ITU和FCC对NGSO卫星的功率通量密度限值研究

刘明星，马雯雯

（国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站，乌鲁木齐 830054）

0 引言

由于无线电频率资源的稀缺性和一定程度的排他性，导致此类特殊资源不能无所顾忌的使用，但人类的生产生活对无线电频率资源的依赖却与日俱增。为缓解频率资源的紧张，各国的研究者在探索提升频率资源效率的方法，最直接的体现在《无线电规则》中同一段频率被划分给多种无线电业务使用，且频率划分规定在不停的修订补充和完善。

为规范各类无线电业务和应用，使频率资源能够合理高效利用，在频率划分规定中有地位之分，即主要业务和次要业务之分。在同一频段内具有相同地位的无线电业务之间的共享也需要进一步的限定或规定，例如固定业务和卫星固定业务在10.7-12.7GHz、17.7-20.2GHz频段同为主要业务，但二者之间的共存对卫星固定业务提出了功率的限值，用于保护地面的固定业务，这一限值由功率通量密度（PFD，Power Flux Density）表达。

功率通量密度用于描述单位面积上在一定参考带宽内的功率值，单位为dBW/m2（参考带宽），常用的参考带宽为4kHz和1MHz。其表达式如下[1]：PFD=Ptx/S，S=4πR2，计算示意图如下所示。

图1 PFD计算示意图

1 ITU和FCC的功率通量密度的适用范围

PFD用于限定工作在某频段的某种空间业务的空间电台到达地球表面的单位面积功率值，该值可能有适用的频段、业务及地理区域的限制。国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）和美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communication Committee）分别制定了各自关于PFD使用的规则，详细如下。

1.1 国际电信联盟的PFD限值适用范围

ITU关于空间电台的PFD限值规定在《无线电规则》第21条第21.16款的表格21-4中[2]，包含L，S，C，X，Ku，Ka，V等频段，涉及的频段范围为1.5GHz-50.2GHz，详细如表1所示。

ITU的规定中，涉及的空间业务分别为卫星移动业务（MSS）、卫星固定业务（FSS）、卫星广播业务（BSS）、卫星地球探测业务（EESS）、空间研究业务（SRS）、空间操作业务（SOS）、卫星间业务（ISS）、卫星气象业务（MetSat），共8种。部分频段的PFD限值有地理区域的限制，在使用的方向也有限制，对不同的轨道类型也有不同的规定。

表1 ITU规定的PFD限值的适用范围

表1中用于限定卫星固定业务非静止轨道卫星（NGSO FSS）的PFD限 制 涉 及3400-4200MHz、10.7-12.75GHz、17.7-19.7GHz、37.5-42.5GHz。上述频段中Ku、Ka和V频段将被广泛用于NGSO系统中，第3节将对用于NGSO系统的PFD限值详细的分析。

1.2 美国通信委员会的PFD限值适用范围

FCC关于PFD规定条款在联邦法规第47卷第25部分（CFR47 PART25）的25.208中，包含S、C、Ku、Ka和V等频段，涉及频率范围为2.4-42.0GHz，详细如表2所示。

表2 FCC规定的PFD限值的适用范围

对比FCC和ITU关于PFD的规定，ITU的规定详细，涉及的业务种类更多也更具体，适用的频率范围更广。美国FCC的规定涉及的频段少，大部分频段涉及的业务未明确指出，这种没有指定特定业务的限制也同样有效，在一定条件和场合下适用的业务对象和系统更广泛，也更加灵活。

FCC对卫星固定业务的NGSO应用在Ku、Ka和V频段分别作了专门的限定，为今后NGSO的发展奠定基础，也符合当前大型NGSO星座系统的申请情况，本研究中的FCC法规（2019年3月版）是始于2012年的PART25规则修订的产物，修订加强了对NGSO系统的针对性和指向性。美国早在2012年就着手修订倾向于非静止轨道卫星在卫星固定业务中的应用，而各国向国际电联申报NGSO星座系统的热潮始于2014年[4]。

图2 全球向ITU申报的NGSO系统（卫星数量大于10颗）

从规则有倾向性的修订和NGSO系统发展的新的热潮的时间关系来看，美国依旧是NGSO系统热潮的策源地。第3节将针对非对地静止轨道的卫星固定业务系统主流用频分析FCC和ITU关于PFD限制的异同之处。

2 美国联邦通信委员会和国际电信联盟在不同频段的对比

ITU对各频段PFD的限值规定在《无线电规则》21条中给出，FCC对各频段PFD的限值规定在PART25的25.208中规定。本节将结合典型的卫星固定业务的NGSO星座，对美国和ITU的PFD在Ku、Ka和V频段的具体限值进行对比分析。

2.1 Ku频段PFD限值对比

Ku频段丰富的频率资源和成熟的技术方案成为NGSO星座申报的热门频段之一，目前NGSO卫星网络资料中申报Ku频段的卫星网络资料85份[4]。OneWeb、Starlink、Theia等操作者为各自的NGSO星座申请Ku频段的频率资源[5-7]。

2.1.1 10.7-11.7GHz频段的PFD限值对比

表3 10.7-11.7GHz频段的PFD限值

表3中的参考带宽不同，将ITU的参考带宽归化至4kHz，即10*lg（1000/4）=24dB。可以看出，FCC和ITU在10.7-11.7GHz频段的限值相同。

以下二图，分别为SpaceX和OneWeb在Ku频段（10.7-11.7GHz）的PFD限值，图中可以看出，FCC和ITU的在上述频段的限值相同（参考带宽统一后），对比两个星座的限值结果，差异不大。

图3 SpaceX在Ku频段的PFD限值

图4 Oneweb在Ku频段的PFD限值

2.1.2 11.7-12.7GHz频段的PFD限值对比

FCC在11.7-12.7GHz频段未设置PFD限值，在各操作者向FCC的申请文档中均使用ITU的限值进行分析。相较于10.7-11.7GHz频段的PFD限值，ITU在11.7-12.7GHz频段的限值在低仰角区间（0-25°）增加了2dB，在高仰角区间（25-90°）增加了2dB，变得较为宽松，详细如表4所示。

表4 11.7-12.7GHz频段的PFD限值

以下二图，分别展示了SpaceX和OneWeb在Ku频段（11.7-12.7GHz）的PFD限值（选用ITU标准）。图5、图6中可以看出，SpaceX的限值和OneWeb的限值之间的差值超过30dB，且其与规定限值的余量达到近35dB。SpaceX在10.7-11.7GHz的系统余量与11.7-12.7GHz频段有较大的差异，这将为该系统的在Ku频段的功率分配和频率复用机制的有效实施带来一定程度的麻烦，Ku频段内的系统效能也无法统一。

图5 SpaceX在Ku频段的PFD限值

图6 Oneweb在Ku频段的PFD限值

此外，FCC在12.2-12.7GHz频段单独设定了NGSO系统对多路视频与数据分布业务（MVDDS：Multichannel Video and Data Distribution Service）系统的保护限值。

表5 12.2-12.7GHz频段的PFD限值

相较于ITU在12.2-12.7GHz的PFD限值，FCC对该频段NGSO系统对MVDDS系统在0-5度的限值较之ITU严苛10dB。但根据实际的应用来看，NGSO的星座系统卫星下行信号的仰角远大于5度，如图7中Starlink星座中卫星的覆盖所示，实际的干扰情况发生的概率较低，上述规则使用的概率也不高。

图7 SpaceX系统的仰角示意图

在现有的功率条件下，系统余量越多，其增加功率带来的系统性能提升也越明显，且协调的难度也越小。

2.2 Ka频段PFD限值对比

截至2019年底，全球向ITU申报的Ka频段NGSO卫星网络共计214套[4]，向FCC为NGSO星座系统申请Ka频段资源的达到8个[5-12]。

关于Ka频段，FCC在2019年3月版的卫星通信管理法规（CFR47-PART25）中，未对Ka频段NGSO系统的PFD进行单独限定，仅对17.3-17.7GHz的BSS业务和17.7-19.7GHz的GSO系统做了限定，推测FCC对NGSO在Ka频段的使用持支持和保护的态度，且美国的5G频率规划仅占用27.5-28.35GHz的Ka频段[13]。同时SpaceX等操作者认为，美国向ITU申报的地面业务台站的数量少、且分散程度高，其保护的需求不明显，协调的难度也较小，出现潜在干扰的可能性较低。从Ka频段业务划分的最新修订情况来看，FCC极力支持Ka频段NGSO系统的应用。

（1）17.7-19.3GHz频段的PFD限值对比。FCC在Ka频段虽未在25.208款中单独对FSS-NGSO系统的PFD设定限值的约束，但是在25.146款中规定：10.7GHz-30GHz频段的FSS-NGSO系统需符合ITU关于PFD的限值规定，ITU的限值规定如表6所示。

表6 17.7-19.3GHz频段的PFD限值

表6中，X由卫星的数量确定，计算公式如下：X=0dB，N≤50；X=5/119（N-50）dB，50＜N≤288；X=1/69（N+402）dB，N＞288。OneWeb和SpaceX均使用了用系统的卫星数量计算PFD限值，这种做法更加契合实际的情况，便于协调。

表7 19.3-19.7GHz频段的PFD限值

19.3-19.7GHz频段，FCC同样未规定PFD限值，ITU的限值见表7。与17.7-19.3GHz频段不同，该限值的计算方法与系统中卫星的数量无关。

对于19.7-20.2GHz频段，ITU和FCC均未规定限值，依照《无线电规则（2016版）》的规定，NGSO在此频段使用需要满足5.484A、5.484B、5.516B、5.527A等条款的限制[2]。

OneWeb和SpaceX两个星座分别针对ITU和FCC的限值要求做了分析和测算，如下所示。

图8 SpaceX关口站在Ka频段的PFD限值

图8中SpaceX关于Ka频段PFD限值的分析基于FCC《卫星通信管理法规》第25.208（c）款，其空间电台的功率通量密度完全符合限值的规定，且有超过10dB的余量。

图9中OneWeb系统关于Ka频段PFD限值的分析基于《无线电规则》第21条表格21-4中的分析。17.7-19.3GHz的PFD限值有两种定义方式，分别为与卫星数量有关和与卫星数量无关，OneWeb选择与卫星数量有关的计算方法，其更严苛，而且计算的结果有20dB的余量，如图8所示。

图9 Oneweb在Ka频段的PFD限值

比较上述OneWeb和SpaceX的限值，其结果有较大的差异，因ITU和FCC规则的不一致性导致。采取严苛的限值条件，对系统提供的服务可能会有影响，但对于协调来说，有很大的促进作用，需要操作者根据实际情况取舍。Ka频段同时作为GSO高通量卫星和NGSO宽带卫星系统的首选频段，以及5G毫米波的候选频段，各系统间的共存将面临很大挑战。

2.3 V频段PFD限值对比

下一个热门的频段将是37.5-42.5GHz为卫星业务下行的V频段，向ITU申报该频段的空间业务网络资料数量高达930个[4]。为保护地面相关业务，ITU和FCC均设置了相应的PFD限值，FCC对V频段的PFD限值规定在25.208（r）款中，详细如下。

2.3.1 37.5-40.0GHz频段的PFD限值对比

表8 37.5-40.0GHz频段的PFD限值

FCC和ITU关于37.5-42.5GHz频段的限值在仰角0-25度范围内不同，限定的方法也不同，ITU规定了3个角度区间，FCC规定了2个角度区间。在此频段，仰角为0-20度时，FCC的PFD限值比ITU的限值高出约12dB，仰角在20-25之间，FCC的限值较ITU高12-0.35（δ-5）dB。此频段FCC的限值严苛，与美国的5G毫米波频段规划方案有密切的关系[8]。NGSO工程推进中为避免美国国内协调和国际协调的不一致性，降低协调难度，SpaceX等操作者均选择FCC的限值来遵守。

2.3.2 40-40.5GHz频段的PFD限值对比

在40-40.5GHz频段，FCC和ITU未单独为NGSO系统限定PFD值，ITU对FSS的限值与FCC的限值相同，详见下表。

表9 40.0-40.5GHz频段的PFD限值

2.3.3 40.5-42GHz频段的PFD限值对比

在40.5-42GHz频段，FCC和ITU对NGSO系统规定了相同的PFD限值，详细如下。

表10 40.5-42.0GHz频段的PFD限值

2.3.4 42-42.5GHz频段的PFD限值对比

在42-42.5GHz频段，FCC无限值，ITU对NGSO系统规定的PFD限值，详细如下。

表11 42.0-42.5GHz频段的PFD限值

整体来看，ITU在V频段对PFD规定限值的频率范围较之FCC广，但FCC在部分有限值的频段，大多定义了特定的业务或特定的用途，或为保护地面的特有业务设定了专门的限值。

对比V频段的限值，FCC在37.5-40GHz频段的规定最严苛，如图10所示，OneWeb星座对PFD的限值的符合FCC和ITU限值的要求。

图10 OneWeb在V频段的PFD限值

图11 SpaceX在V频段的PFD限值

图11展示SpaceX在V频段的PFD限值，其满足ITU的限值，但不满足FCC的在37.5-40GHz的PFD限值要求且功率值接近限值门限，若需要满足FCC的要求，需要进一步限制卫星的下行功率，会对系统容量和服务能力产生负面的影响。另外，Starlink星座的在37.5-40GHz不符合FCC的规定，这将对未来该系统与5G的协调带来难度。

此外，FCC与ITU关于PFD限值的规定还有一点不同，FCC规定未限定业务，仅限定了轨道类型（GSO或NGSO），其适用性较之ITU更广泛，限定范围更广。

3 结束语

本文通过分析FCC和ITU关于功率通量密度的规定，结合实际的工程案例分析其异同，掌握典型系统与规则的匹配情况。OneWeb系统完全匹配FCC和ITU的PFD规则，Starlink系统未能完全遵守FCC在V频段的规则，为其今后在美国国内的协调留下了隐患。掌握FCC就NGSO系统的规则使用的详情，能作为我国卫星系统与美国系统的协调依据。

目前，我国在实际的协调中主要使用ITU的规则，未专门针对国内的实际情况专门制定相关规则，而ITU的规则可能无法完全适用我国的国情。美国的规则有大量工程案例作为实践的依据，其规则能指导我国制定相关的规则。大型NGSO星座系统作为全球系统，可能对我国的相关系统造成影响，FCC的相关规定能够作为干扰评估的有效依据。及时分析和了解国外的规则能够为我国空间业务发展和推进提供必要的参考。