事实证明，蜂窝物联网（NB-IoT 和 LTE-M）是最成功的 LPWAN 技术。根据物联网分析企业IoT Analytics数据，到2027年，在中国（由于在全国范围内采用 NB-IoT 的政策，数据有所偏差）以外地区，全球范围将有13亿个LPWAN物联网连接，其中LTE-M 和NB-IoT将占大约58%[1]。
尽管4G/LTE技术本身就覆盖了全球多达90%的人口，然而，若我们考虑地理覆盖范围，则地球上只有大约15%的地区受到覆盖。加入2G/3G技术后，覆盖率增加到地球上30%-35%地区。不过，根据贸易机构Mobile World研究，2G/3G技术最早将于 2033年开始落幕 [2]。
现在是非地面网络的时代
全球蜂窝物联网覆盖范围不足，限制了物联网设备在监控关键基础设施、保护食品生产和牲畜，或者跟踪贵重物品运输等解决方案的应用。此类物联网产品的制造商面临着严峻的挑战：一旦缺乏了无处不在的蜂窝物联网服务，如何为客户提供不间断的全球覆盖？
一种解决方案是第三代合作伙伴计划（3GPP）的非地面网络（NTN）技术。NTN技术通过卫星支持NB-IoT，而非依赖蜂窝基础设施。NTN技术由卫星星座提供服务，并且在设有蜂窝物联网基础设施的地方辅以这种网络，这样就可以接入全球蜂窝网络，其接入方式与地面LTE-M/NB-IoT网络类似。
3GPP NTN供应商提供两个同等重要的部分：取代基站的卫星，以及蜂窝核心网络。核心网络允许NTN和地面网络无缝互动，使资产跟踪器等移动物联网设备能够从地面网络漫游到 NTN，这与当今地面网络的漫游方式相同。
为物联网应用选择合适的 NTN
正如物联网应用一样，各种3GPP NTN 也互不相同。在基本层面，NTN根据其使用的卫星类型可分为三大类：静地轨道 (GEO)、低地轨道 (LEO) ，以及不常用于物联网应用的中地轨道 (MEO) 卫星。
GEO卫星以与地球自转相同的速度绕地球运行，因此在特定区域上空看似静止不动，可覆盖全球三分之一的区域。
GEO卫星通常会将物联网设备发出的信号反射回地球，而不进行任何处理。卫星对物联网设备是透明的，通信是与地面上的 “基站 ”进行的。当NTN连接处于激活状态时，发送的数据可以到达云服务。
与地面网络相比，高海拔（近 36000 公里）和相对较少的GEO卫星给物联网设备的无线电链路预算带来了挑战，降低了吞吐量。使用标准三级功率（23 dBm）模组组和 0 dBm 天线时，物理层比特率通常为 1-2 kbps。
由于有效数据传输率相对较低，但却能实时连接到核心网络，NTN GEO主要用于紧急通信，例如，为需要即时发送重要信息的移动设备提供直接到设备 (direct-to-device (D2D))服务。
LEO卫星提供更高吞吐量
LEO卫星在600-800公里的轨道上环绕地球运行。这缓解了物联网设备无线电链路预算方面的挑战，若使用与 GEO NTN 相同的三级功率模组和天线，它可支持20至40 kbps吞吐量。更高的有效数据传输速率带来了额外的优势，即缩短了卫星连接时间，从而降低了物联网设备的功耗。
LEO NTN的不足之处，是卫星围绕地球运行的速度较快，在700千米的高度上，每个轨道仅需90分钟左右。单个 LEO 卫星在每个轨道上与物联网设备和NTN 核心网络的视线接触时间只有几分钟。
实现强大稳定的覆盖范围，需要由数十颗甚至数百颗卫星组成的卫星星座，以及通过LEO星座转发数据以实时到达地面站的回程基础设施。在基础设施到位之前，目前使用的是 “存储和转发 ”架构。这种安排将数据保留在特定的卫星上，直到可以转发到另一颗卫星或地面站。这种不连续的覆盖方式使 LEO NTN 网络更适用于云端不需要立即关注所收集数据的用例。
随着时间的推移，LEO NTN星座将部署更多卫星，从而减少延迟并扩大覆盖范围。
用于NTN应用的紧凑型模组
Nordic针对NTN 应用开发了一款低功耗、紧凑型集成模组nRF9151，它还支持NB-IoT、LTE-M和DECT NR+。这款模组集成了专用的 64 MHz Arm Cortex-M33 可编程应用处理器、1 MB闪存和256 KB RAM内存。
Nordic与多家卫星网络公司合作，率先将NTN集成到nRF9151中。例如，作为3GPP第19版NTN发展蓝图的一部分，铱星通信公司的 Iridium NTN Direct（据说是"世界上率先提供D2D等应用的真正全球 NB-IoT 服务"）将集成到nRF9151中。
Nordic还与NTN通信提供商 Skylo 建立了战略合作伙伴关系，在Skylo卫星网络服务上认证nRF9151，并与Omnispace和Gatehouse Satcom以及 Myriota 合作，为电池受限的物联网应用提供基于 5G NTN 标准的端到端连接解决方案。
随着这些硬件和卫星网络的开发，NTN将会很快投入商用。这将使得用户首次能够追踪位于天崖海角或者地球任何一个角落的关键资产或重要基础设施。
参考文献
1. 2024年LPWAN市场：授权技术在全球13亿连接中的份额增加，LoRa在中国以外地区领先; https://iot-analytics.com/lpwan-market/
2. 2G/3G关闭：您需要了解的信息; https://www.mobileuk.org/2g-3g-switch-off