天地一體化信息網絡衛星頻率資源可行性研究

潘 冀，劉珊杉，韓 銳

(國家無線電監測中心，北京 100037)

0 引言

近年來，我國信息基礎設施建設取得跨越式發展，高速光纖已覆蓋全國所有城市、鄉鎮以及99%以上的行政村，4G網絡用戶超過12億[1]。但是，我國天基信息網與地面互聯網、移動通信網絡之間的發展很不均衡，存在“天弱地強”的現象，在網絡覆蓋范圍、網絡抗毀能力、應急通信能力以及信息安全保障等方面還不能滿足國家經濟快速發展的要求，已成為制約我國信息基礎設施建設發展的主要瓶頸[2]。

天基信息網絡具有覆蓋范圍廣、網絡抗擊毀能力強、通信受地面因素制約小等優勢，是地面網絡的有效補充。天地一體化航天互聯網的概念自沈榮駿院士于2006年首次提出以來，受到了廣泛的關注[3]。中國宇航學會在2007年與2012年先后兩次召開學術年會，開展與航天互聯網相關研究的專題研討。2013年，國內就天地一體化信息網絡首次召開高峰論壇，受到產學研各界的熱烈反響。第十二屆人大于2016年審議通過了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要(草案)》，將天地一體化信息網絡列入“科技創新2030—重大項目”[4]。2020年，國家明確新型基礎設施建設范圍，衛星互聯網作為新一代信息技術演化生成的基礎設施被納入其中[5]。

天地一體化信息網絡正處于從技術研究向工程建設邁進的關鍵時期，體系架構日趨完善[6]，指標要求逐步明晰[7]。與此同時，全球商業航天浪潮蓬勃興起，OneWeb、SpaceX、Telesat等公司將低軌衛星星座建設推向新的高潮[8]，隨之帶來了衛星頻率資源需求的迅猛增長，資源獲取同使用的供需矛盾和結構性問題異常突出，世界各國申報儲備、開發利用衛星頻率資源力度空前。在新的形勢下，開展針對天地一體化信息網絡的衛星頻率資源可行性研究具有重要的戰略意義。

本文基于天地一體化信息網絡在衛星移動通信(窄帶)、寬帶接入、中繼傳輸方面的功能要求[7]，從無線電業務分類、衛星網絡資料申報現狀以及國際協調態勢分析三方面出發，探尋頻率資源的可行邊界。

1 衛星移動通信可用頻率資源分析

1.1 頻率劃分基礎

能夠匹配天地一體化系統衛星移動通信能力要求的頻率資源主要集中在L頻段，根據國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)《無線電規則》[9]與世界無線電通信大會2019(WRC-19)最后文件[10]的頻率劃分條款，L頻段主要業務的劃分情況如圖1所示。

圖1 L頻段衛星移動業務劃分/MHzFig.1 Allocation of L band mobile-satellite service

由此可見，在L頻段為衛星移動業務劃分了1 518～1 559 MHz(上行)，以及1 610～1 675 MHz(下行)的大部分頻段。在1 518～1 675 MHz頻段范圍內，同時也為固定、移動、衛星氣象等業務劃分了頻率資源，衛星移動業務須在《無線電規則》框架內與這些同樣為主要劃分的無線電業務共享頻率資源。

1.2 衛星網絡資料申報現狀

衛星網絡的頻率資源須在ITU《無線電規則》的框架下，通過申報衛星網絡資料獲取。根據ITU對非規劃頻段衛星網絡資料處理階段的不同，可分為衛星網絡資料的提前公布資料(A)、協調資料(C)和通知資料(N)。其中協調資料在國際電聯的收妥日期非常重要，代表衛星網絡資料申報的先后順序，決定了其在衛星網絡協調中的地位，地位落后的網絡在使用頻率資源時，不能對地位優先的網絡造成有害干擾。通知資料則代表該衛星網絡申報的頻率資源已進入啟用階段，待進入頻率總表后其使用具有受國際保護的地位。

自1997年世界無線電通信大會(WRC-97)后，ITU每兩周發布一次國際頻率信息通報(BR IFIC)，公布各個國家所屬衛星網絡資料的狀態和協調列表，以及頻率指配等信息。通過對IFIC數據庫的梳理與分析，截止2020年2月[11]，當前各國在L頻段衛星移動業務的衛星網絡資料申報狀態如圖2所示。

圖2 L頻段衛星移動業務衛星網絡資料申報情況Fig.2 Application status of satellite network filings in L band mobile-satellite service

在GSO衛星網絡方面，從衛星網絡資料的申報數量看，我國在L頻段共申報56份網絡資料，排在22個國家的第2位，僅次于阿聯酋的58份。從衛星網絡資料的申報階段看，英國與俄羅斯處于領先地位，分別擁有15份與11份N資料。我國共申報8份N資料，排在第3位。

在NGSO衛星網絡方面，我國共申報19份衛星網絡資料，比第2名法國的數量(10份)多出近1倍。從資料申報階段看，僅有法國、美國和俄羅斯共申報5份N資料，我國所有網絡資料目前均處于C資料階段，尚未有衛星網絡進入N資料階段。

1.3 國際協調態勢分析

衛星網絡資料的申報階段與C資料收妥時間可在一定程度反映各國在某頻段的協調地位，而細分的頻率申報區間在所有申報資料中的占比則體現了各頻率區間受關注程度，在一定程度上反映出其協調難度。通過對以上兩類信息的統計分析，能夠對后續衛星網絡資料在該頻段的協調態勢進行初步判斷。

表1分析了主要頻率區間組在當前已申報資料中的占比和對應資料的申報階段。如果該頻率區間已有N資料申報，則統計具有頻率組最多的國家；如果該頻率區間僅有C資料申報，則統計具有頻率組最早收妥時間的國家。

表1 L頻段各組頻率區間申報占比及其資料申報階段Tab.1 Proportion of each frequency range in L band with the filing stage

從各頻率組的協調地位看，GSO網絡在所有頻率區間都已有N資料申報，并且英國在4組頻率都擁有最多的資料數量，而NGSO網絡方面則是法國占據協調優勢地位，在暫無N階段資料的頻率組都有協調地位最優先的C資料。從頻率申報占比看，最集中的申報頻率組為1525～1559 MHz、1626.5～1660.5 MHz，幾乎占據衛星網絡1/3以上的申報量。

從業務共用及系統規劃使用情況看，除衛星移動業務外，L頻段還有固定業務、移動業務、氣象輔助業務、衛星氣象業務、空間研究等多個業務的劃分。在1 525～1 559 MHz和1 610～1 660.5 MHz頻段，已有Inmarsat、Thuraya、ACeS、GlobalStar和Iridium等實際在軌運行的系統，需要開展多邊協調，協調風險很高。在1 518～1 525 MHz和1 668～1 675 MHz頻段，目前暫未有實際系統部署，但是在1 518～1 525 MHz頻段，衛星移動業務系統在多個國家內的協調地位低于地面業務系統，而在1 668～1 675 MHz頻段，我國部署了大量無線電探空儀，衛星移動業務與氣象輔助業務的兼容情況不容樂觀[12]。

總體而言，在1 525～1 559 MHz和1 610～1 660.5 MHz頻段，已經有數個成熟的GSO和NGSO衛星移動系統在軌運行多年，我國在該頻段不論是協調難度還是使用難度都相當高。在申報量暫時較小的1 518～1 525 MHz和1 668～1 675 MHz頻段，盡管還未有實際系統部署，但也需盡早開展與地面業務和氣象輔助業務的系統間共用研究。

2 衛星寬帶接入可用頻率資源分析

2.1 頻率劃分基礎

能夠匹配天地一體化衛星寬帶接入通信能力要求的頻率主要集中在Ka和Q/V頻段。自2010年以來，隨著Ka頻段在衛星器件、天線技術及市場成熟度等多方面的不斷提高，Ka寬帶衛星迎來了高速發展。在資料申報方面，僅N資料就有30個國家申報了308份衛星網絡資料，C資料數量則更是高達上千份。在系統規劃使用方面，GSO衛星網絡已基本布滿地球同步靜止軌道，有些網絡資料甚至處于共軌狀態；具有上千顆衛星組網計劃的NGSO網絡共有5份，衛星總數更是突破萬顆。關于Ka頻段頻率資源的使用態勢已有較多探討[13-16]，后續申報的衛星網絡在頻率資源選擇上已避無可避，須深入研究能夠與已有系統共存的干擾規避技術。

本文將寬帶接入部分的分析重點放在仍處于試驗階段的Q/V頻段，探討其頻率資源的可用性，主要業務的劃分情況如圖3所示。

圖3 Q/V頻段衛星固定與衛星移動業務劃分/GHzFig.3 Allocation of Q/V band fixed-satellite service and mobile-satellite service

在Q/V頻段，劃分給衛星固定業務的頻率資源在下行有5 GHz頻譜，上行有6 GHz頻譜，其中51.4～52.4 GHz是WRC-19之后為GSO網絡的新劃分，暫未有網絡資料公布，因此以下針對網絡資料的統計分析到51.4 GHz為止。劃分給衛星移動業務的頻率資源共有4.5 GHz，其中1 GHz明確劃分給下行。

2.2 衛星網絡資料申報現狀

Q/V頻段目前在射頻器件、天線技術和抗雨衰方面還不成熟，仍需進一步的技術攻關與資金投入[17]，相關的衛星網絡資料大多處于C資料階段，具體申報狀態如圖4所示。

圖4 Q/V頻段衛星網絡資料申報情況Fig.4 Application status of satellite network filings in Q/V band

在GSO衛星網絡方面，共有43個國家申報了1 010份網絡資料，為方便展示，圖4(a)按照C資料申報數量大于10或已申報N資料的國家進行篩選。從網絡資料申報數量看，我國在Q/V頻段共申報74份C資料，與英國并列排在第3位，法國則以234份C資料位居第1。從網絡資料申報階段看，俄羅斯已擁有21份資料處于N資料階段，我國以3份排在第5位。

在WRC-19大會之前，NGSO衛星網絡關于衛星固定業務與衛星移動業務按照提前申報-通知(A-N)程序申報資料。我國申報了9份衛星網絡資料，與美國并列第1，目前都處于A資料階段。塞浦路斯、法國與列支敦士登都有N資料申報，其中以法國5份為最多。

2.3 國際協調態勢分析

表2針對GSO網絡主要統計頻率區間組在C，N階段網絡資料的收妥時間或申報組數，針對NGSO網絡則梳理主要頻率區間在N階段網絡資料的申報組數。

表2 Q/V頻段各組頻率區間申報占比及其資料申報階段Tab.2 Proportion of each frequency range in Q/V band with the filing stage

從各頻率組的協調地位看，NGSO網絡在所有頻率組都有N階段資料，法國在所有頻率組都擁有最多的N資料。GSO網絡則是俄羅斯在N資料申報數量上占據領先地位。從頻率申報占比看，申報最集中的頻率組為37.5～42.5 GHz，其次是47.2～50.2 GHz。

從業務共用及系統規劃使用情況看，根據WRC-19的結論，在37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz的全部或部分頻段用于地面5G系統的發展[18]，因此未來在Q/V頻段部署衛星系統需考慮與地面5G系統的兼容共存。此外，在Q/V頻段的上下兩端都有衛星地球探測(無源)業務的劃分，應當注意對星基無源傳感器的保護。

總體上看，Q/V頻段還處于儲備及試驗階段，N資料相對較少，C資料相對較多。多數衛星網絡還是選擇能夠支撐連續大帶寬的37.5～42.5 GHz/ 47.2～50.2 GHz進行申報。需要注意的是，根據WRC-19最新規則與決議要求，在37.5～42.5 GHz、47.2～50.2 GHz以及50.4～51.4 GHz頻段，NGSO衛星網絡申報衛星固定業務需按C-N程序進行申報，已申報的NGSO衛星網A資料應在2019年11月23前報送N資料，并于2022年11月23前(或7年有效期截止前，以二者中較早的時間為準)投入使用，否則國際電聯將對資料予以刪除。

3 衛星中繼傳輸可用頻率資源分析

3.1 頻率劃分基礎

能夠匹配天地一體化系統中繼傳輸通信能力要求的頻率資源主要集中在Ka頻段，具體業務的劃分情況如圖5所示。

圖5 Ka頻段衛星間業務劃分/GHzFig.5 Allocation of Ka band inter-satellite service

在22.55～23.55,24.45～24.75,25.25～27.5 GHz三段為衛星間業務劃分的頻率范圍內，同時也存在無線電導航、衛星固定、衛星地球探測、空間研究、固定和移動等業務。

3.2 衛星網絡資料申報現狀

在上述為衛星中繼傳輸劃分的業務頻段，根據ITU對衛星網絡的申報規則，傳輸鏈路中收發雙方都為GSO衛星的網絡資料在申報時遵循C-N程序，收發鏈路中存在NGSO的衛星網絡資料在申報時遵循A-N程序,如圖6所示。

圖6 Ka頻段衛星間業務衛星網絡資料申報情況Fig.6 Application status of satellite network filings in Ka band inter-satellite service

在GSO衛星網絡方面，我國目前已申報33份C階段網絡資料，在數量上居于首位，同時還擁有12份A階段資料和10份N階段資料，分別僅次于美國的14份與11份。

在NGSO衛星網絡方面，我國在各階段衛星網絡資料的數量都為最多，其中有3份網絡處于N資料階段，12份網絡處于A資料階段。

3.3 國際協調態勢分析

由于NGSO衛星網絡在申報資料時遵循A-N程序，網絡間并不存在規則意義上的協調地位優先級，因此表3針對GSO網絡主要統計頻率區間組在C,N階段網絡資料的收妥時間或申報組數，針對NGSO網絡則梳理主要頻率區間在N階段網絡資料的申報組數。

表3 Ka頻段各組頻率區間申報占比及其資料申報階段Tab.3 Proportion of each frequency range in Ka band with the filing stage

從GSO網絡各頻率組的協調地位看，除24.45～24.75 GHz暫無N階段資料外，中國在其余頻率組都具有最多的N資料。NGSO網絡各頻率組在N階段的資料也同樣是中國為最多。從頻率申報占比看，GSO網絡多使用22.55～23.55 GHz頻段，而NGSO網絡在25.25～27.5 GHz頻段占比最高。

從業務共用及系統規劃使用情況看，WRC-19為地面5G系統劃分了全球協調一致的24.25～27.5 GHz頻段，與衛星間業務部分重頻，需評估5G系統在大規模部署條件下對衛星間業務接收方向上的影響。我國目前有多個衛星系統使用了Ka頻段衛星間業務，這也與我國在多個頻率組擁有最多N資料的情況相符，因此后續衛星網絡在此類頻段的協調更多來自于國內。

總體上看，雖然24.45～24.75 GHz頻率組的帶寬相對較窄，但是相比其他頻率組，資料申報占比也最小，因此后續申報資料的協調量也最小。但需要注意的是根據《無線電規則》，在25.25～27.5 GHz頻段，使用衛星間業務僅限于空間研究和衛星地球探測的應用，衛星固定或衛星移動業務的應用不可使用該頻段開展衛星間業務。

4 結束語

本文針對能夠匹配天地一體化信息網絡在衛星移動通信、寬帶接入、中繼傳輸三方面的頻率資源開展研究，重點從頻率劃分、衛星網絡資料申報現狀以及國際協調態勢三個維度入手，針對每種業務不同頻率組的申報占比情況，對頻率資源獲取的可行性進行分析。相關結論可為提高天地一體化信息網絡衛星頻率資源的可行性提供參考，進一步研究可從國際電聯《無線電規則》與議題研究、衛星星座系統頻率投入使用的“里程碑”方法、星座系統頻率設計、無線電業務間的頻率共用等與頻率資源使用密切相關的方面展開。