5G窄带——无处不在的物联网

　　到2025年，预测表明将有超过750亿个物联网 (IoT) 设备在使用中。它们中的每一个都需要某种形式的连接。然而，目前世界上85%的地区缺乏或只能有限地访问地面连接服务。这迫使一些企业采用低地球轨道 (LEO) 的卫星连接，以解决网络连接问题。海洋、偏远地区和矿区只是卫星连接在覆盖范围和成本方面具有优势的几个例子。

　　据麦肯锡称， 缺乏连通性阻碍了物联网在未来十年内为全球国内生产总值 (GDP) 增加2至3万亿美元 (USD) 的增长。这是卫星物联网为地面蜂窝和非蜂窝物联网网络提供补充服务的巨大机会。预测估计，卫星物联网市场的价值在2025年至2031年间将达到约 60 亿美元。

　　我们已经看到许多行业越来越多地使用基于卫星的服务，包括军事和国防、石油和天然气、汽车、农业以及能源和公用事业——尤其是在需要低延迟服务时。与现有运营商在地球同步赤道轨道 (GEO) 中运行的大型传统卫星相比，LEO中的小型卫星在实时连接、监测和跟踪方面更加有效。为了释放物联网的全部潜力，提供无处不在的连接的低轨小卫星星座是必不可少的。

　　低延迟市场和用例

　　智能计量、精准农业、资产跟踪、车辆远程信息处理、人工智能、紧急警报和环境监测等许多应用都需要低于10毫秒的延迟。提供需要这种超低延迟和可靠通信的服务的一项关键蜂窝技术是5G。普华永道估计，到2030年，5G技术将为全球GDP增加13390亿美元，高于2022年的1500亿美元。

　　5G的速度将允许在整个供应链中实时共享数据。毕马威 (KPMG) 2022 年的一项调查发现，目前只有13%的企业对其供应链具有完整的可见性。通过传感器数据和摄像头，企业可以聚合资产和设备位置的准确实时视图，以及控制自动驾驶车辆和无人机。从本质上讲，它将消除从数据生成到我们可以对其采取行动之间的滞后时间。

　　实现这些数字的障碍之一是投资成本。大多数卫星物联网使用专有且昂贵的卫星连接技术来支持物联网设备。然而，在过去几年中，新来者已开始采用现有的地面无线物联网连接技术，例如第三代合作伙伴计划 (3GPP)，该计划将七个电信标准开发组织联合起来开发一种新的无线电技术，用于窄带互联网的标准化物联网 (NB-IoT)。

　　OQ Technology使用3GPP标准推出了世界上第一个基于卫星的NB-IoT，为覆盖范围有限或无覆盖的偏远地区提供5G连接的全球网络。该公司还开发了一种使用标准移动芯片的技术，这种芯片比常用的传统卫星芯片便宜得多。其“卫星内的蜂窝塔”技术使物联网设备能够在地面和卫星连接之间无缝切换，从而在不修改蜂窝标准的情况下克服连接问题。

　　创建5G IoT星座

　　OQ Technology 在2019年实现了世界上第一个NB-IoT波形和同步程序的在轨演示后，于2021年启动了它的第一个任务，使客户能够获得完整的5G服务。SpaceX Transporter上被称为“Tiger-2”的6U纳米卫星-2 拼车任务是LEO中的第一颗商用5G物联网卫星，使用低频提供基于卫星的物联网和机器对机器 (M2M) 服务。它还展示了将高频用于5G物联网无线电链路的可行性。为了提供符合3GPP建议的广泛覆盖和5G IoT/M2M通信，这些卫星使用中频段5G(低于 6 GHz)频段中的频谱。一年后，出于同样的目的发射了第三颗卫星“Tiger-3”。

　　将卫星送入轨道已经可以向非洲、中东、亚洲和拉丁美洲的客户提供基本的商业物联网和M2M服务。Tiger-2还在恶劣的沙漠条件下测试了混合卫星蜂窝用户终端，实现了高水平的信噪比。几周来，进行了各种操作以验证卫星有效载荷的性能。还测试和校准了在沙漠和室内使用的不同固定和移动环境中的终端。即使埋在沙漠中(许多农业应用都需要)，或者在汽车内高速移动(无法直接看到天空)，终端也会向卫星发送信号及其 GPS 位置。这确保了资产在连接之间传输时的准确跟踪和监控。它改变了全球陆上和海上货运资产的可见性。

　　通往商业服务的第二个重要步骤是连接管道和智能仪表等远程资产的真实试点测试。该试验是与沙特通信、空间和技术委员会 (CST)、沙特阿美石油和天然气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地区的偏远站点之一进行的。

　　在试验中，来自远程油井口和管道的气体和温度传感器连接到 Tiger-2 卫星。该终端每两小时收集一次温度、湿度、二氧化碳和 GPS 读数，并存储数据直到下一次卫星通过。卫星还可以存储数据，直到它使用NB-IoT技术将数据发送到下一个地面站。

　　该设置尽可能减少人工干预的需要，并提供最新数据来保护业务案例。现场传感器通过蓝牙将其数据发送到技术终端，技术终端将感测到的数据转发到相应的卫星并向下传输到地面网络站。从那里，数据传递到基于云的仪表板。

　　测量传输速度表明，所有传输的数据都已成功接收和解码，连接具有超高可靠性。此外，为了中继计费和用电数据，还连接了室内智能电表。

　　两项成功试验的结果使OQ Technology成为世界上第一家使用5G协议在任何地方提供连接的全球物联网连接卫星电信运营商。因此，该公司还能够签署世界上第一个使用低轨卫星星座为基于NB-IoT的物联网设备提供5G覆盖的商业客户合同。

　　这些测试还使该公司能够引入世界上第一个安全专用网络，该网络基于用于窄带物联网的标准化3GPP蜂窝技术为物联网设备提供5G连接。连同其他在轨卫星，包括2022 年 4月发射的Tiger-3，该公司能够缩小延迟关键应用的差距，并提供高数据密度、服务质量和快速响应时间。

　　5G卫星物联网的未来

　　结果和新服务让我们得以初步了解5G可以提供的革命性未来。未来十年，5G等标准升级的技术将随着网络的发展扩大覆盖范围。

　　普华永道估计，到 2030 年，5G在智能公用事业管理方面的应用将为全球GDP增加3300亿美元。麦肯锡估计，到2030年，农业可以为全球GDP增加5000亿美元。

　　预计的5G扩展也可能导致无线电频谱过度拥挤，监管机构需要从GEO运营商那里释放频率，这些运营商长期以来一直坐在这些信号上而无所事事。

　　虽然今天从传感器到仪表板的数据传输是单向的，但该技术可以复制有线系统的功能，将命令实时发送回各种资产。这将为工业自动化提供一系列全新的用例，尤其是在与人工智能结合时。例如，农民可以指挥筒仓释放食物或管理灌溉系统，或者石油和天然气企业可以远程使用无人机、起重机和机器人。这将减少或消除对昂贵的人机交互的需求，提高效率，并提高工人的安全水平。

　　随着该技术的采用、足够的可用频谱以及更多卫星和星座的发射，5G的巅峰时期有可能有助于开发革命性的应用，并在多个行业带来巨大利益，这与当今存在于有线环境之外的任何东西都不一样。

　　本文作者：Omar Qaise是OQ Technology的创始人兼首席执行官，也是该公司5G SatIot概念的首席架构师。