物聯網及云計算時代的衛星通信

呂子平（中國電信集團衛星通信有限公司） 鄧中亮（北京郵電大學）

當今世界，衛星通信產業單獨建網、單獨運行的“單打獨斗”時代已經結束，必須融入天地一體化的信息系統才有出路，才有生命力。衛星通信在物聯網和云計算中可以發揮大作用，也應該發揮大作用，必定會發揮大作用。

1 智慧的物聯網

物聯網的概念和基本特征

物聯網是“萬物溝通”的，具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網絡。它實現了任何時間、任何地點及任何物體的連接，相互之間進行信息交換和通信；實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，達到人類社會與物理世界的有機結合；使人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活，從而提高整個社會的信息化能力。

物聯網被認為是我們即將面臨的又一重大歷史性機遇，其發展歷程可以分為基礎期、導入期、成長期和發展期四個階段。在基礎期，開展基礎理論的研究；在導入期，由政府主導一些典型應用示范；在成長期，典型應用的規模發展；在發展期，從典型應用向普遍性應用的規模發展。

第三代移動通信技術（3G）的出現將為物聯網提供更多的市場機會，遠程視頻監控、車載信息娛樂、遠程信息顯示和多媒體內容傳送等應用可以充分利用高效的3G網絡，成為3G時代的創新業務。

物聯網的體系架構

目前，在業界物聯網體系架構大致被公認為由感知層、網絡層和應用層組成。感知層是物聯網的皮膚和五官，用于識別物體，采集信息，它包括二維碼標簽和識讀器、無線射頻識別（RFID）標簽和讀寫器、攝像頭、“全球定位系統”（GPS）等；網絡層是物聯網的神經中樞和大腦，用于將感知層獲取的信息進行傳遞和處理，它包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心和信息處理中心等；應用層是物聯網的“社會分工”，它是物聯網與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現行業智能化。

信息獲取、信息傳輸、信息處理是物聯網應用的3個主要環節，通信網是實現物聯網應用中傳輸環節的必要基礎設施，物聯網與通信網的融合發展，構建天地一體的物聯網服務體系；通信網為傳感網應用提供傳輸、控制和管理功能，離開通信網，傳感網將是孤立的信息采集點，不能進行互通，難以形成規模應用；通信網的網絡、手機及其他移動終端也可成為傳感網的傳感結點。

物聯網信息傳輸主要包括三大網絡：地面有線網絡（包括地面電信網、廣電網等）、地面無線網絡（包括地面移動通信、地面廣播、其他無線通信等）以及衛星通信網絡（包括衛星數據通信、衛星廣播通信、衛星移動通信等）。

物聯網應用

目前，物聯網管理平臺已廣泛應用于智能運輸、公共安全、工業自動化、供應鏈、移動銷售終端（POS）、電力、軍事、消防、數字化醫療、農業、林業、環境保護、遙感勘測、智能建筑、石化、氣象、水務、金融以及煤炭等領域。主要應用實例包括：

1）智慧城市。智慧城市的根本目標在于使城市運行更加安全、便捷、高效和綠色，其功能范圍覆蓋了城市的政務、經濟和民生三大領域，衛星通信手段可將智慧城市的覆蓋范圍大大延伸。

2）全球眼。中國電信從2003年9月開始正式推出運營級全球眼視頻監控業務，提供基于有線寬帶、無線3G等多種接入手段的視頻監控數據采集、傳送、控制、分析、管理等應用，廣泛應用于公安、保險、環保、檢驗檢疫等20多個大型行業，并拓展了商鋪等中小企業用戶；通過使用通信衛星，可將應用區域擴展至森林、海洋、沙漠等常規通信網絡缺乏的地區。

3）水下無線傳感器網絡技術。21世紀是人類深入開發利用海洋資源的世紀，海洋物理研究、數據采集、交通導航、資源勘探、污染監控、災難預防，以及對水下軍事目標的監測、定位、跟蹤與分類等，都迫切需要高度智能化、自主性強、分布式、全天候的信息采集、傳輸、處理及融合技術。

4）智能交通。利用衛星導航系統以及地面通信／廣播網絡等設施實現車輛、船只、飛機的調度與指揮，減少交通負荷和環境污染、確保交通安全并提高運輸效率。

物聯網概念圖

5）海洋漁業。漁船船位監控指揮管理系統主要提供遠海及近海漁船的位置監控、緊急報警、區域報警、漁船出入港報告等服務。通過整合衛星導航定位系統、地理信息系統、移動通信網絡、因特網等，構建了統一信息管理、發布、共享平臺—北斗天樞運營服務中心，可向各級漁業管理部門、漁業公司提供海上漁船的監控管理、遇險救助、短信息互通等服務。

技術環節發展現狀

1）終端域。終端域能滿足部分應用，以短距離為主，嵌入式基本實現，但功耗有待改進；目前還存在多種技術協議和標準；其成本問題已成為重要障礙因素。業界比較關注無線個域網（Zig Bee）和RFID，Zig Bee功耗低，成本低，組網方便，但缺乏安全規范及完善的標準；RFID成本高，無源單向，未來重點研究超高頻和有源RFID，推向民用。

2）網絡域。在帶寬、網絡結構方面，網絡域基本能夠支撐。未來對于因流量的增加如何合理利用帶寬和網絡資源問題成為業內關注熱點；支撐層從垂直向水平融合存在不足，需要搭建水平分層業務網絡體系；存在互聯網協議（IP）資源緊缺的問題。

3）應用域。應用域借助云計算等新的運算處理系統來處理信息和輔助決策，需要解決復雜的應用層語言環境及內容管理等問題。

4）終端及網絡的融合。該環節必須實現傳感網和通信網的無縫連接，建立統一的協議棧。

5）網絡與應用的融合。該環節需要解決上下文感知技術、信息和數據集成處理技術。

物聯網需與云計算融合發展

未來的物聯網業務將構建在融合基礎（云）設施之上，物聯網產生、分析和管理的數據將是海量的，需要可擴展的巨量計算資源予以支持；而云計算能夠提供彈性、無限可擴展、價格低廉的計算和存儲服務，滿足物聯網需求。物聯網是業務需求構建方，云計算則是業務需求計算能力提供方。

2 虛擬的云計算

云計算的概念

云計算是一種新興的商業計算模型，它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務。云計算基于互聯網實現相關服務的增加、使用和交付模式，通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。

云計算是并行計算、分布式計算和網格計算的發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現；同時也是虛擬化、效用計算、基礎設施即服務、平臺即服務、軟件即服務等概念混合演進并躍升的結果。

云計算的體系結構和特點

云計算的體系結構由五部分組成，分別為應用層、平臺層、資源層、用戶訪問層和管理層。云計算的本質是通過網絡提供服務，所以其體系結構以服務為核心。

云計算的特點包括：①虛擬化，可以看作是一片用于計算的云；②超大規模，服務器群；③按需服務，按需購買；④高可靠性，冗余副本、負載均衡；⑤通用性，支撐千變萬化的實際應用；⑥高可擴展性，靈活、動態伸縮；⑦極其廉價，不再需要一次性購買超級電腦；⑧安全，擺脫數據丟失、病毒入侵；⑨方便，支持多終端、數據共享。

云計算的體系結構圖

3 大覆蓋的衛星通信

衛星通信的內含

狹義的衛星通信指地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。現有的衛星通信系統可以分為以下幾類。

· 按照工作軌道區分：低軌道衛星通信系統、中軌道衛星通信系統、高軌道衛星通信系統；

· 按照通信范圍區分：國際通信衛星、區域性通信衛星、國內通信衛星；

· 按照用途區分：綜合業務通信衛星、軍事通信衛星、海事通信衛星、電視直播衛星等；

· 按照轉發能力區分：無星上處理能力衛星、有星上處理能力衛星。

廣義的衛星通信則包含了衛星通信、衛星廣播、衛星中繼、衛星導航、衛星遙感等，能夠高效整合現有的各類衛星資源實現集通信、導航、廣播、遙感等于一體的衛星云服務。

廣義衛星通信的特點

（1）無時不在，無處不在

截至2012年4月1日，全球在軌運行衛星總數接近1000顆，如此龐大的衛星云可以輕松實現全天候的全球覆蓋，能夠為用戶提供時間和空間上雙重無縫的衛星云服務，滿足各類應用的需求。

云計算概念圖

（2）豐富的衛星資源池

廣義的衛星通信整合了各種可用的衛星資源，在滿足系統多功能、大覆蓋的同時，最大限度地發揮了每個系統單獨的性能，衛星利用率顯著提高。此外，同類衛星還可以形成資源池，能夠在系統內部將豐富的衛星資源進一步優化，從而為系統的不同應用提供高效的服務。

衛星云存在的問題

雖然衛星云具有數目龐大的衛星，但就目前而言，每個系統都需要單獨建網、單獨運營，無法實現高效的管理；在體制方面缺乏統一的國際標準，相互獨立發展，用戶在使用過程中需要不同的終端來接入，因此各系統所發揮的效能并不高，無法滿足物聯網及云計算時代的需求。目前，實現真正的衛星云服務需要解決多通信體制的融合，多系統資源的調度及重組，各系統不同機制的協調等問題。

衛星通信與云計算的融合發展

衛星通信系統可以提升云計算服務系統的數據處理能力。云計算服務系統需要處理大量的用戶數據，而衛星通信系統也可以作為一種數據處理資源，輔助云計算服務系統，有效提升系統整體的數據處理能力。衛星通信系統還可以為云計算服務系統提供通信服務支撐，為云計算資源之間的數據傳輸提供穩定的通信。

4 物聯網和云計算時代的衛星通信產業發展現狀

美國國際數據公司預測稱，2012年全球云計算服務市場規模將達到約420億美元；而我國對物聯網和云計算的重視度也越來越高，2012年發布的《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》將物聯網和云計算工程納入了新興產業的20項重大工程之一。物聯網和云計算的飛速發展，對廣義上的衛星通信產業提出了更高的要求。

衛星通信現狀

2011年我國民用衛星通信廣播產業總體收入100億元左右（不包含衛星制造與發射），主要由衛星通信服務、衛星電視廣播服務和衛星地面設備制造三部分構成。

衛星通信覆蓋面積大，對地形和距離不敏感，不受地理環境、氣候條件和事件限制，為物聯網提供廣域甚至全球的信息采集和傳輸；衛星通信具有全天時、全天候、全球覆蓋、高精度的特點，為物聯網提供精準的位置、速度和時間等基本信息；利用星載的信息感知設備對觀測目標和環境成像，是大范圍、高分辨率對物理世界進行感知的主要手段，為物聯網提供廣域甚至全球地理和空間環境信息。

（1）衛星通信接入網可以與觀測對象、數據采集終端組成數據采集系統

現有全球覆蓋的低地球軌道衛星，如“銥”（Irid ium）星、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（ORBCOMM）系統都已兼具數據采集系統應用；數據采集終端將采集到的數據經由衛星通信系統發送到衛星通信關口站，再通過地面網絡傳送到用戶處理中心；用戶處理中心通過衛星通信系統也可以控制和管理數據采集終端；可廣泛應用于氣象、林業、水利、國土、地震、環保、海洋、農業、石油等行業的監測監控。

（2）衛星通信傳輸網可以作為對地面網絡的補充、延伸、中繼和備用等

在地面網絡無法覆蓋的情況下，通過衛星通信系統進行中繼和傳輸；在地面網絡發生損毀情況下，衛星通信可以用于地面網絡的備份，傳輸應急救援相關的災情、指揮數據等。

衛星導航現狀

我國衛星導航產業經過近20年的發展，市場規模不斷擴大，1998年后我國衛星導航定位市場以每年50%的速度遞增。據估計，到2020年導航應用產業的經濟效益可達2600億元，總收益甚至可達4200億元。我國的衛星導航應用產業正處于一個從導入期向成長期過渡的階段，且必將進入規模化應用、產業化發展的快車道。有效地保證衛星導航系統的建設和使用，不僅是一個重要的經濟問題，更是具有很大的社會價值。經過詳細的估算，到2015年我國“北斗”系統將形成價值1500億～2000億元的產業，2020年有望達到4000億元。

衛星導航系統可以為海、陸、空、天各類用戶提供位置、速度、時間等基本信息，具有全天時、全天候、全球覆蓋、高精度等特點。位置和時間信息是物聯網用戶必需的最基本信息。衛星導航系統是物聯網信息感知層的重要組成部分和最基本的信息資源，滿足物聯網感知層的各種需求，可以用于災情預報、氣象監控、林業監控、船舶監控、鐵路調度、水利監控、車聯網等領域。

“全球星”覆蓋區域圖

衛星遙感現狀

據歐洲咨詢公司報告，2010年底全球天基對地觀測商業數據銷售收入達13億美元，其中高分辨率數據占72%。到2020年，全世界將有40多個國家擁有天基對地觀測能力，各國政府仍是商業數據的最大用戶；同時商業光學對地觀測衛星分辨率日益提高，雷達衛星發展迅速，衛星運行方式從單星向衛星編隊或星座方式發展，成像重訪周期和覆蓋范圍進一步提高，實現更高的系統可靠性，促進干涉測量技術的業務應用與發展。

衛星遙感是物聯網全面感知信息中的重要部分，衛星遙感海量數據的處理可以通過云計算服務平臺完成；衛星遙感對全球范圍進行多層次、多視角、多領域的立體監測，從而獲得地球資源、地貌、地質、地理、地面與空間環境各種特定目標（軍事設施、災害地區等）的精確信息；衛星遙感可以廣泛應用于國土資源調查、城市規劃、環境監測、農林防護等。這些應用有些屬于物聯網自身范圍，有些是為物聯網應用提供支撐。

衛星應用發展瓶頸

（1）缺乏統一的規范標準，資源利用率不高

目前，雖然我國已擁有了自己獨立的衛星通信系統、衛星導航系統、衛星遙感系統，但各系統間缺乏交互，彼此獨立發展，遵循不同的技術規范，在浪費空間頻率資源與軌道資源的同時，給用戶接入帶來了不便，不能滿足物聯網和云計算時代資源共享與高效利用的需求。因此，需要加強系統頂層設計，制定統一的規范和國家及國際標準，實現衛星資源的最大化利用。

（2）系統綜合服務能力有待提升

目前，我國的衛星系統與國際先進水平存在著較大的差距，在通信帶寬、定位精度、觀測分辨率等方面不能滿足物聯網和云計算時代應用服務的需求。同時，現有通信、導航和遙感三大系統仍獨立工作，沒有形成綜合服務的能力，即尚未實現云衛星系統的組網及網間協同工作。

綜合的對地觀測系統

（3）缺乏具有自主知識產權的兼容互操作型終端

目前，我國大部分終端產品的核心芯片和主板都嚴重依賴國外，缺少具有自主知識產權的核心技術，同時也給系統的安全性帶來了巨大的隱患；此外，現有的接收終端都相對獨立，不同終端設備只能接入對應的系統，缺乏系統間的兼容互操作設計，不能滿足物聯網和云計算時代的衛星應用需求。因此需要實現核心芯片與模塊的國產化，打破國外技術長期壟斷的格局，同時開展基于云衛星應用的兼容互操作終端設備研發，推動我國云衛星應用的發展。

5 發展建議

衛星通信技術已經廣泛應用于物聯網和云計算的各個層面，起著不可或缺、不可替代的作用。根據物聯網和云計算發展的需求，筆者建議：①加強頂層規劃，從廣義衛星通信的角度出發，建立新的國際規范、標準，實現不同系統機制間通信體制的融合及統一；②充分利用現有衛星資源實現云衛星服務，滿足資源的最優調度和重組，提高衛星利用率；③發展廣義衛星通信系統下的終端設備研發，使未來的用戶能夠使用一套終端接入不同的網絡，實現不同的衛星應用，以滿足物聯網和云計算時代用戶日益增長的需求。