卫星通信网无线电频率使用率评价浅析

刘海洋，杨夏青

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 研究背景

《中华人民共和国无线电管理条例》[1]（2016年版）（以下简称“《条例》”）第十六条第二款提出，“无线电频率使用许可证应当载明无线电频率的用途、使用范围、使用率要求、使用期限等事项”。为配合无线电管理机构所做出的无线电频率使用许可监督检查，工业和信息化部2017年颁布《无线电频率使用率要求及核查管理暂行规定》[2]（工信部无[2017]322号，以下简称“《使用率规定》”），并规定自2018年1月1日起施行。《使用率规定》中包括地面业务频率使用率通用要求以及空间业务频率使用率通用要求等内容，其中空间业务频率使用率通用要求中包括卫星固定业务、卫星广播业务、卫星移动业务和卫星通信网四类。卫星固定业务、卫星广播业务、卫星移动业务频率使用率评价方法，笔者已先期撰文进行了分析。本文仅对卫星通信网无线电频率使用率要求的评价方法进行初步研究和探索。

2 我国卫星通信网应用现状及特点

《无线电规则》（2016版）和《中华人民共和国无线电频率划分规定》[3]（2018版）并没有对卫星通信网进行定义，国际上也没有通行的管理模式，但在我国，卫星通信网是无线电业务行政许可重要事项，也是空间业务管理的核心元素之一。在《条例》中对于卫星通信网应用赋予了相应地位，即“组建卫星通信网需要使用卫星无线电频率的，除应当符合本条例第十五条规定的条件外，还应当提供拟使用的空间无线电台、卫星轨道位置和卫星覆盖范围等信息，以及完成国内协调并开展必要国际协调的证明材料等”。

在《建立卫星通信网和设置使用地球站管理规定》（工信部令第7号，2009年）中规定“卫星通信网，是指利用卫星空间电台进行通信的地球站组成的通信网。”

在卫星通信原理等相关学术书籍中，定义卫星通信网是由一个或数个通信卫星和指向卫星的若干地球站组成的通信网络。按照卫星的服务区域来划分，卫星通信网可分为国际卫星通信网、区域卫星通信网以及国内卫星通信网。国际卫星通信网：利用覆盖全球的卫星波束为全球范围内的卫星通信用户提供通信服务的通信网；区域卫星通信网：利用覆盖几个国家（区域）的卫星波束为一定地区范围内的卫星通信用户提供通信服务的通信网；国内卫星通信网：为特定某个国家范围内的卫星通信用户提供通信服务的通信网。

由于本文所研究的无线电频率使用率评价标准及评价方法支撑的《使用率规定》属于国内管理性质的规范性文件，因此本文的研究对象指的是国内卫星通信网，不涉及国际及区域卫星通信网。

目前，我国已经批复允许组建卫星通信网的空间电台有中国卫通股份有限公司的中星10号等中星系列、亚太7号等亚太系列及中信数字媒体网络有限公司卫星通信分公司的亚洲7号等亚洲系列。

在批复的卫星通信网中，使用单位涉及新闻媒体、生产运输和金融证券等多个行业和领域。经过实际监测发现，卫星通信网的使用有如下特点：

（1）以C 和Ku 频段为主。有的通信网是C 或Ku 的单频段，有的两种频段都有。对于建设时间较早的用户，以C 频段为主，而建设时间较晚的用户以Ku 频段为主。

（2）通信手段多样化。部分卫星通信网为备份通信方式或应急通信方式，例如组建的卫星通信网有的为备份网，有的为分时网，有的为业务呼叫触发网等特殊应用。

（3）承载业务广泛。从业务角度看，目前我国应用的有卫星固定业务通信网（如传统静止轨道卫星通信系统）、卫星广播业务通信网（利用卫星固定业务开展卫星广播电视应用）和卫星移动业务通信网（如海事卫星通信系统）。

（4）使用地域分布不同。根据不同卫星通信网的建设目的，有的网内地球站只在某省内分布，有的网内地球站分布在有限的几个省份内，有的网内地球站在全国范围各省均有分布。

（5）通信带宽差异较大。不同用户组建卫星通信网租用的卫星转发器带宽差别很大，有的上百兆，比如广电系统，有的只有几兆甚至更小带宽。

（6）时间占用度不高。鉴于卫星通信网的组建目的大多是作为传统通信手段的备份，或者作为应急通信方式，因此仅在特殊情况下或者业务触发时才使用，因此，监测期间很可能存在卫星发射设备不发射载波的状态，表现出来就是时间占用度不高。

3 无线电频率使用率评价指标

根据《使用率规定》的要求，主要采用频段占用度、年时间占用度、区域覆盖率以及用户承载率等指标对空间无线电业务进行评价。具体如表1所示。

表1 空间无线电业务评价指标

（1）频段占用度指实际使用频率范围与行政许可批准的使用频率范围之比。

（2）年时间占用度指一年中实际使用频率的天数（或小时）与全年天数（或小时）之比。根据实际使用情况，可采用日、月时间占用度，或结合用户和无线电业务实际使用情况进行评价。

（3）区域覆盖率指取得许可的频率开展无线电业务的实际使用地域（以平方千米为单位）与行政许可批准的频率使用地域的面积之比。

（4）用户承载率指取得许可的频率开展无线电业务实际承载的用户数量与经专家评估论证应能承载的用户数量之比。

对卫星通信网来讲，需要评价频段占用度、区域覆盖率和用户承载率三个指标。简单做如下分析。

频段占用度是实际使用频率范围与行政许可批准的使用频率范围之比，从频谱使用情况对卫星通信网的利用效率进行评价。对卫星固定业务、卫星广播业务、卫星移动业务的频段占用度评价的重点在整颗卫星，反映的是某颗卫星频率使用的特点，考虑的修正因子比较多。而卫星通信网的频段占用度重点考量卫星通信单个用户的使用特点，修正因子相对较少。

区域覆盖率是指取得许可的频率开展无线电业务的实际使用地域与行政许可批准的频率使用地域的面积之比，可以反映卫星通信网实际提供服务的地域情况特征。针对区域覆盖率，行政许可批准的频率使用地域面积可以从卫星通信网获得的频率使用许可证中获取，开展无线电业务的实际使用地域跟网内地球站获得电台执照的情况有关。考虑到部分卫星通信网是系统专用的，每省份只需建设1～2座地球站即可。因此，如果卫星通信网在某省份建设好一座地球站并从相关无线电管理部门处获得该地球站的无线电台执照，即视为该卫星通信网在该省份开展无线电业务。所有开展业务的省份即该卫星通信网实际使用地域。

用户承载率是指取得行政许可的频率开展无线电业务实际承载的用户数量与经专家评估论证应能承载的用户数量之比。该评价指标可反映系统的业务饱满程度，对于业务饱满度低的用户，说明其获得的频率在一定程度上存在浪费的情况，在后续的行政审批管理中，可酌情考虑降低其获得的频率资源，以进一步提高整体的频谱使用效率。这里的实际用户数量，也是以该卫星通信网内获得无线电台执照的地球站数量为准。

4 评价方法研究

参照国际电信联盟报告书《频谱占用率测量和评估》有关内容，从卫星监测数据采集和分析的角度出发，提出《使用率规定》中卫星通信网频段占用度、区域覆盖率和用户承载率的评价方法，同时结合文中所述卫星通信网应用的特点，加入修正因子，以便更好地反映实际的用户使用情况。

（1）频段占用度的评价。根据定义，频段占用度指实际使用频率范围与行政许可批准的使用频率范围之比。咱们先来看行政许可批准的使用频率范围这个分母。按照2017年工业和信息化部发布的《无线电频率使用许可管理办法》，用户要组建卫星通信网开展公网或专网通信应用，必须向国家无线电管理机构申请取得无线电频率许可证。许可证上会标明批准使用的频率范围，比如1525MHz-1559MHz，水平极化。

这里重点研究实际使用频率范围。它包括两个方面的数据，一个是实际监测到的使用频率范围，另一个是引入备份率因素后的使用频率范围。对于实际监测使用频率范围，一次监测任务得到的频段占用度为：

式中，N 为信号个数；BO为卫星监测系统测量出的每个信号的占用带宽；B 为行政许可批准使用频率带宽。

为了尽量反映出一年中频段占用度的不稳定因素，可以采取多次执行监测任务取平均值。

式中，NY为每年对相关卫星通信网频段监测的次数。

也可以充分考虑卫星通信特点，相对应于地面业务“忙时”的概念，取一年中多次执行监测任务取最大值。

最大频段占用度=Max{频段占用度1……频段占用度NY} （3）

式中，NY 为每年对相关卫星通信网频段监测的次数。

考虑到有些特殊行业用户，租用卫星通信网带宽中有一部分是作为备份的，正常通信情况下并不使用全部频率带宽资源。如果引入备份率因素，频段占用度可以修正为：

式中，n 为备份率，且0＜n ≤1。假设行政审批的带宽中有20%的带宽需要用来作安全备份，则n=0.2。

（2）区域覆盖率的评价。根据定义，区域覆盖率是指取得许可的频率开展无线电业务的实际使用地域与行政许可批准的频率使用地域的面积之比。一般地，我们假定某个卫星通信网获得的行政许可批复的使用地域为全国范围，为了简化分析，我们将全国地域范围等效为34个省级行政区（23个省、5个自治区、4个直辖市、2个特别行政区）。根据卫星通信网的使用特点，我们可以用两种方法评价区域覆盖率，一是卫星通信网中不含动中通地球站；二是卫星通信网中包含动中通地球站。两种模式下的区域覆盖率评价方法各不相同。不含动中通地球站的卫星通信网区域覆盖率计算方法如下。

式中，S主为主站已建，计数为1，主站未建，计数为0；S端为省内端站建设数量大于等于1，此省可记为覆盖，计数为1，省内未有端站建设，此省记为未覆盖，计数为0（主站和端站不重复计数）；M 为所批复覆盖省市的数量。

包含动中通卫星通信网的区域覆盖率计算方法如下。

式中，S主为主站已建，计数为1，主站未建，计数为0；S端为端站覆盖区域省市数量（主站与端站、各端站间所覆盖省市不重复计数）；N为端站总数；M为为所批复卫星通信网覆盖省市的数量。

（3）用户承载率的评价。使用用户承载率指标评价卫星通信网，能督促用户单位为该网内设置的地球站办理无线电台执照。考虑到《条例》中规定单收无线电台可以不办理无线电台执照，因此可用该卫星通信网内获得无线电台执照的地球站数量和用户上报单收地球站数量之和，与用户在申请建立卫星通信网时规划论证的网络规模相比，即：用户承载率=（u发+u收）/U 来考核用户承载率。

式中，u发为卫星通信网内获得无线电台执照的卫星地球站数量；u收为卫星通信网内报备的单收卫星地球站数量以及卫星通信网建网单位上报的单收地球站数量之和；U 为批复的组建卫星通信网技术方案中建网规模。

5 结束语

本文根据《使用率规定》中提出的卫星通信网频段占用度、区域覆盖率和用户承载率等三个评价指标，对这三个指标的评价算法进行了探索研究，提出了单次算法、平均值算法和最大值算法，并考虑了备份率调节因子，分动中通和非动中通卫星通信网分别评价区域覆盖率，既重视卫星监测实际数据，也充分考虑卫星用户提供的补充信息，从资源监测、频谱管理、行政许可等多维度、多角度对卫星通信网无线电频率使用率进行了初步研究和探索。

卫星通信系统包括卫星通信网的无线电频率使用率评价是一个新课题，本文提出的各种评价算法还有待实际监测数据的验证，并期望在实际应用中不断改进和优化。