Анализ проектов низкоорбитальных систем интернета вещей и нового рынка на их основе

Компания J’son & Partners Consulting представляет обновленные результаты анализа проектов низкоорбитальных систем интернета вещей и нового рынка на их основе.

Текущая версия отчета содержит актуальные данные на апрель 2025 года.

1.    Введение

Развитие систем IoT происходит активно во всем мире. Понятие «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT) сегодня обобщает все сервисы, которые ранее относили к сегментам M2M, SCADA, АСУ ТП, транспортной телематики и т.п. К этой же теме относятся также задачи контроля, управления беспилотными средствами, в том числе воздушными по линии С2. 

В последние годы появился и термин IoMT, т.е. IoT для военных и специальных применений. В Отчете не разделяются эти системы и сервисы, поскольку их техническое существо едино, и деление рынка на указанные сегменты является искусственным. Целесообразно деление на системы и сервисы IoT типовые, которые не предусматривают жестких ограничений по задержке передачи информации, и системы IoT, которые ограничены по задержке и определены как IoT реального времени.

В основном системы IoT базируются на применении наземных беспроводных сетей, но в последние годы активно развиваются системы спутникового IoT, которые могут предоставить сервисы IoT, в том числе, недоступные в наземных сетях. Активное развитие сетей IoT началось в 2019 году. Стимулом для этого, в том числе, послужила «Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи "Интернета вещей" на территории Российской Федерации» (приказ Минцифры России от 29 марта 2019 года № 113 https://docs.cntd.ru/document/554066760?ysclid=m9863bht46910384474). В декабре 2023 года утверждена «Стратегия развития отрасли связи в Российской Федерации на 2024–2035 годы», в которой отмечена реализация спутниковых систем IoT («Марафон IoT» и «Гонец» https://habr.com/ru/news/778312/).

Спутниковые системы IoT представляют собой самостоятельный класс спутниковых систем связи. Особо следует отметить, что 90-95% сервисов IoT, предоставляемых целевой низкоорбитальной системой IoT, невозможно обеспечить с использованием спутниковых систем широкополосного доступа (типа «Starlink», в том числе «Рассвет» и т.п.), что следует из анализа и сопоставления их технических, эксплуатационных и ценовых параметров абонентских устройств. Оставшиеся 5-10% — это спутниковые системы IoT коллективного доступа. Основное внимание в Отчете уделено спутниковым системам IoT с прямым доступом к абонентским устройствам, поскольку это наиболее актуальное и перспективное направление развития. Этот сегмент рынка по состоянию до 2024 г. формировался на основе таких систем как Iridium, Globalstar, Inmarsat. Сюда следует отнести и такие специфические системы как «Коспас-Сарсат» и Argos (Keneis). 

В Отчете представлены результаты анализа технических параметров проектируемых систем спутникового IoT, которые дают представление об особенностях таких систем, отражают проблемные вопросы, достоинства планируемых технологий и их недостатки. В том числе уделяется внимание вопросам радиочастотного обеспечения с учетом решений WRC-23, которые уже нашли свое отражение в 2024 г. в новых положениях FCC (США), планируются в OFCOM (Великобритания) и в России (решение ГКРЧ). Именно на основе технического анализа формируются прогнозы развития нового рынка спутникового IoT. Горизонт анализа простирается до 2031 г. 

Материалы Отчета дают цельное представление о техническом существе проектов спутниковых систем IoT (в том числе с использованием NB-IoT, LoRa), перспективах их развития и возможностях их коммерциализации. 
Следует отметить, что низкоорбитальные спутниковые системы IoT в случае их интеграции с сотовыми сетями или сетями LPWAN относятся к новому классу гибридных спутниковых систем D2D (Direct-to-Device), которые получили пока неустоявшееся обозначение «дополнительное обслуживание из космоса», принятое в материалах FCC.

В денежном выражении перспектива рынка спутникового IoT достаточно хорошая и в 2030 г. рынок может составить $6 млрд в год, а его потенциал в долгосрочной перспективе оценивается в 10-12$ млрд в год. Однако средний чек от одного подключения в месяц составляет менее 2,0-2,5$ при потенциале подключений по миру до 300-330 млн.

В России потенциал подключений оценивается примерно 15 млн и объем в денежном выражении эквивалентен $300 млн (например, при реализации системы «Марафон IoT» в соответствии с исходным ТТЗ). Но необходимо учитывать, что любая низкоорбитальная система является глобальной, поэтому потенциал коммерциализации существенно выше $300 млн, если спутниковая система IoT будет реализована как международная система для предоставления сервисов в дружественных странах. 

Можно предположить, что в ближайшие годы появится несколько новых проектов спутниковых систем IoT, в том числе и российских. Высокую активность в сегменте спутникового IoT проявляют компании, которые специализируются на разработке нано и микроспутников. 

Новой задачей является разработка системы контроля и подачи команд для эксплуатации беспилотных воздушных судов за пределами прямой видимости. Спутниковая компонента этой системы должна быть основана на применении технологии спутникового IoT реального времени, что также относится к рынку IoT. 
Актуальность сервисов спутникового IoT для России очень высокая, тем более в сочетании с существующей информационной платформой ГАИС «ЭРА-ГЛОНАСС» для реализации задач, намеченных в Национальных и Федеральных проектах.

Материалы данного Отчета являются обновленной и дополненной версией Отчета от августа 2024 г. Они включают сведения как о рынке, так и технических решениях, поэтому обновленный Отчет является симбиозом маркетинговых и технических материалов, которые относятся практически ко всем сегментам спутникового IoT.

Материалы Отчета могут быть полезны при принятии решений о начале проектировании новых спутниковых систем, участникам проектирования спутниковых систем IoT, преподавателям ВУЗов, студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

2.    Классификация спутниковых систем IoT и рынок спутникового IoT

Спутниковый интернет вещей (IoT) является сегментом рынка спутниковой связи. Традиционно принято, что системы спутникового IoT ориентированы на предоставление услуг в условиях отсутствия и низкой устойчивости работы наземных сетей (сотовых и сетей LPWAN). Считается, что предоставление услуг и абонентские устройства спутниковой сети всегда существенно дороже, а эксплуатационные параметры хуже, чем аналоги в наземных сетях, но постепенно эта ситуация начинает изменяться. Сегодня ключевым условием создания целевых спутниковых систем IoT является достижение эксплуатационных параметров, ценовых параметров услуг и абонентских устройств, соизмеримых с аналогами в сотовых сетях.

Классификация спутниковых систем IoT предполагает предоставление услуг на основе коллективного и индивидуального доступа абонентов IoT к их ресурсам (рисунок 1). Коллективный доступ основан на использовании современных спутниковых систем фиксированной спутниковой службы (ФСС) и подвижной спутниковой службы (ПСС). Однако, объем подключений и объем рынка IoT с использованием VSAT в системах ФСС постепенно снижется (с 15% в 2022г. в перспективе к 2031 примерно до 3% https://www.nsr.com/?research=m2m-and-iot-via-satellite-13th-edition по объему дохода). Объём коллективных подключений в системах ПСС неизвестен. Но объем коллективных подключений снижается и по прогнозам снизится заметно, что иллюстрируется на рисунке 2 (https://www.nsr.com/?research=m2m-and-iot-via-satellite-13th-edition), который представлен компанией NSR на основе доходности на рынке в зависимости от технологий доступа. Но этот прогноз не учитывает ARPU в каждом из сегментов. В действительности ARPU подключения IoT в системах ПСС более чем в проектируемых системах спутникового IoT минимум в 2 раза. Из этого следует, что число подключений в 2031 г. в основном будет связано с коммерческой эксплуатацией целевых спутниковых систем IoT и составит не менее 70-75%. Основным направлением развития спутникового IoT в следующие 10 лет будут новые спутниковые системы IoT прямого доступа абонентских устройств IoT, реализованные с использованием многоспутниковых группировок КА на низких орбитах (в основном от 400 км до 1000 км). 

Низкоорбитальные системы IoT можно разделить на системы с непрерывным обслуживанием и системы типа «электронной почты», в которых предусмотрен сбор информации спутником, запоминание и перенос ее для сброса в заданную точку размещения станции сопряжения. Перспектива систем типа «электронной почты» незначительная.

Рис. 1.  Классификация систем спутникового IoT

Источник: J’son & Partners Consulting

Рис. 2.  Распределение объема рынка спутникового IoT

Источник: NSR

В настоящее время для реализации новых проектов спутникового IoT рассматривается ряд технологий множественного доступа, которые обозначают как технологии LPWAN, адаптированные к узкополосной спутниковой сети. Среди них группа проприетарных технологий и протоколов. Их применение требует создавать абонентский сегмент IoT практически с нуля. Или требуются высокие дополнительные затраты на адаптацию протокола, которым владеет единственный оператор, например, для технологии Sigfox и ей подобных. 

Считается, что перспективным решением является адаптация технологии и протокола NB-IoT. Перспективность этой технологии основана на том, что уже широко применяется в сотовых сетях 4G/5G. Соответственно, имеется массовое производство абонентских устройств NB-IoT и их стоимость снижается за счет массовости абонентов таких сетей. Задача адаптации технологии NB-IoT для узкополосной спутниковой сети IoT еще не решена по состоянию на 2024 г., но идет активная работа по поиску оптимальных решений в организации 3GPP. Проблема адаптации обусловлена необходимостью компенсации эффекта Доплера и модификации ПО ядра сотовой сети для парирования повышенной задержки распространения пакетов в спутниковой сети.

Основной идеей является интеграция спутниковой и сотовой сети для создания бесшовной сети IoT на основе NB-IoT. Но для решения этой задачи требуется не только компенсация эффекта Доплера и ядра сотовой сети, но и обеспечить достаточный бюджет абонентских радиолиний, особенно на линии от абонента в направлении КА.

Принципиально иной технологией является технология и протокол LoRa/LoRaWAN. Эта технология наиболее приемлема для адаптации к спутниковой сети, поскольку устойчива к эффекту Доплера и требует минимальной модификации протокола обработки пакетов. Но эти достоинства достигнуты за счет применяемой сигнально-кодовой конструкции с низкой спектральной эффективностью (подобной прямому расширению спектра). Применение LoRa/LoRaWAN отработано в наземных сетях LPWANLoRa. Имеется массовое производство абонентских устройств IoT и открытое описание протокола на всех уровнях OSI. Существует и первые коммерчески действующие спутниковые сети (Swarm, Lacuna, Echostar Mobile и др.), в основе которых используется LoRa/LoRaWAN. Российский проект «Марафон IoT» также основан на применении LoRa/LoRaWAN, а его системной идеей является создание бесшовной сети с сетями LPWANLoRa с непрерывным обслуживанием. Отметим, что спутниковые системы IoT выполненные по типу почты (информация запоминается на спутнике и переносится в точку ее сброса), не имеют коммерческих перспектив, поскольку предоставляемые сервисы очень ограничены.

Сегодня большое внимание уделяется организации управления и контроля беспилотными системами, особенно беспилотными воздушными судами для обеспечения их безопасной эксплуатации. Президент Российской Федерации 28 января 2025 года дал поручение Председателю Правительства Российской Федерации, ГК «Роскосмосу» и АНО НТИ в части создания спутниковой системы для связи и управления беспилотными воздушными судами

В соответствии с классификацией ИКАО это организация линий С2. Ключевой проблемой создания линии С2 является обеспечение очень высокой ее надежности (не ниже 0,999) и непрерывности при предельно низкой круговой задержке, близкой к реальному времени. Это накладывает особые требования к выбору протокола и технологии IoT, как правило в низкоорбитальной многоспутниковой системе. Например, в системе «Марафон IoT» эта задача решается с использованием специально модифицированной технологии и протокола LoRa/LoRaWAN и созданием на КА специальной многолучевой полезной нагрузки в S-диапазоне, но при сохранении одного из принципиальных условий – работа абонентских линий (линий С2) ниже уровня шума.

Следует отметить, что системы контроля и управления беспилотными системами могут быть реализованы и на основе КА на ГСО. Примером может служить система Echostar Mobile в S-диапазоне. Аналогичные системы могут быть реализованы и на основе КА на ГСО в C-диапазоне. Но следует учитывать, что достижение требуемого значения круговой задержки может оказаться достаточным только для относительно низкоскоростных беспилотных воздушных судов, видимо ниже 100 км/ч.

Анализ технических особенностей спутниковых систем IoT, представленный далее, показывает, что имеются проблемы адаптации открытых технологий для таких сетей. По состоянию на 2025 год наиболее приемлемые решения основаны на адаптации технологии и протокола множественного доступа для узкополосной многоспутниковой низкоорбитальной системы подвижной спутниковой связи с непрерывным обслуживанием (и даже для систем с использованием КА на ГСО) является LoRa/LoRaWAN в соответствии с ПНСТ 921-2024, а для беспилотных систем, тем более воздушных судов, в соответствии ПНСТ 996-2024.

Дополнительно следует подчеркнуть, что технология и протокол LoRa/LoRaWAN являются открытыми на всех уровнях OSI. Утверждение в ряде сообщений о закрытости физического уровня некорректно, что, например, подтверждено и в упомянутых ПНСТ (предварительный национальный стандарт). При этом в России, как практически во всех странах мира, имеется доступная элементная база и имеется серийное производство абонентских устройств для наземных сетей, что является основой и для производства аналогичных абонентских устройств спутниковых сетей IoT.

Отчет содержит более 100 страниц, включая 26 рисунков и 39 таблиц (с учётом Приложений)