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利用卫星通信支持全球物联网部署

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发表于 2024-12-29 18:52:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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