天地一体多业务融合的物联网架构和关键技术

doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022026

天地一体化信息网络 ›› 2022, Vol. 3 ›› Issue (3): 3-12.doi: 10.11959/j.issn.2096-8930.2022026

所属专题：专题：智能+卫星互联网

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天地一体多业务融合的物联网架构和关键技术

魏肖, 张景, 全子傲, 郭一诺, 冯旭

中国电子科学研究院，北京 100041

修回日期:2022-06-19 出版日期:2022-09-20 发布日期:2022-09-01
作者简介:魏肖（1991-），现就职于中国电子科学研究院，主要研究方向为星地融合网络接入技术、卫星物联网传输技术、卫星5G接入技术等
张景（1974-），现就职于中国电子科学研究院，研究员级高级工程师，主要研究方向为基于5G移动通信技术体制的卫星无线接入网技术、基于4G/5G技术体制的时敏专网、移动边缘计算技术在行业专用中的应用等
全子傲（1996-），现就职于中国电子科学研究院，主要研究方向为卫星星座设计、星地融合网络接入技术等
郭一诺（1996-），现就读于中国电子科学研究院，主要研究方向为非正交码本优化设计、星地融合随机接入和信号检测技术等
冯旭（1987-），现就职于中国电子科学研究院，高级工程师，主要研究方向是天地融合网络和无线通信
基金资助:
国家重点研发计划资助项目(2021YFB2900502)

The Architecture and Key Technologies of the Internet of Things with Integration of Heaven and Earth and Multi Services

Xiao WEI, Jing ZHANG, Ziao QUAN, Yinuo GUO, Xu FENG

China Academic of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China

Revised:2022-06-19 Online:2022-09-20 Published:2022-09-01
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2021YFB2900502)

摘要/Abstract

摘要：

为了满足广域大容量低成本物联接入、工业时敏控制等多样化垂直行业物联业务需求，新一代天基物联网架构设计、技术研究和系统建设等工作正处于广泛研究和试验的阶段。在此背景下，在分析研究现状和需求的基础上，提出一种天地一体多业务融合的物联网架构，开展系统架构设计，以及多业务融合空中接口传输、导航定位一体和智能在轨边缘计算等技术研究，并提出一种面向低纬度地区的天地一体多场景天基物联网解决方案，为未来天基物联网技术发展和系统建设提供参考。

关键词: 天地一体, 多业务融合空中接口, 通信定位一体, 边缘计算

Abstract:

In view of the requirements of the new internet of things , such as multi diff erentiated service, wide area high-capacity access, low power consumption and low cost, the architecture design, technology research and system construction of the new generation satellite internet of things are in the stage of extensive research and experiment.In this context, based on the analyzed of the research status and requirements, an internet of things architecture integrating heaven and earth was proposed.Then, the research on technologies such as multi service integration air interface transmission, communication and positioning integration, and intelligent edge computing were deeply studied.A multi-scene space based internet of things solution for low latitude areas was put forwared, which provided a reference for the future development of space-based internet of things technology and system construction.

Key words: integration of heaven and earth, multi services integration air interface, communication and positioning integration, edge computing

中图分类号:

TP393

魏肖, 张景, 全子傲, 郭一诺, 冯旭. 天地一体多业务融合的物联网架构和关键技术[J]. 天地一体化信息网络, 2022, 3(3): 3-12.

Xiao WEI, Jing ZHANG, Ziao QUAN, Yinuo GUO, Xu FENG. The Architecture and Key Technologies of the Internet of Things with Integration of Heaven and Earth and Multi Services[J]. Space-Integrated-Ground Information Networks, 2022, 3(3): 3-12.

图/表 14

表1

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表2

表3

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表5

表6

参考文献 26

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业务类型	业务特点	应用场景
数据采集	非时敏低速	海洋、森林、矿产等资源的监视与管理；交通、物流、输油管道、电网等的监控管理；野生动物的跟踪监测保护
数据广播	时敏/非时敏低速	海上浮标、海上救生等；洪水、地震等自然灾害信息广域分发
指挥控制/交互	时敏中低速	无人机、导弹、舰船、车辆的协同控制

项目	主要技术指标要求	技术途径
异构计算能力	FPGA/CPU/GPU异构计算AI算力不低于1TOPS/W支持云原生的算法、协议	商业货架芯片加固
存储能力	Tbit级	商业货架芯片加固
数据处理交换能力	不小于10 Gbit/s	商业货架芯片加固；需要激光微波链路ISR支持
空间环境适应	-20 ℃～45 ℃	工业级器件加固
边缘云操作系统	边缘云构建时间：分钟级云边迁移部署时间：小于1 h	基于KubeEdge/ K3S进行星地适应性设计部署
低轨600～1 200 km抗辐照能力/单粒子效应	总剂量不小于100 krad（Si）单粒粒子翻转率小于10^-10/bit/天	FPGA/CPU三模冗余设计；SDRAM EDAC设计；Flash 遥控刷新
故障检测隔离数据服务迁移备份	故障检测时间：秒级备份迁移时间：10 s～1 min	板块端口及总线隔离技术、虚拟机、微服务容器技术、高性能轻量化宿主操作系统/虚拟化管理系统

业务	定位精度	可用度	更新周期	一体化需求	应用领域
1	水平5～10 m；垂直3 m	95%	秒级	网络化自主定位	导航路径规划、陆地/海上物流仓储管理
2	水平5 m；垂直3 m	95%	1s	网络化自主定位/增强	郊区道路导航、驾驶辅助
3	水平1 m；垂直2 m	99%	1s	网络化自主定位/增强	密集城区道路导航，驾驶辅助
4	水平0.3 m；垂直2 m	99.9%	50 ms	网络化自主定位/增强	基于在轨边缘计算的公路自动驾驶
5	水平0.2 m；垂直0.2 m	99.9%	50 ms	网络化自主定位/增强、用户端惯性制导、雷达	基于在轨边缘计算的无人机、无人车船控制、无人智能协同
6	水平0.01 m；垂直0.01 m	95%	分钟级	网络化定位增强	桥梁设施、大型建筑、山体滑坡监测

频段	上行	下行	业务种类
	1 610~1 626.5 MHz(16.5 MHz)	2 483.5~2 500 MHz(16.5 MHz)
L	1 626.5~1 660.5 MHz(34 MHz)	1 525~1 559 MHz(34 MHz)	MSS
	1 668~1 675 MHz(7 MHz)	1 518~1 525 MHz(7 MHz)
S	2 025~2 110 MHz(85 MHz)	2 200~2 290 MHz(90 MHz)	SOS
S	1 980~2 010 MHz(30 MHz)	2 170~2 200 MHz(30 MHz)	MSS
Ext.C	6 425~7 075 MHz(650 MHz)	3 400~3 700 MHz(300 MHz)	FSS
C	5 850~6 425 MHz(575 MHz)	3 700~4 200 MHz(500 MHz)	FSS
X	7 900~8 400 MHz(400 MHz)	7 250~7 750 MHz(400 MHz)	FSS
Ku	13.75~14.8 GHz(1 050 MHz)	10.95~11.2 GHz，11.45~11.7 GHz 12.25~12.75 GHz(1 000 MHz)	FSS、BSS
Ka	27.5~31 GHz(3.5 GHz)	17.7~21.2 GHz(3.5 GHz)	FSS、MSS
Ka	22.55~23.55 GHz, 24.45~24.75 GHz, 25.5~27.5 GHz, 2.3~33 GHz		ISS
Q	42.5~43.5 GHz, 47.5~51.2 GHz, 51.4~52.4 GHz	37.5~42.5 GHz	FSS、MSS、BSS

星座参数		参数值
Walker轨道	轨道高度	1 261 km
	轨道倾角	25°
	轨道数量	3个
	单轨卫星数量	17颗
赤道轨道	轨道高度	1 200 km
	波束俯仰角方位角	70°/270°
	轨道数量	1个
	单轨卫星数量	20颗

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The Architecture and Key Technologies of the Internet of Things with Integration of Heaven and Earth and Multi Services

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参数		时敏控制类中低速上行	时敏控制类中低速下行	传感数据采集类低速上行（扩频）
工作频段/GHz		25～30	17～21	25～30
星地平均距离/km			2 500
平均路径损耗/dB		189.34	185.51	189.34
其他损失/dB
EIRP/dBW		36.15	50.37	10.376
发射增益/dB		33.15	42.37	15.88
接收 G/T（dB/K）		17.31	0.40	17.31
NF/dB		5	5	5
K（dBW/kHz）			-228.6
信道带宽/MHz		100	100	10
C/N₀(dB·Hz)		83.70	84.86	57.93
C/N(dB)		3.70	4.86	-12.07
平均频谱谱效率（bit/Hz/s）		约1.32	约1.47	约0.03
单波束业务能力		支持数十到数百个用户时敏控制中低速（小于1 Mbit/s）数据传输业务		约4.8万个用户/5 min数据采集
接收G/T=Ga-NF-10log(To+(T_a-T₀)/(10^0.1NF))，其中：T₀是环境温度，通常取290 K，Ga是接收天线增益；T_a是天线温度，通常取290 K（天线增益0 dBi），取150 K（天线增益大于30 dBi）；C/N₀(dB·Hz)=EIRP-路径损耗-其他损耗-K+G/T。
传感数据采集传输业务模型：
数据包大小/(kbit·s^-1)	一次成功用户比例	重传一次用户比例	重传两次用户比例	接入协议效率	波束服务时间/s
0.8	60%	30%	10%	0.6	300

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