翟華 張千

【摘? 要】衛(wèi)星移動(dòng)通信可面向個(gè)人用戶提供天基話音和數(shù)據(jù)服務(wù)，具有重要的商用和軍用價(jià)值。二十多年來，地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)普遍使用L和S頻段。對(duì)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在L和S頻段的使用規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)梳理，并總結(jié)了各頻段當(dāng)前在軌衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)情況和發(fā)展趨勢(shì)。通過分析面向衛(wèi)星移動(dòng)通信L和S頻段資源的緊缺狀況，以及地面蜂窩通信系統(tǒng)與衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在L和S頻段資源上的激烈競(jìng)爭(zhēng)局勢(shì)，對(duì)GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的用頻策略給出了一些參考建議。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星移動(dòng)通信;L和S頻段;頻譜資源

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：翟華，張千. GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信L和S頻段資源態(tài)勢(shì)分析[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（7）： 00-00.

0? ?引言

衛(wèi)星通信技術(shù)自20世紀(jì)70年代起在全球范圍內(nèi)逐漸投入廣泛應(yīng)用。相比于地面有線和無線通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、抗災(zāi)害能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在電視廣播、應(yīng)急救災(zāi)、海洋和航空通信等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的功用。按照國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的規(guī)定，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)分為廣播業(yè)務(wù)（BSS）、固定業(yè)務(wù)（FSS）和移動(dòng)業(yè)務(wù)（MSS）[1]，其中MSS面向地面移動(dòng)衛(wèi)星通信終端，可直接為個(gè)人用戶、移動(dòng)運(yùn)載平臺(tái)（如車、船、飛機(jī)等）提供天基話音、短消息、傳真和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)[2]，適用于靈活多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，具有重要的商用和軍用價(jià)值。

L頻段（1—2 GHz）和S頻段（2—4 GHz）因其在波長(zhǎng)、傳播特性、帶寬能力、元器件成熟度等方面的優(yōu)勢(shì)，比較適合于移動(dòng)無線通信系統(tǒng)[2]。ITU已經(jīng)將大部分L和S頻段劃分給地面無線通信和衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)[1]。目前全球大規(guī)模商用的地面2G、3G、4G蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)主要采用L、S頻段，國(guó)際范圍內(nèi)業(yè)已建成投入應(yīng)用的多個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)也集中在L和S頻段。

GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)過20余年的建設(shè)和發(fā)展，在技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用開發(fā)、市場(chǎng)推廣等方面均不斷成熟和完善。本文將重點(diǎn)關(guān)注GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信L和S頻段的頻譜資源情況，通過分析頻譜規(guī)則、在軌衛(wèi)星頻率使用狀況、系統(tǒng)應(yīng)用中的頻率問題等，為L(zhǎng)和S頻段GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展提出建議。

1? ?衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展?fàn)顩r

自20世紀(jì)90年代以來，國(guó)際上已在L和S頻段建設(shè)了數(shù)十個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[3]，并且目前大多數(shù)系統(tǒng)仍在軌運(yùn)行并廣泛應(yīng)用。除“銥星（Iridium）”、“全球星（Globalstar）”兩個(gè)系統(tǒng)為低地球軌道（LEO）系統(tǒng)外（Iridium軌道高度780 km，Globalstar軌道高度1 400 km），其余十余個(gè)L和S頻段衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)均為地球同步軌道（GSO）系統(tǒng)。相比于LEO星座系統(tǒng)，GSO系統(tǒng)僅需單顆衛(wèi)星即可提供較大范圍的區(qū)域常態(tài)覆蓋，3～4顆GSO衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球中低緯度常態(tài)覆蓋，并且GSO系統(tǒng)沒有LEO系統(tǒng)所面臨的復(fù)雜移動(dòng)性管理、大多普勒頻偏等問題[4]。表1中整理列出了全球范圍內(nèi)1995年來發(fā)射入軌的L、S頻段GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)：

為提升波束增益、保障傳輸鏈路性能，GSO移動(dòng)通信衛(wèi)星星上配置較大口徑的天線，形成多點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)對(duì)星下區(qū)域的拼接覆蓋，并且多點(diǎn)波束間采用頻率復(fù)用方式提高系統(tǒng)頻譜利用率。隨著技術(shù)的發(fā)展，在軌衛(wèi)星的天線口徑已由數(shù)米增大到幾十米，如Inmarsat-4衛(wèi)星采用11米口徑天線，TerreStar衛(wèi)星采用22米口徑天線;衛(wèi)星的點(diǎn)波束數(shù)量也由數(shù)個(gè)增多到數(shù)百個(gè)，如Thuraya衛(wèi)星形成250個(gè)以上波束，TerreStar衛(wèi)星可形成超過500個(gè)波束。

L和S頻段GSO衛(wèi)星天線和波束能力的提升，使得系統(tǒng)可以對(duì)小型化低功耗手持、便攜衛(wèi)星終端提供天基通信接入服務(wù)，極大地拓展了應(yīng)用市場(chǎng)。例如，全球90%以上客運(yùn)航班和遠(yuǎn)洋船舶均已安裝Inmarsat-4衛(wèi)星終端，多國(guó)政府在搶險(xiǎn)救災(zāi)中也普遍配備Inmarsat-4手持機(jī)用作應(yīng)急通信手段。

2? ?L和S頻段頻率資源狀況

2.1? ITU頻率使用規(guī)則

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在制定無線電頻譜使用規(guī)則時(shí)，將全球劃分為三個(gè)區(qū)[1]，如圖1所示，第一區(qū)主要為非州、歐洲，第二區(qū)主要為美洲，第三區(qū)主要為亞太地區(qū)。表2中給出了ITU頻譜規(guī)則中，在L和S頻段為MSS業(yè)務(wù)分配的頻率資源情況[1]。

從表2中可見，L和S頻段為MSS分配的頻率資源，包括以下三類：

（1）全球頻段，共8段（4組）：1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz，1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660 MHz，1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz，1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz，這些頻段在1、2、3區(qū)均可使用，目前在軌的大部分MSS衛(wèi)星系統(tǒng)均集中在這4組頻段。

（2）二區(qū)頻段，共4段（2組）：1 930—1 970 MHz/2 120—2 160 MHz，2 010—2 025 MHz/2 160—2 170 MHz，這些頻段僅限于2區(qū)使用，且其中1 930—1 970 MHz/2 120—2 160 MHz上MSS僅為次要業(yè)務(wù)，目前尚未有在軌衛(wèi)星使用這4段頻率。

（3）三區(qū)頻段，共2段（1組）——2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz，僅限于3區(qū)使用，目前印度和日本的MSS衛(wèi)星系統(tǒng)使用該頻段。

下文將對(duì)L和S頻段MSS各段頻率的具體規(guī)則和使用情況進(jìn)行描述。

2.2? MSS頻段使用現(xiàn)狀

（1）1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz

1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz頻段是最早應(yīng)用于GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信的頻段，因而被稱為衛(wèi)星移動(dòng)通信的“黃金頻段”，衛(wèi)星MSS業(yè)務(wù)在此頻段具有獨(dú)占性。如圖2所示，目前全球范圍有4個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)在軌使用該頻段：覆蓋全球中低緯度區(qū)域的Inmarsat 4星座系統(tǒng)、覆蓋歐亞非地區(qū)的Thuraya星座系統(tǒng)、覆蓋北美的Skyterra衛(wèi)星和覆蓋東南亞的ACeS衛(wèi)星。

為協(xié)調(diào)不同衛(wèi)星系統(tǒng)在該頻段上共用，1997年國(guó)際上成立了L頻段多邊協(xié)調(diào)機(jī)制，成員國(guó)包括澳大利亞、埃及、印尼、日本、俄羅斯、阿聯(lián)酋、英國(guó)、法國(guó)等，通過定期召開大會(huì)和磋商會(huì)，為成員國(guó)在該頻段上建設(shè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)調(diào)和分配頻率資源。該協(xié)調(diào)機(jī)制將地球劃分為幾十個(gè)區(qū)，不同區(qū)之間可實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。

另外，該頻段在具體使用上也有一些限制，如1 544—1 545 MHz/1 645.5—1 646.5 MHz限優(yōu)先用于衛(wèi)星應(yīng)急和安全保障通信[1]。

（2）1 980—2 010MHz/2 170—2 200 MHz

1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz頻段于1992年的世界無線電大會(huì)上正式被授權(quán)開展MSS業(yè)務(wù)。但是，該頻段同時(shí)也被授權(quán)開展地面固定和移動(dòng)業(yè)務(wù)，并且地面業(yè)務(wù)和MSS業(yè)務(wù)均被定義為并列的主要業(yè)務(wù)。在不同的國(guó)家和地區(qū)，可以根據(jù)具體建設(shè)需求，靈活協(xié)調(diào)該頻段的使用方式。

北美地區(qū)最早將該頻段用于建設(shè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，2008年發(fā)射的ICO G1衛(wèi)星和2009年發(fā)射的TerreStar-1衛(wèi)星都采用該頻段，且均覆蓋北美地區(qū)。兩系統(tǒng)在該頻段采用分頻共用方式，其中ICO G1使用2 010—2 020 MHz/2 180—2 190 MHz，TerreStar-1使用2 000—2 010 MHz/2 190—2 200 MHz。

歐盟于2009年初將該頻段的使用權(quán)授予Solaris Mobile公司和Inmarsat公司，希望兩家公司分頻使用該頻段的各15 MHz資源（使用期限為18年），建設(shè)服務(wù)歐洲全境的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。如圖3所示，2017年6月，兩顆覆蓋歐洲的移動(dòng)通信衛(wèi)星Echostar 21和Inmarsat S相繼發(fā)射升空，該頻段在歐洲全境正式投入實(shí)際應(yīng)用。

由于美國(guó)回聲星（Echostar）公司于2011年收購(gòu)了美國(guó)ICO、TerreStar兩公司，并于2014年收購(gòu)了歐洲Solaris Mobile公司。因此，回聲星公司目前擁有該頻段在北美和歐洲地區(qū)的主要使用權(quán)。

在亞洲，我國(guó)積極倡導(dǎo)在該頻段建設(shè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，但韓國(guó)、菲律賓、印度等國(guó)家已有計(jì)劃將該頻段用作地面蜂窩無線通信。同時(shí)，日本準(zhǔn)天頂（QZSS）衛(wèi)星系統(tǒng)采用該頻段中的5 MHz（2 000—2 005 MHz/2 190—2 195 MHz）用于衛(wèi)星災(zāi)害救援通信保障。

（3）1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz

1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz于2003年的世界無線電大會(huì)上被授權(quán)用于MSS業(yè)務(wù)，是較新的MSS頻段，因而目前實(shí)際在軌的衛(wèi)星系統(tǒng)較少。僅有2013年發(fā)射的Inmarsat I-4A F4（AlphaSat I-XL）衛(wèi)星在軌使用了該頻段，覆蓋歐洲和非洲地區(qū)。

與上述1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz類似，該頻段同樣也被授權(quán)給地面固定和移動(dòng)業(yè)務(wù)使用，且地面業(yè)務(wù)與MSS業(yè)務(wù)處于同等地位，在實(shí)際使用時(shí)需要充分協(xié)調(diào)。

在我國(guó)，射電天文業(yè)務(wù)已經(jīng)使用1 668—1 670 MHz頻段，我國(guó)衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)已使用1 671.6—1 675 MHz頻段。若在該頻段開展MSS業(yè)務(wù)，需與已有系統(tǒng)進(jìn)行充分溝通和協(xié)調(diào)，盡量避免發(fā)生互相干擾的狀況。

（4）1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz

1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz自20世紀(jì)90年代即用于投入MSS業(yè)務(wù)應(yīng)用，但當(dāng)時(shí)主要是兩個(gè)LEO通信衛(wèi)星星座采用該頻段進(jìn)行建設(shè)——Iridium系統(tǒng)和GlobalStar系統(tǒng)。其中Iridium系統(tǒng)采用時(shí)分雙工（TDD）通信模式，衛(wèi)星對(duì)地面和地面對(duì)衛(wèi)星的通信鏈路均1 616—1 626.5 MHz頻帶上運(yùn)行，GlobalStar系統(tǒng)采用常規(guī)頻分雙工（FDD）模式，地面到衛(wèi)星的鏈路工作在1 610—1 626.5 MHz，衛(wèi)星到地面的鏈路工作在2 483.5—2 500 MHz。這兩個(gè)LEO星座系統(tǒng)已在全球范圍內(nèi)占用了該頻段。

1 610—1 626.5 MHz同時(shí)也被劃分給了航空無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，且MSS業(yè)務(wù)不得對(duì)其產(chǎn)生有害干擾。另外，2012年的世界無線電大會(huì)將2 483.5—2 500 MHz劃分給了衛(wèi)星無線電測(cè)定（RDSS）作為主要業(yè)務(wù)，我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也計(jì)劃采用該頻段開展導(dǎo)航定位業(yè)務(wù)[5]。

（5）2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz

2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz僅限于在3區(qū)用于MSS業(yè)務(wù)，但該頻段在3區(qū)也被授權(quán)給地面固定和移動(dòng)通信、衛(wèi)星FSS和BSS業(yè)務(wù)等作為主要業(yè)務(wù)使用。同時(shí)ITU規(guī)定利用2 520—2 535 MHz/2 655—2 670 MHz在3區(qū)建設(shè)衛(wèi)星MSS系統(tǒng)時(shí)，僅限于本國(guó)境內(nèi)使用。因此，3區(qū)內(nèi)的不同國(guó)家可針對(duì)此頻段自行決定使用方式。

日本2006年發(fā)射的ETS-8衛(wèi)星采用了該頻段（2 500—2 505 MHz/2 655—2 660 MHz），形成5個(gè)波束覆蓋日本國(guó)土。印度2015年發(fā)射的GSAT-6衛(wèi)星采用該頻段（2 500—2 520 MHz/2 670—2 690 MHz），形成5個(gè)波束覆蓋印度半島;2018年3月，印度發(fā)射GSAT-6A衛(wèi)星用于補(bǔ)充GSAT-6的能力，但衛(wèi)星入軌后因故失聯(lián)。

在我國(guó)，已明確將2 500—2 690 MHz頻段用于地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商的TD-LTE 4G網(wǎng)絡(luò)均已部署工作在此頻段。

3? ?衛(wèi)星MSS系統(tǒng)建設(shè)用頻建議

3.1? 建議衛(wèi)星MSS系統(tǒng)以區(qū)域覆蓋為主

盡管建設(shè)全球覆蓋的GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信星座組網(wǎng)系統(tǒng)更具商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，但從頻率資源使用的可行性角度分析，建議以區(qū)域覆蓋為主。目前，全球范圍內(nèi)所建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，僅有Inmarsat-4實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，其余系統(tǒng)均為區(qū)域覆蓋（如阿聯(lián)酋Thuraya系統(tǒng)）或國(guó)境內(nèi)覆蓋（如印度GSAT-6系統(tǒng)）。

基于表2中給出的8段全球MSS業(yè)務(wù)頻段進(jìn)行分析：

（1）1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz是獨(dú)占性的衛(wèi)星MSS頻段，但已經(jīng)存在兩個(gè)LEO全球星座系統(tǒng)，并且2 483.5—2 500 MHz頻段面臨與衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)的協(xié)調(diào)，重新建設(shè)全球系統(tǒng)的難度很大。

（2）1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz也是獨(dú)占性的衛(wèi)星MSS頻段，目前已有Inmarsat-4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，使用該頻段需要首先加入L頻段多邊協(xié)調(diào)機(jī)制，與在軌的多個(gè)系統(tǒng)充分協(xié)調(diào)存在不小的難度。并且Thuraya公司和Inmarsat公司均已經(jīng)表示要在該頻段繼續(xù)建設(shè)替代衛(wèi)星系統(tǒng)，以保持對(duì)該頻段的接續(xù)使用權(quán)，因此重新規(guī)劃全球系統(tǒng)幾乎沒有可行性。

（3）1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz、1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz頻段上衛(wèi)星MSS和地面移動(dòng)通信并列為主用業(yè)務(wù)，構(gòu)建全球系統(tǒng)必須與覆蓋區(qū)內(nèi)的眾多國(guó)家逐個(gè)開展頻率協(xié)調(diào)，操作難度和風(fēng)險(xiǎn)極大。同時(shí)這些頻段上已經(jīng)有覆蓋歐洲和北美的多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)在軌（如Terrestar、Alphasat等），構(gòu)建全球系統(tǒng)必須與之進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此，在這些頻段上規(guī)劃新的全球系統(tǒng)也存在很大難度。

綜上，在現(xiàn)有的MSS業(yè)務(wù)頻段上重新規(guī)劃建設(shè)全球性的GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，存在較大的協(xié)調(diào)難度和建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，建議重點(diǎn)考慮區(qū)域覆蓋衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)。

3.2? 建議重視來自地面系統(tǒng)的用頻競(jìng)爭(zhēng)

近年來隨著地面移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展以及智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，地面蜂窩通信系統(tǒng)飛速建設(shè)，手機(jī)通信速率已提升至數(shù)百M(fèi)bps。隨著5G投入商用以及6G啟動(dòng)論證，地面系統(tǒng)對(duì)頻率帶寬的需求更為迫切。除了向更高的C和Ka頻段擴(kuò)展之外，地面系統(tǒng)也將對(duì)現(xiàn)有L和S頻段重新整合，從而與衛(wèi)星MSS系統(tǒng)產(chǎn)生用頻競(jìng)爭(zhēng)。

從表2中統(tǒng)計(jì)可見，ITU為L(zhǎng)和S頻段衛(wèi)星MSS授權(quán)的14段頻譜，其中全球使用的頻譜共175 MHz，限于2區(qū)使用的頻譜共105 MHz，限于3區(qū)使用的頻譜共70 MHz。與之對(duì)比，地面蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)所占用的頻率資源要多得多。以我國(guó)為例，我國(guó)已為地面2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)授權(quán)的頻率資源達(dá)到680 MHz，其中有近500 MHz帶寬資源已經(jīng)投入三大運(yùn)營(yíng)商系統(tǒng)建設(shè)和使用。

另外，1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz、1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz等頻段上衛(wèi)星MSS和地面業(yè)務(wù)均為主要地位，目前已有許多國(guó)家（如亞洲范圍內(nèi)的韓國(guó)、日本、印度等）的頻率管理部門公開表示將使用這些頻段建設(shè)地面蜂窩通信系統(tǒng)。在此態(tài)勢(shì)下，衛(wèi)星MSS系統(tǒng)的建設(shè)用頻將更為受限。

通常認(rèn)為GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是“功率受限”（即受限于衛(wèi)星載荷功率），對(duì)頻率帶寬的占用需求不高。但是隨著衛(wèi)星平臺(tái)能力和天線口徑的不斷提升，使得系統(tǒng)逐漸向“頻率受限”（即受限于通信頻率資源）轉(zhuǎn)變。因而，衛(wèi)星MSS業(yè)務(wù)也應(yīng)在ITU規(guī)則范圍內(nèi)加強(qiáng)尋求頻率資源保障，協(xié)調(diào)來自地面通信系統(tǒng)的頻率資源競(jìng)爭(zhēng)挑戰(zhàn)，鞏固現(xiàn)有MSS頻段的使用權(quán)。

3.3? 建議開展星地同頻共用技術(shù)研究

近年來，國(guó)際上已逐漸形成認(rèn)識(shí)：衛(wèi)星移動(dòng)通信與地面移動(dòng)通信都是IMT系統(tǒng)（International Mobile Telecommunications）的組成部分，兩者的技術(shù)特點(diǎn)決定了各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，通過互補(bǔ)融合建設(shè)可以更好地促進(jìn)IMT系統(tǒng)發(fā)展。面對(duì)稀缺的L和S頻段資源，ITU傾向于將同一段頻段同時(shí)授權(quán)給衛(wèi)星MSS和地面移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，也積極倡導(dǎo)探討星地聯(lián)合頻率共用方案[1]。

近十余年來，國(guó)際范圍內(nèi)針對(duì)星地融合（Integrated）或混合（Hybrid）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)廣泛開展了詳細(xì)的系統(tǒng)論證和標(biāo)準(zhǔn)化工作[6-7]。自2008年來，北美和歐洲的頻譜管理部門授權(quán)衛(wèi)星MSS業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)者采用地面輔助單元（ATC， Ancillary Terrestrial Component）或增補(bǔ)地面單元（CGC， Complementary Ground Component）技術(shù)[8]，在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中增設(shè)地面輔助基站，用于解決衛(wèi)星通信在受遮擋場(chǎng)景以及建筑內(nèi)部性能不佳的問題。地面ATC基站和衛(wèi)星共用同一段L或S頻段頻率資源，采用相同的空口信號(hào)格式和通信體制，并且共同連接到統(tǒng)一的核心網(wǎng)進(jìn)行管理。但是，2011年突發(fā)了“光平方”衛(wèi)星的ATC基站干擾GPS事件[9]，導(dǎo)致ATC技術(shù)在北美的推廣應(yīng)用受阻。如圖4所示，目前，Inmarsat正在歐洲開展歐洲航空網(wǎng)絡(luò)（EAN）建設(shè)，采用Inmarsat S衛(wèi)星和遍布?xì)W洲的300個(gè)地面CGC基站，提供航空通信服務(wù)。星地聯(lián)合頻率共用技術(shù)必須針對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)開展深入的方案論證，協(xié)調(diào)避免可能出現(xiàn)的同頻和鄰頻干擾情況。

另外，2017年以來，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在開展IMT-2020系統(tǒng)5G標(biāo)準(zhǔn)論證時(shí)，已經(jīng)開始論證將衛(wèi)星通信和地面通信一起融入5G系統(tǒng)架構(gòu)中，并正在開展星地聯(lián)合系統(tǒng)的統(tǒng)一化通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)制定[10-11]，這也加速推進(jìn)了星地頻率聯(lián)合共用的進(jìn)度和可行性。

由此可見，針對(duì)L和S頻段的移動(dòng)通信頻率資源，國(guó)際范圍內(nèi)已形成星地共用頻率的認(rèn)知和發(fā)展趨勢(shì)，后續(xù)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的規(guī)劃應(yīng)考慮與地面通信系統(tǒng)聯(lián)合論證和同頻建設(shè)。

4? ?星地同頻共用問題分析

L和S頻段衛(wèi)星移動(dòng)通信和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的同頻共用技術(shù)，需要考慮如下幾個(gè)問題。

（1）衛(wèi)星和地面通信鏈路的差異問題

與地面基站通信相比，衛(wèi)星的發(fā)射功率受限于衛(wèi)星平臺(tái)的能力，同時(shí)衛(wèi)星信道的傳播距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面。因此衛(wèi)星通信的信號(hào)強(qiáng)度往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面通信系統(tǒng)，通常衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度比地面通信系統(tǒng)小30 dB以上。由于衛(wèi)星通信鏈路的傳播距離長(zhǎng)，其傳輸時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面系統(tǒng)，GSO衛(wèi)星的回程時(shí)延（RTD）可達(dá)250 ms。另外，衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)可能造成通信鏈路的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以GSO移動(dòng)通信衛(wèi)星為例，其軌道往往設(shè)計(jì)小傾角（約3°～6°），從而其星下點(diǎn)在24小時(shí)內(nèi)按“ 8 ”字變化。這導(dǎo)致衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)的輕度變化，并引入了通信頻偏。

在設(shè)計(jì)星地同頻共用通信系統(tǒng)時(shí)，需綜合考慮以上星地通信鏈路的差異性問題，深入開展星地一體化系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用模式的研究論證工作。

（2）MSS頻譜資源雙工劃分問題

目前國(guó)際電聯(lián)對(duì)授權(quán)給地面MSS的頻率資源，均不做雙工模式的要求。地面基站到手機(jī)的下行鏈路與手機(jī)到地面基站的上行鏈路，可以按照TDD模式工作在同一頻段上，也可以按照FDD模式工作在有一定頻率間隔的兩個(gè)不同頻段。地面4G和5G蜂窩通信系統(tǒng)均同時(shí)支持TDD和FDD模式。但對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，國(guó)際電聯(lián)所授權(quán)的頻譜資源基本均為FDD模式，即衛(wèi)星通信的上下行鏈路工作在兩個(gè)不同頻段上。

為保障星地同頻共用通信系統(tǒng)的統(tǒng)一建設(shè)和融合應(yīng)用，可促使國(guó)際電聯(lián)在L和S頻段上對(duì)衛(wèi)星MSS業(yè)務(wù)授權(quán)TDD頻段。

（3）星地同頻共用的協(xié)調(diào)管理問題

GSO移動(dòng)通信衛(wèi)星單個(gè)點(diǎn)波束的覆蓋直徑達(dá)數(shù)百km，整星覆蓋直徑可達(dá)數(shù)千km，通常其覆蓋區(qū)內(nèi)可包含多個(gè)國(guó)家。若每個(gè)國(guó)家針對(duì)L和S頻段“星地同頻共用”的態(tài)度策略和部署方式不同，極易對(duì)本國(guó)GSO衛(wèi)星產(chǎn)生同頻干擾，從而影響系統(tǒng)整體通信能力。因此，需提前開展與周邊國(guó)家的頻率協(xié)調(diào)工作，盡可能避免干擾的發(fā)生。同時(shí)在本國(guó)內(nèi)，也許加強(qiáng)衛(wèi)星和地面通信系統(tǒng)之間的資源統(tǒng)籌管理，盡可能將星地一體化通信系統(tǒng)交由統(tǒng)一公司運(yùn)維，以提升頻譜資源的使用效能。

5? ?結(jié)束語

經(jīng)過二十余年的發(fā)展，衛(wèi)星MSS業(yè)務(wù)已在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮了重要功用。但是L和S頻段的MSS業(yè)務(wù)頻率資源面臨較為嚴(yán)峻的態(tài)勢(shì)，在規(guī)劃新的GSO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)除需與在軌衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)調(diào)外，還面臨來自地面通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等的頻率競(jìng)爭(zhēng)。ITU等標(biāo)準(zhǔn)化組織倡導(dǎo)將衛(wèi)星MSS系統(tǒng)作為IMT系統(tǒng)的一部分，開展星地聯(lián)合系統(tǒng)論證和星地聯(lián)合頻率共用設(shè)計(jì)，是未來發(fā)展的一種趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? ? ITU. Radio Regulations[S]. 2016.

[2]? ? M R. Mobile Satellite Communications Principles and Trends （second edition）[M]. John Wiley Press， 2014.

[3]? ? ? 呂子平，梁鵬，陳正君，等. 衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展現(xiàn)狀

及展望[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用， 2016（1）： 48-55.

[4]? ? ?張更新，甘仲民，李廣俠. 對(duì)發(fā)展我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信的有關(guān)思考[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)， 2010（5）： 32-34.

[5]? ? ?楚恒林，高揚(yáng)，陸明泉. S頻段衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)與臨頻信號(hào)兼容性分析與試驗(yàn)[J]. 遙測(cè)遙控， 2018，39（3）： 1-7.

[6]? ? ?ITU. ITU-R M.2398-0： Scenarios and performance of an integrated MSS system operating in frequency bands below 3 GHz[S]. 2016.

[7]? ? ?ETSI. ETSI EN 302 574-1 V2.1.2： Harmonised Standard for Mobile Earth Stations （MES） operating in the 1980 MHz to 2010 MHz （earth-to-space） and 2170 MHz to 2200 MHz （space-to-earth） frequency bands covering the essential requirements of article 3.2 of the Directive 2014/53/EU; Part 1： Complementary Ground Component （CGC） for wideband systems[S]. 2016.

[8]? ? ?ETSI. ETSI TR 103 124 V1.1.1： Satellite Earth Stations and Systems （SES）; Combined Satellite and Terrestrial Networks scenarios[S]. 2013.

[9]? ? NPEF. Follow-on assessment of lightsquared ancillary terrestrial component effects on GPS receivers[C]//National Space-Based Positioning， Navigation， and Timing Systems Engineering Forum. 2012.

[10]? ?3GPP. 3GPP TR 38.811： Study on NR to support non-terrestrial networks （Release 15）[R]. 2017.

[11]? ?3GPP. 3GPP TR 22.822. Study on using satellite access in 5G （Release 16）[R]. 2017.

作者簡(jiǎn)介

翟華（orcid.org/0000-0001-6529-6613）：助理研究員，畢業(yè)于國(guó)防科技大學(xué)，現(xiàn)任職于北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

張千，高級(jí)工程師，中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

收稿日期：2020-05-03