寬帶通信衛星頻率資源的新戰場

● 文 | 北京羽尋科技有限公司　 李輝

寬帶通信衛星頻率資源的新戰場

● 文 | 北京羽尋科技有限公司 李輝

當全球通信衛星運營商都在為Ka頻段寬帶通信衛星的潛在市場和發展熱潮摩拳擦掌時，頻率資源作為空間系統構建的必要前提，再次成為眾多新老衛星運營商不惜代價為之展開激烈爭奪的焦點。Ka頻段從開始進入通信衛星操作者的視野，到目前具備商業應用的條件基本走過了十年的歷程。從頻率資源超前儲備的角度看，在當前風起云涌的寬帶通信衛星潮流中想擁有一份地位優先、技術狀態匹配度良好的頻率軌道資源，相應的衛星網絡頻率申報協調工作應該是在5-10年前就啟動了。換句話說，如果是現在看到清晰的市場需求和發展趨勢，準備加入這個潮流，才開始通過常規手段啟動頻率軌道網絡資料的申報協調工作，那么想要獲得安全、可靠、完全滿足需求的頻率軌道資源已經是十分困難的事了。

由此，人們會問：頻率資源的儲備，到底超前多少才算超前？代價和方法又是怎樣的呢？為了回答這些疑問，本文通過介紹波音公司為其下一代寬帶通信衛星爭取Q、V頻段資源的做法為相關需求方提供借鑒。

一、波音公司向FCC申請Q、V頻段資源

根據《洛杉磯時報》2016年6月24日報道：“波音公司已正式向美國聯邦通信委員會（FCC）申請許可，以啟動和運行一個總計由2956顆衛星組成的衛星網絡。波音公司計劃先期在6年內部署1396顆衛星在近地軌道。最終，該衛星星座將由2956顆衛星組成，旨在為全世界的商業和政府用戶提供互聯網和通信服務。波音公司表示，衛星將使用目前衛星業界很少使用的V頻段。由于此前SpaceX和OneWeb都曾提出幾百顆甚至上千顆衛星的計劃，為全球范圍內特別是偏遠地區提供低成本的上網服務”，但其主要使用Ku和Ka頻段，因此波音公司的V頻段星座計劃與OneWeb等系統將不會產生任何頻率方面的沖突。

據了解，波音公司于2016年6月22日向FCC提交的申請中，建議在50.4～51.4 GHz和51.4～52.4 GHz頻段為衛星固定業務（FSS）地對空方向進行頻率劃分和授權，與劃分給FSS空對地方向的37.5～42.5 GHz配對使用，在不遠的將來使用V頻段的高數據率寬帶業務將成為可能。

在此，需要就上述波音公司申請中提到的相關衛星業務頻率劃分的背景情況做簡要介紹。

FSS是國際電聯《無線電規則》中定義的通過衛星開展終端固定的通信業務，相對區別于終端移動的通信業務，其中也包括其他衛星系統的饋線鏈路，公眾所熟知的地球靜止軌道（GEO）通信衛星大都提供這種FSS業務，當然也可以通過低軌道（LEO）或中軌道（MEO）的星座系統實現。

根據當前國際規則，Q、V頻段為FSS業務劃分的頻率情況如表1所示。

表1　 FSS業務頻率劃分情況（使用Q、V頻段）

從表1可以看到，FSS在Q、V頻段劃分了下行頻率37.5～42.5GHz，有5GHz的帶寬；而上行在頻率劃分表中只有47.2～50.2GHz和50.4～51.4GHz頻段，僅有4GHz帶寬（42.5～43.5GHz由于與其他FSS地對空頻段不連續，不利于衛星載荷系統的帶寬兼容設計；同時由于與射電天文業務頻率共用，有較多限制條件）。另外美國與我國一樣，根據國際頻率劃分規則會結合本國實際情況進行自己國內的頻率劃分，同時就部分具體劃分頻段進行頻率規劃。

波音公司的“申請”包含兩方面內容：一方面是“敦促”FCC為FSS（地對空）劃分并授權使用50.4～51.4 GHz 和51.4～52.4 GHz。特別地，波音公司要求將50.4～51.4 GHz（已劃分給FSS）增加到FSS地對空發射的授權頻率列表中；對于51.4～52.4 GHz頻段（尚未劃分給FSS），波音公司“要求”FCC在美國的頻率劃分表中增加FSS（地對空）作為同等主要業務劃分，同時將該頻段增加到FSS（地對空）發射的授權的頻率列表中。這種變化可以使FSS地對空方向在V頻段的頻段資源增加到5GHz，與空對地方向37.5～42.5 GHz頻段配對使用，通過這一劃分整合，將使高數據速率的衛星寬帶業務在不久的將來成為可能。

二、開發V頻段有何意義？

近年來，寬帶業務的需求不斷增長，FCC的重要職能之一就是促進經濟、優質寬帶互聯網接入服務的發展，特別是地面網絡無法提供服務的郊區、邊遠、貧困地區。下一代寬帶衛星系統，例如波音公司報告中提出的正在開發的V頻段非地球同步軌道（NGSO）衛星系統，可以實現與位置無關的面向所有用戶提供高速、低延時的寬帶通信業務。

為滿足公眾對寬帶業務的需求，授權更多的FSS上行頻率將更加有力地服務于公眾需求和國家的政策目標。國家最重要的目標之一是提供可接入的、能負擔起的高質量的寬帶互聯網服務。美國2010年國家寬帶計劃認為：寬帶業務已成為“現代生活的必需品，而非奢侈品”。無論在美國國內還是國際上實現統一的寬帶接入，衛星的作用將是至關重要的。下一代寬帶衛星系統由于其能夠為所有用戶以同樣的成本提供與用戶所在位置無關的、先進的通信服務，能夠實現彌補全球寬帶數字鴻溝的重任。

波音公司在申請中列舉了建設V頻段NGSO星座系統對美國的意義，主要包括：

1.改善國家寬帶接入設施

目前很多生活在郊區或偏遠地區的近一億美國人，仍不能接入寬帶，部分原因是接入地面寬帶網的費用較高。盡管美國城市人口的96%能夠以25M（下行）/3M（上行）接入寬帶互聯網，但郊區人口的39%（2300萬人）卻不能獲得這樣的服務，而在（印第安人）保留地，互聯網覆蓋數據更加低的令人震驚。

實際上，根據近期政府統計辦公室發布的報告，保留地地勢偏遠、崎嶇，地面基礎設施建設成本高昂，當地人異常貧困，使得提供高速互聯網接入服務的努力遇到巨大障礙。美國政府已經認識到，將寬帶引入這些尚未開發的區域，考慮用衛星實現寬帶接入比用地面系統看起來是更為可行的選擇。通過使用V頻段的超高數據速率，FSS衛星系統可以成為政府實現全面寬帶服務承諾的有效手段，包括為居住在目前尚未開展業務和未開發區域的人口提供服務。

2.促進寬帶市場競爭

使用大型LEO星座、V頻段的下一代衛星系統，業務的定位為提供超高數據速率的寬帶接入，滿足低時延、有競爭力的接入速度、性能和價格等要求，而且讓人們不會感覺到由于其居住地不同而帶來任何差異。

過去十年來，高速固定寬帶市場是相對停滯的：用戶不得不承受較高的價格，幾乎沒有什么選擇。以達到25M下行業務作為基線，每4個美國家庭中有3個是由單一運營商提供服務或根本就沒有服務。而發射并運營實驗V頻段的新一代寬帶衛星系統將極大改善這種不公平的差距，通過引入衛星寬帶系統，產生新的國內競爭者，可以讓這個市場再次煥發生機。

3.提高頻譜利用率的目標得到進一步擴展

毫米波技術、數字相控陣技術已經可以實現大量小波束設計，高頻FSS系統能在一個給定衛星轉發器內實現一組頻率的多次復用。因此，V頻段FSS將不僅能夠啟用當前閑置的50.4～51.4 GHz和51.4～52.4 GHz頻段，還能以為公眾服務的方式，使有限頻譜資源價值得到最大程度的發揮。

另外，上下行對稱的頻譜資源是提高頻率利用率的重要條件，一旦FSS（地對空）獲得該頻段的頻率劃分和授權，即獲得上下行各5GHz頻譜資源并得以充分利用，從而增加整個Q、V頻段的FSS劃分頻率利用率。

三、FSS系統使用V頻段的技術可行性分析

波音公司在申請中也系統地論證了FSS星座系統使用V頻段的技術可行性，認為“FSS操作者在同頻共用和包括射電天文、衛星地球探測業務（EESS）在內的鄰頻用戶避免干擾方面有豐富的經驗，FSS操作者在有效利用這些頻譜同時不增加與現有業務共用頻率的干擾風險”，波音公司重點分析了與相關現有業務間的頻率兼容性。

1.對地面固定與移動業務的保護

目前，沒有非政府用戶在用這一頻段開展地面無線業務。另外，盡管2015年世界無線電通信大會（WRC-2015）提出要對國際移動通信系統（IMT）使用該頻段的潛在可能性進行研究，但看起來要滿足對EESS（無源）業務和空間操作業務帶外干擾的保護，對IMT而言是十分困難的，這使得IMT考慮該頻段非常不適宜，因此在可預見的將來，該頻段沒有使用。

2.對衛星地球探測業務的保護

《無線電規則》決議750中對使用50.2～50.4 GHz和52.6～54.25 GHz頻段的EESS（無源）業務免受使用鄰頻的有源業務干擾提出了明確的功率保護限值要求。例如：

要求FSS地球站在50.4～50.9 GHz頻段內的帶外發射不得超過-20dBW/200MHz （接收天線輸入端，接收天線增益大于等于57 dBi），或不超過-10dBW/200MHz（天線增益小于57 dBi）。經確認，FSS衛星系統能夠滿足這些限值要求。

另外，決議750中要求使用51.4～52.6 GHz頻段的固定業務在EESS（無源）業務使用的頻段內產生的功率不得超過-33dBW/100MHz，當擬使用相應頻段的FSS系統同樣滿足這一限值要求，即可以確保新增的FSS業務不會對EESS（無源）業務產生有害的干擾。波音公司了解并確認相應的FSS系統能夠滿足這些限值要求。

同時，衛星點波束的精確的賦形能力，使得FSS能夠在高頻段與需要保護的業務共用，包括鄰頻的帶外干擾抑制。由于使用該頻段的用戶數量極其有限，NGSO FSS衛星操作者在與其進行協調過程中，還可以根據具體情況，在必要時采取降低發射功率，調整波束避免指向其無源接收機等措施確保對EESS系統的保護。在42～42.5 GHz頻段FSS已經通過這些措施實現了對無源業務的保護，因此可以推斷，FSS在50.4～51.4 GHz和51.4～52.4 GHz頻段的操作也同樣可以滿足保護要求。

3.對射電天文的保護

《無線電規則》決議750中對使用50.2～50.4 GHz和52.6～54.25 GHz頻段的EESS（無源）業務的保護限值同樣適用于使用該頻段的射電天文業務。在滿足這些功率限值的基礎上，為進一步確保射電天文業務的安全，在必要情況下，FSS系統操作者還可以通過劃定射電天文觀測站附近一定范圍內的保護區的方式提供保護。

4.對其他聯邦政府用戶業務的保護

由于NASA和部分軍用操作者的雷達研究項目正在使用50～55 GHz的部分頻段，為避免對其產生有害干擾，FSS衛星系統可以采取隔離區的方法，在與這些用戶臺站一定隔離距離的區域外工作。這種方法在保護射電天文業務的過程中已被證明是十分行之有效的。

四、頻率資源爭奪引發的思考

波音公司這一申請，將寬帶通信衛星頻率資源的戰火，從目前愈演愈烈的Ka頻段，一下子擴展到尚未被業界關注的V頻段，FCC對其的審批可能需要一定復雜的論證過程，審批結果也需要拭目以待，但波音公司這種未雨綢繆和另辟蹊徑的尋求解決頻譜資源的思路和努力仍是值得贊賞的。

當我們將這一事件的背景放在更大的時間和空間尺度上進行分析，不難發現，波音公司提出這一申請絕非頭腦發熱，而是有著長久的歷史積累和超前的國際視野。如前文所述，波音公司的V頻段申請，首先基于自身發展需要，同時也很好地結合了國際頻率劃分研究的整體環境。以下分別從這兩方面分析波音公司提出V頻段FSS頻率劃分需求的前瞻性。

1.自身星座系統發展的需要

波音公司的星座項目計劃與著名的Teledesic系統相關。人們總是選擇記住那些成功的事物，銥星和全球星項目盡管歷經波折，但畢竟走到了今天，先后開始第二代的運營，因此在第二次星座浪潮中被討論的最多。實際上，早期Teledesic的情形與其頗為相似，其發展歷程同樣可以追溯到20世紀90年代第一次星座浪潮。

Teledesic公司成立于1990年（主要投資人是著名的移動電話企業家Craig McCaw和微軟的比爾·蓋茨），旨在通過LEO衛星星座系統提供商用寬帶互聯網接入服務，提供上行達100Mbit/s、下行達720Mbit/s的數據速率。最初于1994年提出的星座規劃為700km軌道高度，840顆衛星，預算達90億美元，即使在今天看來也是一個過于野心勃勃的計劃，后來于1997年計劃調整為1400km軌道，288顆衛星（12個軌道面，每個軌道面24顆星）。此后，受銥星和全球星遭受失敗并先后進入破產保護的影響，Teledesic項目也進入停滯階段，并于2002年10月1日正式發布聲明暫緩該項目的實施。

在項目推進過程中，Teledesic于1997年3月14日獲得FCC的許可發射并運營NGSO衛星系統提供FSS業務的授權，同時獲得了使用部分Ka頻譜資源的許可，具體為17.7～20.2 GHz（空對地方向）和27.5～30 GHz（地對空方向），其中用戶鏈路的頻率分別為18.8～19.3 GHz/28.6～29.2 GHz，饋線鏈路收發頻率分別為17.8～18.6 GHz/27.6～28.4 GHz。特別的，FCC于2001年還修改了頒發給Teledesic的許可，允許其使用V頻段（66～67 GHz，69～70 GHz）提供星間鏈路業務，以保障Teledesic能夠為全球范圍內的用戶提供先進的寬帶通信服務。

值得一提的是，由于Teledesic在ITU登記的網絡資料的有效期為2004年9月26日，即Teledesic必須在此日期前將系統投入使用，而FCC頒發給Teledesic的許可期限比該時間晚兩年，因此FCC要求Teledesic“在2004年9月26日之前發射其第一顆衛星，并啟用相關網絡資料指配的所有頻率”，并認為這將保護美國的國家利益以及有助于Teledesic在國際頻率協調中獲得認可（實際上，Teledesic于1998年發射了世界首顆商業Ka衛星，Teledesic-T1）。

使用巨大篇幅介紹Teledesic系統的原因在于，波音公司正是當年Teledesic系統的研制方。波音公司與Teledesic早在1997年4月開始正式合作，波音以1億美元投資Teledesic持有其10%股份，并負責Teledesic衛星系統的設計、研制與發射。

波音公司一向以敢于創新和技術實力著稱，Teledesic星座項目中波音同樣表現出了超前的設計理念并挑戰諸多關鍵技術（雖然星座項目由于商務原因未能實施，但Teledesic-T1的成功已充分說明了這一點）。本文開始引用的新聞中所述的波音公司宣布的衛星計劃不同于其早期與Teledesic合作的星座項目，包括采用完全不同的頻率方案，但其中的關聯性仍是不言而喻的。

2.與國際市場、規則發展形勢緊密結合

在第二輪星座熱潮洶涌而至的當前態勢下，Ku盡管已被大量使用靜止軌道的傳統通信衛星占用，但由于其成熟的技術和市場仍然是傳統衛星運營商開展寬帶業務的首選方案；同時，Ka頻段日趨成熟，使其成為很多新的通信衛星運營商的不二選擇。即便如此，擺在新老衛星操作者面前的普遍問題仍然是：頻率資源短缺。

為此，無論是衛星操作者，設備/系統研制方，還是各國政府乃至國際電聯，都在為不斷增長的頻譜需求尋求解決之道。WRC-15確定的下一屆大會（WRC-19）的議題中有多項涉及到通信星座用頻的問題，主要包括：

● 議題9.1.3：NGSO FSS新系統使用3700～4200 MHz，4500～4800 MHz，5925～6425 MHz和6725～7025 MHz頻段的技術、規則研究；

● 議題9.1.9：研究為FSS（地對空）在51.4～52.4 GHz頻段的頻譜需要以及可能的頻譜劃分；

● 議題7問題A：對于協調階段的NGSO衛星網絡頻率指配的“投入使用”要素研究。

眾所周知，世界無線電通信大會的議題設置，既是全球范圍內某種無線通信業務發展對頻譜需求的增長趨勢的反映，也是各利益相關方（包括行業與行業間、國家與國家間）利益關系的博弈與平衡。從波音公司向FCC提出的申請看，正是WRC-19議題9.1.9要研究的內容，在本研究周期剛剛開始階段就如此鮮明地表明自己的意見，充分說明了波音公司在該議題上的立場和訴求。

值得一提的是，波音公司在提交給FCC的申請中表示：盡管“WRC-15決議162明確提出，衛星業務在統一的發展中，包括點波束和頻率復用等提高頻譜利用率的寬帶接入技術發展中扮演著極其重要的角色。決議162提出一系列51.4～52.4 GHz頻段作為主要增加FSS劃分的相關研究內容，盡管這些研究集中于GSO衛星系統的饋線鏈路的應用，但也應該考慮到FSS其他應用類型，例如NGSO星座等，任何國家都有權基于其本國的頻譜環境和需求指配這段頻譜的使用”。由此可見，波音公司在支持WRC-19議題9.1.9的立場和目的十分鮮明，就是要應用該頻率資源開展前文所述的NGSO星座項目。

盡管目前波音公司尚未發布進一步的星座計劃詳情，但從WRC議題研究的角度不難發現，首先獲得本國國家主管部門的許可，借助國家力量在國際上推動相應頻段的劃分，該頻段一旦在2019年WRC-19大會上獲得通過，波音公司勢必將成為使用該頻段實現寬帶通信星座系統的領先者。可以看到，這與當年Teledesic獲得Ka頻段毋庸置疑的優先地位的情況如出一轍。

總的來說，頻率資源不會天然獲得，需要在前期付出各自艱苦的努力，很多是在看似不可能的條件下進行的，這需要操作者同時具備多種素質：

● 對頻率資源戰略意義的戰略眼光；

● 對規則、技術、市場的宏觀預判；

● 巨大的力量投入和時間成本。

波音星座項目能否順利實施并取得商業成功，當前的任何判斷都為時過早，但從波音和Teledesic合作以及目前我們看到的其為解決頻率資源問題所做的努力，至少可以認為在頻率這一關鍵問題上波音的星座項目是非常有遠見的。希望波音的做法能夠得到更多業內同行的關注，真正認識到頻率資源超前儲備的意義并付諸行動。