ITU和FCC對NGSO衛星的功率通量密度限值研究

劉明星，馬雯雯

（國家無線電監測中心烏魯木齊監測站，烏魯木齊 830054）

0 引言

由于無線電頻率資源的稀缺性和一定程度的排他性，導致此類特殊資源不能無所顧忌的使用，但人類的生產生活對無線電頻率資源的依賴卻與日俱增。為緩解頻率資源的緊張，各國的研究者在探索提升頻率資源效率的方法，最直接的體現在《無線電規則》中同一段頻率被劃分給多種無線電業務使用，且頻率劃分規定在不停的修訂補充和完善。

為規范各類無線電業務和應用，使頻率資源能夠合理高效利用，在頻率劃分規定中有地位之分，即主要業務和次要業務之分。在同一頻段內具有相同地位的無線電業務之間的共享也需要進一步的限定或規定，例如固定業務和衛星固定業務在10.7-12.7GHz、17.7-20.2GHz頻段同為主要業務，但二者之間的共存對衛星固定業務提出了功率的限值，用于保護地面的固定業務，這一限值由功率通量密度（PFD，Power Flux Density）表達。

功率通量密度用于描述單位面積上在一定參考帶寬內的功率值，單位為dBW/m2（參考帶寬），常用的參考帶寬為4kHz和1MHz。其表達式如下[1]：PFD=Ptx/S，S=4πR2，計算示意圖如下所示。

圖1 PFD計算示意圖

1 ITU和FCC的功率通量密度的適用范圍

PFD用于限定工作在某頻段的某種空間業務的空間電臺到達地球表面的單位面積功率值，該值可能有適用的頻段、業務及地理區域的限制。國際電信聯盟（ITU，International Telecommunication Union）和美國聯邦通信委員會（FCC，Federal Communication Committee）分別制定了各自關于PFD使用的規則，詳細如下。

1.1 國際電信聯盟的PFD限值適用范圍

ITU關于空間電臺的PFD限值規定在《無線電規則》第21條第21.16款的表格21-4中[2]，包含L，S，C，X，Ku，Ka，V等頻段，涉及的頻段范圍為1.5GHz-50.2GHz，詳細如表1所示。

ITU的規定中，涉及的空間業務分別為衛星移動業務（MSS）、衛星固定業務（FSS）、衛星廣播業務（BSS）、衛星地球探測業務（EESS）、空間研究業務（SRS）、空間操作業務（SOS）、衛星間業務（ISS）、衛星氣象業務（MetSat），共8種。部分頻段的PFD限值有地理區域的限制，在使用的方向也有限制，對不同的軌道類型也有不同的規定。

表1 ITU規定的PFD限值的適用范圍

表1中用于限定衛星固定業務非靜止軌道衛星（NGSO FSS）的PFD限 制 涉 及3400-4200MHz、10.7-12.75GHz、17.7-19.7GHz、37.5-42.5GHz。上述頻段中Ku、Ka和V頻段將被廣泛用于NGSO系統中，第3節將對用于NGSO系統的PFD限值詳細的分析。

1.2 美國通信委員會的PFD限值適用范圍

FCC關于PFD規定條款在聯邦法規第47卷第25部分（CFR47 PART25）的25.208中，包含S、C、Ku、Ka和V等頻段，涉及頻率范圍為2.4-42.0GHz，詳細如表2所示。

表2 FCC規定的PFD限值的適用范圍

對比FCC和ITU關于PFD的規定，ITU的規定詳細，涉及的業務種類更多也更具體，適用的頻率范圍更廣。美國FCC的規定涉及的頻段少，大部分頻段涉及的業務未明確指出，這種沒有指定特定業務的限制也同樣有效，在一定條件和場合下適用的業務對象和系統更廣泛，也更加靈活。

FCC對衛星固定業務的NGSO應用在Ku、Ka和V頻段分別作了專門的限定，為今后NGSO的發展奠定基礎，也符合當前大型NGSO星座系統的申請情況，本研究中的FCC法規（2019年3月版）是始于2012年的PART25規則修訂的產物，修訂加強了對NGSO系統的針對性和指向性。美國早在2012年就著手修訂傾向于非靜止軌道衛星在衛星固定業務中的應用，而各國向國際電聯申報NGSO星座系統的熱潮始于2014年[4]。

圖2 全球向ITU申報的NGSO系統（衛星數量大于10顆）

從規則有傾向性的修訂和NGSO系統發展的新的熱潮的時間關系來看，美國依舊是NGSO系統熱潮的策源地。第3節將針對非對地靜止軌道的衛星固定業務系統主流用頻分析FCC和ITU關于PFD限制的異同之處。

2 美國聯邦通信委員會和國際電信聯盟在不同頻段的對比

ITU對各頻段PFD的限值規定在《無線電規則》21條中給出，FCC對各頻段PFD的限值規定在PART25的25.208中規定。本節將結合典型的衛星固定業務的NGSO星座，對美國和ITU的PFD在Ku、Ka和V頻段的具體限值進行對比分析。

2.1 Ku頻段PFD限值對比

Ku頻段豐富的頻率資源和成熟的技術方案成為NGSO星座申報的熱門頻段之一，目前NGSO衛星網絡資料中申報Ku頻段的衛星網絡資料85份[4]。OneWeb、Starlink、Theia等操作者為各自的NGSO星座申請Ku頻段的頻率資源[5-7]。

2.1.1 10.7-11.7GHz頻段的PFD限值對比

表3 10.7-11.7GHz頻段的PFD限值

表3中的參考帶寬不同，將ITU的參考帶寬歸化至4kHz，即10*lg（1000/4）=24dB?？梢钥闯?，FCC和ITU在10.7-11.7GHz頻段的限值相同。

以下二圖，分別為SpaceX和OneWeb在Ku頻段（10.7-11.7GHz）的PFD限值，圖中可以看出，FCC和ITU的在上述頻段的限值相同（參考帶寬統一后），對比兩個星座的限值結果，差異不大。

圖3 SpaceX在Ku頻段的PFD限值

圖4 Oneweb在Ku頻段的PFD限值

2.1.2 11.7-12.7GHz頻段的PFD限值對比

FCC在11.7-12.7GHz頻段未設置PFD限值，在各操作者向FCC的申請文檔中均使用ITU的限值進行分析。相較于10.7-11.7GHz頻段的PFD限值，ITU在11.7-12.7GHz頻段的限值在低仰角區間（0-25°）增加了2dB，在高仰角區間（25-90°）增加了2dB，變得較為寬松，詳細如表4所示。

表4 11.7-12.7GHz頻段的PFD限值

以下二圖，分別展示了SpaceX和OneWeb在Ku頻段（11.7-12.7GHz）的PFD限值（選用ITU標準）。圖5、圖6中可以看出，SpaceX的限值和OneWeb的限值之間的差值超過30dB，且其與規定限值的余量達到近35dB。SpaceX在10.7-11.7GHz的系統余量與11.7-12.7GHz頻段有較大的差異，這將為該系統的在Ku頻段的功率分配和頻率復用機制的有效實施帶來一定程度的麻煩，Ku頻段內的系統效能也無法統一。

圖5 SpaceX在Ku頻段的PFD限值

圖6 Oneweb在Ku頻段的PFD限值

此外，FCC在12.2-12.7GHz頻段單獨設定了NGSO系統對多路視頻與數據分布業務（MVDDS：Multichannel Video and Data Distribution Service）系統的保護限值。

表5 12.2-12.7GHz頻段的PFD限值

相較于ITU在12.2-12.7GHz的PFD限值，FCC對該頻段NGSO系統對MVDDS系統在0-5度的限值較之ITU嚴苛10dB。但根據實際的應用來看，NGSO的星座系統衛星下行信號的仰角遠大于5度，如圖7中Starlink星座中衛星的覆蓋所示，實際的干擾情況發生的概率較低，上述規則使用的概率也不高。

圖7 SpaceX系統的仰角示意圖

在現有的功率條件下，系統余量越多，其增加功率帶來的系統性能提升也越明顯，且協調的難度也越小。

2.2 Ka頻段PFD限值對比

截至2019年底，全球向ITU申報的Ka頻段NGSO衛星網絡共計214套[4]，向FCC為NGSO星座系統申請Ka頻段資源的達到8個[5-12]。

關于Ka頻段，FCC在2019年3月版的衛星通信管理法規（CFR47-PART25）中，未對Ka頻段NGSO系統的PFD進行單獨限定，僅對17.3-17.7GHz的BSS業務和17.7-19.7GHz的GSO系統做了限定，推測FCC對NGSO在Ka頻段的使用持支持和保護的態度，且美國的5G頻率規劃僅占用27.5-28.35GHz的Ka頻段[13]。同時SpaceX等操作者認為，美國向ITU申報的地面業務臺站的數量少、且分散程度高，其保護的需求不明顯，協調的難度也較小，出現潛在干擾的可能性較低。從Ka頻段業務劃分的最新修訂情況來看，FCC極力支持Ka頻段NGSO系統的應用。

（1）17.7-19.3GHz頻段的PFD限值對比。FCC在Ka頻段雖未在25.208款中單獨對FSS-NGSO系統的PFD設定限值的約束，但是在25.146款中規定：10.7GHz-30GHz頻段的FSS-NGSO系統需符合ITU關于PFD的限值規定，ITU的限值規定如表6所示。

表6 17.7-19.3GHz頻段的PFD限值

表6中，X由衛星的數量確定，計算公式如下：X=0dB，N≤50；X=5/119（N-50）dB，50＜N≤288；X=1/69（N+402）dB，N＞288。OneWeb和SpaceX均使用了用系統的衛星數量計算PFD限值，這種做法更加契合實際的情況，便于協調。

表7 19.3-19.7GHz頻段的PFD限值

19.3-19.7GHz頻段，FCC同樣未規定PFD限值，ITU的限值見表7。與17.7-19.3GHz頻段不同，該限值的計算方法與系統中衛星的數量無關。

對于19.7-20.2GHz頻段，ITU和FCC均未規定限值，依照《無線電規則（2016版）》的規定，NGSO在此頻段使用需要滿足5.484A、5.484B、5.516B、5.527A等條款的限制[2]。

OneWeb和SpaceX兩個星座分別針對ITU和FCC的限值要求做了分析和測算，如下所示。

圖8 SpaceX關口站在Ka頻段的PFD限值

圖8中SpaceX關于Ka頻段PFD限值的分析基于FCC《衛星通信管理法規》第25.208（c）款，其空間電臺的功率通量密度完全符合限值的規定，且有超過10dB的余量。

圖9中OneWeb系統關于Ka頻段PFD限值的分析基于《無線電規則》第21條表格21-4中的分析。17.7-19.3GHz的PFD限值有兩種定義方式，分別為與衛星數量有關和與衛星數量無關，OneWeb選擇與衛星數量有關的計算方法，其更嚴苛，而且計算的結果有20dB的余量，如圖8所示。

圖9 Oneweb在Ka頻段的PFD限值

比較上述OneWeb和SpaceX的限值，其結果有較大的差異，因ITU和FCC規則的不一致性導致。采取嚴苛的限值條件，對系統提供的服務可能會有影響，但對于協調來說，有很大的促進作用，需要操作者根據實際情況取舍。Ka頻段同時作為GSO高通量衛星和NGSO寬帶衛星系統的首選頻段，以及5G毫米波的候選頻段，各系統間的共存將面臨很大挑戰。

2.3 V頻段PFD限值對比

下一個熱門的頻段將是37.5-42.5GHz為衛星業務下行的V頻段，向ITU申報該頻段的空間業務網絡資料數量高達930個[4]。為保護地面相關業務，ITU和FCC均設置了相應的PFD限值，FCC對V頻段的PFD限值規定在25.208（r）款中，詳細如下。

2.3.1 37.5-40.0GHz頻段的PFD限值對比

表8 37.5-40.0GHz頻段的PFD限值

FCC和ITU關于37.5-42.5GHz頻段的限值在仰角0-25度范圍內不同，限定的方法也不同，ITU規定了3個角度區間，FCC規定了2個角度區間。在此頻段，仰角為0-20度時，FCC的PFD限值比ITU的限值高出約12dB，仰角在20-25之間，FCC的限值較ITU高12-0.35（δ-5）dB。此頻段FCC的限值嚴苛，與美國的5G毫米波頻段規劃方案有密切的關系[8]。NGSO工程推進中為避免美國國內協調和國際協調的不一致性，降低協調難度，SpaceX等操作者均選擇FCC的限值來遵守。

2.3.2 40-40.5GHz頻段的PFD限值對比

在40-40.5GHz頻段，FCC和ITU未單獨為NGSO系統限定PFD值，ITU對FSS的限值與FCC的限值相同，詳見下表。

表9 40.0-40.5GHz頻段的PFD限值

2.3.3 40.5-42GHz頻段的PFD限值對比

在40.5-42GHz頻段，FCC和ITU對NGSO系統規定了相同的PFD限值，詳細如下。

表10 40.5-42.0GHz頻段的PFD限值

2.3.4 42-42.5GHz頻段的PFD限值對比

在42-42.5GHz頻段，FCC無限值，ITU對NGSO系統規定的PFD限值，詳細如下。

表11 42.0-42.5GHz頻段的PFD限值

整體來看，ITU在V頻段對PFD規定限值的頻率范圍較之FCC廣，但FCC在部分有限值的頻段，大多定義了特定的業務或特定的用途，或為保護地面的特有業務設定了專門的限值。

對比V頻段的限值，FCC在37.5-40GHz頻段的規定最嚴苛，如圖10所示，OneWeb星座對PFD的限值的符合FCC和ITU限值的要求。

圖10 OneWeb在V頻段的PFD限值

圖11 SpaceX在V頻段的PFD限值

圖11展示SpaceX在V頻段的PFD限值，其滿足ITU的限值，但不滿足FCC的在37.5-40GHz的PFD限值要求且功率值接近限值門限，若需要滿足FCC的要求，需要進一步限制衛星的下行功率，會對系統容量和服務能力產生負面的影響。另外，Starlink星座的在37.5-40GHz不符合FCC的規定，這將對未來該系統與5G的協調帶來難度。

此外，FCC與ITU關于PFD限值的規定還有一點不同，FCC規定未限定業務，僅限定了軌道類型（GSO或NGSO），其適用性較之ITU更廣泛，限定范圍更廣。

3 結束語

本文通過分析FCC和ITU關于功率通量密度的規定，結合實際的工程案例分析其異同，掌握典型系統與規則的匹配情況。OneWeb系統完全匹配FCC和ITU的PFD規則，Starlink系統未能完全遵守FCC在V頻段的規則，為其今后在美國國內的協調留下了隱患。掌握FCC就NGSO系統的規則使用的詳情，能作為我國衛星系統與美國系統的協調依據。

目前，我國在實際的協調中主要使用ITU的規則，未專門針對國內的實際情況專門制定相關規則，而ITU的規則可能無法完全適用我國的國情。美國的規則有大量工程案例作為實踐的依據，其規則能指導我國制定相關的規則。大型NGSO星座系統作為全球系統，可能對我國的相關系統造成影響，FCC的相關規定能夠作為干擾評估的有效依據。及時分析和了解國外的規則能夠為我國空間業務發展和推進提供必要的參考。