Ka頻段寬帶衛星之路有多寬

李輝 （北京羽尋科技有限公司）

Ka頻段寬帶衛星之路有多寬

The Future of Ka-Band Broadband Satellites

李輝 （北京羽尋科技有限公司）

最近幾年衛星寬帶已成為空間業務領域出現頻度極高的主題詞，似乎預示著通信衛星新的市場增長和發展機遇已經到來。作為頻率研究的專業人員，在熱切關注寬帶通信衛星發展的同時，也希望針對當前備受關注的Ka頻段寬帶通信衛星用頻的熱點問題進行討論，旨在為相關業界同行提供參考。

這里討論的Ka寬帶通信衛星頻段指常規通信衛星使用的20GHz/30GHz頻段，具體為27.5～31GHz（地對空方向）、17.7～21.2GHz（空對地方向）。相較于典型的傳統Ku頻段1GHz左右的帶寬，Ka通信頻段總帶寬達7GHz之多（此處指全球統一劃分，個別區域劃分情況另外討論），結合當前已趨于成熟的多點波束頻率復用技術，使得Ka頻段衛星可以在保持甚至提高功率的前提下提供幾十、上百吉赫茲的帶寬容量，是名副其實的寬帶接入，這也是大多數業內人士看好衛星Ka頻段寬帶接入業務的根本原因。

然而，就每個具體的通信衛星操作者而言，從Ka頻段通信衛星頻率資源利用的角度，包括合法性、可行性和頻率協調不確定性等方面，真的可以在這7GHz頻段中放心、隨心地使用嗎？

1 空間業務與地面業務的頻率爭奪

2016年7月，美國公布了5G網絡頻率方案，其中通信衛星重點使用的28GHz頻段赫然在列，這一事件在通信衛星運營商和地面電信業務運營商中，猶如一根越燒越旺的導火索，成為空間業務和地面競爭頻譜資源的又一焦點。

又是美國

2016年7月14日，美國聯邦通信委員會（FCC）舉行月度會議，各委員就5G網絡的部署統一分配無線電頻率資源問題進行表決后正式公布了毫米波頻段的分配方案，使美國成為全世界第一個為5G分配頻譜資源的國家。其公布的分配頻段帶寬共10.85GHz，其中授權許可頻段3.85GHz，免授權頻段7 G H z。授權頻段分別是28 GHz（27.5～28.35GHz）、37GHz（37～38.6GHz）和39GHz（38.6～40GHz）頻段，免授權頻段是64～71GHz。

美國聯邦通信委員會主席維勒在此前出席美國國會眾議院的一個聽證會時表示，針對5G網絡分配頻率資源會讓美國、本土制造商、企業家和創新人員獲得主場優勢，并稱7月16日做出的決定是美國聯邦通信委員會今年以來所做的最重要決定。

據悉，此次分配的頻譜過去不能支持移動設備通信，但是通信技術進步使得這些頻譜變得更有價值。與低頻頻段相比，這些高頻頻段的空間多出了4倍，能夠更快速傳輸數據。美國目前有多家移動運營商正在爭取獲得5G網絡的運營牌照，美國電話電報公司（AT＆T）、威瑞森無線公司（Verizon）等已經開始進行5G網絡的測試。在全球市場，一些國家的運營商也已經進行前期試驗和測試。

剛剛打響的戰斗

在2015年11月底結束的世界無線電通信大會（WRC）上，在討論未來大會議程過程中，空間業務（衛星）與地面業務[國際移動通信系統（IMT）5G]之間就28GHz頻率是否用于國際移動通信系統候選頻段問題的矛盾就已呈現。韓國和美國一直強烈支持28GHz頻段，并在WRC－15大會上表明，他們將繼續研究28GHz用于5G。但是，在眾多傳統通信衛星運營商的強烈反對下，該頻段未能包括在下屆大會的討論議題中（即WRC－19議題1.13，研究在24.25～86GHz頻率范圍內共11個候選頻段，為國際移動通信系統的未來發展確定頻段的可能性）。

WRC－15大會的這一結果讓很多希望推動5G發展的國家的地面運營商對國際電信聯盟（ITU）的工作非常失望，并且頗有指責。移動通信行業內人士對被確定用于國際移動通信系統的頻譜數量表示不滿，并質疑國際電信聯盟對技術快速變革的反應力不足。美國聯邦通信委員會委員米歇爾甚至寫了一篇文章，藉此表達他對2015年世界無線電通信大會會議結果的不滿，“這讓我開始思考WRC－15所發生的事，其帶來的實際效果，及其后續對國際電信聯盟這個角色的影響。這些慣例很可能會破壞世界無線電通信大會未來的價值，并且讓國際電信聯盟更可能淪為受制于政府與現有頻譜用戶控制的工具，從而阻礙了頻譜效率與技術進展。”

從第三方角度看來，國際電信聯盟所受到的這些指責有相當大一部分是替各國主管部門承擔的，國際電信聯盟作為協調政府間電信事務的國際組織，從內容到形式都只是反映各成員國的立場。因此，如果WRC－19新議題未能如地面電信運營商所愿將更多的頻率資源納入研究范圍，也是大部分成員國主管部門在謹慎平衡各自國內的衛星與地面業務的發展需要和利益訴求后作出的共同選擇。

因此，可以說地面5G網絡與空間業務衛星系統在Ka頻段頻率的競爭才剛剛開始，在未來一個研究周期內必將愈演愈烈。

Ka頻段究竟屬于誰

對于很多通信衛星運營商而言，Ka頻段（此處僅討論28GHz）于1976年劃分給衛星固定業務以來，似乎就是衛星領域獨占的。不得不說，這種認知在5G的概念出現之前確實從未受到過質疑；從實際應用角度看，很多國家早在21世紀初就發射運營包含Ka頻段載荷的通信衛星，目前能夠查詢到的在國際電信聯盟登記的Ka頻段網絡資料可以追溯到20世紀80年代。2010年以來，隨著Ka頻段衛星器件、單機和多波束天線等技術水平的提高和市場需求的逐漸清晰，Ka頻段高吞吐量衛星（HTS）正在迎來高速發展的春天。

但是，不可否認的是，Ka頻段在劃分給衛星固定業務以前，就已經劃分給地面固定、移動業務了，并且在劃分給衛星固定業務以后，地面業務作為主要業務劃分仍舊保留在頻率劃分表中，即在這個頻段上幾十年來始終是空間、地面業務頻率共用的。當然，與衛星業務在該頻段經歷的漫長的發展、成熟過程不同，地面國際移動通信系統的發展太快了。中國3G牌照正式運營于2009年初，到2013年底發放4G牌照僅用了5年時間；工信部明確表示，將于2016年開始開展5G技術試驗和商用牌照發放的前期研究，積極參與國際標準制訂；國際方面，歐盟于2013年2月宣布，將撥款5000萬歐元用于加快5G移動技術的發展，計劃到2020年推出成熟的標準；而日本公用電報電話公司（NTT DoCoMo）2013年10月表示，考慮在2020年東京奧運會前商用5G。業務迅猛發展也意味著對頻譜資源的迫切需求。如今，Ka甚至更高頻段用于移動系統早已不是天方夜譚了。

空間業務與地面業務在頻率資源上的競爭由來已久，從當年衛星固定業務的3.5GHz擴展C頻段，到衛星移動業務在國際移動通信系統衛星部分的S頻段，再到WRC－15上衛星廣播（數字聲音）業務的L頻段，衛星業務領域始終處于被動防守的狀態，現在連衛星系統即將展開大規模應用的Ka頻段也難逃被卷入競爭的局面。

空間業務和地面業務在Ka頻段頻率資源的競爭是不可避免的。地面電信運營商希望推動國際移動通信系統發展，需要為5G尋求全球統一的、有足夠帶寬的頻譜資源；而通信衛星運營商正面臨傳統業務向高吞吐量寬帶接入業務的全面演進的歷史機遇，Ka頻段資源不可或缺。空間業務與地面業務系統間看似在爭奪頻率，用來發展各自的系統，其爭奪本質其實是“寬帶接入市場”。可以說，這是一場勢均力敵的競爭,無論結果如何，Ka頻段可以是高吞吐量衛星的Ka頻段，也可以是國際移動通信系統 5G的Ka頻段，但最終都將是服務于“寬帶接入”市場的Ka頻段。

未來即將來臨

即使在現行國際規則框架下，頻率資源也不會天然獲得。衛星通信業務與地面電信業務運營商的這場競爭最早有可能揭曉的時間是2020年前后。伴隨著2019年世界無線電通信大會的召開，國際移動通信系統寬帶頻率方案一旦確定，5G網絡商業運行將成為可能。但是，這中間的道路卻必定不可能一帆風順。

誠然，基于當前的《無線電規則》,在28GHz頻段，移動業務作為主要業務劃分已經存在了很多年。同時，各國可以在國際規則框架下根據自己國家的實際情況和需要制定自己的頻率劃分并進行具體業務系統的頻率規劃。因此，美國聯邦通信委員會此次為5G進行頻率分配，從頻率管理的法理上擁有毋庸置疑的效力，但考慮到國際移動通信系統需要全球統一的頻率資源，在國際電信聯盟研究體系內未能取得一致的情況下，美國此舉還是需要承擔一定的風險的。

對此，美國聯邦通信委員會在7月16日做出的決定，充分闡釋了美國政府推動5G產業的決心。美國聯邦通信委員會委員杰西卡于2016年2月在華盛頓的一場演講中提到：“當我們把眼光放遠，就會發現有些地方是美國必須獨自前往的。其中包含了28GHz頻帶……只不過，去年在日內瓦舉辦的世界無線電通信大會上并沒有把這個頻帶納入討論，也未將它列在5G頻譜研究列表中。然而，由于這個頻帶可分配至全球的移動應用，所以我認為美國應該繼續探索這個新頻譜。韓國與日本都已經著手測試這個頻帶，我們現在也不能停下腳步。我們必須獨自向前，并在年底前完成適用于28GHz頻帶的架構。”

同時，其他國家的地面運營商也紛紛采取了自己的對策。中國華為公司在表示支持美國和韓國在WRC－19之前開展5G研發的同時也提出：“從產業發展角度看，美國和韓國通過自下而上的方式推動28GHz用于國際移動通信系統技術是合理的，但這種策略由于存在不確定性，市場成本可能會很高。”因此，華為公司希望在24～27GHz頻段發展5G，這樣相對容易擴展至28GHz。Orange頻譜戰略董事史蒂夫也表示：“只有美國和韓國支持28GHz是不夠的，我們需要像中國或印度這樣更大的市場，以確保整個產業生態系統的規模化發展，這對歐洲各國做出決策非常關鍵。” 愛立信公司則認為：“國際電信聯盟的工作對于統一全球移動業務頻率來說，仍然是必不可少的。但由于來自衛星產業的競爭，使移動通信產業界需要在國際電信聯盟之外推動。我們確實希望在國際電信聯盟的框架內開展工作，但這其中牽扯的是兩種不同利益。有時候，衛星產業是從更高的社會層面和需求提出自己的反對意見，但是，移動通信和衛星兩個產業之間的矛盾是不同社會層面的利益沖突，迫切需要以一種公平的方式平衡二者之間對于頻譜的競爭。”

以全球、寬帶為標志的5G即將到來。美國已走出第一步，旗幟鮮明的頻率資源分配方案實施在即，后續各國地面移動運營商的跟進已經沒有懸念；而通信衛星運營商又會作出何種反應呢？是盡量延續地面5G在本國的推進，大規模建設Ka衛星項目并重點占用相關頻段？還是在衛星系統設計中避開使用低端頻率，減小未來從該頻率遷離現有業務可能帶來的巨大風險？或者是與地面運營商一起研究天地一體化通信系統的可行性？更為嚴峻的是，如果28GHz應用于國際移動通信系統一旦證明是可行的，那么是否意味著整個Ka頻段在技術上用于國際移動通信系統的可行性呢？空間業務運營商又將何去何從？

2 非地球同步軌道星座與地球同步軌道衛星的矛盾

通信衛星系統按軌道可以分為地球同步軌道（GSO）和非地球同步軌道（NGSO）系統，公眾所熟知的地球靜止軌道通信衛星按《無線電規則》中相關定義都屬于地球同步軌道系統（軌道傾角在15°以內的同步軌道衛星），而當前討論非常熱烈的“另外三十億人”（O3b）、“一網”（OneWeb）等星座項目則屬于典型的非地球同步軌道系統。由于歷史原因，1997年之前，使用地球靜止軌道衛星系統是通信衛星領域的絕對主流，相應通信頻段的劃分、管理和申報、協調程序也是結合有限的地球靜止軌道頻率資源特點制定實施的。

規則基礎

伴隨著20世紀90年代的第一輪星座熱潮，通過非地球同步軌道系統開展星座通信的想法和項目紛紛涌現，從頻率資源管理規則和應用技術方面提出了迫切需求，國際電聯從1995年世界無線電通信大會開始就《無線電規則》中引入適用于非地球同步軌道系統開展衛星固定業務（FSS）、衛星移動業務（MSS）的內容進行系統、深入的研究。

大會決議中明確提出：“需要在地球同步軌道的衛星固定業務系統和非地球同步軌道的衛星固定業務系統間以及地球同步軌道與非地球同步軌道的衛星固定業務系統間競爭的基礎上”，通過頻率共用實現相應業務。基于此，WRC－97對《無線電規則》進行修訂，引入了著名的22.2條款（RR1998版本中的條款號為S22.2），即非地球同步軌道衛星系統使用衛星固定業務、衛星廣播業務（BSS）劃分頻段時不得對使用地球同步軌道的衛星固定業務、衛星廣播業務衛星系統造成不可接受的干擾，并不得要求其保護，同時做出新的劃分，規定非同步軌道的衛星固定業務系統使用18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz頻段，對1995年11月18日之后投入使用（報送通知資料）的同步軌道的衛星固定業務系統衛星不再提供保護，而是按無線電規則第9.11A條款進行協調（即所謂的先登先占），即上述22.2條款不適用。

上述頻率劃分和條款意味著，在C、Ku、K a等劃分給衛星固定業務的頻率資源中（也是公眾所熟知的迄今為止絕大多數地球靜止軌道通信衛星系統所使用的所有頻段），除18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz頻段外的頻段，當用于非地球同步軌道衛星系統時，地位始終低于地球同步軌道衛星系統，無論資料申報時間早晚，包括未來不斷申報的地球同步軌道衛星系統網絡；而在18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz這500MHz頻段中，非地球同步軌道系統與地球同步軌道系統公平競爭，頻率共用。

此后20年來從未中斷過的非地球同步軌道通信星座系統夢想得以前仆后繼，正是基于當年奠定的這一規則基礎。當然，如今的第二次星座浪潮中的衛星系統的技術特性已開始超越上述規則的范圍了，這似乎也在預示規則的滯后和新規則的建立。

技術基礎

上述條款生效近20年來從未像今天這樣備受關注，由于傳統地球同步軌道衛星系統間的頻率兼容模式相對成熟而固化，無非是分頻、極化復用、軌道位置間隔乃至覆蓋區域隔離等措施的配合使用，但新一輪軌道革命引發的非地球同步軌道通信星座熱潮徹底打破了這個平衡，讓本來就已十分激烈的通信衛星頻率資源競爭愈發趨于白熱化。

與地球同步軌道衛星不同，非地球同步軌道星座系統由于其時變特性，衛星在空間的實時位置與運行的軌道、任務要求以及初始狀態相關，并動態變化，與其他系統間的干擾關系也因而隨時間變化，或者說是隨干擾源及被干擾對象相對位置的變化而變化，需要用時間統計和功率水平兩個維度來定義干擾標準和干擾程度。這些特點決定了，不管是兩個或多個非地球同步軌道衛星系統間，還是非地球同步軌道星座系統與地球同步軌道衛星間的頻率兼容性評估方法變得相對復雜，往往需要通過計算機仿真等方法進行分析。

為此，國際電聯在WRC－95引入非地球同步軌道衛星系統的過程中，為保護原有地球同步軌道衛星的既定權益和用頻安全進行了大量的技術討論和研究，并為此建立相關頻段的保護標準（具體見《無線電規則》第22條），除前文提到的22.2相關協調地位的條款外，還涉及許多非地球同步軌道與地球同步軌道頻率共用的技術條件。現將與Ka頻段通信衛星業務限制要求相關的主要內容介紹如下：

1）非地球同步軌道的衛星固定業務系統的衛星發射信號在達到地球表面任一點的等效功率通量密度不得超過《無線電規則》表22－1B、22－1C中規定的限值；

2）非地球同步軌道的衛星固定業務系統的所有地球站發射信號在達到地球靜止軌道任一點的等效功率通量密度不得超過《無線電規則》表22－2、22－3中規定的限值；

3）地球同步軌道衛星固定業務系統的軌道位置保持精度、波束指向精度和相關地球站偏軸等效全向輻射功率（EIRP）密度需要滿足22.7、22.19、22.26等相關條款提出的限值。

各自面臨的挑戰

然而，由于規則中僅提供了非地球同步軌道與地球同步軌道衛星系統頻率兼容性判斷標準和方法，如何實現共用（或者說在上述標準一旦突破的情況下，如何消除潛在干擾）仍是擺在非地球同步軌道與地球同步軌道衛星操作者面前的巨大問題。

（1）針對地球同步軌道通信衛星運營商

上述情況意味著，對地球同步軌道通信衛星運營商而言，在開展其Ka頻段衛星項目計劃時，特別是在進行先期頻率方案論證時，在7GHz可選擇頻段中，不但需要考慮與其他使用地球同步軌道的同類衛星系統間（包括本國的與國際上的）的頻率兼容性，還要考慮在18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz這500MHz頻段中與已申報并建立國際協調地位的非地球同步軌道星座系統的頻率兼容性和協調風險。根據當前國際電聯數據庫公布的已申報27.5～31GHz頻段的非地球同步軌道衛星網絡已近40個。

（2）針對非地球同步軌道衛星系統運營商

當然，歷史原因形成的地球同步軌道衛星操作者在大部分頻段的協調中占有一定優勢，因此尋找并采取干擾規避措施就成為非地球同步軌道通信星座操作者的共同課題。公眾所熟知的一網公司等都在這方面進行了大量研究和協調，其迄今為止最有效的措施之一就是利用其衛星與地球同步軌道衛星軌道高度差產生的隔離角避免干擾。

前景預判

換一個角度看地球同步軌道衛星與新一代非地球同步軌道衛星運營商對頻譜資源的爭奪，從提高頻譜資源利用率的思路與角度考慮，這種爭奪別具價值。筆者認為，這種非地球同步軌道與地球同步軌道衛星系統爭奪頻率資源的本質是頻率資源的空間復用；如同地球靜止軌道不同軌道位置的衛星在充分協調的基礎上，可以實現同頻、同區域的頻率共用一樣，如果能夠找到頻率共用的技術措施，非地球同步軌道與地球同步軌道只是在不同軌道（高度）上的頻率復用，甚至地球同步軌道本來就是一種特殊的軌道，本質是頻率的空間復用。由此，可以看到其巨大的提高頻譜利用率的發展空間，對來自/指向不同空間位置的衛星的無線電頻率信號能夠加以區分，就意味著非地球同步軌道和地球同步軌道、不同軌道高度/傾角的非地球同步軌道星座系統間的頻率可以實現共用，這將極大程度地提高頻譜利用效率。

從目前國際電聯的規則框架看，提供了這種可能性；但從實際各國操作、協調現狀看，各操作者普遍處于一種競爭、對抗、獨占、過度保護的心態，以頻率占有而不是有效利用為目的的協調，基本談不上有效的技術措施實現共用。顯然，這不是技術問題，而是利益問題，更是發展理念問題。

事實上，我們已經看到，在短期內兩方面無法就非地球同步軌道與地球同步軌道衛星系統尋求頻率共用達成共識的情況下，已經有衛星操作者希望通過非地球同步軌道與地球同步軌道的衛星項目的合作，讓利益沖突的雙方成為一家，共同考慮非地球同步軌道和地球同步軌道系統的兼容操作，取長補短，謀求共贏。無論如何，這種趨勢無疑是抬高了寬帶通信衛星協調使用Ka頻段的門檻，對新的衛星運營商而言，通過常規程序完成協調獲得足夠的Ka頻段資源將日益困難。

3 總結

以上僅對通信衛星常規使用的Ka頻段當前面臨的兩大熱點問題進行了分析，實際上，Ka頻段的選擇還有其他約束條件，如眾所周知的高端1GHz帶寬（30～31GHz/20.2～21.2GHz）通常為軍事通信衛星所用，與之同頻協調將非常困難；另外新老衛星操作者當前普遍加強的頻譜占用意識反映在系統設計上不是盡量提高頻譜利用率，而是盡量占滿上下行各3.5GHz的劃分帶寬，讓衛星操作者之間的協調往往比預期的要復雜很多。

Ka頻段劃分給衛星固定業務上行下行共計7GHz帶寬的頻率，理論上通過波束/區域復用，每個軌道位置都應該可以容納一顆以上的寬帶通信衛星，頻率軌道資源的緊張似乎無從談起。然而從以上Ka頻段的熱點問題分析可以看到，對于此前沒有開展衛星頻率資源儲備的新衛星操作者而言，在考慮與其他業務/系統頻率共用基礎上的頻率方案論證與協調，仍是十分復雜而艱巨的任務，往往發現這么寬的頻率資源中能夠為我所得、為我所用的卻很少。

其實，幾乎所有頻率資源都不是某種業務、某個系統獨占的，對于任何無線電業務系統運營者而言，頻率資源問題永遠是最頂層、最具戰略性和顛覆性的要素之一。

郭晗/本文編輯