S頻段RDSS業務全球擴展分析

溫日紅,劉志儉,葛 俠,趙曉東,張春海

(北京環球信息中心,北京 100094)

1 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)[1]應用的不斷擴展,顯示出了其巨大的軍事、經濟價值和社會效益,成為國家基礎設施不可或缺的一部分。鑒于衛星導航系統的重要性,世界各主要大國和國家聯合體均不斷地完善自身的全球導航系統或建設全新的衛星導航系統,例如美國和俄羅斯分別對自身已有GPS系統和GLONASS系統進行現代化以提高服務精度和可用性,歐盟的GALILEO系統和我國的COMPASS系統均在緊張的建設過程中,印度正在計劃建立自己的衛星導航系統IRNSS,從而使得分配給RNSS業務的頻率范圍擁擠不堪,系統間的互擾日益嚴重,因此有必要尋求新的頻率范圍分配給RNSS,以解決頻率資源稀缺的矛盾。

2 S頻段RDSS業務全球擴展可行性分析

隨著天線技術的不斷進步,使得S頻段中衛星無線電測定服務(Radio Determination Satellite Service,RDSS)(空對地方向)使用的2 483.5～2 500MHz頻率范圍與地面移動通信服務2.5 G以上的頻率范圍實現天線共用成為可能。與其它RNSS頻率范圍相比,該頻段更易于與移動通信系統實現硬件復用,降低硬件實現復雜度,有利于移動通信和導航定位服務的融合,使得該頻段受到衛星導航業務的青睞。但是,根據ITU的區域和頻率劃分,在區域二RDSS是2 483.5～2 500 MHz頻段的首要業務,而在區域一和和區域三(除腳注5.400外的國家)是次要業務,其使用必須服從ITU規則No.9.21,并完成與其它使用該頻段的首要業務的協調,因而該頻段還不能作為一個提供全球RNSS/RDSS服務的頻段。

根據歐洲伽利略系統的需求,在歐盟的支持下由歐洲郵電管理委員會(CEPT)在WRC-07[2]上為WRC-12提出了1.18議題,即考慮擴大2 483.5～2 500 MHz頻段現有主要和次要衛星無線電測定業務(空對地)的頻率劃分,以實現全球主要業務劃分,其主要目的是為下一代伽利略設計新的導航信號鋪平道路;ITU-R的4C工作組(WP4C)負責該議題的研究。

在之前的WRC及相關會議上,各國均對S頻段RDSS業務的全球擴展表明了態度。美國表示不反對2 483.5～2 500 MHz的RDSS的全球擴展,前提條件是必須對美國的全球星系統給予充分的保護,同時要求不能將RDSS業務作為生命安全服務;歐盟則為GALILEO系統尋求新的導航頻率積極推進1.18議題;俄羅斯指出全球劃分的前提是與此頻段其它現有業務完全兼容,并提出保護其在區域一屬于次要業務的無線電定位服務;在2009年6月舉行的APG-2會議上,亞太地區達成了初步共識,即在ITU-R通過研究確認對現有主要業務保護的前提下,支持全球劃分。

在2009年9月舉行的第四次WP4C會議上,研究表明:假設RDSS系統衛星EIRP為37.3 dBW時,RDSS將會對MSS(Mobile Satellite Service)產生影響,但是可以通過放寬MSS下行鏈路約束3 dB以克服RDSS對MSS的干擾。RDSS與 SAP/SAB(Services Ancillary to Programme-making/Services Ancillary to Broadcasting)業務間的共用研究表明,為了保護移動或固定業務,提出了對于使用2 483.5～2 500 MHz頻段的同極化的單顆RDSS衛星,其最大功率通量密度不得超過-134 dBW/m2/MHz,即每顆衛星RDSS的GSO衛星的EIRP不得超過40.2 dBW。

總的來說,在解決兼容性的前提下,S頻段RDSS業務的全球擴展勢在必行。

3 我國S頻段RDSS業務全球擴展研究必要性及內容

3.1 必要性

頻率資源是一種不可再生資源,特別是在衛星導航領域,各國出于國家安全的考慮,授權信號的設計往往獨占頻譜,先使用者往往阻止后來者使用相同的頻譜,或者迫使后來者接受苛刻的條件,從而導致后來者在性能上的下降。在我國全球衛星導航系統COMPASS以及歐盟GALILEO系統的建設上就存在類似的問題。由于起步較晚,大部分的頻率被美國和俄羅斯占用,導致信號設計存在相當大的困難。目前,歐盟和印度均對2 483.5～2 500 MHz頻段提出了衛星導航的使用需求,并向國際無線電聯提出了申報。

我國在S頻段2 483.5～2 500 MHz頻率范圍的應用存在事實上的領先,我國“北斗”衛星導航系統已經在該頻段實現了區域的RDSS衛星定位和短報文通信服務,并于2000年投入應用。但是在該頻段的全球擴展方面還沒有進行研究,屬于空白領域。在S頻段的全球擴展上,各國處在同一起跑線上。在我國大力加強自主衛星導航系統而傳統導航頻段十分擁擠的形勢下,我們有必要加強對S頻段用于全球衛星導航系統相關技術的預先研究,全面分析2 483.5～2 500MHz頻段全球 RDSS主要業務擴展對我國衛星導航系統建設的利與弊,在充分保護現有RDSS服務的基礎上,研究該頻段在我國全球衛星導航系統建設中的使用方法;完成與使用該頻段和鄰近頻段業務/系統的干擾分析并制定相關的保護標準;在以上研究的基礎上,對該頻段的導航信號傳輸體制設計進行初步設計,確定信號特性,作為頻率和軌位申報的基礎,將我們區域事實優勢轉換為全球的頻率使用優勢,為我國導航衛星系統的建設儲備資源。

3.2 研究內容

3.2.1 兼容性分析方法

實現S頻段RDSS業務的全球擴展,首先必須完成RDSS業務與其它同頻段業務之間的兼容性分析。所謂兼容性是指同頻段或臨近頻段內,一種業務的存在不會導致另外一種業務性能不可接受的下降。如何判斷不同服務是否兼容,需要根據不同的業務類型,研究干擾評估方法,并根據干擾計算結果和C/N的裕量,設定合理的保護標準,以保證雙方業務的正常使用。研究可以從3個方面進行:

(1)確認已有的和新的潛在使用該頻段RDSS系統的技術特性;

(2)確認使用該頻段的其它業務的技術特性;

(3)適當地進行RDSS與其它業務的公用研究。

基于已有的頻率分配,根據ITU-RR Article 5的相關內容,2 483.5～2 500MHz頻段主要用于固定(fixed)、移動(mobile)、移動衛星(mobile-satellite)、無線電探測(radiolocation)和無線電測定衛星服務等業務,典型的系統包括美國的GLOBLE STAR、日本的VICS等。

根據業務分配,S頻段RDSS業務的全球擴展需要完成的兼容性分析主要包括以下若干種類型,參見表1。表2給出了該頻段部分業務用于兼容性計算的發射特性參數。

表1 兼容性分析類型Table 1 Scenarios to be studied

表2 2 483.5～2 500 MHz頻段部分業務特性參數Table 2 Summary of characteristics of services and applications utilizing the 2 483.5～2 500MHz band

3.2.2 信號發射和鏈路傳輸特性

作為向ITU進行頻率申報資料的一部分,S頻段RDSS信號發射特性和鏈路傳輸特性必不可少。信號發射特性主要包括信號發射帶寬、發射功率、帶外抑制、極化方式等,鏈路傳輸特性主要包括自由損耗、大氣損耗等,這些特性直接決定了與其它服務的兼容性。

通過兼容性分析,可以獲取S頻段RDSS業務與其它業務之間的干擾保護門限;基于保護門限和衛星鏈路分析,確定滿足保護門限要求的RDSS全球業務的信號發射特性邊界條件,建立發射帶寬、發射功率、帶外抑制之間的相互約束關系。

3.2.3 “北斗”RDSS業務保護標準

“北斗”系統已經建成10余年,期間與周邊國家也進行過多次頻率協調談判,解決了一些系統之間的相互干擾問題。但由于S頻段全球擴展帶來的干擾是一個新的技術問題,首先需要考慮的是如何維持我國現有系統的優先地位,使得“北斗”系統的RDSS業務不受由于其它衛星導航系統使用該頻段而帶來的有害干擾。

確定“北斗”RDSS業務的干擾保護標準是一個非常復雜的技術問題,需要對“北斗”系統接收機各個處理環節的損耗和失真進行建模仿真,并分析不同類型干擾對信號捕獲、跟蹤、解調和測距的影響,最終通過定義最低系統性能保證,確定系統需要的保護標準。

3.2.4 “北斗”全球系統使用S頻段關鍵技術

由于美、歐等對頻率資源的爭奪和獨占,“北斗”全球系統信號體制設計面臨非常嚴峻的國際形勢,現狀是“如果不和GPS或GALILEO的授權信號存在頻譜重疊,“北斗”全球系統將面臨無頻率可用的尷尬局面”。在傳統L頻段的資源爭奪之中,我國“北斗”系統處于非常被動的局面;而S頻段由于“北斗”現有系統的存在,我國在該頻段資源的爭奪之中具有明顯優勢,因此如何利用既有優勢,充分研究國際規則,盡早進行全球系統S頻段信號體制設計,將優勢轉化為“北斗”全球系統的獨占資源是目前非常迫切的任務。歐盟GALILEO系統和印度IRNSS系統均已完成該頻段的信號體制設計,信號體制設計涉及頻點選擇、服務類型確定、調制方式、擴頻碼設計等多個方面,“北斗”全球系統S頻段的信號體制設計在國內還是空白,無相關的研究成果可供借鑒。

從傳統意義上來說,RDSS服務的分類主要包括開放服務、授權服務以及生命安全服務等,具體服務類型的定義需要從可能的應用前景和用戶分布進行分析;調制方式主要包括 BPSK、QPSK、BOC、MBOC[3]等多種類型,調制類型決定了頻譜的使用范圍;擴頻碼速率的高低從一定程度上決定了測距精度的高低;信息速率的高低決定了信息容量的大小,同時從一定程度上決定了處理增益的大小,在擴頻碼速率一定的條件下,信息速率越高,擴頻增益越低;糾錯方式主要包括 BCH、Turbo、卷積、LDPC 等方式,不同的設計可以獲取不同的糾錯能力和糾錯效率。

為了對所設計的信號體制進行驗證,必須研制中頻的軟件信號源和軟件接收機。中頻軟件信號源用于按照設計的信號體制生成中頻采樣后的RDSS/RNSS信號;中頻軟件接收機用于接收仿真的中頻RDSS/RNSS信號,完成捕獲、跟蹤、解調等過程,對信號體制的性能進行評估。

4 結束語

在得到世界主要國家和地區支持以及解決兼容性問題的前提下,S頻段RDSS業務的全球擴展是世界各國對衛星導航頻率資源匱乏問題的一種有效解決途徑。同時,由于其與2.5G移動通信業務頻率相近,使得S頻段RDSS頻率范圍相對L頻段衛星導航頻率范圍相比,具備了先天的融合優勢,因此得到了廣泛的重視,歐盟和印度均對該頻段的使用展開了研究。

為確保我國對S頻段RDSS頻率范圍的使用優勢,建議展開相關的研究工作,確定兼容性分析方法和保護標準,完成我國RDSS業務全球擴展的關鍵技術研究,為頻率和軌位申報奠定基礎。

[1] 譚述森.衛星導航定位工程[M].北京:國防工業出版社,2007.TAN Shu-sen.Satellite Navigation Engineering[M].Beijing:National Defense Industring Press,2007.(in Chinese)

[2] Working document towards draft CPM text on WRC-11 agenda item 1.18[Z].[S.l.]:ITU Study Groups,2007.

[3] Rodriguez J,Wallner S,Hein G,et al.MBOC:The new Optimized Spreading Modulation Recommended for Galileo L1 OS andGPS L1C[C]//Proceedings of 2006 IEEE/ION Position,Location,and Navigation Symposium.San Diego,CA:IEEE,2006:883-892.