通过NTN网络实现物联网IoT连接

文摘   2024-09-10 08:36   瑞典  
NTN目前看就是卫星网络,不过也包括了其他非陆地网络(NTN - Non Terrestrial Network),NTN可参考我们之前发布过的一些文章:
2024随手记(18)3GPP NTN历史与现状
6G NTN演进
2024随手记(8)R19中的NTN研究内容简要汇总
截至2023年8月的NTN连接--宏文2023(19)
宏文2022(4)R17&R18中的NR NTN和卫星通信更新
之前也提到过,我们所研究和部署的蜂窝网络大部分是所谓的Terrestrial Network,也就是泛指的基于陆地的网络。即人类活动比较多的区域,而大洋深处的海岛,人迹罕至的沙漠,丛林,湖泊地区,以及给类人类活动稀少的高寒地区等就需要NTN,比如卫星网络来覆盖了。因为这些人迹罕至的区域不适合小区制的传统蜂窝网络(资源利用率太低)。而物联网链接(IoT)的数量级也是传统其他链接所不能比拟的。而且其发展势头愈发迅猛。当前状况如下:

上图中的最左边一项是所有连接数量,中间是传统移动手机用户总数。前者减去后者可以看做是IoT用户量。也可以推导出IoT的发展是生力军。NTN 得到了一个庞大生态系统的支持,该生态系统由卫星运营商、网络和服务提供商、芯片组、模块和设备提供商组成,他们都需要开发一套连贯的方法来加速部署。这个生态系统热衷于探索NTN作为移动物联网 (MIoT) 用例和服务的替代连接方式的潜力。但在相对新兴的NTN市场中,需要揭穿一些应用神话,以提高部署速度。本文汇总一下NTN网络下实现IoT网络连接的信息,不烧脑的文章,放松阅读。
如上所述,NTN连接的主要标准由3GPP定义,3GPP目前主要任务之一就是负责定义5G和其他无线通信标准。3GPP R17增加了两个主要规范:用于IoT用例的NB-IoT NTN和eMTC/LTE-M NTN,以及用于数据和语音导向应用的NR NTN。后续R18和R19规范将提供其他增强功能。与任何新兴技术一样,生态系统需要仔细评估各种可能性、用例和部署注意事项。在地面网络上,5G已成为实现更好应用性能和改善延迟的首选技术。然而,公众对于NTN可以支持的用例以及这种支持如何在5G IoT NTN(或 5G NR NTN)背景下发展的认识仍然非常有限。现有地面NB-IoT和LTE-M的经验表明,运营商和供应商可能会走上不同的道路,并且没有足够的合作来构建确保简单、一致和无缝用户体验所需的生态系统。
第一部分,NTN与物联网的关联
NTN改变物联网是个崭新的领域,在一个设备互联的物联网世界里,高效可靠的连接已成为我们技术驱动型社会的基石。物联网 (IoT) 是指全球数十亿台连接到互联网的物理设备,每台设备都在收集和共享数据。从智能手机到智能手表,再到狗项圈上的设备,只要连接到互联网,它就是物联网的一部分。这些设备组成了一个可以通信和交换数据的互联设备网络,从而实现了与世界互动的新方式和自动化流程。随着物联网越来越深入我们的日常生活,人们迫切需要能够满足这一新领域需求的通信网络。物联网非地面网络 (NTN) 有望彻底改变物联网设备的连接和通信方式,可以在此发挥作用。NTN 利用非地面基础设施(例如卫星)来提供互联网连接。NTN可以连接没有地面覆盖的区域,例如偏远地区、地形多样的地区或地面网络在自然灾害期间崩溃的地区。它还将全球高速连接的承诺扩展到全球每个角落。NTN与物联网的密切合作可以看成是一场连接革命。通过解除连接的地理限制,NTN正在实现物联网设备连接和通信能力的范式转变。以下是物联网 NTN 广泛应用的一些示例:
资产跟踪和海事应用 - 例如,连接到集装箱的物联网设备可以跟踪位置、检测冲击并监测海上船舶和没有地面覆盖的道路上货物的温度和湿度。跟踪这些集装箱有助于管理端到端供应链、优化交货时间并减少温室气体排放。
农业和畜牧业 - 监测牛羊等牲畜可以帮助农民降低健康控制成本、提高最终产品的质量、改善繁殖并防止病毒爆发。在大规模畜牧业的情况下,NTN可用于增强地面覆盖。农民还可以在田地中部署NTN物联网设备,以监测土壤湿度、作物健康状况和天气状况。这些设备通过NTN连接,无论农田有多偏远,都可以正常工作,从而实现可以提高产量的耕作技术和远程可持续耕作实践。(有些内容可以参考6G农业
能源 - 穿越沙漠或其他人口稀少地区的管道可使用 NTN 进行监控,因为这些地区的地面网络覆盖稀少或没有覆盖。连接可以支持运营数字化,提高自动化、安全性、保障和人员福利。主动监控燃料盗窃也有助于避免事故和经济损失。NTN IoT设备还可以监控位于偏远地区的风力涡轮机或太阳能电池板的性能。由于偏远地区的地面覆盖通常有限,NTN可以提供互补的连接。收集的数据可以提供有关维护需求、效率改进等。这些数据流可能有助于建立更可靠、更高效的能源网。
环境和公用事业 - 在许多受气候变化影响的国家,高效的水资源管理是一项社会责任。卫星可用于连接天气数据、流量监测或水分配系统。
科学研究 - 借助 IoT NTN 连接,位于偏远地区的设备(例如锚定在公海的气象浮标或极地研究设施中的设备)可以实时传输关键数据。这可以大大加快研究进度,并为具有挑战性的问题提供新的见解。
紧急响应 - 在受灾地区,地面蜂窝网络不可用,急救人员需要可靠的替代连接源。
物联网NTN连接的可穿戴设备可以传输对急救人员救援任务成功至关重要的实时信息。物联网 NTN 中使用的卫星可以将急救人员的信息发回给团队的其他成员,从而实现更好的协调响应。

第二部分,NTN及与地面网络的互操作性
NTN提供无处不在的连接,而为了充分利用无处不在的连接,设备需要在地面和非地面网络之间无缝切换,并保持相同的用户体验,从而让最终用户获得无缝体验。这需要集成后端漫游功能以实现网络切换,即在物联网NTN和物联网地面网络 (TN) 之间切换。切换时应考虑以下几点(作为推荐的指导方针):
网络可用性:设备可以跟踪网络条件,以此作为网络切换的基础,网络切换可以基于用户/网络/标准预定义场景进行。

优先级:网络选择中的智能决策需要优先级。例如,只有当首选地面网络在预定的最短持续时间门限内不可用时,非地面网络才可用于数据通信,从而在偏好列表中保持层次结构。
重新连接质量:在NTN和地面网络之间切换时,重新连接过程应迅速可靠,防止关键数据丢失。
首选偏好:调制解调器可以提供选项来配置应用程序的切换首选项和切换控制参数和阈值,包括从一个网络切换到另一个网络的最低RF条件和扫描频率。
电池寿命:设备应用程序可以平衡网络切换需求与电池寿命方面考虑。

IoT NTN有如下特性:

IoT NTN生态系统旨在为设备提供无缝的NTN/TN混合体验,确保它们满足严格的连接、电源和用户体验标准。然而,为了实现这一目标,网络必须面对与NTN相关的挑战,并重新评估地面网络的行为相似性。以下特征在这一努力中发挥着关键作用:
全球覆盖:NTN的优势在于它们能够提供全球覆盖,因为卫星可以覆盖广阔的区域,从而可以在具有挑战性的地形上建立通信链路。
网络延迟:由于卫星距离、轨道动力学和信号传输延迟导致的传播延迟会影响延迟,需要IoT NTN网络通过网络接口提供连接控制。
网络互联:在NTN和TN之间提供漫游接口,可以直接为现场的UE和设备提供无缝连接。
法规遵从性:网络必须符合国家和国际法规,包括许可、频率以及遵守合法和负责任的运营。
标准合规性:NTN网络基础设施符合行业标准,使合作伙伴生态系统能够无缝推进技术并采用众所周知的既定流程。

运营要求
随着物联网和其他关键用例的出现,对持续网络连接的需求不断增加。各种场景,例如徒步旅行者在紧急情况下需要网络访问、使输油管道能够报告损坏情况,或者需要追踪穿越海洋的集装箱,都具有重大的社会影响。不可避免的是,未来的每台设备都将支持混合连接,确保无论地理位置如何都能无缝连接。然而,无论是陆地还是非陆地,访问网络都需要可靠且更简单,才能实现这些目标。陆地和非陆地网络之间的无缝切换需要符合一组标准的网络基础设施,同时考虑每个网络的独特属性,例如延迟、带宽和覆盖范围。同样,芯片组或设备生态系统必须具备必要的功能,以实现跨这些网络的无缝导航。创建可靠的网络基础设施只是第一步。为了确保获得最佳结果,我们需要关注对于保持交换过程的效率、可靠性和有效性至关重要的运营方面。这些运营方面包括:
1.网络监控,
2.提供不间断服务的冗余,
3.预测网络需求的容量规划,
4.参数化网络配置,以便在关键用例中实现高效的数据路由,
5.实施严格的政策,制定预定义的安全规则和标准以及监管指南,为网络运营商提供培训,以处理无缝切换和扩展的复杂性,以适应不断增长的用例。
在地面和非地面网络之间切换需要全面了解每个网络的技术细节,开发实现网络之间无缝切换的功能,并创建能够满足地面和非地面网络需求的网络基础设施。NTN调制解调器与设备应用程序需要结合所需的技术细节,以提供更简单的用户界面和无缝的用户体验。


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