5G窄帶——無處不在的物聯(lián)網(wǎng)

到2025年，預(yù)測表明將有超過750億個物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備在使用中。它們中的每一個都需要某種形式的連接。然而，目前世界上85%的地區(qū)缺乏或只能有限地訪問地面連接服務(wù)。這迫使一些企業(yè)采用低地球軌道 (LEO) 的衛(wèi)星連接，以解決網(wǎng)絡(luò)連接問題。海洋、偏遠(yuǎn)地區(qū)和礦區(qū)只是衛(wèi)星連接在覆蓋范圍和成本方面具有優(yōu)勢的幾個例子。

據(jù)麥肯錫稱，缺乏連通性阻礙了物聯(lián)網(wǎng)在未來十年內(nèi)為全球國內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP) 增加2至3萬億美元 (USD) 的增長。這是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)為地面蜂窩和非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供補充服務(wù)的巨大機會。預(yù)測估計，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場的價值在2025年至2031年間將達(dá)到約 60 億美元。

我們已經(jīng)看到許多行業(yè)越來越多地使用基于衛(wèi)星的服務(wù)，包括軍事和國防、石油和天然氣、汽車、農(nóng)業(yè)以及能源和公用事業(yè)——尤其是在需要低延遲服務(wù)時。與現(xiàn)有運營商在地球同步赤道軌道 (GEO) 中運行的大型傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，LEO中的小型衛(wèi)星在實時連接、監(jiān)測和跟蹤方面更加有效。為了釋放物聯(lián)網(wǎng)的全部潛力，提供無處不在的連接的低軌小衛(wèi)星星座是必不可少的。

低延遲市場和用例

智能計量、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)跟蹤、車輛遠(yuǎn)程信息處理、人工智能、緊急警報和環(huán)境監(jiān)測等許多應(yīng)用都需要低于10毫秒的延遲。提供需要這種超低延遲和可靠通信的服務(wù)的一項關(guān)鍵蜂窩技術(shù)是5G。普華永道估計，到2030年，5G技術(shù)將為全球GDP增加13390億美元，高于2022年的1500億美元。

5G的速度將允許在整個供應(yīng)鏈中實時共享數(shù)據(jù)。畢馬威 (KPMG)2022 年的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前只有13%的企業(yè)對其供應(yīng)鏈具有完整的可見性。通過傳感器數(shù)據(jù)和攝像頭，企業(yè)可以聚合資產(chǎn)和設(shè)備位置的準(zhǔn)確實時視圖，以及控制自動駕駛車輛和無人機。從本質(zhì)上講，它將消除從數(shù)據(jù)生成到我們可以對其采取行動之間的滯后時間。

實現(xiàn)這些數(shù)字的障礙之一是投資成本。大多數(shù)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)使用專有且昂貴的衛(wèi)星連接技術(shù)來支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。然而，在過去幾年中，新來者已開始采用現(xiàn)有的地面無線物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)，例如第三代合作伙伴計劃 (3GPP)，該計劃將七個電信標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織聯(lián)合起來開發(fā)一種新的無線電技術(shù)，用于窄帶互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。

OQ Technology使用3GPP標(biāo)準(zhǔn)推出了世界上第一個基于衛(wèi)星的NB-IoT，為覆蓋范圍有限或無覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供5G連接的全球網(wǎng)絡(luò)。該公司還開發(fā)了一種使用標(biāo)準(zhǔn)移動芯片的技術(shù)，這種芯片比常用的傳統(tǒng)衛(wèi)星芯片便宜得多。其“衛(wèi)星內(nèi)的蜂窩塔”技術(shù)使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠在地面和衛(wèi)星連接之間無縫切換，從而在不修改蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的情況下克服連接問題。

創(chuàng)建5G IoT星座

OQ Technology 在2019年實現(xiàn)了世界上第一個NB-IoT波形和同步程序的在軌演示后，于2021年啟動了它的第一個任務(wù)，使客戶能夠獲得完整的5G服務(wù)。SpaceX Transporter上被稱為“Tiger-2”的6U納米衛(wèi)星-2 拼車任務(wù)是LEO中的第一顆商用5G物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，使用低頻提供基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)和機器對機器 (M2M) 服務(wù)。它還展示了將高頻用于5G物聯(lián)網(wǎng)無線電鏈路的可行性。為了提供符合3GPP建議的廣泛覆蓋和5G IoT/M2M通信，這些衛(wèi)星使用中頻段5G（低于 6 GHz）頻段中的頻譜。一年后，出于同樣的目的發(fā)射了第三顆衛(wèi)星“Tiger-3”。

將衛(wèi)星送入軌道已經(jīng)可以向非洲、中東、亞洲和拉丁美洲的客戶提供基本的商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和M2M服務(wù)。Tiger-2還在惡劣的沙漠條件下測試了混合衛(wèi)星蜂窩用戶終端，實現(xiàn)了高水平的信噪比。幾周來，進(jìn)行了各種操作以驗證衛(wèi)星有效載荷的性能。還測試和校準(zhǔn)了在沙漠和室內(nèi)使用的不同固定和移動環(huán)境中的終端。即使埋在沙漠中（許多農(nóng)業(yè)應(yīng)用都需要），或者在汽車內(nèi)高速移動（無法直接看到天空），終端也會向衛(wèi)星發(fā)送信號及其 GPS 位置。這確保了資產(chǎn)在連接之間傳輸時的準(zhǔn)確跟蹤和監(jiān)控。它改變了全球陸上和海上貨運資產(chǎn)的可見性。

通往商業(yè)服務(wù)的第二個重要步驟是連接管道和智能儀表等遠(yuǎn)程資產(chǎn)的真實試點測試。該試驗是與沙特通信、空間和技術(shù)委員會 (CST)、沙特阿美石油和天然氣公司以及沙特能源部合作完成的。位于沙特阿美公司在沙特阿拉伯Ain Dar地區(qū)的偏遠(yuǎn)站點之一進(jìn)行的。

在試驗中，來自遠(yuǎn)程油井口和管道的氣體和溫度傳感器連接到 Tiger-2 衛(wèi)星。該終端每兩小時收集一次溫度、濕度、二氧化碳和 GPS 讀數(shù)，并存儲數(shù)據(jù)直到下一次衛(wèi)星通過。衛(wèi)星還可以存儲數(shù)據(jù)，直到它使用NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到下一個地面站。

該設(shè)置盡可能減少人工干預(yù)的需要，并提供最新數(shù)據(jù)來保護(hù)業(yè)務(wù)案例?，F(xiàn)場傳感器通過藍(lán)牙將其數(shù)據(jù)發(fā)送到技術(shù)終端，技術(shù)終端將感測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的衛(wèi)星并向下傳輸?shù)降孛婢W(wǎng)絡(luò)站。從那里，數(shù)據(jù)傳遞到基于云的儀表板。

測量傳輸速度表明，所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都已成功接收和解碼，連接具有超高可靠性。此外，為了中繼計費和用電數(shù)據(jù)，還連接了室內(nèi)智能電表。

兩項成功試驗的結(jié)果使OQ Technology成為世界上第一家使用5G協(xié)議在任何地方提供連接的全球物聯(lián)網(wǎng)連接衛(wèi)星電信運營商。因此，該公司還能夠簽署世界上第一個使用低軌衛(wèi)星星座為基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供5G覆蓋的商業(yè)客戶合同。

這些測試還使該公司能夠引入世界上第一個安全專用網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)基于用于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化3GPP蜂窩技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供5G連接。連同其他在軌衛(wèi)星，包括2022 年 4月發(fā)射的Tiger-3，該公司能夠縮小延遲關(guān)鍵應(yīng)用的差距，并提供高數(shù)據(jù)密度、服務(wù)質(zhì)量和快速響應(yīng)時間。

5G衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的未來

結(jié)果和新服務(wù)讓我們得以初步了解5G可以提供的革命性未來。未來十年，5G等標(biāo)準(zhǔn)升級的技術(shù)將隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展擴大覆蓋范圍。

普華永道估計，到 2030 年，5G在智能公用事業(yè)管理方面的應(yīng)用將為全球GDP增加3300億美元。麥肯錫估計，到2030年，農(nóng)業(yè)可以為全球GDP增加5000億美元。

預(yù)計的5G擴展也可能導(dǎo)致無線電頻譜過度擁擠，監(jiān)管機構(gòu)需要從GEO運營商那里釋放頻率，這些運營商長期以來一直坐在這些信號上而無所事事。

雖然今天從傳感器到儀表板的數(shù)據(jù)傳輸是單向的，但該技術(shù)可以復(fù)制有線系統(tǒng)的功能，將命令實時發(fā)送回各種資產(chǎn)。這將為工業(yè)自動化提供一系列全新的用例，尤其是在與人工智能結(jié)合時。例如，農(nóng)民可以指揮筒倉釋放食物或管理灌溉系統(tǒng)，或者石油和天然氣企業(yè)可以遠(yuǎn)程使用無人機、起重機和機器人。這將減少或消除對昂貴的人機交互的需求，提高效率，并提高工人的安全水平。

隨著該技術(shù)的采用、足夠的可用頻譜以及更多衛(wèi)星和星座的發(fā)射，5G的巔峰時期有可能有助于開發(fā)革命性的應(yīng)用，并在多個行業(yè)帶來巨大利益，這與當(dāng)今存在于有線環(huán)境之外的任何東西都不一樣。

本文作者：Omar Qaise是OQ Technology的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，也是該公司5G SatIot概念的首席架構(gòu)師。

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