物聯(lián)網及云計算時代的衛(wèi)星通信

呂子平（中國電信集團衛(wèi)星通信有限公司） 鄧中亮（北京郵電大學）

當今世界，衛(wèi)星通信產業(yè)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(tǒng)才有出路，才有生命力。衛(wèi)星通信在物聯(lián)網和云計算中可以發(fā)揮大作用，也應該發(fā)揮大作用，必定會發(fā)揮大作用。

1 智慧的物聯(lián)網

物聯(lián)網的概念和基本特征

物聯(lián)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(xiàn)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(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)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(tài)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(lián)網被認為是我們即將面臨的又一重大歷史性機遇，其發(fā)展歷程可以分為基礎期、導入期、成長期和發(fā)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(guī)模發(fā)展；在發(fā)展期，從典型應用向普遍性應用的規(guī)模發(fā)展。

第三代移動通信技術（3G）的出現(xiàn)將為物聯(lián)網提供更多的市場機會，遠程視頻監(jiān)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(chuàng)新業(yè)務。

物聯(lián)網的體系架構

目前，在業(yè)界物聯(lián)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(lián)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(tǒng)”（GPS）等；網絡層是物聯(lián)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(lián)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(lián)網的“社會分工”，它是物聯(lián)網與行業(yè)專業(yè)技術的深度融合，與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)行業(yè)智能化。

信息獲取、信息傳輸、信息處理是物聯(lián)網應用的3個主要環(huán)節(jié)，通信網是實現(xiàn)物聯(lián)網應用中傳輸環(huán)節(jié)的必要基礎設施，物聯(lián)網與通信網的融合發(fā)展，構建天地一體的物聯(lián)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(guī)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(lián)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(wèi)星通信網絡（包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星廣播通信、衛(wèi)星移動通信等）。

物聯(lián)網應用

目前，物聯(lián)網管理平臺已廣泛應用于智能運輸、公共安全、工業(yè)自動化、供應鏈、移動銷售終端（POS）、電力、軍事、消防、數(shù)字化醫(yī)療、農業(yè)、林業(yè)、環(huán)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(wèi)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(jiān)控業(yè)務，提供基于有線寬帶、無線3G等多種接入手段的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、傳送、控制、分析、管理等應用，廣泛應用于公安、保險、環(huán)保、檢驗檢疫等20多個大型行業(yè)，并拓展了商鋪等中小企業(yè)用戶；通過使用通信衛(wèi)星，可將應用區(qū)域擴展至森林、海洋、沙漠等常規(guī)通信網絡缺乏的地區(qū)。

3）水下無線傳感器網絡技術。21世紀是人類深入開發(fā)利用海洋資源的世紀，海洋物理研究、數(shù)據(jù)采集、交通導航、資源勘探、污染監(jiān)控、災難預防，以及對水下軍事目標的監(jiān)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(wèi)星導航系統(tǒng)以及地面通信／廣播網絡等設施實現(xiàn)車輛、船只、飛機的調度與指揮，減少交通負荷和環(huán)境污染、確保交通安全并提高運輸效率。

物聯(lián)網概念圖

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

技術環(huán)節(jié)發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)，但功耗有待改進；目前還存在多種技術協(xié)議和標準；其成本問題已成為重要障礙因素。業(yè)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(guī)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(yè)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(yè)務網絡體系；存在互聯(lián)網協(xié)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(tǒng)來處理信息和輔助決策，需要解決復雜的應用層語言環(huán)境及內容管理等問題。

4）終端及網絡的融合。該環(huán)節(jié)必須實現(xiàn)傳感網和通信網的無縫連接，建立統(tǒng)一的協(xié)議棧。

5）網絡與應用的融合。該環(huán)節(jié)需要解決上下文感知技術、信息和數(shù)據(jù)集成處理技術。

物聯(lián)網需與云計算融合發(fā)展

未來的物聯(lián)網業(yè)務將構建在融合基礎（云）設施之上，物聯(lián)網產生、分析和管理的數(shù)據(jù)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(lián)網需求。物聯(lián)網是業(yè)務需求構建方，云計算則是業(yè)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(yè)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(tǒng)能夠根據(jù)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(lián)網實現(xiàn)相關服務的增加、使用和交付模式，通過互聯(lián)網來提供動態(tài)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(fā)展，或者說是這些計算機科學概念的商業(yè)實現(xiàn)；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(guī)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(tài)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(shù)據(jù)丟失、病毒入侵；⑨方便，支持多終端、數(shù)據(jù)共享。

云計算的體系結構圖

3 大覆蓋的衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信的內含

狹義的衛(wèi)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(wèi)星作為中繼而進行的通信。現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為以下幾類。

· 按照工作軌道區(qū)分：低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)、中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)、高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)；

· 按照通信范圍區(qū)分：國際通信衛(wèi)星、區(qū)域性通信衛(wèi)星、國內通信衛(wèi)星；

· 按照用途區(qū)分：綜合業(yè)務通信衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星、海事通信衛(wèi)星、電視直播衛(wèi)星等；

· 按照轉發(fā)能力區(qū)分：無星上處理能力衛(wèi)星、有星上處理能力衛(wèi)星。

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

廣義衛(wèi)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(wèi)星總數(shù)接近1000顆，如此龐大的衛(wèi)星云可以輕松實現(xiàn)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(wèi)星云服務，滿足各類應用的需求。

云計算概念圖

（2）豐富的衛(wèi)星資源池

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

衛(wèi)星云存在的問題

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

衛(wèi)星通信與云計算的融合發(fā)展

衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以提升云計算服務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。云計算服務系統(tǒng)需要處理大量的用戶數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星通信系統(tǒng)也可以作為一種數(shù)據(jù)處理資源，輔助云計算服務系統(tǒng)，有效提升系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)處理能力。衛(wèi)星通信系統(tǒng)還可以為云計算服務系統(tǒng)提供通信服務支撐，為云計算資源之間的數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定的通信。

4 物聯(lián)網和云計算時代的衛(wèi)星通信產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

美國國際數(shù)據(jù)公司預測稱，2012年全球云計算服務市場規(guī)模將達到約420億美元；而我國對物聯(lián)網和云計算的重視度也越來越高，2012年發(fā)布的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》將物聯(lián)網和云計算工程納入了新興產業(yè)的20項重大工程之一。物聯(lián)網和云計算的飛速發(fā)展，對廣義上的衛(wèi)星通信產業(yè)提出了更高的要求。

衛(wèi)星通信現(xiàn)狀

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

衛(wèi)星通信覆蓋面積大，對地形和距離不敏感，不受地理環(huán)境、氣候條件和事件限制，為物聯(lián)網提供廣域甚至全球的信息采集和傳輸；衛(wèi)星通信具有全天時、全天候、全球覆蓋、高精度的特點，為物聯(lián)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(huán)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(lián)網提供廣域甚至全球地理和空間環(huán)境信息。

（1）衛(wèi)星通信接入網可以與觀測對象、數(shù)據(jù)采集終端組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)有全球覆蓋的低地球軌道衛(wèi)星，如“銥”（Irid ium）星、“全球星”（Globalstar）、“軌道通信”（ORBCOMM）系統(tǒng)都已兼具數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用；數(shù)據(jù)采集終端將采集到的數(shù)據(jù)經由衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送到衛(wèi)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(wèi)星通信系統(tǒng)也可以控制和管理數(shù)據(jù)采集終端；可廣泛應用于氣象、林業(yè)、水利、國土、地震、環(huán)保、海洋、農業(yè)、石油等行業(yè)的監(jiān)測監(jiān)控。

（2）衛(wèi)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(wèi)星通信系統(tǒng)進行中繼和傳輸；在地面網絡發(fā)生損毀情況下，衛(wèi)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(shù)據(jù)等。

衛(wèi)星導航現(xiàn)狀

我國衛(wèi)星導航產業(yè)經過近20年的發(fā)展，市場規(guī)模不斷擴大，1998年后我國衛(wèi)星導航定位市場以每年50%的速度遞增。據(jù)估計，到2020年導航應用產業(yè)的經濟效益可達2600億元，總收益甚至可達4200億元。我國的衛(wèi)星導航應用產業(yè)正處于一個從導入期向成長期過渡的階段，且必將進入規(guī)模化應用、產業(yè)化發(fā)展的快車道。有效地保證衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(tǒng)將形成價值1500億～2000億元的產業(yè)，2020年有望達到4000億元。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(lián)網用戶必需的最基本信息。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是物聯(lián)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(lián)網感知層的各種需求，可以用于災情預報、氣象監(jiān)控、林業(yè)監(jiān)控、船舶監(jiān)控、鐵路調度、水利監(jiān)控、車聯(lián)網等領域。

“全球星”覆蓋區(qū)域圖

衛(wèi)星遙感現(xiàn)狀

據(jù)歐洲咨詢公司報告，2010年底全球天基對地觀測商業(yè)數(shù)據(jù)銷售收入達13億美元，其中高分辨率數(shù)據(jù)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(yè)數(shù)據(jù)的最大用戶；同時商業(yè)光學對地觀測衛(wèi)星分辨率日益提高，雷達衛(wèi)星發(fā)展迅速，衛(wèi)星運行方式從單星向衛(wèi)星編隊或星座方式發(fā)展，成像重訪周期和覆蓋范圍進一步提高，實現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性，促進干涉測量技術的業(yè)務應用與發(fā)展。

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

衛(wèi)星應用發(fā)展瓶頸

（1）缺乏統(tǒng)一的規(guī)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(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，但各系統(tǒng)間缺乏交互，彼此獨立發(fā)展，遵循不同的技術規(guī)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(lián)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(tǒng)頂層設計，制定統(tǒng)一的規(guī)范和國家及國際標準，實現(xiàn)衛(wèi)星資源的最大化利用。

（2）系統(tǒng)綜合服務能力有待提升

目前，我國的衛(wèi)星系統(tǒng)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(lián)網和云計算時代應用服務的需求。同時，現(xiàn)有通信、導航和遙感三大系統(tǒng)仍獨立工作，沒有形成綜合服務的能力，即尚未實現(xiàn)云衛(wèi)星系統(tǒng)的組網及網間協(xié)同工作。

綜合的對地觀測系統(tǒng)

（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(tǒng)的安全性帶來了巨大的隱患；此外，現(xiàn)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(tǒng)，缺乏系統(tǒng)間的兼容互操作設計，不能滿足物聯(lián)網和云計算時代的衛(wèi)星應用需求。因此需要實現(xiàn)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(wèi)星應用的兼容互操作終端設備研發(fā)，推動我國云衛(wèi)星應用的發(fā)展。

5 發(fā)展建議

衛(wèi)星通信技術已經廣泛應用于物聯(lián)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(jù)物聯(lián)網和云計算發(fā)展的需求，筆者建議：①加強頂層規(guī)劃，從廣義衛(wèi)星通信的角度出發(fā)，建立新的國際規(guī)范、標準，實現(xiàn)不同系統(tǒng)機制間通信體制的融合及統(tǒng)一；②充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源實現(xiàn)云衛(wèi)星服務，滿足資源的最優(yōu)調度和重組，提高衛(wèi)星利用率；③發(fā)展廣義衛(wèi)星通信系統(tǒng)下的終端設備研發(fā)，使未來的用戶能夠使用一套終端接入不同的網絡，實現(xiàn)不同的衛(wèi)星應用，以滿足物聯(lián)網和云計算時代用戶日益增長的需求。