宽带通信卫星频率资源的新战场

● 文 | 北京羽寻科技有限公司　 李辉

宽带通信卫星频率资源的新战场

● 文 | 北京羽寻科技有限公司 李辉

当全球通信卫星运营商都在为Ka频段宽带通信卫星的潜在市场和发展热潮摩拳擦掌时，频率资源作为空间系统构建的必要前提，再次成为众多新老卫星运营商不惜代价为之展开激烈争夺的焦点。Ka频段从开始进入通信卫星操作者的视野，到目前具备商业应用的条件基本走过了十年的历程。从频率资源超前储备的角度看，在当前风起云涌的宽带通信卫星潮流中想拥有一份地位优先、技术状态匹配度良好的频率轨道资源，相应的卫星网络频率申报协调工作应该是在5-10年前就启动了。换句话说，如果是现在看到清晰的市场需求和发展趋势，准备加入这个潮流，才开始通过常规手段启动频率轨道网络资料的申报协调工作，那么想要获得安全、可靠、完全满足需求的频率轨道资源已经是十分困难的事了。

由此，人们会问：频率资源的储备，到底超前多少才算超前？代价和方法又是怎样的呢？为了回答这些疑问，本文通过介绍波音公司为其下一代宽带通信卫星争取Q、V频段资源的做法为相关需求方提供借鉴。

一、波音公司向FCC申请Q、V频段资源

根据《洛杉矶时报》2016年6月24日报道：“波音公司已正式向美国联邦通信委员会（FCC）申请许可，以启动和运行一个总计由2956颗卫星组成的卫星网络。波音公司计划先期在6年内部署1396颗卫星在近地轨道。最终，该卫星星座将由2956颗卫星组成，旨在为全世界的商业和政府用户提供互联网和通信服务。波音公司表示，卫星将使用目前卫星业界很少使用的V频段。由于此前SpaceX和OneWeb都曾提出几百颗甚至上千颗卫星的计划，为全球范围内特别是偏远地区提供低成本的上网服务”，但其主要使用Ku和Ka频段，因此波音公司的V频段星座计划与OneWeb等系统将不会产生任何频率方面的冲突。

据了解，波音公司于2016年6月22日向FCC提交的申请中，建议在50.4～51.4 GHz和51.4～52.4 GHz频段为卫星固定业务（FSS）地对空方向进行频率划分和授权，与划分给FSS空对地方向的37.5～42.5 GHz配对使用，在不远的将来使用V频段的高数据率宽带业务将成为可能。

在此，需要就上述波音公司申请中提到的相关卫星业务频率划分的背景情况做简要介绍。

FSS是国际电联《无线电规则》中定义的通过卫星开展终端固定的通信业务，相对区别于终端移动的通信业务，其中也包括其他卫星系统的馈线链路，公众所熟知的地球静止轨道（GEO）通信卫星大都提供这种FSS业务，当然也可以通过低轨道（LEO）或中轨道（MEO）的星座系统实现。

根据当前国际规则，Q、V频段为FSS业务划分的频率情况如表1所示。

表1　 FSS业务频率划分情况（使用Q、V频段）

从表1可以看到，FSS在Q、V频段划分了下行频率37.5～42.5GHz，有5GHz的带宽；而上行在频率划分表中只有47.2～50.2GHz和50.4～51.4GHz频段，仅有4GHz带宽（42.5～43.5GHz由于与其他FSS地对空频段不连续，不利于卫星载荷系统的带宽兼容设计；同时由于与射电天文业务频率共用，有较多限制条件）。另外美国与我国一样，根据国际频率划分规则会结合本国实际情况进行自己国内的频率划分，同时就部分具体划分频段进行频率规划。

波音公司的“申请”包含两方面内容：一方面是“敦促”FCC为FSS（地对空）划分并授权使用50.4～51.4 GHz 和51.4～52.4 GHz。特别地，波音公司要求将50.4～51.4 GHz（已划分给FSS）增加到FSS地对空发射的授权频率列表中；对于51.4～52.4 GHz频段（尚未划分给FSS），波音公司“要求”FCC在美国的频率划分表中增加FSS（地对空）作为同等主要业务划分，同时将该频段增加到FSS（地对空）发射的授权的频率列表中。这种变化可以使FSS地对空方向在V频段的频段资源增加到5GHz，与空对地方向37.5～42.5 GHz频段配对使用，通过这一划分整合，将使高数据速率的卫星宽带业务在不久的将来成为可能。

二、开发V频段有何意义？

近年来，宽带业务的需求不断增长，FCC的重要职能之一就是促进经济、优质宽带互联网接入服务的发展，特别是地面网络无法提供服务的郊区、边远、贫困地区。下一代宽带卫星系统，例如波音公司报告中提出的正在开发的V频段非地球同步轨道（NGSO）卫星系统，可以实现与位置无关的面向所有用户提供高速、低延时的宽带通信业务。

为满足公众对宽带业务的需求，授权更多的FSS上行频率将更加有力地服务于公众需求和国家的政策目标。国家最重要的目标之一是提供可接入的、能负担起的高质量的宽带互联网服务。美国2010年国家宽带计划认为：宽带业务已成为“现代生活的必需品，而非奢侈品”。无论在美国国内还是国际上实现统一的宽带接入，卫星的作用将是至关重要的。下一代宽带卫星系统由于其能够为所有用户以同样的成本提供与用户所在位置无关的、先进的通信服务，能够实现弥补全球宽带数字鸿沟的重任。

波音公司在申请中列举了建设V频段NGSO星座系统对美国的意义，主要包括：

1.改善国家宽带接入设施

目前很多生活在郊区或偏远地区的近一亿美国人，仍不能接入宽带，部分原因是接入地面宽带网的费用较高。尽管美国城市人口的96%能够以25M（下行）/3M（上行）接入宽带互联网，但郊区人口的39%（2300万人）却不能获得这样的服务，而在（印第安人）保留地，互联网覆盖数据更加低的令人震惊。

实际上，根据近期政府统计办公室发布的报告，保留地地势偏远、崎岖，地面基础设施建设成本高昂，当地人异常贫困，使得提供高速互联网接入服务的努力遇到巨大障碍。美国政府已经认识到，将宽带引入这些尚未开发的区域，考虑用卫星实现宽带接入比用地面系统看起来是更为可行的选择。通过使用V频段的超高数据速率，FSS卫星系统可以成为政府实现全面宽带服务承诺的有效手段，包括为居住在目前尚未开展业务和未开发区域的人口提供服务。

2.促进宽带市场竞争

使用大型LEO星座、V频段的下一代卫星系统，业务的定位为提供超高数据速率的宽带接入，满足低时延、有竞争力的接入速度、性能和价格等要求，而且让人们不会感觉到由于其居住地不同而带来任何差异。

过去十年来，高速固定宽带市场是相对停滞的：用户不得不承受较高的价格，几乎没有什么选择。以达到25M下行业务作为基线，每4个美国家庭中有3个是由单一运营商提供服务或根本就没有服务。而发射并运营实验V频段的新一代宽带卫星系统将极大改善这种不公平的差距，通过引入卫星宽带系统，产生新的国内竞争者，可以让这个市场再次焕发生机。

3.提高频谱利用率的目标得到进一步扩展

毫米波技术、数字相控阵技术已经可以实现大量小波束设计，高频FSS系统能在一个给定卫星转发器内实现一组频率的多次复用。因此，V频段FSS将不仅能够启用当前闲置的50.4～51.4 GHz和51.4～52.4 GHz频段，还能以为公众服务的方式，使有限频谱资源价值得到最大程度的发挥。

另外，上下行对称的频谱资源是提高频率利用率的重要条件，一旦FSS（地对空）获得该频段的频率划分和授权，即获得上下行各5GHz频谱资源并得以充分利用，从而增加整个Q、V频段的FSS划分频率利用率。

三、FSS系统使用V频段的技术可行性分析

波音公司在申请中也系统地论证了FSS星座系统使用V频段的技术可行性，认为“FSS操作者在同频共用和包括射电天文、卫星地球探测业务（EESS）在内的邻频用户避免干扰方面有丰富的经验，FSS操作者在有效利用这些频谱同时不增加与现有业务共用频率的干扰风险”，波音公司重点分析了与相关现有业务间的频率兼容性。

1.对地面固定与移动业务的保护

目前，没有非政府用户在用这一频段开展地面无线业务。另外，尽管2015年世界无线电通信大会（WRC-2015）提出要对国际移动通信系统（IMT）使用该频段的潜在可能性进行研究，但看起来要满足对EESS（无源）业务和空间操作业务带外干扰的保护，对IMT而言是十分困难的，这使得IMT考虑该频段非常不适宜，因此在可预见的将来，该频段没有使用。

2.对卫星地球探测业务的保护

《无线电规则》决议750中对使用50.2～50.4 GHz和52.6～54.25 GHz频段的EESS（无源）业务免受使用邻频的有源业务干扰提出了明确的功率保护限值要求。例如：

要求FSS地球站在50.4～50.9 GHz频段内的带外发射不得超过-20dBW/200MHz （接收天线输入端，接收天线增益大于等于57 dBi），或不超过-10dBW/200MHz（天线增益小于57 dBi）。经确认，FSS卫星系统能够满足这些限值要求。

另外，决议750中要求使用51.4～52.6 GHz频段的固定业务在EESS（无源）业务使用的频段内产生的功率不得超过-33dBW/100MHz，当拟使用相应频段的FSS系统同样满足这一限值要求，即可以确保新增的FSS业务不会对EESS（无源）业务产生有害的干扰。波音公司了解并确认相应的FSS系统能够满足这些限值要求。

同时，卫星点波束的精确的赋形能力，使得FSS能够在高频段与需要保护的业务共用，包括邻频的带外干扰抑制。由于使用该频段的用户数量极其有限，NGSO FSS卫星操作者在与其进行协调过程中，还可以根据具体情况，在必要时采取降低发射功率，调整波束避免指向其无源接收机等措施确保对EESS系统的保护。在42～42.5 GHz频段FSS已经通过这些措施实现了对无源业务的保护，因此可以推断，FSS在50.4～51.4 GHz和51.4～52.4 GHz频段的操作也同样可以满足保护要求。

3.对射电天文的保护

《无线电规则》决议750中对使用50.2～50.4 GHz和52.6～54.25 GHz频段的EESS（无源）业务的保护限值同样适用于使用该频段的射电天文业务。在满足这些功率限值的基础上，为进一步确保射电天文业务的安全，在必要情况下，FSS系统操作者还可以通过划定射电天文观测站附近一定范围内的保护区的方式提供保护。

4.对其他联邦政府用户业务的保护

由于NASA和部分军用操作者的雷达研究项目正在使用50～55 GHz的部分频段，为避免对其产生有害干扰，FSS卫星系统可以采取隔离区的方法，在与这些用户台站一定隔离距离的区域外工作。这种方法在保护射电天文业务的过程中已被证明是十分行之有效的。

四、频率资源争夺引发的思考

波音公司这一申请，将宽带通信卫星频率资源的战火，从目前愈演愈烈的Ka频段，一下子扩展到尚未被业界关注的V频段，FCC对其的审批可能需要一定复杂的论证过程，审批结果也需要拭目以待，但波音公司这种未雨绸缪和另辟蹊径的寻求解决频谱资源的思路和努力仍是值得赞赏的。

当我们将这一事件的背景放在更大的时间和空间尺度上进行分析，不难发现，波音公司提出这一申请绝非头脑发热，而是有着长久的历史积累和超前的国际视野。如前文所述，波音公司的V频段申请，首先基于自身发展需要，同时也很好地结合了国际频率划分研究的整体环境。以下分别从这两方面分析波音公司提出V频段FSS频率划分需求的前瞻性。

1.自身星座系统发展的需要

波音公司的星座项目计划与著名的Teledesic系统相关。人们总是选择记住那些成功的事物，铱星和全球星项目尽管历经波折，但毕竟走到了今天，先后开始第二代的运营，因此在第二次星座浪潮中被讨论的最多。实际上，早期Teledesic的情形与其颇为相似，其发展历程同样可以追溯到20世纪90年代第一次星座浪潮。

Teledesic公司成立于1990年（主要投资人是著名的移动电话企业家Craig McCaw和微软的比尔·盖茨），旨在通过LEO卫星星座系统提供商用宽带互联网接入服务，提供上行达100Mbit/s、下行达720Mbit/s的数据速率。最初于1994年提出的星座规划为700km轨道高度，840颗卫星，预算达90亿美元，即使在今天看来也是一个过于野心勃勃的计划，后来于1997年计划调整为1400km轨道，288颗卫星（12个轨道面，每个轨道面24颗星）。此后，受铱星和全球星遭受失败并先后进入破产保护的影响，Teledesic项目也进入停滞阶段，并于2002年10月1日正式发布声明暂缓该项目的实施。

在项目推进过程中，Teledesic于1997年3月14日获得FCC的许可发射并运营NGSO卫星系统提供FSS业务的授权，同时获得了使用部分Ka频谱资源的许可，具体为17.7～20.2 GHz（空对地方向）和27.5～30 GHz（地对空方向），其中用户链路的频率分别为18.8～19.3 GHz/28.6～29.2 GHz，馈线链路收发频率分别为17.8～18.6 GHz/27.6～28.4 GHz。特别的，FCC于2001年还修改了颁发给Teledesic的许可，允许其使用V频段（66～67 GHz，69～70 GHz）提供星间链路业务，以保障Teledesic能够为全球范围内的用户提供先进的宽带通信服务。

值得一提的是，由于Teledesic在ITU登记的网络资料的有效期为2004年9月26日，即Teledesic必须在此日期前将系统投入使用，而FCC颁发给Teledesic的许可期限比该时间晚两年，因此FCC要求Teledesic“在2004年9月26日之前发射其第一颗卫星，并启用相关网络资料指配的所有频率”，并认为这将保护美国的国家利益以及有助于Teledesic在国际频率协调中获得认可（实际上，Teledesic于1998年发射了世界首颗商业Ka卫星，Teledesic-T1）。

使用巨大篇幅介绍Teledesic系统的原因在于，波音公司正是当年Teledesic系统的研制方。波音公司与Teledesic早在1997年4月开始正式合作，波音以1亿美元投资Teledesic持有其10%股份，并负责Teledesic卫星系统的设计、研制与发射。

波音公司一向以敢于创新和技术实力著称，Teledesic星座项目中波音同样表现出了超前的设计理念并挑战诸多关键技术（虽然星座项目由于商务原因未能实施，但Teledesic-T1的成功已充分说明了这一点）。本文开始引用的新闻中所述的波音公司宣布的卫星计划不同于其早期与Teledesic合作的星座项目，包括采用完全不同的频率方案，但其中的关联性仍是不言而喻的。

2.与国际市场、规则发展形势紧密结合

在第二轮星座热潮汹涌而至的当前态势下，Ku尽管已被大量使用静止轨道的传统通信卫星占用，但由于其成熟的技术和市场仍然是传统卫星运营商开展宽带业务的首选方案；同时，Ka频段日趋成熟，使其成为很多新的通信卫星运营商的不二选择。即便如此，摆在新老卫星操作者面前的普遍问题仍然是：频率资源短缺。

为此，无论是卫星操作者，设备/系统研制方，还是各国政府乃至国际电联，都在为不断增长的频谱需求寻求解决之道。WRC-15确定的下一届大会（WRC-19）的议题中有多项涉及到通信星座用频的问题，主要包括：

● 议题9.1.3：NGSO FSS新系统使用3700～4200 MHz，4500～4800 MHz，5925～6425 MHz和6725～7025 MHz频段的技术、规则研究；

● 议题9.1.9：研究为FSS（地对空）在51.4～52.4 GHz频段的频谱需要以及可能的频谱划分；

● 议题7问题A：对于协调阶段的NGSO卫星网络频率指配的“投入使用”要素研究。

众所周知，世界无线电通信大会的议题设置，既是全球范围内某种无线通信业务发展对频谱需求的增长趋势的反映，也是各利益相关方（包括行业与行业间、国家与国家间）利益关系的博弈与平衡。从波音公司向FCC提出的申请看，正是WRC-19议题9.1.9要研究的内容，在本研究周期刚刚开始阶段就如此鲜明地表明自己的意见，充分说明了波音公司在该议题上的立场和诉求。

值得一提的是，波音公司在提交给FCC的申请中表示：尽管“WRC-15决议162明确提出，卫星业务在统一的发展中，包括点波束和频率复用等提高频谱利用率的宽带接入技术发展中扮演着极其重要的角色。决议162提出一系列51.4～52.4 GHz频段作为主要增加FSS划分的相关研究内容，尽管这些研究集中于GSO卫星系统的馈线链路的应用，但也应该考虑到FSS其他应用类型，例如NGSO星座等，任何国家都有权基于其本国的频谱环境和需求指配这段频谱的使用”。由此可见，波音公司在支持WRC-19议题9.1.9的立场和目的十分鲜明，就是要应用该频率资源开展前文所述的NGSO星座项目。

尽管目前波音公司尚未发布进一步的星座计划详情，但从WRC议题研究的角度不难发现，首先获得本国国家主管部门的许可，借助国家力量在国际上推动相应频段的划分，该频段一旦在2019年WRC-19大会上获得通过，波音公司势必将成为使用该频段实现宽带通信星座系统的领先者。可以看到，这与当年Teledesic获得Ka频段毋庸置疑的优先地位的情况如出一辙。

总的来说，频率资源不会天然获得，需要在前期付出各自艰苦的努力，很多是在看似不可能的条件下进行的，这需要操作者同时具备多种素质：

● 对频率资源战略意义的战略眼光；

● 对规则、技术、市场的宏观预判；

● 巨大的力量投入和时间成本。

波音星座项目能否顺利实施并取得商业成功，当前的任何判断都为时过早，但从波音和Teledesic合作以及目前我们看到的其为解决频率资源问题所做的努力，至少可以认为在频率这一关键问题上波音的星座项目是非常有远见的。希望波音的做法能够得到更多业内同行的关注，真正认识到频率资源超前储备的意义并付诸行动。