卫星物联网监测系统设计及应用探讨

卫星物联网监测系统设计及应用探讨
摘要：随着物联网技术的迅猛发展和行业需求的不断深入，低速窄带物联网（NB-IoT）技术广泛应用于各行各业。

基于低轨卫星通信系统的卫星物联网，可有效弥补NB-IoT 依赖地面基础设施的不足，形成空天地一体化的物联网网络。

本文基于地面物联网与卫星通信紧密结合的设计思路,设计了一种无人值守的卫星物联网监测系统，该系统可广泛应用于智慧海洋、应急通信、智慧物流、智慧农业等领域，具有较高的推广价值。

关键词：卫星物联网；NB-IoT；空天地一体化；卫星物联网监测系统
本论文研究工作受国家重大专项项目资助（资助项目编号为：2019YFC1510100）。

一、引言
物联网是基于互联网基础的网络延伸和扩展，其本质是设备通过通信技术与网络连接，从而实现人、机、物之间的智能互联。

通过这种简单的接入，环境监测传感器、智能工业制造、智能家居、智能交通运输等不同领域、不同类别的物联网设备，都可以和物联网网络进行数据交互，为私人用户、企业用户、政府等使用物联网的用户提供前所未有的
服务。

[1-3]
伴随地面移动网络技术发展，人们生活通信需求已得到基本满足，但地面移动通信网络覆盖有限，对于飞机、船舶等移动目标，沙漠、海洋以及偏远地区等无法建立可靠有效的通信链路。

卫星通信网络突破地形地表限制，网络覆盖拓展到太空、空中、陆地、海洋等自然空间，可提供泛在无线连接和情景感知的智能服务与应用，为用户提供无处不在、
永远在线的通信服务。

随着我国卫星通信技术的飞速发展，以及北斗
卫星导航系统和天通一号卫星通信系统部署运行，
卫星通信与物联网相结合的通信技术迎来重大发展
机遇。

本文设计了一种基于卫星物联网的无人值守
监测系统，并对该系统潜在的各类应用场景进行了
探讨。

二、窄带物联网
窄带物联网（NB-IoT）技术作为长期演进技术
（LTE）的一种衍生，其体系架构比较成熟，具备
较完整的高层结构，与WiFi、ZigBee等传统的物联
网技术相比，具有覆盖范围广、功耗低，以及海量
连接的特点，已广泛应用于工业、农业、物流运输
等各个领域。

[4-5]
NB-IoT技术系统架构如图1所示，包括NB-IoT
终端（UE）、NB-IoT基站（eNodeB）、NB-IoT核心网、
NB-IoT数据平台、应用服务。

NB-IoT终端：支持各行业的NB-IoT设备接
入，通过在相应终端设备插入SIM卡即可使设备接
入NB-IoT网络。

NB-IoT基站：主要指运营商已架设的LTE基
站，也可以架设专网基站。

NB-IoT核心网：核心网实现NB-IoT基站与云
平台的连接，对终端适配和接入、安全认证等进行
管理。

NB-IoT数据平台：完成各类业务处理，包括
应用层协议栈适配、事件订阅管理以及大数据分析
等，为终端设备提供API接口和终端管理，并将处
理过的数据发送给应用服务或NB-IoT终端。

应用服务：获取数据平台发来的NB-IoT业务
数据，也可以完成对NB-IoT
终端的控制。

图1 NB-IoT 技术系统架构
NB-IoT系统因其具有低功耗、广覆盖、低成本、
高容量、大连接、长续航以及强穿透等技术优势，
广泛适用于各类无人值守的应用场景。

低功耗方面，NB-IoT通过借助省电模式（PSM）
技术，实现对终端射频的动态管理，另一方面借助
eDRX技术，延长寻呼周期，达到降低能耗的作用。

广覆盖方面，NB-IoT技术中拥有高发射率谱
密度，上下行子载波大小不同，根据不同的网络部
署方案，上下行能够发射更高密度的功率波谱密度。

另外NB-IoT技术的上下行支持多次重传，下行最
高可支持2048次，上行可支持128次，即NB-IoT
利用较低的速率换取高覆盖率，相比于2G、3G、
4G网络，NB-IoT提升了20dB的网络增益。

低成本方面，NB-IoT系统可以复用LTE的射频和天线模块，无需重新组建新的网络，且是单天线和半双工模式，射频成本较低。

系统带宽只有180kHz，基带设备的复杂度低，又可减少设备成本。

系统的采样率较低，对缓存Flash/RAM的要求较小。

高容量方面，NB-IoT信号占用的带宽较窄，将会大大提升信道容量；空口信令简化，频谱效率高；NB-IoT系统的终端上下文信息存储、准入拥塞控制都是独立的，使得系统具有海量的连接能力，如一个扇区能够支持10万个连接。

3GPP已经正式明确了全球性的5GR的标准及规范，增强了机器类型通信（eMTC）技术与窄带物联网间的应用互补分析，在一定程度上标志着在3GPP协议中NB-IoT窄带物联网技术与eMTC技术已经被认可为了5G的一个部分，并将与5GR实现共同发展。

[6]
三、卫星物联网体系架构
相比地面物联网，利用通信卫星建立物联网具有如下优势：覆盖面广，可实现全球覆盖，传感器的分布几乎不受空间限制；几乎不受天气和地理条件的影响，可以全天候工作；具有较强的抗损能力，在自然灾害和突发事件发生时仍可正常工作；便于向各种移动目标（飞机、舰船等）提供不间断的网络连接等。

未来的通信网络将依托于地面网络、利用天基网络进行扩展，形成立体分层、融合协作的网络，各轨位卫星（包括高轨、中低轨）、临近空间平台（如热气球、无人机等）和地面节点组成多级网络架构，各级网络相互联通、协作，共同建成一张“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。

[7-8]
天地一体化的卫星物联网体系架
构如图2
所示。

图2 天地一体化卫星物联网体系架构
该架构中，天基部分主要由天基骨干网与天基
接入网组成，结合地面5G移动通信，低轨卫星物
联网与地面移动通信网共享统一的核心网设施。

天
基骨干网节点利用GEO骨干节点广覆盖的广播波
束对其覆盖区域内的低轨及地面终端进行控制信息
的高效传输。

天基接入网节点将为服务热点区域及
图3 物联网系统技术架构
暂无骨干网节点覆盖区域传输控制信息。

在终端侧，由于空、海包括偏远陆地区域与地面接入网相对独立，因此部署在上述区域的终端仅能通过天基接入网传输其业务数据；而部署于地基接入网与天基接入网重叠覆盖区域的终端，可通过自身环境感知、业务需求、终端能力等因素，灵活地选择合适的接入网进行业务传输。

在天地一体化卫星物联网系统中，卫星接入网和地面接入网共存，在两者共同覆盖区，多模式终端既可接入到地面网中，也可接入卫星网中。

此场景中，一般情况下物联网终端优先接入到地面网，然而当并发接入终端数量非常多时，地面网可能无法承载，需要统筹调度地面网和卫星网，提升并发接入物联网终端数量的同时，实现两网间的负载均衡。

此外，考虑到波束空间分辨率的限制，同一波束内还会存在大量的物联网终端，并结合可用时频
资源的不足，拟设置分簇协作传输机制，将业务服务质量（QoS）要求低的终端加入到簇集合内，由簇头节点帮助将簇内终端数据转发给卫星网。

低轨卫星最主要的优势就是低损耗、低时延、广覆盖、大数量级。

现今的全球物联网中，60%是需要广域低功耗窄带技术的终端，需要借助于低轨卫星通信架构的物联网来实现连接。

低轨卫星物联网非常适合短数据、偏远或者远距离移动物体的监测、传感器数据采集等应用场景，能够极大扩展地面物联网的覆盖范围，从而促进物联网的进一步发展。

四、卫星物联网监测系统
1．卫星物联网应用系统技术架构设计
基于卫星物联网设计一种典型的物联网应用系统，按照物联网架构进行设计，分为感知层、网络层、平台层和应用层。

系统技术架构如图3
所示。

感知层：根据应用需求，通过感传终端进行目标定位、目标测量、目标控制、目标属性识别、目标状态感知、环境态势感知等信息自动采集、融合
和传输。

网络层：物联网的骨干承载网络，实现物联网基站的组网以及接入云平台，实现物联网无线资源
管理与调度、感传终端接入控制、传输控制、QoS 保障、组网协议、组网控制、路由交换等功能。

平台层：将网络资源虚拟化并集中管理，根据上层应用需求动态调度使用；提供满足海量数据处理的计算资源和存储资源，实现后台海量数据的计算处理、信息挖掘、信息分发与协同应用。

应用层：按需进行时空统一、目标测量融合、目标属性融合、目标自动控制、目标态势融合、环
境态势融合等，支撑安防警戒、灾害防控、智慧物流、智慧农业等不同的行业应用，提升应用行业的自动化程度和工作效率。

2．卫星物联网监测系统设计
基于上述卫星物联网技术架构，设计一种无人
值守的卫星物联网监测系统，可广泛应用于智慧海洋、应急通信、智慧物流、智慧农业等领域，系统组成架构如图4所示。

图4 卫星物联网监测系统架构
感知层：传感器采集布放区域的振动信息、温湿度信息、气象水文信息、地理位置信息等数据信息，通过无线传输将采集数据发送到汇聚节点。

网络层：感知层的传感数据通过窄带无线通信上传至汇聚节点，由汇聚节点进行边缘计算对数据进行清洗、解析，形成数据处理结论，通过卫星物联网回传。

平台层：网络层的数据通过卫星物联网回传至
数据处理服务平台，由平台进行数据存储和管理。

应用层：针对不同应用场景的需求，设计不同的系统应用程序，提取数据库的数据进行处理、分析并作可视化展示，可根据特定场景进行定制化扩展。

感知节点主要由主控单元、无线传输模块、北斗定位模块、高精度传感器以及电池构成，采用低功耗设计，周期性采集传感器数据并进行初
图5 基于卫星物联网的海洋监测系统
步分析，将分析结果通过无线传输模块发送至汇聚节点。

汇聚节点由主控单元、NB-IoT 皮站、卫星物联网模块和电源构成，通过NB-IoT 皮站汇聚区域内多个感知节点上传的信息并进行融合处理，并将处理结果通过卫星物联网通信单元发送至数据处理服务平台。

数据处理服务平台由卫星物联网通信单元、数据处理服务器、显示单元构成，通过卫星物联网通信单元接收所有汇聚节点回传的数据信息，在数据处理服务器进行综合处理，在显示单元进行可视化呈现。

五、卫星物联网监测系统的应用
1．海洋监控
基于卫星物联网、海洋探测传感器等与浮标、无人科考船等载体结合，构建气象灾害监测预报系统。

该系统主要由感知节点、汇聚节点、观测中心、服务端组成，感知节点如监测浮标负责海洋及气象信息采集，通过窄带物联网或自组网将数据汇集到汇聚节点如锚系浮标，通过卫星链路将数据信息回传至观测中心，观测中心依据数据信息生成气象预报等服务产品，发送给各类服务端用户，海上平台、邮轮等海上用户可通过卫星通信形式发送，如图5
所示。

基于卫星物联网构建的深远海气象灾害监测预报系统，实时获取目标海域海洋、水文、气象信息，提高海洋各类气象灾害预警速度以及准确性，可以提升我国深远海及远洋敏感海
区气象观测与海洋气象预报能力，带动海洋气象服务发展，为全球海洋气象重大自然灾害监测预警与防范提供科技支撑。

海洋监测应用场景如图6所示。

图6 海洋监测应用
图7 地质灾害监测预警
2．应急通信
发生山体滑坡、地震等地质灾害，地面基站等通信设施或电力设施遭到破坏，可依托卫星物联网系统辅助通信保障。

对于一些远离城市的桥梁、隧道、堤坝等重要基础设施，可以通过在设施周围布设传感器，与卫
星物联网构成监控系统，实时监测地质信息，结合高精度定位系统，对可能发生的泥石流、塌方、地面凹陷、山体滑坡等灾害进行预警（图7）。

各类传感器与地面通信构成探测节点，对森林、草场等区域进行气象数据采集，在汇聚节点进行初步数据分析，将结果通过卫星回传至指挥中心或数据中心，通过分析对比等，对目标区域可能发生的火灾、干旱、洪水、土地荒漠化、化学危害以及辐射等灾害进行预警。

3．智慧物流
现代物流，需要供应链的实时透明。

当前集装箱供应链由于是开环应用，信息失真和孤岛现象极其严重。

通过在集装箱物流行业部署卫星物联网监测系统，可对集装箱跨境运输、远洋集装箱货运进行跨域跟踪、精确定位，实时获取集装箱运输状态、突发情况等信息，实现大宗、贵重货物的全天候、全过程监管的智能运输管理，实现全球无盲区的物流监管服务覆盖。

4．智慧农业
卫星物联网监测系统感知节点布放在较偏远的山林、田地、牧场等，通过接入各类传感器，可对可能出现的害兽活动进行识别，对包括土壤肥力状况、作物产量、土壤墒情、作物养分状况、病虫害的发生/发展状况、杂草的生长状况以及作物物候等信息进行采集，对林地、田地、牧场等易发生火情的重点区域进行火警监控，通过卫星物联网进行信息回传，并进行历史数据对比，可以有效扩展农业、畜牧业等经营范围，同时进一步提高生产效率，降低灾害，共同推动智慧农业发展。

六、结束语
本文将卫星物联网技术应用于无人值守的监测系统，完成了系统设计并探讨了该系统的各类应用场景，可有效提升海洋气象监测能力，提高各类灾害的预警能力，推动海洋产业、工农业发展，具有较高的推广价值。

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