卫星移动通信频轨资源应用现状与对我国发展建议

张馨予孙茜刘慧梁

（1中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部 2国家航天局卫星通信系统创新中心）

2022年必将是大众卫星通信服务市场化进程中具有里程碑意义的一年。2022年9月6日，华为公司产品发布会展示了新款Mate50系列手机将通过北斗卫星系统短报文服务，实现卫星短消息功能。9月8日，苹果公司（Apple）发布的iPhone14系列手机正式宣布将依托“全球星”（GlobalStar）系统，实现卫星通信功能。以上两场产品发布会，首次将卫星通信业务引入大众消费电子终端，在全球通信服务领域为“手机直连卫星”（satellite-to-cellular service）业务的概念进行了宣传推广，本文将从频轨资源的视角探寻国际商业卫星公司引领的新兴卫星移动通信浪潮发展概况，并对我国卫星移动通信提出发展建议。

1关于卫星移动业务的国际规则定义

支持大众智能手机终端直接连入卫星系统的“手机直连卫星”新型应用，已成为全球卫星移动通信市场的新热点，除了在通信协议、芯片设计、终端研制等多个环节共同发力、推进技术创新之外，在对空间频率轨道资源的利用方面也呈现了新思路和新变化。

国际电信联盟（ITU）作为负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源的联合国专门机构，早在1982年发布的《无线电规则》中就提出了移动卫星业务（MSS）的定义[1]。在ITU领域，如果与卫星进行通信的地球站具有移动特性（即：相对于地表并非固定不动），那么就需要选择ITU划分给MSS业务的无线电频谱资源，并根据地球站的具体移动范围进一步分为陆地卫星移动业务、航空卫星移动业务、水上卫星移动业务。表1给出了ITU划分给MSS的常用频段范围，为方便对不同频段范围的引用，本文定义了频段范围代号。

表1 ITU划分给MSS的常用频段范围[1]

基于表1中ITU划分给MSS的频谱资源，国际移动通信卫星运营商们选择不同的轨道资源，先后发展并形成了以“铱星”（Iridium）、GlobalStar为代表的低轨卫星移动通信系统，以及以“国际移动卫星”（Inmarsat）、“瑟拉亚”（Thuraya）为代表的静止轨道卫星移动通信系统[2]。图1给出了ITU发布的上述典型传统卫星移动通信系统的频率申报情况。

图1 国外典型卫星移动通信系统频率申报情况[3]

可以看出，无论是低轨卫星移动通信系统，还是静止轨道卫星移动通信系统，传统卫星移动通信系统的频率申报呈现以下特点：

1）频率的选择集中在ITU为MSS业务分配的频段范围，向ITU申报并且使用的频率资源均为MSS业务可用资源；

2）出于服务手持终端的目标，系统建设初期均主要使用3GHz以下频率资源提供移动通信服务[4]。随着用户对通信速率需求的提高，以及卫星平台与天线性能的提高，部分移动通信系统尝试向更高的Ka频段扩展[5]；

3）由于3GHz以下频段范围的MSS与地面移动蜂窝系统很难在背靠背设计的前提下实现同频同覆盖应用，在当时的市场及技术背景下，卫星移动通信系统与地面移动蜂窝系统在同一区域只能通过分频实现兼容共用，导致传统卫星移动通信系统只能发展专用用户终端为用户提供服务，与地面移动蜂窝系统的“互补”仅体现在为地面基站难以覆盖区域提供覆盖能力的补充，实现浅层次的星地融合[6]。

2新兴卫星移动通信系统申报及使用频率情况分析

2022年9月，美国联邦通信委员会（FCC）给美国卫星电信服务提供商领克全球公司（Lynk Global）颁发了一份“特殊”的频率许可——允许其使用地面蜂窝移动通信的频率，该许可直接突破了传统卫星移动通信系统可以选择的频段范围，为打造支持手机直连的卫星移动通信系统带来了新思路。几乎在同一时间，太空探索技术公司（SpaceX）、苹果、华为等卫星公司及智能手机公司纷纷召开发布会，宣布“开发新一代手机芯片、提供手机直连卫星的新型服务”。太空网络宽带服务公司（AST&S）成功发射蓝行者－3（BlueWalker－3）卫星，用以在轨开展手机直连卫星的相关试验，相关报道均代表着新兴卫星移动通信浪潮已正式开启。

向FCC的频率申报情况分析

表2给出了AST&S公司和Lynk Global公司向FCC申请的频率轨道资源情况，可以看到，业务链路的选频仍然集中在3GHz以下的频段范围，但已经涉及原本划分给地面蜂窝移动系统使用的617~960MHz频段。

表2 向FCC申请手机直连卫星系统的频率计划[8- 9]

除上述两家公司之外，SpaceX公司也向FCC提交了修改“星链”（Starlink）星座频率计划的申请，希望能够补充1~2GHz频段范围的MSS频率资源[7]。

向ITU的频率申报情况分析

与FCC在频率许可政策法规方面拥有一定的灵活性不同，ITU对于不符合业务划分的频率申请管理得非常严格：必须承诺遵守《无线电规则》第一卷的4.4条款，既不能对其他合法使用的频率造成有害干扰，也不得要求来自其他合法使用频率的保护[1]。表3给出了上述新兴卫星移动通信系统向ITU的频率申报情况，可以看到，除了传统的MSS划分之外，已经基于4.4条款向ITU申报了大量用于地面蜂窝移动通信的移动业务（MS）划分，其中，SpaceX公司选择申报的MS划分基本是基于现有MSS划分频率范围的延伸。

表3 向ITU申请手机直连卫星系统的频率计划[3]

新兴卫星移动通信系统与传统频率使用计划的对比分析

图2给出了新兴卫星移动通信系统与传统卫星移动通信系统的频率使用情况。可以看到，Iridium、GlobalStar、Inmarsat以及Thuraya的频率使用集中在MSS划分的可用频率资源，但领克塔－1（Lynk Tower－1）试验卫星、BlueWalker－3试验卫星、Starlink系统（拟与T-Mobile手机合作开展手机直连服务）、华为手机（拟使用北斗系统开展短报文服务）和iPhone 14（拟使用GlobalStar系统开展短报文服务）等新兴卫星移动通信系统的频率使用已经突破了传统“卫星业务使用MSS划分、地面业务使用MS划分”的限制，逐步探索“卫星业务使用MS划分、地面业务使用MSS划分”的可能性。

图2 3GHz以下典型移动频率划分及使用情况

基于上述分析，不难得出以下结论：

1）新兴卫星移动通信系统的频率选择不再局限于ITU划分给MSS的频率资源，呈现出卫星移动通信系统与地面蜂窝移动通信系统在对方业务领域交叉选频的态势，尝试突破目前国际规则对卫星与地面移动业务的频率划分制约，从频率资源的层面为大众智能手机直连卫星系统提供了可能性；

2）新兴卫星移动通信系统的实践者充分尊重频率轨道资源“先到先得”的国际规则，基本提前于发布计划两年就完成了ITU频率轨道资源的申报工作，并且通过申报多份不同轨道构型、不同频段范围的卫星网络资料来确保国际频率协调的优先地位；

3）新兴卫星移动通信系统与地面蜂窝运营商、制造商在频率轨道资源领域的大力合作，为卫星系统在用户终端层面与地面移动通信网络融合奠定了基础，卫星移动通信产业与地面移动通信产业逐步由竞争关系转为合作共赢模式[10]。

3对我国卫星移动通信发展的建议

随着用户对低成本、高速率互联网要求的提升，手机直连卫星技术的推动将带动手机产业和卫星通信产业快速发展。面对复杂多变、竞争激烈的市场环境，结合上述分析研究及国内发展现状，提出以下几点建议：

1）对于我国成熟移动通信运营商，需探索在地面无基站覆盖的广袤区域，利用现有地面移动业务频段，开展星地通信服务。这一技术路径的特点是，在不改变现有地面移动通信系统体制协议、终端工作频段的前提下，通过提升卫星有效载荷性能，实现无基站地区的手机移动服务，让卫星应用真正成为地面移动通信覆盖能力的有效补充。例如，可借鉴AST公司经验，利用大型相控阵天线等先进有效载荷提供的卓越技术能力，实现地面移动业务标准频段内手机终端直连卫星通信。

2）对于我国卫星通信运营商，需尽早规划布局卫星移动通信业务，特别是基于非静止轨道卫星星座的系统网络。这一技术路径的特点是，在现有卫星移动通信体制协议与合规频段内，论证手机直连卫星业务的可行性，并向国际电联申报卫星系统网络资料。例如，可借鉴SpaceX公司经验，在现有低轨卫星互联网构架的基础上，布局卫星移动通信业务，尽快论证并申报支持MSS业务频段的卫星网络资料，在“先登先占”的规则框架下抢占空间频率轨道优质资源，为后续系统建设奠定基础。

3）对于我国致力于星地一体化建设的运营商，在星座系统论证中，需更加开拓思路，协同设计卫星与地面间的体制协议，避免“背靠背”论证过程中的重复建设，提升频谱利用效率。例如，可借鉴Lynk Global公司经验，在空间移动通信星座论证规划过程中，充分考虑真实业务需求与系统能力之间的关系，统筹现有地面移动通信服务与卫星移动服务的兼容性，将“优质”频段供应“急用”需求，提升服务效率的同时优化频谱利用率。