作者

ValerioCarta，蜂窩高級產品營銷經理

物聯網（IoT）應用形式多樣，對帶寬、移動性、功耗和使用壽命的要求也各不相同。人們通常認為，許多物聯網應用都依賴蜂窩技術作為傳輸數據的主要渠道，因為蜂窩技術在大多數大洲都可用，而且經濟實惠，這是蜂窩技術的兩大優勢。

盡管歐洲、北美和亞洲的人口覆蓋率高達99%，但在這些大洲的廣大地區卻無法使用蜂窩連接。通常情況下，蜂窩技術對人口密度較低的山區或偏遠地區的服務較差。在非洲和澳大利亞，城市和鄉村的蜂窩網絡覆蓋良好，但在人口較少的地區，情況就大不相同了，那里的廣大地區都沒有蜂窩網絡覆蓋。

考慮到包括海洋在內的整個世界，我們可以估計蜂窩技術只覆蓋了地球表面的10%。

我們遇到了一個全球性問題，尤其是對于那些需要無處不在的連接的物聯網應用而言。典型的例子包括在全球各地旅行并需要監控的資產、車輛和貨物，例如人們在歐洲吃到的來自拉丁美洲的甜芒果。對擴展連接的需求不僅限于移動應用。用于發電的風力渦輪機或太陽能電池板需要持續監控。這些基礎設施通常位于偏遠地區，如近海、山頂、鄉村或沙漠。

通過衛星技術進行補充

迄今為止，上述物聯網應用都是通過衛星技術對蜂窩技術進行補充，確保了全球通信的擴展。這得益于多個衛星星座和運營商為物聯網提供連接、平臺管理和其他定制服務。

雖然這些衛星解決方案可以為用戶提供全球通信，但它們在兩個主要層面上造成了成本不便。

目前，幾乎所有的多模蜂窩和衛星解決方案都使用雙核解決方案：一個用于蜂窩，一個用于衛星。每種方案都需要一個完全獨立的硬件部分，并通過通信天線進行射頻。

使用這種雙核方法訪問蜂窩和衛星物聯網非地面網絡（IoT-NTN）會大大增加解決方案的總體成本，因為硬件、認證和設備管理都會影響最終價格。事實上，多模蜂窩和衛星終端都是昂貴的設備，只有一小部分物聯網用戶負擔得起。只有在特殊情況下，例如監控危險品、昂貴材料和戰略基礎設施時，才會對這種技術進行投資。

除了終端成本問題外，當前衛星物聯網解決方案的另一個痛點是，每個衛星終端都是為與特定衛星網絡配合運行而設計的。這意味著它們必須使用基于專有協議的定義明確且經運營商認可的硬件和軟件。

因此，每當用戶需要從一個衛星供應商轉到另一個供應商時，就必須將所有衛星終端更換為與新供應商兼容的新系列。這一行動需要大量投資。

更佳的解決方案應運而生

由于存在上述接入障礙，衛星物聯網的應用僅限于一小部分潛在的物聯網用戶。然而，隨著新的3GPP第17版NTN標準的發布，這種情況即將改變。有了這項新的全球標準，許多以前無法使用衛星技術的物聯網用戶現在可以使用衛星技術了。

為滿足對擴展蜂窩連接日益增長的需求，3GPP*對5G 新無線電（NR）、窄帶物聯網（NB-IoT）和面向機器類型通信的長期演進（LTE）（LTE-M）進行了調整，使其可在衛星鏈路上運行，分別稱為NR-NTN和IoT-NTN。通過這些協議，現在可以以較低的成本進行衛星通信。

3GPP 第17版采用無需不同硬件組件的標準蜂窩通信協議（NB-IoT、LTE-M或5G NR），朝著將物聯網蜂窩和衛星連接集成到統一系統的方向邁出了重要一步。

雖然條件已經具備（2022年推出了NTN規范），但生態系統的形成還需要時間。衛星供應商在提供全球全面覆蓋、獲得著陸權**以及在多個國家建立全面漫游協議方面還有很長的路要走。

如今，一些衛星運營商（如Skylo）已通過與地球靜止軌道(GEO)衛星群所有者和地面蜂窩網絡運營商達成協議，實現了覆蓋整個大陸的強大運營能力。Skylo的IoT-NTN產品完全基于3GPP Rel 17 NB-IoT協議。

這并不是唯一的案例。其他衛星運營商，如OQ Technology或Sateliot，正在發射和擴展其低地軌道(LEO)星座，通過NB-IoT協議提供IoT-NTN連接。

主要優勢

誤差補償

3GPP第17版對NB-IoT和LTE-M進行了修改，使其能夠支持NTN。

衛星通信系統面臨的主要挑戰之一是如何管理衛星相對于地球的移動（即多普勒頻移）造成的往返延遲和頻率變化。3GPP解決方案通過要求用戶設備(UE)在連接網絡前調整服務鏈路延遲和頻率變化來解決這一問題。

由于UE可以補償往返延遲和多普勒頻移，因此基站(gNB)可以保持其分配的頻率。上行鏈路（UL）和下行鏈路（DL）通信的時間可以同步，模擬地面網絡的運行。

這種新框架可以在地面網絡和非地面網絡之間進行切換，就像移動設備在國際旅行或在網絡覆蓋區域之間移動時可以在不同蜂窩網絡之間漫游一樣。

與地面網絡相比，使用衛星通信很可能會增加每比特的成本，盡管其他因素可能有助于最大限度地降低總體成本。

性能相近，成本更低

蜂窩NTN的主要優勢不在于數據速度或帶寬。在性能方面，IoT-NTN或NR-NTN將與用戶在現有衛星運營商處體驗到的類似。

真正的好處是，衛星網絡將成為地面蜂窩網絡的延伸，使用相同的協議、路由程序、網絡管理規則等。這樣就可以使用普通蜂窩網絡、低成本物聯網設備連接到這兩個網絡。

雖然IoT-NTN蜂窩設備必須支持NTN專用的三個額外頻段（B23、B255和B256），但額外成本不會對材料清單產生重大影響。符合NTN標準的衛星終端的成本將大大低于為連接現有衛星系統而設計的衛星設備。IoT-NTN設備的成本很可能與目前僅為地面蜂窩網絡設計的標準物聯網設備的成本相似。

消除成本障礙將促使業界采用與NTN兼容的物聯網終端。這些設備可能并不經常需要接入衛星網絡，但如果情況需要，它們將有能力這樣做。

有些讀者可能已經想到了在哪些情況下這可能是一個重大優勢。考慮一下COVID-19大流行期間發生的情況，當時成千上萬的集裝箱在港口和倉庫丟失。這導致了物資短缺，工廠無法對進貨進行合理規劃。但是，如果這些集裝箱的跟蹤系統能夠接入衛星連接呢？

衛星漫游

如上所述，使用衛星通信的另一個障礙是需要對特定的衛星供應商做出承諾。更換衛星供應商需要更換整個衛星設備。采用新的標準化方法后，這不再是一個問題，物聯網用戶可以訪問衛星網絡，并從地面網絡進行漫游。

假設一個跟蹤應用從堪培拉前往珀斯，途經澳大利亞中部沙漠，那里沒有蜂窩網絡覆蓋。假設物聯網應用擁有一張支持NTN的本地SIM卡，那么物聯網應用就可以從Telstra切換到與Telstra簽訂了漫游協議的NTN衛星運營商。這種切換將是無縫的，物聯網用戶無需采取任何措施進行管理，因為它將處于漫游模式。

第二種可能的情況是使用NTN衛星運營商提供的SIM卡對海上風力渦輪機進行物聯網監控。在這種情況下，物聯網設備將靜態連接到指定的NTN衛星運營商。覆蓋問題、費率和服務可能是用戶考慮更換運營商的原因。拋開原因不談，物聯網用戶只需將衛星運營商的SIM卡更換為其他供應商的SIM卡，或者在eSIM/iSIM具有遠程SIM卡配置(RSP)功能的情況下更新SIM卡配置文件。

在這兩種情況下，用戶都不需要對提供商做出承諾，因為更換移動設備中的SIM卡會自動更換運營商。

未來前景

蜂窩NTN將促進地面和衛星系統融合為單一的標準化網絡，從而徹底改變物聯網生態系統。它將消除以往限制衛星物聯網接入的障礙，如高昂的成本。

有了蜂窩NTN，衛星物聯網接入將實現民主化。基于標準硬件的標準應用將能夠按需使用。NTN用戶將從龐大的物聯網生態系統提供的規模經濟中受益。我們可以預期終端成本將大幅下降，簡化的設計將通過消除多個部件來降低外形尺寸。

我們不應期待帶寬、數據傳輸速率或有效載荷等功能會發生重大變化。最初的每比特成本可能會高于蜂窩連接，但隨著衛星生態系統的擴大，成本可能會降低。

目前，只有極少數NTN衛星運營商能夠提供全球連接。衛星和蜂窩運營商之間的漫游協議還處于早期階段，大多數低地軌道星座還沒有達到提供連續服務所需的衛星密度。對基于地球同步軌道的非地軌道網絡運營商來說，覆蓋范圍不是全球性的，而對基于低地軌道的運營商來說，連接是間歇性/周期性的。

NTN將與其他標準化技術走類似的道路。衛星物聯網系統正在趨同，各星座將使用相同的協議，最終實現全球互操作性......。