天地一体化信息网络卫星频率资源可行性研究

潘 冀，刘珊杉，韩 锐

(国家无线电监测中心，北京 100037)

0 引言

近年来，我国信息基础设施建设取得跨越式发展，高速光纤已覆盖全国所有城市、乡镇以及99%以上的行政村，4G网络用户超过12亿[1]。但是，我国天基信息网与地面互联网、移动通信网络之间的发展很不均衡，存在“天弱地强”的现象，在网络覆盖范围、网络抗毁能力、应急通信能力以及信息安全保障等方面还不能满足国家经济快速发展的要求，已成为制约我国信息基础设施建设发展的主要瓶颈[2]。

天基信息网络具有覆盖范围广、网络抗击毁能力强、通信受地面因素制约小等优势，是地面网络的有效补充。天地一体化航天互联网的概念自沈荣骏院士于2006年首次提出以来，受到了广泛的关注[3]。中国宇航学会在2007年与2012年先后两次召开学术年会，开展与航天互联网相关研究的专题研讨。2013年，国内就天地一体化信息网络首次召开高峰论坛，受到产学研各界的热烈反响。第十二届人大于2016年审议通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要(草案)》，将天地一体化信息网络列入“科技创新2030—重大项目”[4]。2020年，国家明确新型基础设施建设范围，卫星互联网作为新一代信息技术演化生成的基础设施被纳入其中[5]。

天地一体化信息网络正处于从技术研究向工程建设迈进的关键时期，体系架构日趋完善[6]，指标要求逐步明晰[7]。与此同时，全球商业航天浪潮蓬勃兴起，OneWeb、SpaceX、Telesat等公司将低轨卫星星座建设推向新的高潮[8]，随之带来了卫星频率资源需求的迅猛增长，资源获取同使用的供需矛盾和结构性问题异常突出，世界各国申报储备、开发利用卫星频率资源力度空前。在新的形势下，开展针对天地一体化信息网络的卫星频率资源可行性研究具有重要的战略意义。

本文基于天地一体化信息网络在卫星移动通信(窄带)、宽带接入、中继传输方面的功能要求[7]，从无线电业务分类、卫星网络资料申报现状以及国际协调态势分析三方面出发，探寻频率资源的可行边界。

1 卫星移动通信可用频率资源分析

1.1 频率划分基础

能够匹配天地一体化系统卫星移动通信能力要求的频率资源主要集中在L频段，根据国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)《无线电规则》[9]与世界无线电通信大会2019(WRC-19)最后文件[10]的频率划分条款，L频段主要业务的划分情况如图1所示。

图1 L频段卫星移动业务划分/MHzFig.1 Allocation of L band mobile-satellite service

由此可见，在L频段为卫星移动业务划分了1 518～1 559 MHz(上行)，以及1 610～1 675 MHz(下行)的大部分频段。在1 518～1 675 MHz频段范围内，同时也为固定、移动、卫星气象等业务划分了频率资源，卫星移动业务须在《无线电规则》框架内与这些同样为主要划分的无线电业务共享频率资源。

1.2 卫星网络资料申报现状

卫星网络的频率资源须在ITU《无线电规则》的框架下，通过申报卫星网络资料获取。根据ITU对非规划频段卫星网络资料处理阶段的不同，可分为卫星网络资料的提前公布资料(A)、协调资料(C)和通知资料(N)。其中协调资料在国际电联的收妥日期非常重要，代表卫星网络资料申报的先后顺序，决定了其在卫星网络协调中的地位，地位落后的网络在使用频率资源时，不能对地位优先的网络造成有害干扰。通知资料则代表该卫星网络申报的频率资源已进入启用阶段，待进入频率总表后其使用具有受国际保护的地位。

自1997年世界无线电通信大会(WRC-97)后，ITU每两周发布一次国际频率信息通报(BR IFIC)，公布各个国家所属卫星网络资料的状态和协调列表，以及频率指配等信息。通过对IFIC数据库的梳理与分析，截止2020年2月[11]，当前各国在L频段卫星移动业务的卫星网络资料申报状态如图2所示。

图2 L频段卫星移动业务卫星网络资料申报情况Fig.2 Application status of satellite network filings in L band mobile-satellite service

在GSO卫星网络方面，从卫星网络资料的申报数量看，我国在L频段共申报56份网络资料，排在22个国家的第2位，仅次于阿联酋的58份。从卫星网络资料的申报阶段看，英国与俄罗斯处于领先地位，分别拥有15份与11份N资料。我国共申报8份N资料，排在第3位。

在NGSO卫星网络方面，我国共申报19份卫星网络资料，比第2名法国的数量(10份)多出近1倍。从资料申报阶段看，仅有法国、美国和俄罗斯共申报5份N资料，我国所有网络资料目前均处于C资料阶段，尚未有卫星网络进入N资料阶段。

1.3 国际协调态势分析

卫星网络资料的申报阶段与C资料收妥时间可在一定程度反映各国在某频段的协调地位，而细分的频率申报区间在所有申报资料中的占比则体现了各频率区间受关注程度，在一定程度上反映出其协调难度。通过对以上两类信息的统计分析，能够对后续卫星网络资料在该频段的协调态势进行初步判断。

表1分析了主要频率区间组在当前已申报资料中的占比和对应资料的申报阶段。如果该频率区间已有N资料申报，则统计具有频率组最多的国家；如果该频率区间仅有C资料申报，则统计具有频率组最早收妥时间的国家。

表1 L频段各组频率区间申报占比及其资料申报阶段Tab.1 Proportion of each frequency range in L band with the filing stage

从各频率组的协调地位看，GSO网络在所有频率区间都已有N资料申报，并且英国在4组频率都拥有最多的资料数量，而NGSO网络方面则是法国占据协调优势地位，在暂无N阶段资料的频率组都有协调地位最优先的C资料。从频率申报占比看，最集中的申报频率组为1525～1559 MHz、1626.5～1660.5 MHz，几乎占据卫星网络1/3以上的申报量。

从业务共用及系统规划使用情况看，除卫星移动业务外，L频段还有固定业务、移动业务、气象辅助业务、卫星气象业务、空间研究等多个业务的划分。在1 525～1 559 MHz和1 610～1 660.5 MHz频段，已有Inmarsat、Thuraya、ACeS、GlobalStar和Iridium等实际在轨运行的系统，需要开展多边协调，协调风险很高。在1 518～1 525 MHz和1 668～1 675 MHz频段，目前暂未有实际系统部署，但是在1 518～1 525 MHz频段，卫星移动业务系统在多个国家内的协调地位低于地面业务系统，而在1 668～1 675 MHz频段，我国部署了大量无线电探空仪，卫星移动业务与气象辅助业务的兼容情况不容乐观[12]。

总体而言，在1 525～1 559 MHz和1 610～1 660.5 MHz频段，已经有数个成熟的GSO和NGSO卫星移动系统在轨运行多年，我国在该频段不论是协调难度还是使用难度都相当高。在申报量暂时较小的1 518～1 525 MHz和1 668～1 675 MHz频段，尽管还未有实际系统部署，但也需尽早开展与地面业务和气象辅助业务的系统间共用研究。

2 卫星宽带接入可用频率资源分析

2.1 频率划分基础

能够匹配天地一体化卫星宽带接入通信能力要求的频率主要集中在Ka和Q/V频段。自2010年以来，随着Ka频段在卫星器件、天线技术及市场成熟度等多方面的不断提高，Ka宽带卫星迎来了高速发展。在资料申报方面，仅N资料就有30个国家申报了308份卫星网络资料，C资料数量则更是高达上千份。在系统规划使用方面，GSO卫星网络已基本布满地球同步静止轨道，有些网络资料甚至处于共轨状态；具有上千颗卫星组网计划的NGSO网络共有5份，卫星总数更是突破万颗。关于Ka频段频率资源的使用态势已有较多探讨[13-16]，后续申报的卫星网络在频率资源选择上已避无可避，须深入研究能够与已有系统共存的干扰规避技术。

本文将宽带接入部分的分析重点放在仍处于试验阶段的Q/V频段，探讨其频率资源的可用性，主要业务的划分情况如图3所示。

图3 Q/V频段卫星固定与卫星移动业务划分/GHzFig.3 Allocation of Q/V band fixed-satellite service and mobile-satellite service

在Q/V频段，划分给卫星固定业务的频率资源在下行有5 GHz频谱，上行有6 GHz频谱，其中51.4～52.4 GHz是WRC-19之后为GSO网络的新划分，暂未有网络资料公布，因此以下针对网络资料的统计分析到51.4 GHz为止。划分给卫星移动业务的频率资源共有4.5 GHz，其中1 GHz明确划分给下行。

2.2 卫星网络资料申报现状

Q/V频段目前在射频器件、天线技术和抗雨衰方面还不成熟，仍需进一步的技术攻关与资金投入[17]，相关的卫星网络资料大多处于C资料阶段，具体申报状态如图4所示。

图4 Q/V频段卫星网络资料申报情况Fig.4 Application status of satellite network filings in Q/V band

在GSO卫星网络方面，共有43个国家申报了1 010份网络资料，为方便展示，图4(a)按照C资料申报数量大于10或已申报N资料的国家进行筛选。从网络资料申报数量看，我国在Q/V频段共申报74份C资料，与英国并列排在第3位，法国则以234份C资料位居第1。从网络资料申报阶段看，俄罗斯已拥有21份资料处于N资料阶段，我国以3份排在第5位。

在WRC-19大会之前，NGSO卫星网络关于卫星固定业务与卫星移动业务按照提前申报-通知(A-N)程序申报资料。我国申报了9份卫星网络资料，与美国并列第1，目前都处于A资料阶段。塞浦路斯、法国与列支敦士登都有N资料申报，其中以法国5份为最多。

2.3 国际协调态势分析

表2针对GSO网络主要统计频率区间组在C，N阶段网络资料的收妥时间或申报组数，针对NGSO网络则梳理主要频率区间在N阶段网络资料的申报组数。

表2 Q/V频段各组频率区间申报占比及其资料申报阶段Tab.2 Proportion of each frequency range in Q/V band with the filing stage

从各频率组的协调地位看，NGSO网络在所有频率组都有N阶段资料，法国在所有频率组都拥有最多的N资料。GSO网络则是俄罗斯在N资料申报数量上占据领先地位。从频率申报占比看，申报最集中的频率组为37.5～42.5 GHz，其次是47.2～50.2 GHz。

从业务共用及系统规划使用情况看，根据WRC-19的结论，在37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz的全部或部分频段用于地面5G系统的发展[18]，因此未来在Q/V频段部署卫星系统需考虑与地面5G系统的兼容共存。此外，在Q/V频段的上下两端都有卫星地球探测(无源)业务的划分，应当注意对星基无源传感器的保护。

总体上看，Q/V频段还处于储备及试验阶段，N资料相对较少，C资料相对较多。多数卫星网络还是选择能够支撑连续大带宽的37.5～42.5 GHz/ 47.2～50.2 GHz进行申报。需要注意的是，根据WRC-19最新规则与决议要求，在37.5～42.5 GHz、47.2～50.2 GHz以及50.4～51.4 GHz频段，NGSO卫星网络申报卫星固定业务需按C-N程序进行申报，已申报的NGSO卫星网A资料应在2019年11月23前报送N资料，并于2022年11月23前(或7年有效期截止前，以二者中较早的时间为准)投入使用，否则国际电联将对资料予以删除。

3 卫星中继传输可用频率资源分析

3.1 频率划分基础

能够匹配天地一体化系统中继传输通信能力要求的频率资源主要集中在Ka频段，具体业务的划分情况如图5所示。

图5 Ka频段卫星间业务划分/GHzFig.5 Allocation of Ka band inter-satellite service

在22.55～23.55,24.45～24.75,25.25～27.5 GHz三段为卫星间业务划分的频率范围内，同时也存在无线电导航、卫星固定、卫星地球探测、空间研究、固定和移动等业务。

3.2 卫星网络资料申报现状

在上述为卫星中继传输划分的业务频段，根据ITU对卫星网络的申报规则，传输链路中收发双方都为GSO卫星的网络资料在申报时遵循C-N程序，收发链路中存在NGSO的卫星网络资料在申报时遵循A-N程序,如图6所示。

图6 Ka频段卫星间业务卫星网络资料申报情况Fig.6 Application status of satellite network filings in Ka band inter-satellite service

在GSO卫星网络方面，我国目前已申报33份C阶段网络资料，在数量上居于首位，同时还拥有12份A阶段资料和10份N阶段资料，分别仅次于美国的14份与11份。

在NGSO卫星网络方面，我国在各阶段卫星网络资料的数量都为最多，其中有3份网络处于N资料阶段，12份网络处于A资料阶段。

3.3 国际协调态势分析

由于NGSO卫星网络在申报资料时遵循A-N程序，网络间并不存在规则意义上的协调地位优先级，因此表3针对GSO网络主要统计频率区间组在C,N阶段网络资料的收妥时间或申报组数，针对NGSO网络则梳理主要频率区间在N阶段网络资料的申报组数。

表3 Ka频段各组频率区间申报占比及其资料申报阶段Tab.3 Proportion of each frequency range in Ka band with the filing stage

从GSO网络各频率组的协调地位看，除24.45～24.75 GHz暂无N阶段资料外，中国在其余频率组都具有最多的N资料。NGSO网络各频率组在N阶段的资料也同样是中国为最多。从频率申报占比看，GSO网络多使用22.55～23.55 GHz频段，而NGSO网络在25.25～27.5 GHz频段占比最高。

从业务共用及系统规划使用情况看，WRC-19为地面5G系统划分了全球协调一致的24.25～27.5 GHz频段，与卫星间业务部分重频，需评估5G系统在大规模部署条件下对卫星间业务接收方向上的影响。我国目前有多个卫星系统使用了Ka频段卫星间业务，这也与我国在多个频率组拥有最多N资料的情况相符，因此后续卫星网络在此类频段的协调更多来自于国内。

总体上看，虽然24.45～24.75 GHz频率组的带宽相对较窄，但是相比其他频率组，资料申报占比也最小，因此后续申报资料的协调量也最小。但需要注意的是根据《无线电规则》，在25.25～27.5 GHz频段，使用卫星间业务仅限于空间研究和卫星地球探测的应用，卫星固定或卫星移动业务的应用不可使用该频段开展卫星间业务。

4 结束语

本文针对能够匹配天地一体化信息网络在卫星移动通信、宽带接入、中继传输三方面的频率资源开展研究，重点从频率划分、卫星网络资料申报现状以及国际协调态势三个维度入手，针对每种业务不同频率组的申报占比情况，对频率资源获取的可行性进行分析。相关结论可为提高天地一体化信息网络卫星频率资源的可行性提供参考，进一步研究可从国际电联《无线电规则》与议题研究、卫星星座系统频率投入使用的“里程碑”方法、星座系统频率设计、无线电业务间的频率共用等与频率资源使用密切相关的方面展开。