衛(wèi)星通信網(wǎng)無線電頻率使用率評價(jià)淺析

劉海洋，楊夏青

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 研究背景

《中華人民共和國無線電管理?xiàng)l例》[1]（2016年版）（以下簡稱“《條例》”）第十六條第二款提出，“無線電頻率使用許可證應(yīng)當(dāng)載明無線電頻率的用途、使用范圍、使用率要求、使用期限等事項(xiàng)”。為配合無線電管理機(jī)構(gòu)所做出的無線電頻率使用許可監(jiān)督檢查，工業(yè)和信息化部2017年頒布《無線電頻率使用率要求及核查管理暫行規(guī)定》[2]（工信部無[2017]322號，以下簡稱“《使用率規(guī)定》”），并規(guī)定自2018年1月1日起施行。《使用率規(guī)定》中包括地面業(yè)務(wù)頻率使用率通用要求以及空間業(yè)務(wù)頻率使用率通用要求等內(nèi)容，其中空間業(yè)務(wù)頻率使用率通用要求中包括衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)和衛(wèi)星通信網(wǎng)四類。衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)頻率使用率評價(jià)方法，筆者已先期撰文進(jìn)行了分析。本文僅對衛(wèi)星通信網(wǎng)無線電頻率使用率要求的評價(jià)方法進(jìn)行初步研究和探索。

2 我國衛(wèi)星通信網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)

《無線電規(guī)則》（2016版）和《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[3]（2018版）并沒有對衛(wèi)星通信網(wǎng)進(jìn)行定義，國際上也沒有通行的管理模式，但在我國，衛(wèi)星通信網(wǎng)是無線電業(yè)務(wù)行政許可重要事項(xiàng)，也是空間業(yè)務(wù)管理的核心元素之一。在《條例》中對于衛(wèi)星通信網(wǎng)應(yīng)用賦予了相應(yīng)地位，即“組建衛(wèi)星通信網(wǎng)需要使用衛(wèi)星無線電頻率的，除應(yīng)當(dāng)符合本條例第十五條規(guī)定的條件外，還應(yīng)當(dāng)提供擬使用的空間無線電臺、衛(wèi)星軌道位置和衛(wèi)星覆蓋范圍等信息，以及完成國內(nèi)協(xié)調(diào)并開展必要國際協(xié)調(diào)的證明材料等”。

在《建立衛(wèi)星通信網(wǎng)和設(shè)置使用地球站管理規(guī)定》（工信部令第7號，2009年）中規(guī)定“衛(wèi)星通信網(wǎng)，是指利用衛(wèi)星空間電臺進(jìn)行通信的地球站組成的通信網(wǎng)?！?/p>

在衛(wèi)星通信原理等相關(guān)學(xué)術(shù)書籍中，定義衛(wèi)星通信網(wǎng)是由一個(gè)或數(shù)個(gè)通信衛(wèi)星和指向衛(wèi)星的若干地球站組成的通信網(wǎng)絡(luò)。按照衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)域來劃分，衛(wèi)星通信網(wǎng)可分為國際衛(wèi)星通信網(wǎng)、區(qū)域衛(wèi)星通信網(wǎng)以及國內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)。國際衛(wèi)星通信網(wǎng)：利用覆蓋全球的衛(wèi)星波束為全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星通信用戶提供通信服務(wù)的通信網(wǎng)；區(qū)域衛(wèi)星通信網(wǎng)：利用覆蓋幾個(gè)國家（區(qū)域）的衛(wèi)星波束為一定地區(qū)范圍內(nèi)的衛(wèi)星通信用戶提供通信服務(wù)的通信網(wǎng)；國內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)：為特定某個(gè)國家范圍內(nèi)的衛(wèi)星通信用戶提供通信服務(wù)的通信網(wǎng)。

由于本文所研究的無線電頻率使用率評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)方法支撐的《使用率規(guī)定》屬于國內(nèi)管理性質(zhì)的規(guī)范性文件，因此本文的研究對象指的是國內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)，不涉及國際及區(qū)域衛(wèi)星通信網(wǎng)。

目前，我國已經(jīng)批復(fù)允許組建衛(wèi)星通信網(wǎng)的空間電臺有中國衛(wèi)通股份有限公司的中星10號等中星系列、亞太7號等亞太系列及中信數(shù)字媒體網(wǎng)絡(luò)有限公司衛(wèi)星通信分公司的亞洲7號等亞洲系列。

在批復(fù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)中，使用單位涉及新聞媒體、生產(chǎn)運(yùn)輸和金融證券等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。經(jīng)過實(shí)際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信網(wǎng)的使用有如下特點(diǎn)：

（1）以C 和Ku 頻段為主。有的通信網(wǎng)是C 或Ku 的單頻段，有的兩種頻段都有。對于建設(shè)時(shí)間較早的用戶，以C 頻段為主，而建設(shè)時(shí)間較晚的用戶以Ku 頻段為主。

（2）通信手段多樣化。部分衛(wèi)星通信網(wǎng)為備份通信方式或應(yīng)急通信方式，例如組建的衛(wèi)星通信網(wǎng)有的為備份網(wǎng)，有的為分時(shí)網(wǎng)，有的為業(yè)務(wù)呼叫觸發(fā)網(wǎng)等特殊應(yīng)用。

（3）承載業(yè)務(wù)廣泛。從業(yè)務(wù)角度看，目前我國應(yīng)用的有衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信網(wǎng)（如傳統(tǒng)靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)）、衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)通信網(wǎng)（利用衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)開展衛(wèi)星廣播電視應(yīng)用）和衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)通信網(wǎng)（如海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)）。

（4）使用地域分布不同。根據(jù)不同衛(wèi)星通信網(wǎng)的建設(shè)目的，有的網(wǎng)內(nèi)地球站只在某省內(nèi)分布，有的網(wǎng)內(nèi)地球站分布在有限的幾個(gè)省份內(nèi)，有的網(wǎng)內(nèi)地球站在全國范圍各省均有分布。

（5）通信帶寬差異較大。不同用戶組建衛(wèi)星通信網(wǎng)租用的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬差別很大，有的上百兆，比如廣電系統(tǒng)，有的只有幾兆甚至更小帶寬。

（6）時(shí)間占用度不高。鑒于衛(wèi)星通信網(wǎng)的組建目的大多是作為傳統(tǒng)通信手段的備份，或者作為應(yīng)急通信方式，因此僅在特殊情況下或者業(yè)務(wù)觸發(fā)時(shí)才使用，因此，監(jiān)測期間很可能存在衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備不發(fā)射載波的狀態(tài)，表現(xiàn)出來就是時(shí)間占用度不高。

3 無線電頻率使用率評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)《使用率規(guī)定》的要求，主要采用頻段占用度、年時(shí)間占用度、區(qū)域覆蓋率以及用戶承載率等指標(biāo)對空間無線電業(yè)務(wù)進(jìn)行評價(jià)。具體如表1所示。

表1 空間無線電業(yè)務(wù)評價(jià)指標(biāo)

（1）頻段占用度指實(shí)際使用頻率范圍與行政許可批準(zhǔn)的使用頻率范圍之比。

（2）年時(shí)間占用度指一年中實(shí)際使用頻率的天數(shù)（或小時(shí)）與全年天數(shù)（或小時(shí)）之比。根據(jù)實(shí)際使用情況，可采用日、月時(shí)間占用度，或結(jié)合用戶和無線電業(yè)務(wù)實(shí)際使用情況進(jìn)行評價(jià)。

（3）區(qū)域覆蓋率指取得許可的頻率開展無線電業(yè)務(wù)的實(shí)際使用地域（以平方千米為單位）與行政許可批準(zhǔn)的頻率使用地域的面積之比。

（4）用戶承載率指取得許可的頻率開展無線電業(yè)務(wù)實(shí)際承載的用戶數(shù)量與經(jīng)專家評估論證應(yīng)能承載的用戶數(shù)量之比。

對衛(wèi)星通信網(wǎng)來講，需要評價(jià)頻段占用度、區(qū)域覆蓋率和用戶承載率三個(gè)指標(biāo)。簡單做如下分析。

頻段占用度是實(shí)際使用頻率范圍與行政許可批準(zhǔn)的使用頻率范圍之比，從頻譜使用情況對衛(wèi)星通信網(wǎng)的利用效率進(jìn)行評價(jià)。對衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的頻段占用度評價(jià)的重點(diǎn)在整顆衛(wèi)星，反映的是某顆衛(wèi)星頻率使用的特點(diǎn)，考慮的修正因子比較多。而衛(wèi)星通信網(wǎng)的頻段占用度重點(diǎn)考量衛(wèi)星通信單個(gè)用戶的使用特點(diǎn)，修正因子相對較少。

區(qū)域覆蓋率是指取得許可的頻率開展無線電業(yè)務(wù)的實(shí)際使用地域與行政許可批準(zhǔn)的頻率使用地域的面積之比，可以反映衛(wèi)星通信網(wǎng)實(shí)際提供服務(wù)的地域情況特征。針對區(qū)域覆蓋率，行政許可批準(zhǔn)的頻率使用地域面積可以從衛(wèi)星通信網(wǎng)獲得的頻率使用許可證中獲取，開展無線電業(yè)務(wù)的實(shí)際使用地域跟網(wǎng)內(nèi)地球站獲得電臺執(zhí)照的情況有關(guān)?？紤]到部分衛(wèi)星通信網(wǎng)是系統(tǒng)專用的，每省份只需建設(shè)1～2座地球站即可。因此，如果衛(wèi)星通信網(wǎng)在某省份建設(shè)好一座地球站并從相關(guān)無線電管理部門處獲得該地球站的無線電臺執(zhí)照，即視為該衛(wèi)星通信網(wǎng)在該省份開展無線電業(yè)務(wù)。所有開展業(yè)務(wù)的省份即該衛(wèi)星通信網(wǎng)實(shí)際使用地域。

用戶承載率是指取得行政許可的頻率開展無線電業(yè)務(wù)實(shí)際承載的用戶數(shù)量與經(jīng)專家評估論證應(yīng)能承載的用戶數(shù)量之比。該評價(jià)指標(biāo)可反映系統(tǒng)的業(yè)務(wù)飽滿程度，對于業(yè)務(wù)飽滿度低的用戶，說明其獲得的頻率在一定程度上存在浪費(fèi)的情況，在后續(xù)的行政審批管理中，可酌情考慮降低其獲得的頻率資源，以進(jìn)一步提高整體的頻譜使用效率。這里的實(shí)際用戶數(shù)量，也是以該衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)獲得無線電臺執(zhí)照的地球站數(shù)量為準(zhǔn)。

4 評價(jià)方法研究

參照國際電信聯(lián)盟報(bào)告書《頻譜占用率測量和評估》有關(guān)內(nèi)容，從衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和分析的角度出發(fā)，提出《使用率規(guī)定》中衛(wèi)星通信網(wǎng)頻段占用度、區(qū)域覆蓋率和用戶承載率的評價(jià)方法，同時(shí)結(jié)合文中所述衛(wèi)星通信網(wǎng)應(yīng)用的特點(diǎn)，加入修正因子，以便更好地反映實(shí)際的用戶使用情況。

（1）頻段占用度的評價(jià)。根據(jù)定義，頻段占用度指實(shí)際使用頻率范圍與行政許可批準(zhǔn)的使用頻率范圍之比。咱們先來看行政許可批準(zhǔn)的使用頻率范圍這個(gè)分母。按照2017年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《無線電頻率使用許可管理辦法》，用戶要組建衛(wèi)星通信網(wǎng)開展公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)通信應(yīng)用，必須向國家無線電管理機(jī)構(gòu)申請取得無線電頻率許可證。許可證上會標(biāo)明批準(zhǔn)使用的頻率范圍，比如1525MHz-1559MHz，水平極化。

這里重點(diǎn)研究實(shí)際使用頻率范圍。它包括兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)，一個(gè)是實(shí)際監(jiān)測到的使用頻率范圍，另一個(gè)是引入備份率因素后的使用頻率范圍。對于實(shí)際監(jiān)測使用頻率范圍，一次監(jiān)測任務(wù)得到的頻段占用度為：

式中，N 為信號個(gè)數(shù)；BO為衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)測量出的每個(gè)信號的占用帶寬；B 為行政許可批準(zhǔn)使用頻率帶寬。

為了盡量反映出一年中頻段占用度的不穩(wěn)定因素，可以采取多次執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)取平均值。

式中，NY為每年對相關(guān)衛(wèi)星通信網(wǎng)頻段監(jiān)測的次數(shù)。

也可以充分考慮衛(wèi)星通信特點(diǎn)，相對應(yīng)于地面業(yè)務(wù)“忙時(shí)”的概念，取一年中多次執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)取最大值。

最大頻段占用度=Max{頻段占用度1……頻段占用度NY} （3）

式中，NY 為每年對相關(guān)衛(wèi)星通信網(wǎng)頻段監(jiān)測的次數(shù)。

考慮到有些特殊行業(yè)用戶，租用衛(wèi)星通信網(wǎng)帶寬中有一部分是作為備份的，正常通信情況下并不使用全部頻率帶寬資源。如果引入備份率因素，頻段占用度可以修正為：

式中，n 為備份率，且0＜n ≤1。假設(shè)行政審批的帶寬中有20%的帶寬需要用來作安全備份，則n=0.2。

（2）區(qū)域覆蓋率的評價(jià)。根據(jù)定義，區(qū)域覆蓋率是指取得許可的頻率開展無線電業(yè)務(wù)的實(shí)際使用地域與行政許可批準(zhǔn)的頻率使用地域的面積之比。一般地，我們假定某個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)獲得的行政許可批復(fù)的使用地域?yàn)槿珖秶瑸榱撕喕治?，我們將全國地域范圍等效?4個(gè)省級行政區(qū)（23個(gè)省、5個(gè)自治區(qū)、4個(gè)直轄市、2個(gè)特別行政區(qū)）。根據(jù)衛(wèi)星通信網(wǎng)的使用特點(diǎn)，我們可以用兩種方法評價(jià)區(qū)域覆蓋率，一是衛(wèi)星通信網(wǎng)中不含動中通地球站；二是衛(wèi)星通信網(wǎng)中包含動中通地球站。兩種模式下的區(qū)域覆蓋率評價(jià)方法各不相同。不含動中通地球站的衛(wèi)星通信網(wǎng)區(qū)域覆蓋率計(jì)算方法如下。

式中，S主為主站已建，計(jì)數(shù)為1，主站未建，計(jì)數(shù)為0；S端為省內(nèi)端站建設(shè)數(shù)量大于等于1，此省可記為覆蓋，計(jì)數(shù)為1，省內(nèi)未有端站建設(shè)，此省記為未覆蓋，計(jì)數(shù)為0（主站和端站不重復(fù)計(jì)數(shù)）；M 為所批復(fù)覆蓋省市的數(shù)量。

包含動中通衛(wèi)星通信網(wǎng)的區(qū)域覆蓋率計(jì)算方法如下。

式中，S主為主站已建，計(jì)數(shù)為1，主站未建，計(jì)數(shù)為0；S端為端站覆蓋區(qū)域省市數(shù)量（主站與端站、各端站間所覆蓋省市不重復(fù)計(jì)數(shù)）；N為端站總數(shù)；M為為所批復(fù)衛(wèi)星通信網(wǎng)覆蓋省市的數(shù)量。

（3）用戶承載率的評價(jià)。使用用戶承載率指標(biāo)評價(jià)衛(wèi)星通信網(wǎng)，能督促用戶單位為該網(wǎng)內(nèi)設(shè)置的地球站辦理無線電臺執(zhí)照。考慮到《條例》中規(guī)定單收無線電臺可以不辦理無線電臺執(zhí)照，因此可用該衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)獲得無線電臺執(zhí)照的地球站數(shù)量和用戶上報(bào)單收地球站數(shù)量之和，與用戶在申請建立衛(wèi)星通信網(wǎng)時(shí)規(guī)劃論證的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相比，即：用戶承載率=（u發(fā)+u收）/U 來考核用戶承載率。

式中，u發(fā)為衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)獲得無線電臺執(zhí)照的衛(wèi)星地球站數(shù)量；u收為衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)報(bào)備的單收衛(wèi)星地球站數(shù)量以及衛(wèi)星通信網(wǎng)建網(wǎng)單位上報(bào)的單收地球站數(shù)量之和；U 為批復(fù)的組建衛(wèi)星通信網(wǎng)技術(shù)方案中建網(wǎng)規(guī)模。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)《使用率規(guī)定》中提出的衛(wèi)星通信網(wǎng)頻段占用度、區(qū)域覆蓋率和用戶承載率等三個(gè)評價(jià)指標(biāo)，對這三個(gè)指標(biāo)的評價(jià)算法進(jìn)行了探索研究，提出了單次算法、平均值算法和最大值算法，并考慮了備份率調(diào)節(jié)因子，分動中通和非動中通衛(wèi)星通信網(wǎng)分別評價(jià)區(qū)域覆蓋率，既重視衛(wèi)星監(jiān)測實(shí)際數(shù)據(jù)，也充分考慮衛(wèi)星用戶提供的補(bǔ)充信息，從資源監(jiān)測、頻譜管理、行政許可等多維度、多角度對衛(wèi)星通信網(wǎng)無線電頻率使用率進(jìn)行了初步研究和探索。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星通信網(wǎng)的無線電頻率使用率評價(jià)是一個(gè)新課題，本文提出的各種評價(jià)算法還有待實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，并期望在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)和優(yōu)化。