天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星頻率資源可行性研究

潘 冀，劉珊杉，韓 銳

(國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037)

0 引言

近年來，我國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得跨越式發(fā)展，高速光纖已覆蓋全國所有城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及99%以上的行政村，4G網(wǎng)絡(luò)用戶超過12億[1]。但是，我國天基信息網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)之間的發(fā)展很不均衡，存在“天弱地強(qiáng)”的現(xiàn)象，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)抗毀能力、應(yīng)急通信能力以及信息安全保障等方面還不能滿足國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求，已成為制約我國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展的主要瓶頸[2]。

天基信息網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)抗擊毀能力強(qiáng)、通信受地面因素制約小等優(yōu)勢，是地面網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充。天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)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(guān)注[3]。中國宇航學(xué)會在2007年與2012年先后兩次召開學(xué)術(shù)年會，開展與航天互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究的專題研討。2013年，國內(nèi)就天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)首次召開高峰論壇，受到產(chǎn)學(xué)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(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要(草案)》，將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)列入“科技創(chuàng)新2030—重大項(xiàng)目”[4]。2020年，國家明確新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范圍，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)演化生成的基礎(chǔ)設(shè)施被納入其中[5]。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)正處于從技術(shù)研究向工程建設(shè)邁進(jìn)的關(guān)鍵時期，體系架構(gòu)日趨完善[6]，指標(biāo)要求逐步明晰[7]。與此同時，全球商業(yè)航天浪潮蓬勃興起，OneWeb、SpaceX、Telesat等公司將低軌衛(wèi)星星座建設(shè)推向新的高潮[8]，隨之帶來了衛(wèi)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(jié)構(gòu)性問題異常突出，世界各國申報儲備、開發(fā)利用衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星頻率資源可行性研究具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)在衛(wèi)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(yè)務(wù)分類、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報現(xiàn)狀以及國際協(xié)調(diào)態(tài)勢分析三方面出發(fā)，探尋頻率資源的可行邊界。

1 衛(wèi)星移動通信可用頻率資源分析

1.1 頻率劃分基礎(chǔ)

能夠匹配天地一體化系統(tǒng)衛(wèi)星移動通信能力要求的頻率資源主要集中在L頻段，根據(jù)國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)《無線電規(guī)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(yè)務(wù)的劃分情況如圖1所示。

圖1 L頻段衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)劃分/MHzFig.1 Allocation of L band mobile-satellite service

由此可見，在L頻段為衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)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(nèi)，同時也為固定、移動、衛(wèi)星氣象等業(yè)務(wù)劃分了頻率資源，衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)須在《無線電規(guī)則》框架內(nèi)與這些同樣為主要劃分的無線電業(yè)務(wù)共享頻率資源。

1.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報現(xiàn)狀

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的頻率資源須在ITU《無線電規(guī)則》的框架下，通過申報衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料獲取。根據(jù)ITU對非規(guī)劃頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料處理階段的不同，可分為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的提前公布資料(A)、協(xié)調(diào)資料(C)和通知資料(N)。其中協(xié)調(diào)資料在國際電聯(lián)的收妥日期非常重要，代表衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報的先后順序，決定了其在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)中的地位，地位落后的網(wǎng)絡(luò)在使用頻率資源時，不能對地位優(yōu)先的網(wǎng)絡(luò)造成有害干擾。通知資料則代表該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)申報的頻率資源已進(jìn)入啟用階段，待進(jìn)入頻率總表后其使用具有受國際保護(hù)的地位。

自1997年世界無線電通信大會(WRC-97)后，ITU每兩周發(fā)布一次國際頻率信息通報(BR IFIC)，公布各個國家所屬衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的狀態(tài)和協(xié)調(diào)列表，以及頻率指配等信息。通過對IFIC數(shù)據(jù)庫的梳理與分析，截止2020年2月[11]，當(dāng)前各國在L頻段衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報狀態(tài)如圖2所示。

圖2 L頻段衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報情況Fig.2 Application status of satellite network filings in L band mobile-satellite service

在GSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報數(shù)量看，我國在L頻段共申報56份網(wǎng)絡(luò)資料，排在22個國家的第2位，僅次于阿聯(lián)酋的58份。從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報階段看，英國與俄羅斯處于領(lǐng)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，我國共申報19份衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料，比第2名法國的數(shù)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(wǎng)絡(luò)資料目前均處于C資料階段，尚未有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入N資料階段。

1.3 國際協(xié)調(diào)態(tài)勢分析

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(xié)調(diào)地位，而細(xì)分的頻率申報區(qū)間在所有申報資料中的占比則體現(xiàn)了各頻率區(qū)間受關(guān)注程度，在一定程度上反映出其協(xié)調(diào)難度。通過對以上兩類信息的統(tǒng)計分析，能夠?qū)罄m(xù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料在該頻段的協(xié)調(diào)態(tài)勢進(jìn)行初步判斷。

表1分析了主要頻率區(qū)間組在當(dāng)前已申報資料中的占比和對應(yīng)資料的申報階段。如果該頻率區(qū)間已有N資料申報，則統(tǒng)計具有頻率組最多的國家；如果該頻率區(qū)間僅有C資料申報，則統(tǒng)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(qū)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(xié)調(diào)地位看，GSO網(wǎng)絡(luò)在所有頻率區(qū)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(shù)量，而NGSO網(wǎng)絡(luò)方面則是法國占據(jù)協(xié)調(diào)優(yōu)勢地位，在暫無N階段資料的頻率組都有協(xié)調(diào)地位最優(yōu)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(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)1/3以上的申報量。

從業(yè)務(wù)共用及系統(tǒng)規(guī)劃使用情況看，除衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)外，L頻段還有固定業(yè)務(wù)、移動業(yè)務(wù)、氣象輔助業(yè)務(wù)、衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)、空間研究等多個業(yè)務(wù)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(shí)際在軌運(yùn)行的系統(tǒng)，需要開展多邊協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)風(fēng)險很高。在1 518～1 525 MHz和1 668～1 675 MHz頻段，目前暫未有實(shí)際系統(tǒng)部署，但是在1 518～1 525 MHz頻段，衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)系統(tǒng)在多個國家內(nèi)的協(xié)調(diào)地位低于地面業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而在1 668～1 675 MHz頻段，我國部署了大量無線電探空儀，衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)與氣象輔助業(yè)務(wù)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(jīng)有數(shù)個成熟的GSO和NGSO衛(wèi)星移動系統(tǒng)在軌運(yùn)行多年，我國在該頻段不論是協(xié)調(diào)難度還是使用難度都相當(dāng)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(shí)際系統(tǒng)部署，但也需盡早開展與地面業(yè)務(wù)和氣象輔助業(yè)務(wù)的系統(tǒng)間共用研究。

2 衛(wèi)星寬帶接入可用頻率資源分析

2.1 頻率劃分基礎(chǔ)

能夠匹配天地一體化衛(wèi)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(wèi)星器件、天線技術(shù)及市場成熟度等多方面的不斷提高，Ka寬帶衛(wèi)星迎來了高速發(fā)展。在資料申報方面，僅N資料就有30個國家申報了308份衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料，C資料數(shù)量則更是高達(dá)上千份。在系統(tǒng)規(guī)劃使用方面，GSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已基本布滿地球同步靜止軌道，有些網(wǎng)絡(luò)資料甚至處于共軌狀態(tài)；具有上千顆衛(wèi)星組網(wǎng)計劃的NGSO網(wǎng)絡(luò)共有5份，衛(wèi)星總數(shù)更是突破萬顆。關(guān)于Ka頻段頻率資源的使用態(tài)勢已有較多探討[13-16]，后續(xù)申報的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)共存的干擾規(guī)避技術(shù)。

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

圖3 Q/V頻段衛(wèi)星固定與衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)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(wèi)星固定業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)的新劃分，暫未有網(wǎng)絡(luò)資料公布，因此以下針對網(wǎng)絡(luò)資料的統(tǒng)計分析到51.4 GHz為止。劃分給衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的頻率資源共有4.5 GHz，其中1 GHz明確劃分給下行。

2.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報現(xiàn)狀

Q/V頻段目前在射頻器件、天線技術(shù)和抗雨衰方面還不成熟，仍需進(jìn)一步的技術(shù)攻關(guān)與資金投入[17]，相關(guān)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料大多處于C資料階段，具體申報狀態(tài)如圖4所示。

圖4 Q/V頻段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報情況Fig.4 Application status of satellite network filings in Q/V band

在GSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，共有43個國家申報了1 010份網(wǎng)絡(luò)資料，為方便展示，圖4(a)按照C資料申報數(shù)量大于10或已申報N資料的國家進(jìn)行篩選。從網(wǎng)絡(luò)資料申報數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)關(guān)于衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)與衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)按照提前申報-通知(A-N)程序申報資料。我國申報了9份衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(xié)調(diào)態(tài)勢分析

表2針對GSO網(wǎng)絡(luò)主要統(tǒng)計頻率區(qū)間組在C，N階段網(wǎng)絡(luò)資料的收妥時間或申報組數(shù)，針對NGSO網(wǎng)絡(luò)則梳理主要頻率區(qū)間在N階段網(wǎng)絡(luò)資料的申報組數(shù)。

表2 Q/V頻段各組頻率區(qū)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(xié)調(diào)地位看，NGSO網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)則是俄羅斯在N資料申報數(shù)量上占據(jù)領(lǐng)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(yè)務(wù)共用及系統(tǒng)規(guī)劃使用情況看，根據(jù)WRC-19的結(jié)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(tǒng)的發(fā)展[18]，因此未來在Q/V頻段部署衛(wèi)星系統(tǒng)需考慮與地面5G系統(tǒng)的兼容共存。此外，在Q/V頻段的上下兩端都有衛(wèi)星地球探測(無源)業(yè)務(wù)的劃分，應(yīng)當(dāng)注意對星基無源傳感器的保護(hù)。

總體上看，Q/V頻段還處于儲備及試驗(yàn)階段，N資料相對較少，C資料相對較多。多數(shù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)還是選擇能夠支撐連續(xù)大帶寬的37.5～42.5 GHz/ 47.2～50.2 GHz進(jìn)行申報。需要注意的是，根據(jù)WRC-19最新規(guī)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)申報衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)需按C-N程序進(jìn)行申報，已申報的NGSO衛(wèi)星網(wǎng)A資料應(yīng)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(zhǔn))投入使用，否則國際電聯(lián)將對資料予以刪除。

3 衛(wèi)星中繼傳輸可用頻率資源分析

3.1 頻率劃分基礎(chǔ)

能夠匹配天地一體化系統(tǒng)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(yè)務(wù)的劃分情況如圖5所示。

圖5 Ka頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)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(wèi)星間業(yè)務(wù)劃分的頻率范圍內(nèi)，同時也存在無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星固定、衛(wèi)星地球探測、空間研究、固定和移動等業(yè)務(wù)。

3.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報現(xiàn)狀

在上述為衛(wèi)星中繼傳輸劃分的業(yè)務(wù)頻段，根據(jù)ITU對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的申報規(guī)則，傳輸鏈路中收發(fā)雙方都為GSO衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)資料在申報時遵循C-N程序，收發(fā)鏈路中存在NGSO的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料在申報時遵循A-N程序,如圖6所示。

圖6 Ka頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報情況Fig.6 Application status of satellite network filings in Ka band inter-satellite service

在GSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，我國目前已申報33份C階段網(wǎng)絡(luò)資料，在數(shù)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方面，我國在各階段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的數(shù)量都為最多，其中有3份網(wǎng)絡(luò)處于N資料階段，12份網(wǎng)絡(luò)處于A資料階段。

3.3 國際協(xié)調(diào)態(tài)勢分析

由于NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在申報資料時遵循A-N程序，網(wǎng)絡(luò)間并不存在規(guī)則意義上的協(xié)調(diào)地位優(yōu)先級，因此表3針對GSO網(wǎng)絡(luò)主要統(tǒng)計頻率區(qū)間組在C,N階段網(wǎng)絡(luò)資料的收妥時間或申報組數(shù)，針對NGSO網(wǎng)絡(luò)則梳理主要頻率區(qū)間在N階段網(wǎng)絡(luò)資料的申報組數(shù)。

表3 Ka頻段各組頻率區(qū)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(wǎng)絡(luò)各頻率組的協(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)多使用22.55～23.55 GHz頻段，而NGSO網(wǎng)絡(luò)在25.25～27.5 GHz頻段占比最高。

從業(yè)務(wù)共用及系統(tǒng)規(guī)劃使用情況看，WRC-19為地面5G系統(tǒng)劃分了全球協(xié)調(diào)一致的24.25～27.5 GHz頻段，與衛(wèi)星間業(yè)務(wù)部分重頻，需評估5G系統(tǒng)在大規(guī)模部署條件下對衛(wèi)星間業(yè)務(wù)接收方向上的影響。我國目前有多個衛(wèi)星系統(tǒng)使用了Ka頻段衛(wèi)星間業(yè)務(wù)，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(xù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在此類頻段的協(xié)調(diào)更多來自于國內(nèi)。

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(xù)申報資料的協(xié)調(diào)量也最小。但需要注意的是根據(jù)《無線電規(guī)則》，在25.25～27.5 GHz頻段，使用衛(wèi)星間業(yè)務(wù)僅限于空間研究和衛(wèi)星地球探測的應(yīng)用，衛(wèi)星固定或衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)的應(yīng)用不可使用該頻段開展衛(wèi)星間業(yè)務(wù)。

4 結(jié)束語

本文針對能夠匹配天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)在衛(wèi)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(diǎn)從頻率劃分、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料申報現(xiàn)狀以及國際協(xié)調(diào)態(tài)勢三個維度入手，針對每種業(yè)務(wù)不同頻率組的申報占比情況，對頻率資源獲取的可行性進(jìn)行分析。相關(guān)結(jié)論可為提高天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星頻率資源的可行性提供參考，進(jìn)一步研究可從國際電聯(lián)《無線電規(guī)則》與議題研究、衛(wèi)星星座系統(tǒng)頻率投入使用的“里程碑”方法、星座系統(tǒng)頻率設(shè)計、無線電業(yè)務(wù)間的頻率共用等與頻率資源使用密切相關(guān)的方面展開。