GSO衛星移動通信L和S頻段資源態勢分析

翟華 張千

【摘? 要】衛星移動通信可面向個人用戶提供天基話音和數據服務，具有重要的商用和軍用價值。二十多年來，地球同步軌道（GSO）衛星移動通信系統普遍使用L和S頻段。對國際電信聯盟（ITU）在L和S頻段的使用規則進行詳細梳理，并總結了各頻段當前在軌衛星系統的建設情況和發展趨勢。通過分析面向衛星移動通信L和S頻段資源的緊缺狀況，以及地面蜂窩通信系統與衛星移動通信系統在L和S頻段資源上的激烈競爭局勢，對GSO衛星移動通信系統的用頻策略給出了一些參考建議。

【關鍵詞】衛星移動通信;L和S頻段;頻譜資源

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：翟華，張千. GSO衛星移動通信L和S頻段資源態勢分析[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 00-00.

0? ?引言

衛星通信技術自20世紀70年代起在全球范圍內逐漸投入廣泛應用。相比于地面有線和無線通信系統，衛星通信系統具有覆蓋范圍廣、抗災害能力強的優勢，在電視廣播、應急救災、海洋和航空通信等領域發揮了不可替代的功用。按照國際電信聯盟（ITU）的規定，衛星通信業務分為廣播業務（BSS）、固定業務（FSS）和移動業務（MSS）[1]，其中MSS面向地面移動衛星通信終端，可直接為個人用戶、移動運載平臺（如車、船、飛機等）提供天基話音、短消息、傳真和數據等業務[2]，適用于靈活多樣的應用場景，具有重要的商用和軍用價值。

L頻段（1—2 GHz）和S頻段（2—4 GHz）因其在波長、傳播特性、帶寬能力、元器件成熟度等方面的優勢，比較適合于移動無線通信系統[2]。ITU已經將大部分L和S頻段劃分給地面無線通信和衛星移動通信業務[1]。目前全球大規模商用的地面2G、3G、4G蜂窩移動通信網主要采用L、S頻段，國際范圍內業已建成投入應用的多個衛星移動通信系統也集中在L和S頻段。

GSO衛星移動通信系統經過20余年的建設和發展，在技術發展、應用開發、市場推廣等方面均不斷成熟和完善。本文將重點關注GSO衛星移動通信L和S頻段的頻譜資源情況，通過分析頻譜規則、在軌衛星頻率使用狀況、系統應用中的頻率問題等，為L和S頻段GSO衛星移動通信系統的發展提出建議。

1? ?衛星移動通信發展狀況

自20世紀90年代以來，國際上已在L和S頻段建設了數十個衛星移動通信系統[3]，并且目前大多數系統仍在軌運行并廣泛應用。除“銥星（Iridium）”、“全球星（Globalstar）”兩個系統為低地球軌道（LEO）系統外（Iridium軌道高度780 km，Globalstar軌道高度1 400 km），其余十余個L和S頻段衛星移動通信系統均為地球同步軌道（GSO）系統。相比于LEO星座系統，GSO系統僅需單顆衛星即可提供較大范圍的區域常態覆蓋，3～4顆GSO衛星組網可實現全球中低緯度常態覆蓋，并且GSO系統沒有LEO系統所面臨的復雜移動性管理、大多普勒頻偏等問題[4]。表1中整理列出了全球范圍內1995年來發射入軌的L、S頻段GSO衛星移動通信系統：

為提升波束增益、保障傳輸鏈路性能，GSO移動通信衛星星上配置較大口徑的天線，形成多點波束實現對星下區域的拼接覆蓋，并且多點波束間采用頻率復用方式提高系統頻譜利用率。隨著技術的發展，在軌衛星的天線口徑已由數米增大到幾十米，如Inmarsat-4衛星采用11米口徑天線，TerreStar衛星采用22米口徑天線;衛星的點波束數量也由數個增多到數百個，如Thuraya衛星形成250個以上波束，TerreStar衛星可形成超過500個波束。

L和S頻段GSO衛星天線和波束能力的提升，使得系統可以對小型化低功耗手持、便攜衛星終端提供天基通信接入服務，極大地拓展了應用市場。例如，全球90%以上客運航班和遠洋船舶均已安裝Inmarsat-4衛星終端，多國政府在搶險救災中也普遍配備Inmarsat-4手持機用作應急通信手段。

2? ?L和S頻段頻率資源狀況

2.1? ITU頻率使用規則

國際電信聯盟（ITU）在制定無線電頻譜使用規則時，將全球劃分為三個區[1]，如圖1所示，第一區主要為非州、歐洲，第二區主要為美洲，第三區主要為亞太地區。表2中給出了ITU頻譜規則中，在L和S頻段為MSS業務分配的頻率資源情況[1]。

從表2中可見，L和S頻段為MSS分配的頻率資源，包括以下三類：

（1）全球頻段，共8段（4組）：1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz，1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660 MHz，1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz，1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz，這些頻段在1、2、3區均可使用，目前在軌的大部分MSS衛星系統均集中在這4組頻段。

（2）二區頻段，共4段（2組）：1 930—1 970 MHz/2 120—2 160 MHz，2 010—2 025 MHz/2 160—2 170 MHz，這些頻段僅限于2區使用，且其中1 930—1 970 MHz/2 120—2 160 MHz上MSS僅為次要業務，目前尚未有在軌衛星使用這4段頻率。

（3）三區頻段，共2段（1組）——2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz，僅限于3區使用，目前印度和日本的MSS衛星系統使用該頻段。

下文將對L和S頻段MSS各段頻率的具體規則和使用情況進行描述。

2.2? MSS頻段使用現狀

（1）1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz

1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz頻段是最早應用于GSO衛星移動通信的頻段，因而被稱為衛星移動通信的“黃金頻段”，衛星MSS業務在此頻段具有獨占性。如圖2所示，目前全球范圍有4個衛星系統在軌使用該頻段：覆蓋全球中低緯度區域的Inmarsat 4星座系統、覆蓋歐亞非地區的Thuraya星座系統、覆蓋北美的Skyterra衛星和覆蓋東南亞的ACeS衛星。

為協調不同衛星系統在該頻段上共用，1997年國際上成立了L頻段多邊協調機制，成員國包括澳大利亞、埃及、印尼、日本、俄羅斯、阿聯酋、英國、法國等，通過定期召開大會和磋商會，為成員國在該頻段上建設衛星移動通信系統協調和分配頻率資源。該協調機制將地球劃分為幾十個區，不同區之間可實現頻率復用。

另外，該頻段在具體使用上也有一些限制，如1 544—1 545 MHz/1 645.5—1 646.5 MHz限優先用于衛星應急和安全保障通信[1]。

（2）1 980—2 010MHz/2 170—2 200 MHz

1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz頻段于1992年的世界無線電大會上正式被授權開展MSS業務。但是，該頻段同時也被授權開展地面固定和移動業務，并且地面業務和MSS業務均被定義為并列的主要業務。在不同的國家和地區，可以根據具體建設需求，靈活協調該頻段的使用方式。

北美地區最早將該頻段用于建設衛星移動通信系統，2008年發射的ICO G1衛星和2009年發射的TerreStar-1衛星都采用該頻段，且均覆蓋北美地區。兩系統在該頻段采用分頻共用方式，其中ICO G1使用2 010—2 020 MHz/2 180—2 190 MHz，TerreStar-1使用2 000—2 010 MHz/2 190—2 200 MHz。

歐盟于2009年初將該頻段的使用權授予Solaris Mobile公司和Inmarsat公司，希望兩家公司分頻使用該頻段的各15 MHz資源（使用期限為18年），建設服務歐洲全境的衛星移動通信系統。如圖3所示，2017年6月，兩顆覆蓋歐洲的移動通信衛星Echostar 21和Inmarsat S相繼發射升空，該頻段在歐洲全境正式投入實際應用。

由于美國回聲星（Echostar）公司于2011年收購了美國ICO、TerreStar兩公司，并于2014年收購了歐洲Solaris Mobile公司。因此，回聲星公司目前擁有該頻段在北美和歐洲地區的主要使用權。

在亞洲，我國積極倡導在該頻段建設衛星移動通信系統，但韓國、菲律賓、印度等國家已有計劃將該頻段用作地面蜂窩無線通信。同時，日本準天頂（QZSS）衛星系統采用該頻段中的5 MHz（2 000—2 005 MHz/2 190—2 195 MHz）用于衛星災害救援通信保障。

（3）1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz

1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz于2003年的世界無線電大會上被授權用于MSS業務，是較新的MSS頻段，因而目前實際在軌的衛星系統較少。僅有2013年發射的Inmarsat I-4A F4（AlphaSat I-XL）衛星在軌使用了該頻段，覆蓋歐洲和非洲地區。

與上述1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz類似，該頻段同樣也被授權給地面固定和移動業務使用，且地面業務與MSS業務處于同等地位，在實際使用時需要充分協調。

在我國，射電天文業務已經使用1 668—1 670 MHz頻段，我國衛星氣象業務已使用1 671.6—1 675 MHz頻段。若在該頻段開展MSS業務，需與已有系統進行充分溝通和協調，盡量避免發生互相干擾的狀況。

（4）1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz

1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz自20世紀90年代即用于投入MSS業務應用，但當時主要是兩個LEO通信衛星星座采用該頻段進行建設——Iridium系統和GlobalStar系統。其中Iridium系統采用時分雙工（TDD）通信模式，衛星對地面和地面對衛星的通信鏈路均1 616—1 626.5 MHz頻帶上運行，GlobalStar系統采用常規頻分雙工（FDD）模式，地面到衛星的鏈路工作在1 610—1 626.5 MHz，衛星到地面的鏈路工作在2 483.5—2 500 MHz。這兩個LEO星座系統已在全球范圍內占用了該頻段。

1 610—1 626.5 MHz同時也被劃分給了航空無線電導航業務，且MSS業務不得對其產生有害干擾。另外，2012年的世界無線電大會將2 483.5—2 500 MHz劃分給了衛星無線電測定（RDSS）作為主要業務，我國北斗導航系統也計劃采用該頻段開展導航定位業務[5]。

（5）2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz

2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz僅限于在3區用于MSS業務，但該頻段在3區也被授權給地面固定和移動通信、衛星FSS和BSS業務等作為主要業務使用。同時ITU規定利用2 520—2 535 MHz/2 655—2 670 MHz在3區建設衛星MSS系統時，僅限于本國境內使用。因此，3區內的不同國家可針對此頻段自行決定使用方式。

日本2006年發射的ETS-8衛星采用了該頻段（2 500—2 505 MHz/2 655—2 660 MHz），形成5個波束覆蓋日本國土。印度2015年發射的GSAT-6衛星采用該頻段（2 500—2 520 MHz/2 670—2 690 MHz），形成5個波束覆蓋印度半島;2018年3月，印度發射GSAT-6A衛星用于補充GSAT-6的能力，但衛星入軌后因故失聯。

在我國，已明確將2 500—2 690 MHz頻段用于地面蜂窩移動通信系統建設，我國三大運營商的TD-LTE 4G網絡均已部署工作在此頻段。

3? ?衛星MSS系統建設用頻建議

3.1? 建議衛星MSS系統以區域覆蓋為主

盡管建設全球覆蓋的GSO衛星移動通信星座組網系統更具商業應用價值，但從頻率資源使用的可行性角度分析，建議以區域覆蓋為主。目前，全球范圍內所建設的衛星移動通信系統，僅有Inmarsat-4實現了全球覆蓋，其余系統均為區域覆蓋（如阿聯酋Thuraya系統）或國境內覆蓋（如印度GSAT-6系統）。

基于表2中給出的8段全球MSS業務頻段進行分析：

（1）1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz是獨占性的衛星MSS頻段，但已經存在兩個LEO全球星座系統，并且2 483.5—2 500 MHz頻段面臨與衛星導航業務的協調，重新建設全球系統的難度很大。

（2）1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz也是獨占性的衛星MSS頻段，目前已有Inmarsat-4系統實現了全球覆蓋，使用該頻段需要首先加入L頻段多邊協調機制，與在軌的多個系統充分協調存在不小的難度。并且Thuraya公司和Inmarsat公司均已經表示要在該頻段繼續建設替代衛星系統，以保持對該頻段的接續使用權，因此重新規劃全球系統幾乎沒有可行性。

（3）1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz、1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz頻段上衛星MSS和地面移動通信并列為主用業務，構建全球系統必須與覆蓋區內的眾多國家逐個開展頻率協調，操作難度和風險極大。同時這些頻段上已經有覆蓋歐洲和北美的多個衛星系統在軌（如Terrestar、Alphasat等），構建全球系統必須與之進行協調，因此，在這些頻段上規劃新的全球系統也存在很大難度。

綜上，在現有的MSS業務頻段上重新規劃建設全球性的GSO衛星移動通信系統，存在較大的協調難度和建設風險，建議重點考慮區域覆蓋衛星移動通信系統建設。

3.2? 建議重視來自地面系統的用頻競爭

近年來隨著地面移動通信技術的發展以及智能手機、移動互聯網的廣泛普及，地面蜂窩通信系統飛速建設，手機通信速率已提升至數百Mbps。隨著5G投入商用以及6G啟動論證，地面系統對頻率帶寬的需求更為迫切。除了向更高的C和Ka頻段擴展之外，地面系統也將對現有L和S頻段重新整合，從而與衛星MSS系統產生用頻競爭。

從表2中統計可見，ITU為L和S頻段衛星MSS授權的14段頻譜，其中全球使用的頻譜共175 MHz，限于2區使用的頻譜共105 MHz，限于3區使用的頻譜共70 MHz。與之對比，地面蜂窩移動通信網所占用的頻率資源要多得多。以我國為例，我國已為地面2G、3G、4G網絡授權的頻率資源達到680 MHz，其中有近500 MHz帶寬資源已經投入三大運營商系統建設和使用。

另外，1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz、1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz等頻段上衛星MSS和地面業務均為主要地位，目前已有許多國家（如亞洲范圍內的韓國、日本、印度等）的頻率管理部門公開表示將使用這些頻段建設地面蜂窩通信系統。在此態勢下，衛星MSS系統的建設用頻將更為受限。

通常認為GSO衛星移動通信系統是“功率受限”（即受限于衛星載荷功率），對頻率帶寬的占用需求不高。但是隨著衛星平臺能力和天線口徑的不斷提升，使得系統逐漸向“頻率受限”（即受限于通信頻率資源）轉變。因而，衛星MSS業務也應在ITU規則范圍內加強尋求頻率資源保障，協調來自地面通信系統的頻率資源競爭挑戰，鞏固現有MSS頻段的使用權。

3.3? 建議開展星地同頻共用技術研究

近年來，國際上已逐漸形成認識：衛星移動通信與地面移動通信都是IMT系統（International Mobile Telecommunications）的組成部分，兩者的技術特點決定了各自的應用優勢，通過互補融合建設可以更好地促進IMT系統發展。面對稀缺的L和S頻段資源，ITU傾向于將同一段頻段同時授權給衛星MSS和地面移動通信業務，也積極倡導探討星地聯合頻率共用方案[1]。

近十余年來，國際范圍內針對星地融合（Integrated）或混合（Hybrid）網絡系統廣泛開展了詳細的系統論證和標準化工作[6-7]。自2008年來，北美和歐洲的頻譜管理部門授權衛星MSS業務運營者采用地面輔助單元（ATC， Ancillary Terrestrial Component）或增補地面單元（CGC， Complementary Ground Component）技術[8]，在衛星移動通信系統中增設地面輔助基站，用于解決衛星通信在受遮擋場景以及建筑內部性能不佳的問題。地面ATC基站和衛星共用同一段L或S頻段頻率資源，采用相同的空口信號格式和通信體制，并且共同連接到統一的核心網進行管理。但是，2011年突發了“光平方”衛星的ATC基站干擾GPS事件[9]，導致ATC技術在北美的推廣應用受阻。如圖4所示，目前，Inmarsat正在歐洲開展歐洲航空網絡（EAN）建設，采用Inmarsat S衛星和遍布歐洲的300個地面CGC基站，提供航空通信服務。星地聯合頻率共用技術必須針對系統架構開展深入的方案論證，協調避免可能出現的同頻和鄰頻干擾情況。

另外，2017年以來，國際標準化組織3GPP在開展IMT-2020系統5G標準論證時，已經開始論證將衛星通信和地面通信一起融入5G系統架構中，并正在開展星地聯合系統的統一化通信協議和標準制定[10-11]，這也加速推進了星地頻率聯合共用的進度和可行性。

由此可見，針對L和S頻段的移動通信頻率資源，國際范圍內已形成星地共用頻率的認知和發展趨勢，后續衛星移動通信系統的規劃應考慮與地面通信系統聯合論證和同頻建設。

4? ?星地同頻共用問題分析

L和S頻段衛星移動通信和地面移動通信系統的同頻共用技術，需要考慮如下幾個問題。

（1）衛星和地面通信鏈路的差異問題

與地面基站通信相比，衛星的發射功率受限于衛星平臺的能力，同時衛星信道的傳播距離遠遠高于地面。因此衛星通信的信號強度往往遠遠小于地面通信系統，通常衛星信號強度比地面通信系統小30 dB以上。由于衛星通信鏈路的傳播距離長，其傳輸時延遠遠高于地面系統，GSO衛星的回程時延（RTD）可達250 ms。另外，衛星的軌道設計可能造成通信鏈路的相對運動，以GSO移動通信衛星為例，其軌道往往設計小傾角（約3°～6°），從而其星下點在24小時內按“ 8 ”字變化。這導致衛星波束覆蓋區的輕度變化，并引入了通信頻偏。

在設計星地同頻共用通信系統時，需綜合考慮以上星地通信鏈路的差異性問題，深入開展星地一體化系統架構和應用模式的研究論證工作。

（2）MSS頻譜資源雙工劃分問題

目前國際電聯對授權給地面MSS的頻率資源，均不做雙工模式的要求。地面基站到手機的下行鏈路與手機到地面基站的上行鏈路，可以按照TDD模式工作在同一頻段上，也可以按照FDD模式工作在有一定頻率間隔的兩個不同頻段。地面4G和5G蜂窩通信系統均同時支持TDD和FDD模式。但對于衛星通信系統，國際電聯所授權的頻譜資源基本均為FDD模式，即衛星通信的上下行鏈路工作在兩個不同頻段上。

為保障星地同頻共用通信系統的統一建設和融合應用，可促使國際電聯在L和S頻段上對衛星MSS業務授權TDD頻段。

（3）星地同頻共用的協調管理問題

GSO移動通信衛星單個點波束的覆蓋直徑達數百km，整星覆蓋直徑可達數千km，通常其覆蓋區內可包含多個國家。若每個國家針對L和S頻段“星地同頻共用”的態度策略和部署方式不同，極易對本國GSO衛星產生同頻干擾，從而影響系統整體通信能力。因此，需提前開展與周邊國家的頻率協調工作，盡可能避免干擾的發生。同時在本國內，也許加強衛星和地面通信系統之間的資源統籌管理，盡可能將星地一體化通信系統交由統一公司運維，以提升頻譜資源的使用效能。

5? ?結束語

經過二十余年的發展，衛星MSS業務已在社會經濟活動中發揮了重要功用。但是L和S頻段的MSS業務頻率資源面臨較為嚴峻的態勢，在規劃新的GSO衛星移動通信系統時除需與在軌衛星進行協調外，還面臨來自地面通信系統、衛星導航系統等的頻率競爭。ITU等標準化組織倡導將衛星MSS系統作為IMT系統的一部分，開展星地聯合系統論證和星地聯合頻率共用設計，是未來發展的一種趨勢。

參考文獻：

[1]? ? ? ITU. Radio Regulations[S]. 2016.

[2]? ? M R. Mobile Satellite Communications Principles and Trends （second edition）[M]. John Wiley Press， 2014.

[3]? ? ? 呂子平，梁鵬，陳正君，等. 衛星移動通信發展現狀

及展望[J]. 衛星應用， 2016（1）： 48-55.

[4]? ? ?張更新，甘仲民，李廣俠. 對發展我國衛星移動通信的有關思考[J]. 衛星與網絡， 2010（5）： 32-34.

[5]? ? ?楚恒林，高揚，陸明泉. S頻段衛星導航信號與臨頻信號兼容性分析與試驗[J]. 遙測遙控， 2018，39（3）： 1-7.

[6]? ? ?ITU. ITU-R M.2398-0： Scenarios and performance of an integrated MSS system operating in frequency bands below 3 GHz[S]. 2016.

[7]? ? ?ETSI. ETSI EN 302 574-1 V2.1.2： Harmonised Standard for Mobile Earth Stations （MES） operating in the 1980 MHz to 2010 MHz （earth-to-space） and 2170 MHz to 2200 MHz （space-to-earth） frequency bands covering the essential requirements of article 3.2 of the Directive 2014/53/EU; Part 1： Complementary Ground Component （CGC） for wideband systems[S]. 2016.

[8]? ? ?ETSI. ETSI TR 103 124 V1.1.1： Satellite Earth Stations and Systems （SES）; Combined Satellite and Terrestrial Networks scenarios[S]. 2013.

[9]? ? NPEF. Follow-on assessment of lightsquared ancillary terrestrial component effects on GPS receivers[C]//National Space-Based Positioning， Navigation， and Timing Systems Engineering Forum. 2012.

[10]? ?3GPP. 3GPP TR 38.811： Study on NR to support non-terrestrial networks （Release 15）[R]. 2017.

[11]? ?3GPP. 3GPP TR 22.822. Study on using satellite access in 5G （Release 16）[R]. 2017.

作者簡介

翟華（orcid.org/0000-0001-6529-6613）：助理研究員，畢業于國防科技大學，現任職于北京跟蹤與通信技術研究所，主要研究方向為衛星通信。

張千，高級工程師，中國空間技術研究院通信衛星事業部，主要研究方向為衛星通信。

收稿日期：2020-05-03