演进与应用的价值空间，以推动空天地一体化网络商业化进展。
2023 年年初，移远通信宣布面向物联网行业应用推出了CC200A-LB卫星通信模组。这一产品主要是针对那些蜂窝网络无法覆盖的偏远区域，为其提供较为可靠的全球无线网络覆盖和连接，应用在海事、运输、重型设备、农业、采矿以及石油和天然气监测等场景下。
2023年 6 月份，高通推出了高通®212S调制解调器和高通®9205S调制解调器两款支持卫星通信功能的调制解调器芯片。符合3GPP R17标准，支持地球同步轨道（GSO）卫星的卫星通信，能够在全世界实现连接，并提供便捷的终端设置和定位功能，赋能需要独立非地面网络连接或NTN与地面网络混合连接的离网工业用例。
在 2023 年 6 月底的MWCSH 2023上海世界移动通信大会上，美格智能展示了其支持5G NB IoT、Cat.M和双向卫星链路的新一代智能定位终端（Tracker）解决方案。并且宣称，正在积极地推进产品进入卫星物联网市场，拓展模组应用领域。其正在研发的SLM156S模组支持Cat-M/NB2及IoT-NTN通信，集成了UART、USB等多个工业标准接口和丰富网络协议，可为各类物联网终端提供覆盖全球的网络连接。
尽管发展前途很美好，我们也要意识到，卫星物联网尚处于技术探讨研究期，仍存在许多的技术难点待攻克。针对卫星物联网发展面临的困境，紫光展锐在回复中提到了以下几点：
在未来的产业高质量发展上，紫光展锐提到，卫星物联网的发展仍需产业各方加强生态合作，从基础科学研究和技术创新验证到基础设施建设，再到包括卫星服务供应商、设备商、芯片公司、终端厂家等在通信技术、元器件、通信设施、通信网络等方面的投入与成果转化，均应在标准、技术、业务运营方面促进创新链和产业链的融合，推动万物互联的天地一体化立体网络构建。
在技术发展上，紫光展锐认为，在未来，卫星物联网与地面蜂窝网络的协同和融合将主要从空口、频率、架构等三个方面做。在空口方面，以5G通信技术为基础，最大限度地考虑卫星传输和地面传输的差异性，形成统一融合的空口协议设计，满足地面通信与卫星通信的联合需求；在频率方面，进行星地频率融合和高效互补，提高两张网络的联合频谱利用效率；在架构方面，接入网、承载网、核心网的网元功能在卫星和地面之间进行柔性分割和智能重构，通过对星地资源统一调度和控制，实现网络全局优化和资源绿色集约。
卫星物联网与地面蜂窝网络融合通信的应用场景非常多。比如在物流配送领域，便捷而发达的物流网络，既是现代生产生活的重要组成，也是边远地区新农村建设的重要支撑。通过星地融合双模终端，在城镇区域进行地面蜂窝通信，在边远地区进行卫星物联网通信，实现运输车辆及货物状态的全球无缝回传和远程控制，助力物流后一公里建设。在电力输送领域，输电线路既分布在城镇农村，也分布山区、戈壁等边远地区。星地融合物联网终端，可通过地面网络和卫星物联网，实现电力线路参数的全域无缝常态化监控。
伴随低轨卫星数量的增多和通信技术的进步，“天网”正在成为地面网络的有力补充，覆盖通信连接的最后一公里。在此背景下，卫星物联网正如火箭般蓄势待发，我们似乎已经看到了它腾飞的火光，听到了它破空的隆隆声。
站在起跑线上，各路玩家也早已摩拳擦掌。从芯片、模组企业，到终端厂商，再到运营商，无不敏锐地洞察着卫星物联网的发展动向，伺机而动，他们将携手推动这艘巨轮驶向广袤的太空海洋。
与此同时，我们也要看到，尽管新大陆充满了诱惑，航程本身却依旧任重道远。技术难点仍需克服，生态链亟待完善……在这条通往远方的道路上，卫星物联网还需要坚实的步伐，稳健的节奏，以及所有的行业志士们汇聚起的磅礴之力。
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