S频段RDSS业务全球扩展分析

温日红,刘志俭,葛 侠,赵晓东,张春海

(北京环球信息中心,北京 100094)

1 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)[1]应用的不断扩展,显示出了其巨大的军事、经济价值和社会效益,成为国家基础设施不可或缺的一部分。鉴于卫星导航系统的重要性,世界各主要大国和国家联合体均不断地完善自身的全球导航系统或建设全新的卫星导航系统,例如美国和俄罗斯分别对自身已有GPS系统和GLONASS系统进行现代化以提高服务精度和可用性,欧盟的GALILEO系统和我国的COMPASS系统均在紧张的建设过程中,印度正在计划建立自己的卫星导航系统IRNSS,从而使得分配给RNSS业务的频率范围拥挤不堪,系统间的互扰日益严重,因此有必要寻求新的频率范围分配给RNSS,以解决频率资源稀缺的矛盾。

2 S频段RDSS业务全球扩展可行性分析

随着天线技术的不断进步,使得S频段中卫星无线电测定服务(Radio Determination Satellite Service,RDSS)(空对地方向)使用的2 483.5～2 500MHz频率范围与地面移动通信服务2.5 G以上的频率范围实现天线共用成为可能。与其它RNSS频率范围相比,该频段更易于与移动通信系统实现硬件复用,降低硬件实现复杂度,有利于移动通信和导航定位服务的融合,使得该频段受到卫星导航业务的青睐。但是,根据ITU的区域和频率划分,在区域二RDSS是2 483.5～2 500 MHz频段的首要业务,而在区域一和和区域三(除脚注5.400外的国家)是次要业务,其使用必须服从ITU规则No.9.21,并完成与其它使用该频段的首要业务的协调,因而该频段还不能作为一个提供全球RNSS/RDSS服务的频段。

根据欧洲伽利略系统的需求,在欧盟的支持下由欧洲邮电管理委员会(CEPT)在WRC-07[2]上为WRC-12提出了1.18议题,即考虑扩大2 483.5～2 500 MHz频段现有主要和次要卫星无线电测定业务(空对地)的频率划分,以实现全球主要业务划分,其主要目的是为下一代伽利略设计新的导航信号铺平道路;ITU-R的4C工作组(WP4C)负责该议题的研究。

在之前的WRC及相关会议上,各国均对S频段RDSS业务的全球扩展表明了态度。美国表示不反对2 483.5～2 500 MHz的RDSS的全球扩展,前提条件是必须对美国的全球星系统给予充分的保护,同时要求不能将RDSS业务作为生命安全服务;欧盟则为GALILEO系统寻求新的导航频率积极推进1.18议题;俄罗斯指出全球划分的前提是与此频段其它现有业务完全兼容,并提出保护其在区域一属于次要业务的无线电定位服务;在2009年6月举行的APG-2会议上,亚太地区达成了初步共识,即在ITU-R通过研究确认对现有主要业务保护的前提下,支持全球划分。

在2009年9月举行的第四次WP4C会议上,研究表明:假设RDSS系统卫星EIRP为37.3 dBW时,RDSS将会对MSS(Mobile Satellite Service)产生影响,但是可以通过放宽MSS下行链路约束3 dB以克服RDSS对MSS的干扰。RDSS与 SAP/SAB(Services Ancillary to Programme-making/Services Ancillary to Broadcasting)业务间的共用研究表明,为了保护移动或固定业务,提出了对于使用2 483.5～2 500 MHz频段的同极化的单颗RDSS卫星,其最大功率通量密度不得超过-134 dBW/m2/MHz,即每颗卫星RDSS的GSO卫星的EIRP不得超过40.2 dBW。

总的来说,在解决兼容性的前提下,S频段RDSS业务的全球扩展势在必行。

3 我国S频段RDSS业务全球扩展研究必要性及内容

3.1 必要性

频率资源是一种不可再生资源,特别是在卫星导航领域,各国出于国家安全的考虑,授权信号的设计往往独占频谱,先使用者往往阻止后来者使用相同的频谱,或者迫使后来者接受苛刻的条件,从而导致后来者在性能上的下降。在我国全球卫星导航系统COMPASS以及欧盟GALILEO系统的建设上就存在类似的问题。由于起步较晚,大部分的频率被美国和俄罗斯占用,导致信号设计存在相当大的困难。目前,欧盟和印度均对2 483.5～2 500 MHz频段提出了卫星导航的使用需求,并向国际无线电联提出了申报。

我国在S频段2 483.5～2 500 MHz频率范围的应用存在事实上的领先,我国“北斗”卫星导航系统已经在该频段实现了区域的RDSS卫星定位和短报文通信服务,并于2000年投入应用。但是在该频段的全球扩展方面还没有进行研究,属于空白领域。在S频段的全球扩展上,各国处在同一起跑线上。在我国大力加强自主卫星导航系统而传统导航频段十分拥挤的形势下,我们有必要加强对S频段用于全球卫星导航系统相关技术的预先研究,全面分析2 483.5～2 500MHz频段全球 RDSS主要业务扩展对我国卫星导航系统建设的利与弊,在充分保护现有RDSS服务的基础上,研究该频段在我国全球卫星导航系统建设中的使用方法;完成与使用该频段和邻近频段业务/系统的干扰分析并制定相关的保护标准;在以上研究的基础上,对该频段的导航信号传输体制设计进行初步设计,确定信号特性,作为频率和轨位申报的基础,将我们区域事实优势转换为全球的频率使用优势,为我国导航卫星系统的建设储备资源。

3.2 研究内容

3.2.1 兼容性分析方法

实现S频段RDSS业务的全球扩展,首先必须完成RDSS业务与其它同频段业务之间的兼容性分析。所谓兼容性是指同频段或临近频段内,一种业务的存在不会导致另外一种业务性能不可接受的下降。如何判断不同服务是否兼容,需要根据不同的业务类型,研究干扰评估方法,并根据干扰计算结果和C/N的裕量,设定合理的保护标准,以保证双方业务的正常使用。研究可以从3个方面进行:

(1)确认已有的和新的潜在使用该频段RDSS系统的技术特性;

(2)确认使用该频段的其它业务的技术特性;

(3)适当地进行RDSS与其它业务的公用研究。

基于已有的频率分配,根据ITU-RR Article 5的相关内容,2 483.5～2 500MHz频段主要用于固定(fixed)、移动(mobile)、移动卫星(mobile-satellite)、无线电探测(radiolocation)和无线电测定卫星服务等业务,典型的系统包括美国的GLOBLE STAR、日本的VICS等。

根据业务分配,S频段RDSS业务的全球扩展需要完成的兼容性分析主要包括以下若干种类型,参见表1。表2给出了该频段部分业务用于兼容性计算的发射特性参数。

表1 兼容性分析类型Table 1 Scenarios to be studied

表2 2 483.5～2 500 MHz频段部分业务特性参数Table 2 Summary of characteristics of services and applications utilizing the 2 483.5～2 500MHz band

3.2.2 信号发射和链路传输特性

作为向ITU进行频率申报资料的一部分,S频段RDSS信号发射特性和链路传输特性必不可少。信号发射特性主要包括信号发射带宽、发射功率、带外抑制、极化方式等,链路传输特性主要包括自由损耗、大气损耗等,这些特性直接决定了与其它服务的兼容性。

通过兼容性分析,可以获取S频段RDSS业务与其它业务之间的干扰保护门限;基于保护门限和卫星链路分析,确定满足保护门限要求的RDSS全球业务的信号发射特性边界条件,建立发射带宽、发射功率、带外抑制之间的相互约束关系。

3.2.3 “北斗”RDSS业务保护标准

“北斗”系统已经建成10余年,期间与周边国家也进行过多次频率协调谈判,解决了一些系统之间的相互干扰问题。但由于S频段全球扩展带来的干扰是一个新的技术问题,首先需要考虑的是如何维持我国现有系统的优先地位,使得“北斗”系统的RDSS业务不受由于其它卫星导航系统使用该频段而带来的有害干扰。

确定“北斗”RDSS业务的干扰保护标准是一个非常复杂的技术问题,需要对“北斗”系统接收机各个处理环节的损耗和失真进行建模仿真,并分析不同类型干扰对信号捕获、跟踪、解调和测距的影响,最终通过定义最低系统性能保证,确定系统需要的保护标准。

3.2.4 “北斗”全球系统使用S频段关键技术

由于美、欧等对频率资源的争夺和独占,“北斗”全球系统信号体制设计面临非常严峻的国际形势,现状是“如果不和GPS或GALILEO的授权信号存在频谱重叠,“北斗”全球系统将面临无频率可用的尴尬局面”。在传统L频段的资源争夺之中,我国“北斗”系统处于非常被动的局面;而S频段由于“北斗”现有系统的存在,我国在该频段资源的争夺之中具有明显优势,因此如何利用既有优势,充分研究国际规则,尽早进行全球系统S频段信号体制设计,将优势转化为“北斗”全球系统的独占资源是目前非常迫切的任务。欧盟GALILEO系统和印度IRNSS系统均已完成该频段的信号体制设计,信号体制设计涉及频点选择、服务类型确定、调制方式、扩频码设计等多个方面,“北斗”全球系统S频段的信号体制设计在国内还是空白,无相关的研究成果可供借鉴。

从传统意义上来说,RDSS服务的分类主要包括开放服务、授权服务以及生命安全服务等,具体服务类型的定义需要从可能的应用前景和用户分布进行分析;调制方式主要包括 BPSK、QPSK、BOC、MBOC[3]等多种类型,调制类型决定了频谱的使用范围;扩频码速率的高低从一定程度上决定了测距精度的高低;信息速率的高低决定了信息容量的大小,同时从一定程度上决定了处理增益的大小,在扩频码速率一定的条件下,信息速率越高,扩频增益越低;纠错方式主要包括 BCH、Turbo、卷积、LDPC 等方式,不同的设计可以获取不同的纠错能力和纠错效率。

为了对所设计的信号体制进行验证,必须研制中频的软件信号源和软件接收机。中频软件信号源用于按照设计的信号体制生成中频采样后的RDSS/RNSS信号;中频软件接收机用于接收仿真的中频RDSS/RNSS信号,完成捕获、跟踪、解调等过程,对信号体制的性能进行评估。

4 结束语

在得到世界主要国家和地区支持以及解决兼容性问题的前提下,S频段RDSS业务的全球扩展是世界各国对卫星导航频率资源匮乏问题的一种有效解决途径。同时,由于其与2.5G移动通信业务频率相近,使得S频段RDSS频率范围相对L频段卫星导航频率范围相比,具备了先天的融合优势,因此得到了广泛的重视,欧盟和印度均对该频段的使用展开了研究。

为确保我国对S频段RDSS频率范围的使用优势,建议展开相关的研究工作,确定兼容性分析方法和保护标准,完成我国RDSS业务全球扩展的关键技术研究,为频率和轨位申报奠定基础。

[1] 谭述森.卫星导航定位工程[M].北京:国防工业出版社,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.