Системы спутникового «Интернета вещей» для бесшовной сети

Идея создания спутниковой системы для решения многочисленных задач в области «Интернета вещей» (IoT) известна достаточно давно, но для ее реализации необходимо создать систему, которая обеспечит ценовые показатели абонентских устройств, соизмеримые с аналогами в сотовых сетях и сетях LPWAN, и возможность работы абонентских устройств сети LPWAN в спутниковой сети IoT, то есть бесшовность общей сети IoT.

Действующие системы спутникового IoT

В настоящее время действует несколько низкоорбитальных систем (Iridium, Globalstar, Orbcomm, «Гонец» и др.), которые относятся к подвижной спутниковой службе (диапазоны P, L, S). Операторы этих систем предоставляют услугу IoT [1, 2]. В 2020 году число абонентских устройств составляло не менее 3,4 млн [3]. Но по ценовым и эксплуатационным показателям эти услуги IoT несоизмеримы с аналогами в сотовых сетях и сетях LPWAN (табл. 1). Стоимость абонентских средств потребителей (АСП) минимум на порядок больше, работа от обычной батарейки невозможна, а задержка при передаче информации составляет от нескольких секунд до нескольких часов [4].

В результате действующие спутниковые системы, хотя потенциально и могут предоставить возможности для решения ряда задач IoT, но массовости услуги спутникового IoT на рынке сегодня нет и пока не предвидится. Отсутствие перспективы в первую очередь связано с проприетарностью технологий и протоколов во всех без исключения действующих спутниковых системах связи и передачи данных. Изменить технологии и протоколы в действующих спутниковых системах невозможно, что очевидно.

Новые проекты спутникового IoT на основе LoRa/LoRaWAN

Учитывая, что рынок IoT развивается очень высокими темпами (его потенциал составляет сотни миллиардов долларов [5]), требуются принципиально новые низкоорбитальные спутниковые системы с целевой функцией IoT, в которых услуга конкурентоспособна по сравнению с аналогами в сотовых сетях и сетях LPWAN. Более того, услуга должна быть бесшовной, то есть АСП должны иметь возможность работы как в наземных сетях, так и в спутниковой сети IoT [6].

По некоторым прогнозам, с учетом новых спутниковых систем IoT число подключений в 2025 году увеличится до 15,7 млн [3], при этом общее число подключений в наземных сетях LoRaWAN составит примерно 2 млрд [7]. Соответственно, бесшовность спутниковой сети IoT нужно обеспечить не только на уровне услуги IoT, но и на уровне технологии и протоколов. А это уже более высокий уровень интеграции, чем физическое объединение АСП разных сетей в одном устройстве. Например, с двумя SIM, как это делается в сетях спутниковой персональной связи для одновременной работы в сотовых сетях [8], или с использованием, например, единой технологии LoRa, но в разных диапазонах частот (для Земли ISM и S для спутниковой сети), как это объявлено в системе Echostar Mobile (табл. 2).

На рис. иллюстрируется структурная схема бесшовной сети IoT на уровне технологий, протоколов и частотных диапазонов. Идея адаптации наземных технологий для спутниковых систем IoT уже стала общепризнанной. В [9–11] обосновано, что среди известных технологий LPWAN для многоспутниковой системы IoT оптимальной является технология LoRa (физический уровень OSI), поскольку она устойчива к эффекту Доплера (статическому и динамическому), а также обеспечивает возможность приема и передачи информации при уровне сигналов значительно ниже (более чем на 20 дБ) уровня шумов в канале. Причем эти сигналы в абонентских радиолиниях «КА — Земля» существенно ниже, чем взаимные помехи, которые генерируют РЭС наземных сетей LPWAN и РЭС SDR (ETSI EN 300 220-1 Report 261). Но существуют формальные ограничения радиочастотных нормативных правил. Эти ограничения могут быть решены использованием п. 4.4 Регламента радиосвязи (РР). Данный пункт устанавливает, что система не должна требовать защиты от помех и не должна создавать «мешающих помех» для иных систем, работающих в соответствии с Таблицей распределения полос радиочастот РР. Но отметим, что ни одна новая система на НГСО нормативно не может быть защищена от помех, даже если рабочие частоты выбраны в соответствии с Таблицей РР.

Рис. Иллюстрация бесшовной сети IoT:
КА – космические аппараты спутниковой сети IoT
БC — базовые станции сети LPWAN LoRa
РСС – региональная станция сопряжения спутниковой сети IoT
Облако – внешнее (публичное или частное) хранилище данных и их обработки
АСП IoT — абонентские средства потребителей
Заказчики – потребители услуги (в собственности находятся группы АСП А, Б, В и т. д.)
ISM (868/915 МГц) – ITU-R SM.2153-2
FSS – диапазон фиксированной спутниковой службы для фидерных радиолиний КА НГСО

Проекты спутникового IoT на основе NB-IoT

Активные исследования ведутся не только применительно к адаптации технологии LoRa. Например, исследуется возможность адаптации технологии NB-IoT, однако достоверных результатов о практическом решении этой задачи пока нет. Экспериментальные результаты с использованием демонстрационных наноспутников (проекты Skylo Technologies и OQ Technology) в литературе не приводятся, а в публикациях теоретического характера анализируются проблемы, а не решения самой задачи [10].

Общие сведения об адаптации NB-IoT (3GPP 5G NB-IoT NTN) планируется разработать в 3GPP Rel.17 и последующих релизах, которые предполагают применение S-диапазона для совместной работы наземных сотовых и спутниковых сетей, то есть поставлена задача бесшовности сети IoT. Основная техническая проблема — компенсация эффекта Доплера. Ее решение возможно, но стоимость абонентских устройств IoT и эксплуатационные параметры такой системы будут неконкурентоспособны, поскольку у абонента должен быть приемник НГСС (с дополнительной антенной) и непрерывное знание эфемерид каждого КА орбитальной группировки. При этом полезная нагрузка КА должна иметь обработку информации на борту, поскольку «прозрачная» ретрансляция приведет к проблемам энергетики абонентских радиолиний и увеличению стоимости земного сегмента. В 3GPP решение этих проблем запланировано, но в относительно отдаленной перспективе, после 2024 года [12].

Проекты спутникового IoT на основе технологий сети Sigfox

Есть сведения и о попытках адаптации сверхузкополосной технологии LPWAN, применяемой в сети Sigfox, для низкоорбитальной спутниковой системы ELO компании Eutelsat. Но, судя по отсутствию публикаций и переориентации проекта ELO на технологию LoRa, практическое применение технологии Sigfox не состоялось. Проблемы почти аналогичны проблемам при адаптации NB-IoT. Добавляется проблема температурной стабильности частоты, поскольку используются каналы «вверх» 100 Гц. Кроме того, имеется ограничение по объему пакета «вверх» (12 байт) и «вниз» (8 байт), что принципиально ограничивает перечень доступных приложений IoT. Соответственно, невозможно предоставить сервисы, которые требуют реакции в режиме, близком к реальному времени, поскольку только подача сигнала (абонент — сервер IoT-абонент) в узкополосном канале 100 Гц в идеале составит 2 с.

Проекты спутникового IoT на основе проприетарных технологий IoT

Как уже отмечалось, проприетарность технологий в современных спутниковых системах связи и передачи данных — основная проблема, которая не позволяет спутниковым сервисам прописаться на массовом рынке телекоммуникаций. Но в ряде новых проектов спутникового IoT продолжается ориентация на применение собственных проприетарных технологий и протоколов. Можно предположить, что при удачном техническом решении можно физически встроить новый (проприетарный) спутниковый чип в специальное двухмодовое АСП. Хотя такое решение существенно ограничивает потребительский рынок и приводит к увеличению себестоимости абонентских устройств по отношению к аналогам в сотовых сетях и сетях LPWAN, спутниковый оператор получает приоритетное право. Анализ планируемых решений показывает, что таких проектов достаточно много (табл. 1). В ряде проектов отмечается, что в перспективе проприетарные решения ориентированы на создание открытых стандартов. Но пока ни один стандарт, предложенный для спутниковой системы, не стал универсальным.

Бесшовность спутниковой сети IoT

В таблице 2 приведены краткие сведения о ряде планируемых систем спутникового IoT, в том числе ориентированных на решение задачи бесшовности на основе технологии LPWAN LoRa и технологии NB-IoT, которая продвигается в 3GPP. Относительно технологии NB-IoT нет достоверных сведений об экспериментальных результатах, подтверждающих перспективность этого решения. В таблице 2 даны краткие сведения о системах и КА, которые уже действуют и имеют полезную нагрузку, в том числе поддерживающую сигналы LoRa. Из этих данных следует, что применение технологии LoRa — это экспериментально апробированное решение для низкоорбитальных систем IoT.

Но для реальной бесшовности с наземными сетями LPWAN необходимо использовать диапазон радиочастот ISM (не выше 1 ГГц). Это позволит и в спутниковой сети обеспечить работу АСП без прямой видимости КА при достаточном (например, 12 дБ) энергетическом запасе в абонентских радиолиниях, что показано в [10, 11], то есть эксплуатационные условия АСП в спутниковой сети становятся соизмеримыми с их работой в наземной сети.

Соответственно, если услуга спутникового IoT будет конкурентоспособна на рынке, то приобретет массовый характер за счет потенциальной глобальности спутниковой системы IoT и наличия множества АСП еще до того, как орбитальная группировка спутниковой системы будет развернута [13]. Но для решения этой общей принципиальной проблемы требуется решение ряда частных задач.

Одна из таких задач — радиочастотное обеспечение (РЧО) низкоорбитальной спутниковой системы IoT. В данном случае задача сводится к доказательству, что на линии «вниз» спутниковая система не создает «мешающих помех», если на линии «вверх» используются уже существующие АСП сетей LPWAN.

За последние десятилетия, применительно к любой спутниковой системе, проблема РЧО стала задачей, которую можно назвать некорректной, поскольку ее решение основано на условиях неопределенности или противоречивости исходных данных.

Следует отметить, что частотный ресурс давно исчерпан вплоть до 50–60 ГГц. Если следовать Таблице распределения полос радиочастот между радиослужбами, то невозможно заявить ни одну систему НГСО ни в каком диапазоне частот на условиях ее защиты от помех со стороны реальных и «бумажных» систем. Это относится к любым негеостационарным системам связи, а потому задача создания бесшовных сетей (спутниковых и наземных), которые совместно используют диапазон радиочастот, практически не усложняет задачу РЧО. Но следует особо отметить, что ни одна новая система на НГСО нормативно не может быть защищена от помех, даже если ее рабочие частоты выбраны в соответствии с Таблицей РР.

РЧО на линии «вниз» в диапазоне ISM

В данном случае рассматривается диапазон частот ISM (868/915 МГц), в котором на безлицензионной основе работают наземные сети LPWAN и разнообразные РЭС SRD ближнего радиуса действия (без получения каких-либо разрешений, конечно, если соблюдаются нормативно-технические условия). В [8, 15] показано, что эта задача имеет решение на линии «Космос — АСП» применительно к низкоорбитальной системе спутникового IoT, если спектральная плотность ЭИИМ для типового канала 125 кГц в диапазоне ISM не превышает 36 дБм. В этом случае помехи, создаваемые сигналами КА на линии «Космос — АСП», будут заведомо ниже допустимых уровней помех, установленных нормативно-техническими документами [16], предусматривающими выполнение условия отсутствия «мешающих помех» работе устройств SRD и сетей LPWAN в полосах радиочастот ISM (858/915 МГц), даже при непрерывном излучении сигнала (коэффициент цикличности D_C = 1). При циклической передаче пакетов время воздействия помехи в общем случае является случайной величиной. При ограничении на цикличность D_C< 10% запас по уровню воздействия помехи относительно канала с непрерывным излучением составляет не менее 10 lg(D_C) дБ (минимум 10 дБ при D_C = 0,1). То есть физических ограничений нет на совместное использование диапазона частот ISM (868/915 МГц) для реализации бесшовного взаимодействия спутниковой и наземной сети LoRa (рисунок).

Формальные ограничения для линии «КА — АСП» радиочастотных нормативных правил могут быть решены путем использования п. 4.4 Регламента радиосвязи (РР). Этот пункт устанавливает, что система не должна требовать защиты от помех и не должна создавать «мешающих помех» для иных систем, работающих в соответствии с Таблицей распределения полос радиочастот РР.

Помехи на линии «АСП — КА» в диапазоне ISM

В современном мире ни одна новая система на НГСО не имеет нормативно-правовых основ для защиты от помех со стороны действующих и заявленных в ITU систем. Помехи в приемных каналах КА — это проблема оператора негеостацинарной спутниковой сети.

В данном случае для обеспечения бесшовности используется диапазон ISM. Помехи создают наземные РЭС SRD и сети LPWAN. Применительно к технологии LoRa необходимо оценить допустимую величину (C/I)_s, то есть отношение полезного сигнала (С) к суммарной помехе (I) на входе приемного устройства КА в полосе частот канала. В качестве исходного критерия допустимого уровня помехи (зашитого отношения) можно принять значение (C/I)_min = –14 дБ, которое нормативно установлено для наземных сетей LPWAN LoRa. В [15] значение C/I = –14 дБ приводится, но без его обоснования. Можно предполагать, что это усредненное значение C/I при условии, что коэффициент расширения спектра SF для помехи (I) отличается от SF полезного сигнала (C). За счет особенности формирования изменения частоты в пределах полосы частот канала LoRa достигается квази­ортогональность сигналов с разными SF [17–19]. Другими словами, обеспечивается развязка сигналов с разным значением SF при приеме пакетов. По статистике, для наземных сетей LoRa преимущественно применяется SF = 7 [18], потому значение (C/I)_min, видимо, дано относительно SF = 7. Результаты исследования вопроса оценки уровня помех в приемных каналах КА в диапазоне ISM требуют отдельной статьи. В данном случае отметим, что частотный план работы спутниковой системы в диапазоне 868/915 МГц должен учитывать, что нельзя назначать частоты каналов на частотах, предусмотренных для РЭС RFID. Задача минимизации помех и защиты от них решается путем корректного выбора частотного плана расправления каналов, обеспечением его переформатирования в зависимости от обслуживаемого региона Земли и применения многолучевых бортовых антенн для минимизации источников помех с учетом уникальных свойств технологии LoRa, обладающей свойством защищенности от помех.

Выводы

Из обзора спутниковых систем IoT (табл. 2), которые ориентированы на услуги IoT, следует, что перспектива массового распространения услуги связана с созданием целевых систем спутникового IoT, обладающих свойством бесшовности.

Переход к практической реализации и коммерческой эксплуатации бесшовных спутниковых сетей IoT — вопрос времени. Окно возможностей постепенно сокращается, поскольку идут интенсивные разработки новых систем спутникового IoT. Создаются демонстрационные КА, в основном на базе низкоорбитальных КА класса «нано» и «микро». В ряде спутниковых проектов IoT уже заявлено о предоставлении коммерческой услуги (даже публикуются тарифные планы), и эта тенденция будет активно развиваться.

Ключевым условием коммерциализации спутниковой системы IoT является достижение ценовых показателей услуги, соизмеримых с аналогами в сотовых сетях. Единственным перспективным решением для обеспечения коммерциализации и бесшевности глобальной сети IoT является интеграция спутниковой сети IoT и наземных сетей LPWAN/LoRa.

Тенденция создания бесшовных сетей, в которых используются совместно частоты наземных сетей и спутниковых сетей, имеет место не только в области IoT, но и в материалах 3GPP в S-диапазоне применительно к 5G.

Дополнительную информацию по спутниковым системам и космическим аппаратам из таблицы 2 можно найти на сайте журнала по ссылке.