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卫星通信支持的远程物联网
摘要 - 本文重点介绍卫星通信系统在物联网（IoT）支持中的应用。我们将物联网范例称为从传感器或RFID收集数据并向执行器发送控制消息的手段。在许多应用场景中，传感器和执行器分布在很宽的区域内;在某些情况下，它们位于不受地面接入网络服务的偏远地区，因此，卫星通信系统的使用对远程物联网（IoRT）至关重要。IoRT通过卫星的促成因素是：1）卫星系统与传感器/执行器之间的互操作性 2) IPv6对卫星的支持。此外，需要无线电资源管理算法来提高卫星上的物联网效率。在这项工作中，我们提供了基于卫星的物联网的综合视图，将此主题作为拼图游戏处理，其中要组装的部分由以下主题表示：卫星路由传感器网络的MAC协议，高效的IPv6支持，异构网络互操作性，服务质量（QoS）管理和基于组的通信。
索引条款 - 物联网（IoT），远程物联网（IoRT），机器对机器（ M2M ）通信，卫星通信，无线传感器和执行器网络（WSAN）。
- 介绍
众所周知，互联网发展的方向之一就是互联网的概念物联网（IoT）[1]，[2]。实现这种新范式的必要条件是智能对象的概念。智能对象是在网络中具有“身份”的对象，其可以是本地化的，其可以处理和传递数据并且彼此之间以及与周围环境交互。这种信息处理和沟通将支持决策，提高态势感知能力，提高流程的运营效率，并为最广泛领域的新革命性应用铺平道路：工业流程，物流和信息，生态可持续性，能源效率，远程协助和环境监测。物联网的扇区和服务列于表I.智能对象在没有人为干预的情况下相互通信和交互的能力，即所谓的机器对机器（M2M）通信或机器类型通信（MTC），根据第三代合作伙伴计划（3GPP）[3]提供的定义是物联网的基本组成部分。在本文中，将使用IoT和M2M首字母缩略词。特别是，当重点更多地放在互联网连接任何类型对象的一般能力上时，我们将使用IoT这一词，以创造前所未有的信息访问和交换; 当重点关注与机器（即智能对象）相互通信或与通信链路另一端的服务器通信相关的物联网的更具体方面时，我们将使用术语M2M .
物联网（IoT）和M2M应用具有各自独特的功能，例如多样化服务要求，基于组的通信，低或无移动性，时间控制，时间容忍，小数据传输，安全连接，监控，优先警报消息，低能耗和成本低[1] - [3]。这些服务要求决定了通信网络的架构设计，例如，互联网接入技术的选择。特别是，物联网基于IPv6，可以利用操作和管理协议来实现面向组的通信，安全性和服务质量（QoS）（参见图1）。
在这个框架内，卫星通信有可能因各种原因发挥重要作用。
1)首先，智能对象通常是远程的，或者它们分散在广泛的地理区域或者它们是不可访问的（参见表I中的可能位置）。我们将物联网的这种特殊情况称为（远程）物联网（IoRT）。在IoRT中，卫星通信为其他地面技术提供了一种更具成本效益的解决方案，以便与“世界其他地方”相互联系和通信[4]，[5]。
2)如[6]和[7]中所述，基于组的通信是一种传输模式，在几个物联网和M2M应用中非常重要，在这些应用中，智能对象可以根据任务和/或必须接收的信息进行分组。在这种情况下，当IoT / M2M设备需要接收相同的消息时，网络运营商应该优化要发送的数据量。通过利用广播（即朝向整个网络的所有节点），多播（即朝向整个网络的一部分节点）或地理广播（即朝向节点的一部分），可以通过卫星自然地支持这种应用。放置在网络的给定区域）传输。
3)在某些应用中，例如智能电网，公用事业需要在合理的成本内实现最高的数据通信可用性。这需要在关键站点进行冗余连接。一个仅地面冗余方法是不够的，因为无论冗余如何，地面上的严重中断都可能同时禁用或破坏固定和无线基础设施。卫星可以提供真正的替代路径。
4)现有的IoT / M2M应用通常以低数据速率传输为目标，因此，可以有效地重用当前的低带宽卫星基础设施。
事实上，通过卫星进行物联网/ M2M通信已成为现实，并为卫星市场提供了一个很好的机会。全球行业分析师通过卫星服务市场发布的关于物联网/ M2M的全面综合报告指出，全球企业和政府越来越需要跟踪，监控和控制地理位置分散的固定和移动资产，全球到2017年，卫星M2M服务市场预计将达到17亿美元[8]。不同的卫星运营商已经提供了基于卫星的集成和完整的M2M解决方案包[9]。
然而，新的应用程序正在出现，或者相同的应用程序正朝着具有不同要求（即更严格的延迟/可靠性/数据速率要求）的方案发展，这些方案通过卫星的M2M的当前实现不能满足，这提供了低数据速率和通过专有标准访问少数节点[10]，[11]。例如，在当前的电网中，变电站和配电自动化主要通过监控和数据采集（SCADA）来执行。通过SCADA，变电站收集本地测量结果并将其传送到控制中心的应用程序，由人工操作员管理。各个变电站和控制中心之间的通信链路形成星形拓扑，并且所收集的数据存储在集中式数据库中。链路上的低数据速率（高达每秒几千比特）和长达1-2秒的延迟无法满足大多数智能电网的严格延迟要求（在100 ms-1 s范围内）通过监控所有变电站和客户位置的能量负荷分布，致力于深入了解电网动态的应用。考虑到实时延迟要求lt;100 ms的应用程序，我们将几乎实时地称为延迟要求lt;1 s的应用程序。此外，在若干M2M中，出现了管理更多数据密集型应用的需求，例如几乎实时从远程位置发送监控视频的可能性，以及提供远程工作人员/资产管理等额外通信功能，例如交换工作流程信息，电子邮件和电子表格。
然而，在这些更具挑战性的情况下，卫星通信也有可能发挥关键作用。卫星通信技术的最新进展消除了对可靠性和延迟相关的一些使用卫星的误解。如今，卫星网络能够提供0.9999的可用性。这部分是由于使用了DVB-S2标准[12]，[13]中预见的自适应编码和调制（ACM）技术，即使在恶劣天气条件下也能保证出站吞吐量。此外，通过地球静止轨道（GEO）卫星链路的往返时间（RTT）为600-700毫秒比地面长距离链路（100-200 ms）的RTT高出几百毫秒，并且它仍适用于多种M2M应用，包括变电站自动化，配电自动化和高级计量基础设施（AMI）[14]，[15]。
最近的一项可行性研究表明，低地球轨道（LEO）卫星星座可以有效地用于智能电网场景中的分布式控制和自动化，满足严格的延迟要求。此外，在语音和视频传输的情况下，使用LEO星座可以帮助满足更严格的延迟要求[16]，[17]。
然而，为了通过卫星实现有效的物联网，一些问题仍然存在，需要一个答案。
这是作者所知的第一篇论文，它致力于将最近的一项可行性研究表明，低地球轨道（LEO）卫星星座可以有效地用于智能电网场景中的分布式控制和自动化，满足严格的延迟要求。此外，在语音和视频传输的情况下，使用LEO星座可以帮助满足更严格的延迟要求[16]，[17]。然而，为了通过卫星实现有效的物联网，一些问题仍然存在，需要一个答案。这是作者所知的第一篇论文，它致力于将物联网和M2M应用的愿景中的卫星通信研究工作结合起来。特别是，讨论了以下问题：
1）开发用于传感器节点访问卫星资源的专用MAC协议;
2）通过卫星使用IPv6;
3）卫星和地面网络之间的互操作性;
4）基于组的通信的资源分配和传输管理。
本文的结构如下。第二节描述了卫星可以发挥关键作用的一些物联网场景。第三节概述了传统节点接入卫星资源的专用MAC协议的研究活动以及IPv6对卫星的支持。在第四节中，回顾了卫星和地面网络互操作性这一更为普遍的问题，并提出了一些新的想法。第五节报告了基于群组的通信的主要研究结果。最后，在第六节中，得出结论。
- .卫星是关键元素的IoRT场景
有许多基于物联网范例的应用[18]。在本节中，我们选择IoRT的三个典型应用，其中卫星的使用至关重要：1）智能电网;2）环境监测;3）应急管理。对于每个特定应用，我们介绍卫星当前和/或可能的未来角色。目标是强调当前通过卫星生成的IoRT是否能够满足特定的应用要求，并且如果不能，则能够确定通过卫星有效使用IoRT的挑战和未解决的问题。
- 智能电网
实施低碳社会的主要努力之一是实施智能电网概念[19]。当电网能够通过采取适当的策略和对策，能够对电网任何一点（发电，输电，配电和消耗）发生的任何事件作出反应和适应时，电网变得“智能”。此功能对以下内容至关重要。
1)使电力生产，传输，配电更节能。
2)以相同或更高的可靠性满足不断增长的能源需求，同时保持较低的运营成本。2003年意大利和美国停电证明了传统电网的极限，以提供可靠的服务。
3)为用户提供更透明的服务，必须在消费者和生产者中发挥重要作用;事实上，未来电网中出现了一个新的数字，即“消费者”，它是消费者，也是可再生能源的生产者。
为了使智能电网概念成为现实，在网格的不同点之间需要在网格的不同参与者之间进行双向信息流。智能电网的许多元素已经可用，包括智能电表，自动监控系统和电源管理系统。通信网络具有至关重要的作用，其成本和性能将极大地影响公用事业的收入和新电网实现其雄心勃勃目标的能力。当然，通信网络将是异构的，包括有线和无线网段，以及私有和公共解决方案。在这个框架中，卫星可以代表在不同情况下可行且具有成本效益的解决方案，例如以下内容：
1)沙漠地区海上风电场或太阳能系统的结构和功能监测。
2)需要非常高的可用性时的备份链接。请注意，现在大约10％的电力消耗需要99.9999％的可靠性，并且预计这两个数字都会增加。
3)远程监控和位于偏远地区的变电站的自动控制。事实上，卫星已经被当前电网中的公用事业公司以及参与可再生能源发电部署的其他类型公司所使用。特别是，M2M通过卫星主要用于：1）提供备用链路，当需要高可靠性时。2）远程监控和自动控制位于偏远地区的变电站。在当前的电网中，通过SCADA系统实现变电站的远程监控和自动控制，SCADA系统包括多个远程终端单元（RTU）和智能电子设备（IED），主服务器以及用于与之交互的人机界面。人类操作者[20]，[21]。SCADA主服务器循环查询来自网格的操作和状态数据。它通常是低数据速率服务，低占空比，并且远程终端可以在地理上分散在农村地区。因此，如[22]所述，基于卫星的解决方案可以提供一种经济有效的解决方案，用于提供通信基础设施，以实施SCADA系统，特别是在配电网的农村地区。卫星连接已经在SCADA应用中使用多年，用于石油和天然气以及其他能源勘探区域的远程位置。传统的私有卫星网络适用于这些低数据速率（对于基本的SCADA服务，数据速率为128 kb / s就足够了），难以到达的应用程序可以低成本地提供安全且无处不在的覆盖[23]，[24]。同样适用于变电站自动化。它既可以作为主要通信链路，也可以作为备用链路[25]。
另一方面，基于SCADA系统的当前慢速中央网络控制不再足够实施广域态势感知（WASA）的新概念，即沿着网格使用几种类型的传感器来收集有关电网状态的数据并处理这些数据，能够有效地行动或预测未来的问题。此外，WASA概念将基于广域测量系统（WAMS），其任务是从复杂的传感器收集同步测量，称为相量测量单元（PMU），目标是几乎实时监测网格状态[26]。为了几乎实时地跟踪电网的动态，PMU的测量应该每秒报告20-60次。值得注意的是，传统的SCADA系统通常报告的数据频率范围从几秒到几分钟。此外，在传统的SCADA实现中通常接受1-2阶的延迟。表II显示了智能电网的几个功能的主要要求。WASA概念在可靠性，延迟和数据速率方面肯定更具挑战性，并且当前通过卫星实施M2M可能不再适用。然而，卫星仍然可以在这个新兴的智能电网方案中发挥作用吗？通过卫星系统应该在新一代M2M中包含哪些关键问题或关键要素，以便在智能电网方案中有效使用？已经进行了一些研究以回答上述问题。
在[27]中 ， 使 用 原 型IED通 过 实 验 试 验 台 评 估 了Globalstar星座的IP数据服务（轨道高度1410km，数据速率7.2kb / s）。结论是，由于其有限的带宽和轨道高度，Globalstar几乎无法满足智能配电网中时间关键应用的严格延迟要求。在[16]中得出了一个不同的结论，其中提出了基于LEO卫星的网络基础设施，以支持最近建议的主动网络管理解决方案，即自治区域主动网络管理系 统（AuRA-NMS）控制。然而，[16]中的分析并不局限于特定的现有基于LEO的星座，但它们提出了网络延迟和LEO网络丢失行为的一般分析模型。在[16]中，针对LEO网络具有不同流量特征和模式的若干IP数据服务已经在一系列延迟和丢失条件下针对常规和紧急操作场景进行了评估。执行的可行性研究表明，基于LEO的解决方案可以满足新网络管理解决方案的带宽，可用性和延迟方面的要求。但是，应该进一步研究以提供上述问题的答案。
文章[16]还概述了在考虑将LEO星座应用于配电网络时需要考虑的另外两个重要因素：1）即使“电力公用事业内联网”的趋势几乎肯定会独立于在公共互联网上，它很可能是基于IP的; 2）任何基于卫星的解决方案都必须与传统的有线/无线系统正确连接，以提供向后兼容性和透明的通信服务。将在下一节中进一步讨论卫星IP的使用以及与地面系统的互操作性。
最后，值得一提的是，几个智能电网应用程序预见到一组执行器的命令传递：这代表了基于组的通信的自然应用场景。这样，如果可以基于其服务要求或物理位置对这些节点进行逻辑分组，则可以减少信令拥塞并优化通信负载。这种可能性将在第五节中进一步讨论。
B.环境监测
在过去的几十年里，人类和野生动植物的健康受到严重威胁。环境监测旨在提高环境质量。卫星的使用对于开放性的户外环境监测可能是重要的。室外监测是指发现以下破坏性现象：山体滑坡，雪崩，
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资料编号：[2285]
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