國際海事衛星移動通信系統與下一代 IMT 系統在擴展 C 頻段的共存

張曉燕，楊夏青，韓銳

（國家無線電監測中心，北京 100037）

國際海事衛星移動通信系統與下一代 IMT 系統在擴展 C 頻段的共存

張曉燕，楊夏青，韓銳

（國家無線電監測中心，北京 100037）

根據《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》和國際電信聯盟《無線電規則》的相關規定可知，在我國第四代國際海事衛星移動通信系統的空對地（下行）鏈路與下一代 IMT 系統存在頻率重疊。 為了保證第四代國際海事衛星移動通信系統 與下一代 IMT 系統在擴展 C 頻段的共存 ， 給出了使上述兩系統正常工作的前 提條件或保護措施。 通過理論分析、仿真計算以及調研廠商的制造水平，給出了關于第四代國際海事衛星移動通信系統與下一代 IMT 系統在擴展 C 頻段共存的建議。

第四代國際海事衛星移動通信系統；IMT 系統；頻率共享；兼容共存；保護距離

1 引言

中國是國際海事衛星組織 （INMARSAT）的創始成員國 ，并 于 1979 年 、1986 年 、1996 年 分 別 簽 署 了 《國 際 海 事衛星組織公約》、《＜國際海事衛星組織公約＞修正案》及《國際海事衛星組織業務使用協定》，將海事衛星的業務范圍逐漸擴大，現已擴展到航空領域和陸地領域。在海上，國際海 事 衛 星 移 動 通 信 系 統 是 國 際 海 事 組 織 （IMO）唯 一 強 制性的海上遇險安全通信系統，是被納入《國際海上生命安全公約（SOLAS）》的移動衛星通信系統，是國家履行水上交通安全監管和搜尋救助服務職能的重要依托和保障，是海上船舶航行安全的必要設施；對于民航而言，國際海事衛 星 通 信 系 統 是 國 際 民 航 組 織 （ICAO） 批 準 的 、全 球 最 重要的、基于衛星通信的航空安全通信系統，用于民用航空飛行器的安全應急和調度指揮；在陸地上，由于國際海事衛星通信系統系統的突出作用，現已被納入多國的國家應急通信平臺體系中，是國家應急通信平臺體系的重要組成部分。

我國的海事衛星移動通 信系統自 1991 年投入 運 行以來，不僅為國家黨政軍及社會各界提供了長期、可靠、高質量的常規通信服務，更在國家機要通信、自然災害（如冰雪災害、汶川地震等）、安全應急（如索馬里護航、利比亞撤僑、海地地震、巴基斯坦水災、馬航客機失聯等）、社會事件和社會活動（如奧運會等）、科學實驗（如神舟飛船、南北極科學考察等）等重大保障活動中發揮了關鍵和突出的作用，良好地維護了國家形象。為了不斷提升海事衛星移動衛星通信系統的可靠性和運行質量，當前海事衛星移動通信系統已經發展到第四代，其主要架構和組成如圖 1所示。

2 第四代海事衛星移動通信系統及其面臨的干擾分析

由于我國國土面積較大，且受關口站地理位置的限制，使用一顆海事衛星無法滿足覆蓋全國的要求，因此向我 國 境 內 提 供 業 務 的 衛 星 位 于 東 經 143.5°（143.5°E）的INMARSAT 4F1 和 東 經 25°（25°E）的 INMARSAT 4F2。 在INMARSAT 4F1 無 法 覆 蓋 區 域 內 的 用 戶 ， 須 使 用INMARSAT 4F2 完 成 通 信 接 續 。INMARSAT 4F2 的 信 號 ，首先落地至境外（荷蘭）關口站，然后通過租用國內運營商的物理專線，將數據信息按照國內的相關要求轉接至國內關口 站 。其 他 在 INMARSAT 4F1 覆 蓋 區 域 內 的 用 戶 ，都 由 該衛星和國內關口站提供通信服務。

第四代海事衛星移動通信系統與第三代移動衛星通信系統幾乎一樣。使用包括C頻段的饋電鏈路頻率：6 425～6 575 MHz（上 行 鏈 路 ）和 3 550～3 700 MHz（下 行 鏈路 ）以 及 L 頻 段 的 用 戶 鏈 路 頻 率 ：1 525～1 559 MHz（下 行鏈 路 ）和 1 626.5～1 660.0 MHz（上 行 鏈 路 ）。具 體 使 用 方 式如圖 2所示，C 頻段用于關口站與海事衛星之間 的 饋 電鏈路，L頻段用于終端用戶與衛星之間的用戶鏈路。

圖1 第四代國際海事衛星移動通信系統架構

圖2 海事衛星移動通信系統用頻設置

雖然第四代海事衛星移動通信系統使用的頻率與目前我國使用的第三代海事衛星移動通信系統（業務期限最 少 至 2020 年 ）的 頻 率 完 全 一 致 ，但 是 由 于 受 近 幾 年IMT 系 統 的 飛 速 發 展 和 用 頻 需 求 的 劇 增 ，在 2014 年 2 月1 日 實 施 的 《中 華 人 民 共 和 國 無 線 電 頻 率 劃 分 規 定 》［1］中 ，已 經 將 3 550～3 600 MHz 頻 段 劃 分 給 下 一 代 IMT 系統。也就是說，海事衛星第四代移動通信系統饋電鏈路 的 下 行 鏈 路 將 與 下 一 代 IMT 系 統 間 存 在 頻 率 重 疊 ，重 疊 的 頻 率 為 3 550～3 600 MHz。隨 著 IMT 系 統 的 迅 猛發展和其用頻短缺問題的日益突出，甚至已經出現將空間業 務 擴 展 C 頻 段 （3 400～3 700 MHz）全 部 用 于 IMT 系 統 的聲音。可見在不久的將來，下一代 IMT 系統與海事衛星 第四代移動通信系統關口站間的干擾共存問題會變得異常嚴峻。對兩者間存在的干擾進行分析變得尤為重要。

在對 海 事 衛 星 關口 站 （如 圖 3 所示 ）面臨 的 最 壞 干 擾情況進行分析之前，先來看一下上述兩個系統間的典型技術參數，也為隨后的干擾分析做準備。

圖3 海事衛星移動通信系統關口站（INMARSAT-ES）周邊環境

海事衛星第四代移動通信系統關口站的典型技術參數見表 1。其中衛星發射功率、衛星發射天線增益等信息來 自 于 國 際 電 信 聯 盟 （ITU）國 際 頻 率 信 息 總 表 （MIFR）中海 事 衛 星 第 四 代 衛 星 的 網 絡 資 料 INMARAST-4 143.5°E。

下 一 代 IMT 系 統 的 典 型 技 術 參 數 為 目 前 在 用 的 IMT系 統 基 站 （BS）的 典 型 技 術 參 數［2-4］，使 用 的 頻 段 與 海 事 衛星關口站相同，具體技術參數見表 2。若干擾對 象為 IMT系 統的 移 動 臺 站（MS）時 ，其 干 擾 能 力 遠 小 于 IMT 系 統 基站對海事衛星移動通信系統關口站的影響，因此，本文只需分析基站與關口站間的共存問題，就可以給出兩系統間共存的建議。

3 海事衛星移動通信系統關口站與 IMT系統共存情況分析

根據上述已知技術參數，首先需要計算出關口站的干擾保護門限，有兩種計算方法。

表1 第四代海事衛星移動通信系統關口站的典型技術參數

表2 下一代 IMT 系統基站典型技術參數

（1）根據關口站的接收機等效噪聲溫度導出

關口站允許的最大干擾功率為：

其 中 ，Pr（p）為 在 不 超 過 p（根 據 參 考 文 獻 ［5］，p=20%）的時間內，接收站接收機輸入端所允許的在參考帶寬中的最大干擾功率。當干擾發射機功率過大，引起接收機阻塞時，應取接收機的阻塞電平值。K為玻爾茲曼常數的對數表示 ，為 -228.6；B 為 參 考 帶 寬 1 MHz 的 對 數 表 示 ；T 為 關 口站接收系統等效噪聲溫度為關口站的干擾保護準則。

（2）通過關口站接收機的最小可識辨功率導出

已知關口站接收機的最小可識辨功率譜密度 PFD，那么關口站接收機允許的最大干擾功率為：

其中，λ 為波長。得出關口站的干擾保護門限后，通過式（3）可計算產生干擾的發射機（基站）和受到干擾的接收機 （關 口 站 ）間 需 要 的 最 小 總 傳 輸 損 耗［6］。最 后 將 該 理 論 計算值與實際地理環境相結合，仿真得出 IMT 基站與海事衛星關口站間需要的最小隔離距離。

其 中 ，Lb（p）為 在 p 的 時 間 內 可 容 許 的 最 小 基 本 傳 輸 損耗，僅在 p 的時間 內實際傳輸 損耗不得超過此值；Pt為干擾發射機天線輸入端參考帶寬的發射功率電平；Gt為干擾發射機在接收站方向的天線增益；Gr為接收站天線在干擾發射機方向的天線增益。本文中接收站天線旁瓣增益采用ITU-R S.580［7］天 線 的 旁 瓣 增 益 進 行 計 算 ，即 ：

其中，φ 為偏軸角度，D 為天線直徑，λ 為波長。

天 線 在 接 收 方 位 角 θ∈［139.6°，143°］時 的 接 收 增 益 為天 線 的 最 大 接 收 增 益 54.03 dBi（見 表 1），也 就 是 偏 離 此 接收范圍后，在其他接收方向上的增益為天線的旁瓣增益。因此，接收天線增益為：

其 中 ，當 139.6°-φ ≤θ≤143°+φ 的 值 超 過 ［0°，360°］時 ，根據周期自動調整接收方位角度。下面分別用式（1）和式（2）計算 并 分 析 海 事 衛 星 移動 通 信 系 統 關 口 站 與 其 周 圍 IMT系統間的共存問題。

3.1 海事衛星關口站與 IMT 系統同頻共存分析

當 海 事 衛 星 移 動 通 信 系 統 關 口 站 與 其 周 圍 的 IMT系統基站的發射頻率相同時，經式（3）計算，兩系統間不存在有害干擾所需要的最小損耗，具體見表 3。下一代IMT 系 統 的 基站 發 射 的信 號 與 關 口 站 天 線 接 收 方 向 相 同時 ， 需 要 經 過 至 少 232 dB （用 -130 dBm／MHz 的 干 擾 保 護門 限 計 算 出 的 結 果 ）或 208.6 dB （用 -106.6 dBm／MHz 的干擾保護門限計算出的結果）的傳輸損耗后，才不會對海事衛星移動通信系統關口站的接收鏈路產生有害干擾。在關口站的其他接收方向上，由于接收站天線旁瓣增益 迅 速 降 低 ，將 式 （4）帶 入 式 （3）計 算 知 ，至 少 需 要 168 dB（用 -130 dBm／MHz 的 干 擾 保 護 門 限 計 算 出 的 結 果 ）或144.6 dB （用 -106.6 dBm／MHz 的 干 擾 保 護 門 限 計 算 出 的結果）的傳輸損耗才不會對海事衛星移動通信系統關口站的接收鏈路產生有害干擾。

圖4 海事衛星移動通信系統關口站與 IMT 系統基 站 同 頻時的隔離距離仿真結果

用電磁環境仿真軟件 WRAP 進行仿真，得出的結果如圖 4 所示。 圖 4（a）仿真后的 全 部覆蓋區 域 是 傳輸損 耗 小于 232 dB 的 隔 離 域 ，圖 4（b）仿 真 后 的 全 部 覆 蓋 區 域 是 傳輸 損 耗 小 于 208.6 dB 的 隔 離 域 。即 海 事 衛 星 關 口 站 需 要在其周圍預留的隔離保護域，此區域以外，兩系統間將不會產生有害干擾。關口站周圍不同的接收方向需要的隔離距離不同。圖 4（a）和圖 4（b）對應的最大隔離距離分別 為87 km 和 71 km 。隨 著 偏 軸 角 φ 的 不 斷 增 大 ，接 收 天 線 旁瓣增益明顯降低，因此，越偏離接收天線的主接收方向，兩系統間需要的隔離距離越小。當偏離主接收方向超過26.3°后 ，兩 系 統 間 需 要 的 最 小 隔 離 距 離 分 別 約 只 有 13 km（用-130 dBm／MHz 的 干 擾 保 護 門 限 仿 真 出 的 結 果 ）和 6 km（用 -106.6 dBm／MHz 的 干 擾 保 護 門 限 仿 真 出 的 結 果 ），兩系 統 間 只 需 要 不 小 于 168 dB（通 過-130 dBm／MHz 的 干 擾保 護 門 限 計 算 出 ）或 144.6 dB （通 過 -106.6 dBm／MHz 的 干擾保護門限計算出）的總傳輸損耗，即可實現兩系統間的共存。具體隔離距離見表 3。

按現有技術指標，在兩系統同頻的情況下，只有當隔離距離達到幾十公里后才能實現兩系統間的共存。但是在這么大的區域內不設置下一代 IMT 系統顯然是不可能的，因此，同頻時兩系統難以共存。

3.2 海事衛星關口站與 IMT 系統鄰頻共存分析

假設 下 一 代 IMT 系 統 的 發射 頻 率 與 地球 站 的 接 收 頻率鄰頻，按照式（3）計算出的系統間所需的最小損耗見表4，仿真出的隔離距離如圖5所示。

與上面同頻時的分析一樣，圖 5 的區域為 IMT 系統 需要在海事衛星關口站周圍，為關口站預留的隔離保護區域，此區域以外的兩系統間不會產生有害干擾。圖 5（a）和 圖 5（b）對 應 的 最 大 隔 離 距 離 分 別 約 為 16 km 和 15 km；對 應 的 最 小 隔 離 距 離 分 別 約 為 1 km 和 0.7 km，詳 見 表 4。圖 5 中 的 傳 輸 損 耗 162 dB 和 138.6 dB 分 別 對 應 的 是 干 擾保 護 門 限 為 -130 dBm／MHz 和 -106.6 dBm／MHz，且 偏 軸 角度為 1°。同理，偏軸角 度為 10°時，兩種干擾保 護 門 限下，對 應 的 傳 輸 損 耗 為 137 dB 和 113.6 dB ； 偏 軸 角 度 大 于 26.3°時，兩種干擾保護門限下，對應的傳輸損耗分別為123 dB 和 99.6 dB。

圖5 海事衛星移動通信系統關口站與 IMT 系統 基 站 鄰 頻時的隔離距離仿真結果

表3 海事衛星關口站與 IMT 系統同頻共存

表4 海事衛星關口站與 IMT 系統鄰頻共存

3.3 海事衛星關口站與 IMT 系統具有一定保護帶寬時的共存分析

如果兩系統間有一定的頻率隔離，其帶外無用發射可以 進 一 步 限 制 ， 選 擇 無 用 發 射 為 -65 dBm／MHz（5 MHz 保護 帶 可 實 現 ）和-86 dBm／MHz（10 MHz 保 護 帶 可 實 現 ），且設備廠商可實現上述指標，則海事衛星 關口站和 IMT 系統間所需的最小損耗，具體見表 5。

有一定隔離頻帶時，海事衛星移動通信系統關口站與IMT 系統基站的隔離距離仿真結果如圖 6 所示。

圖6 有一定隔離頻帶時，海事衛星移動通信系統關口站與IMT 系統基站的隔離距離仿真結果

其 中 ，實 心 所 圍 區 域 為 具 有 5 MHz頻 率 隔 離 帶 寬 時 ，海 事 衛 星 關 口 站 在 -130 dBm／MHz 的 干 擾 保 護 門 限 下 ，仿真 出 的 保 護 隔 離 區 域 ，該 區 域 的 傳 輸 損 耗 ≤134 dB；網 格區 域 為 具 有 5 MHz 頻 率 隔 離 帶 寬 時 ，海 事 衛 星 關 口 站 在-106.6 dBm／MHz 的 干 擾 保 護 門 限 下 ，仿 真 出 的 保 護 隔 離 區域 ，該 區 域 的 傳 輸 損 耗≤110.6 dB；豎 格 區 域 為 具 有 10 MHz頻 率 隔 離 帶 寬 時 ，海 事 衛 星 關 口 站 在-130 dBm／MHz 的 干擾保護門限下，仿真出的保護隔離區域，該區域的傳輸損 耗 ≤113 dB。 在 這 些 區 域 外 ，可 以 布 置 下 一 代 IMT 系統，兩系統間可以實現共存?？梢姡趦上到y間有一定保護頻 帶 時，若對 IMT 系統的 發 射 指標進行 合 理 限 制 ，并 在 關口 站 天 線 主 接 收 方 向 周 邊 確 定 保 護 區 （如 1 km），就 可 以有效地實現兩系統在室外的共存。同理，如果在海事衛星關口站周圍設置一定的電磁環境保護措施，如增加屏蔽網等，則更容易在更小的范圍內實現兩系統間的共存。

4 結束語

本文 對第四代海 事衛星 移動通信系 統和下一代 IMT系統間的共存進行了理論分析和仿真，得出的結果對設 置 海 事 衛 星 關 口 站 和 其 周 邊 的 IMT 系 統 具 有 較 強 的指導意義。即當系統同頻時，兩系統間無法實現共存；當 系 統 鄰 頻 時 ，兩 系 統 間 的 隔 離 距 離 需 超 過 10 km ，才可 實 現 共存；進一步增大兩系統間的隔離帶寬，當隔離帶寬為 5 MHz 時 ，兩 系 統 間 的 隔 離 距 離 達 到 1 km 以 上 可 共 存 ；當 隔 離 帶 寬 為 10 MHz 時 ，兩 系 統 不 需 要 任 何 隔 離 距 離 就可 實 現 共 存 。如 果 3.5 GHz 頻 段 IMT 系 統 被 用 于 室 內 通信，其無用發射功率傳輸到室外被海事衛星地球站接收到的概率很小，因此，室內無線接入系統和海事衛星地球站是可以實現共存的。相反，如果在設置海事衛星地球站時，為其站址周圍設置電磁環境保護措施，那么兩系統間的隔離距離可大大降低，頻率利用度也可增加，這也符合將擴展C 頻 段 （3.4～3.7 GHz）劃 分 為 未 來 IMT 系 統 和 空 間 業 務 共 用頻段的規劃。

表5 海事衛星關口站與 IMT 系統有頻帶隔離時共存情況

［1］ 中 華 人 民 共 和 國 工 業 與 信 息 化 部 . 中 華 人 民 共 和 國 無 線電 頻 率 劃 分 規 定 ［S ／OL］. ［2014-01-29］.http：／／www.miit.gov. cn／n11293472／n11293832／n12843926／n13917072／15865839.html. Ministry of Industry and Information Technology.People’s Republic of China Radio Frequency Allocation Provisions ［S／OL］.［2014-01-29］.http：／／www.miit.gov.cn／n11293472／n11293832／n12843926／n13917072／1586 5839.html.

［2］ User equipment （UE）radio transmission and reception：3GPP TS36.101：2012 ［S／OL］. ［2012-09-01］. http：／www.3gpp.org／DynaReport／36-series.html.

［3］ Base station （BS）radio transmission and reception：3GPP TS36.104：2013 ［S／OL］. ［2013-09-01］.http：／www.3gpp.org／DynaReport／36-series.html.

［4］Radio frequency （RF ）system scenarios：TS36.942 ：2010［S／OL］. ［2010-12-01］.http：／www.3gpp.org／DynaReport／36-series. html.

［5］ Apportionment of the allowable error performance degradations to fixed-satellite service （FSS）hypothetical reference digital paths arising from time invariant interference for systems operating below 30 GHz：ITU-R S.1432-1：2006［S／OL］. ［2006-01-01］.http：／www.itu.int／pub／R-REC.

［6］ 李 景 春 ，黃 標 ，黃 嘉 ，等. 電 磁 頻 譜 工 程 ［M］. 北 京 ：人 民 郵 電出版社，2008. LI J C，HUANG B，HUANG J，et al.Electromagnetic spectrum engineering［M］.Beijing：Posts and Telecom Press，2008.

［7］Radiation diagrams for use as design objectives for antennas of earth stations operating with geostationary satellites：ITU-R S. 580-6：2004 ［S／OL］. ［2004-01-01］.http：／／www.itu.int／pub／R-REC.

Frequency sharing of the international maritime satellite mobile communication system and the next generation IMT system

ZHANG Xiaoyan，YANG Xiaqing，HAN Rui
State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China

According to the “Table of Frequency Allocations of People’s Republic of China” and the relevant provisions of the “Radio Regulations”，it is shown that there are frequency overlap between the space to ground （down）link of the fourth-generation international maritime satellite （INMARSAT）mobile communication system and the next generation international mobile telecommunication （IMT）system in China.In order to guarantee the coexistence of the fourth-generation INMARSAT mobile communication system and the next generation of IMT system，the operation prerequisites or protection distances were analyzed.Based on the theoretical analysis，the simulation and survey of production level of equipment company，some suggestions on how to make the above two systems coexist were presented.

the fourth-generation international maritime satellite mobile communication system，IMT system，frequency sharing，coexistence，protection distance

The National Science and Technology Major Project （No.2015ZX03002008）

TN929

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016087

張曉燕（1982-），女，博士，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為電波傳播、無線通信和電磁兼容。

楊夏青（1988-），男，國家無線電監測中心助理工程師，主要研究方向為無線通信。

韓銳（1984-），男，博士，國家無線電監測中心工程師，主要研究方向為無線通信。

2015-11-05；

2016-03-02

國家科技重大專項基金資助項目（No.2015ZX03002008）