国际海事卫星移动通信系统与下一代 IMT 系统在扩展 C 频段的共存

张晓燕，杨夏青，韩锐

（国家无线电监测中心，北京 100037）

国际海事卫星移动通信系统与下一代 IMT 系统在扩展 C 频段的共存

张晓燕，杨夏青，韩锐

（国家无线电监测中心，北京 100037）

根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》和国际电信联盟《无线电规则》的相关规定可知，在我国第四代国际海事卫星移动通信系统的空对地（下行）链路与下一代 IMT 系统存在频率重叠。 为了保证第四代国际海事卫星移动通信系统 与下一代 IMT 系统在扩展 C 频段的共存 ， 给出了使上述两系统正常工作的前 提条件或保护措施。 通过理论分析、仿真计算以及调研厂商的制造水平，给出了关于第四代国际海事卫星移动通信系统与下一代 IMT 系统在扩展 C 频段共存的建议。

第四代国际海事卫星移动通信系统；IMT 系统；频率共享；兼容共存；保护距离

1 引言

中国是国际海事卫星组织 （INMARSAT）的创始成员国 ，并 于 1979 年 、1986 年 、1996 年 分 别 签 署 了 《国 际 海 事卫星组织公约》、《＜国际海事卫星组织公约＞修正案》及《国际海事卫星组织业务使用协定》，将海事卫星的业务范围逐渐扩大，现已扩展到航空领域和陆地领域。在海上，国际海 事 卫 星 移 动 通 信 系 统 是 国 际 海 事 组 织 （IMO）唯 一 强 制性的海上遇险安全通信系统，是被纳入《国际海上生命安全公约（SOLAS）》的移动卫星通信系统，是国家履行水上交通安全监管和搜寻救助服务职能的重要依托和保障，是海上船舶航行安全的必要设施；对于民航而言，国际海事卫 星 通 信 系 统 是 国 际 民 航 组 织 （ICAO） 批 准 的 、全 球 最 重要的、基于卫星通信的航空安全通信系统，用于民用航空飞行器的安全应急和调度指挥；在陆地上，由于国际海事卫星通信系统系统的突出作用，现已被纳入多国的国家应急通信平台体系中，是国家应急通信平台体系的重要组成部分。

我国的海事卫星移动通 信系统自 1991 年投入 运 行以来，不仅为国家党政军及社会各界提供了长期、可靠、高质量的常规通信服务，更在国家机要通信、自然灾害（如冰雪灾害、汶川地震等）、安全应急（如索马里护航、利比亚撤侨、海地地震、巴基斯坦水灾、马航客机失联等）、社会事件和社会活动（如奥运会等）、科学实验（如神舟飞船、南北极科学考察等）等重大保障活动中发挥了关键和突出的作用，良好地维护了国家形象。为了不断提升海事卫星移动卫星通信系统的可靠性和运行质量，当前海事卫星移动通信系统已经发展到第四代，其主要架构和组成如图 1所示。

2 第四代海事卫星移动通信系统及其面临的干扰分析

由于我国国土面积较大，且受关口站地理位置的限制，使用一颗海事卫星无法满足覆盖全国的要求，因此向我 国 境 内 提 供 业 务 的 卫 星 位 于 东 经 143.5°（143.5°E）的INMARSAT 4F1 和 东 经 25°（25°E）的 INMARSAT 4F2。 在INMARSAT 4F1 无 法 覆 盖 区 域 内 的 用 户 ， 须 使 用INMARSAT 4F2 完 成 通 信 接 续 。INMARSAT 4F2 的 信 号 ，首先落地至境外（荷兰）关口站，然后通过租用国内运营商的物理专线，将数据信息按照国内的相关要求转接至国内关口 站 。其 他 在 INMARSAT 4F1 覆 盖 区 域 内 的 用 户 ，都 由 该卫星和国内关口站提供通信服务。

第四代海事卫星移动通信系统与第三代移动卫星通信系统几乎一样。使用包括C频段的馈电链路频率：6 425～6 575 MHz（上 行 链 路 ）和 3 550～3 700 MHz（下 行 链路 ）以 及 L 频 段 的 用 户 链 路 频 率 ：1 525～1 559 MHz（下 行链 路 ）和 1 626.5～1 660.0 MHz（上 行 链 路 ）。具 体 使 用 方 式如图 2所示，C 频段用于关口站与海事卫星之间 的 馈 电链路，L频段用于终端用户与卫星之间的用户链路。

图1 第四代国际海事卫星移动通信系统架构

图2 海事卫星移动通信系统用频设置

虽然第四代海事卫星移动通信系统使用的频率与目前我国使用的第三代海事卫星移动通信系统（业务期限最 少 至 2020 年 ）的 频 率 完 全 一 致 ，但 是 由 于 受 近 几 年IMT 系 统 的 飞 速 发 展 和 用 频 需 求 的 剧 增 ，在 2014 年 2 月1 日 实 施 的 《中 华 人 民 共 和 国 无 线 电 频 率 划 分 规 定 》［1］中 ，已 经 将 3 550～3 600 MHz 频 段 划 分 给 下 一 代 IMT 系统。也就是说，海事卫星第四代移动通信系统馈电链路 的 下 行 链 路 将 与 下 一 代 IMT 系 统 间 存 在 频 率 重 叠 ，重 叠 的 频 率 为 3 550～3 600 MHz。随 着 IMT 系 统 的 迅 猛发展和其用频短缺问题的日益突出，甚至已经出现将空间业 务 扩 展 C 频 段 （3 400～3 700 MHz）全 部 用 于 IMT 系 统 的声音。可见在不久的将来，下一代 IMT 系统与海事卫星 第四代移动通信系统关口站间的干扰共存问题会变得异常严峻。对两者间存在的干扰进行分析变得尤为重要。

在对 海 事 卫 星 关口 站 （如 图 3 所示 ）面临 的 最 坏 干 扰情况进行分析之前，先来看一下上述两个系统间的典型技术参数，也为随后的干扰分析做准备。

图3 海事卫星移动通信系统关口站（INMARSAT-ES）周边环境

海事卫星第四代移动通信系统关口站的典型技术参数见表 1。其中卫星发射功率、卫星发射天线增益等信息来 自 于 国 际 电 信 联 盟 （ITU）国 际 频 率 信 息 总 表 （MIFR）中海 事 卫 星 第 四 代 卫 星 的 网 络 资 料 INMARAST-4 143.5°E。

下 一 代 IMT 系 统 的 典 型 技 术 参 数 为 目 前 在 用 的 IMT系 统 基 站 （BS）的 典 型 技 术 参 数［2-4］，使 用 的 频 段 与 海 事 卫星关口站相同，具体技术参数见表 2。若干扰对 象为 IMT系 统的 移 动 台 站（MS）时 ，其 干 扰 能 力 远 小 于 IMT 系 统 基站对海事卫星移动通信系统关口站的影响，因此，本文只需分析基站与关口站间的共存问题，就可以给出两系统间共存的建议。

3 海事卫星移动通信系统关口站与 IMT系统共存情况分析

根据上述已知技术参数，首先需要计算出关口站的干扰保护门限，有两种计算方法。

表1 第四代海事卫星移动通信系统关口站的典型技术参数

表2 下一代 IMT 系统基站典型技术参数

（1）根据关口站的接收机等效噪声温度导出

关口站允许的最大干扰功率为：

其 中 ，Pr（p）为 在 不 超 过 p（根 据 参 考 文 献 ［5］，p=20%）的时间内，接收站接收机输入端所允许的在参考带宽中的最大干扰功率。当干扰发射机功率过大，引起接收机阻塞时，应取接收机的阻塞电平值。K为玻尔兹曼常数的对数表示 ，为 -228.6；B 为 参 考 带 宽 1 MHz 的 对 数 表 示 ；T 为 关 口站接收系统等效噪声温度为关口站的干扰保护准则。

（2）通过关口站接收机的最小可识辨功率导出

已知关口站接收机的最小可识辨功率谱密度 PFD，那么关口站接收机允许的最大干扰功率为：

其中，λ 为波长。得出关口站的干扰保护门限后，通过式（3）可计算产生干扰的发射机（基站）和受到干扰的接收机 （关 口 站 ）间 需 要 的 最 小 总 传 输 损 耗［6］。最 后 将 该 理 论 计算值与实际地理环境相结合，仿真得出 IMT 基站与海事卫星关口站间需要的最小隔离距离。

其 中 ，Lb（p）为 在 p 的 时 间 内 可 容 许 的 最 小 基 本 传 输 损耗，仅在 p 的时间 内实际传输 损耗不得超过此值；Pt为干扰发射机天线输入端参考带宽的发射功率电平；Gt为干扰发射机在接收站方向的天线增益；Gr为接收站天线在干扰发射机方向的天线增益。本文中接收站天线旁瓣增益采用ITU-R S.580［7］天 线 的 旁 瓣 增 益 进 行 计 算 ，即 ：

其中，φ 为偏轴角度，D 为天线直径，λ 为波长。

天 线 在 接 收 方 位 角 θ∈［139.6°，143°］时 的 接 收 增 益 为天 线 的 最 大 接 收 增 益 54.03 dBi（见 表 1），也 就 是 偏 离 此 接收范围后，在其他接收方向上的增益为天线的旁瓣增益。因此，接收天线增益为：

其 中 ，当 139.6°-φ ≤θ≤143°+φ 的 值 超 过 ［0°，360°］时 ，根据周期自动调整接收方位角度。下面分别用式（1）和式（2）计算 并 分 析 海 事 卫 星 移动 通 信 系 统 关 口 站 与 其 周 围 IMT系统间的共存问题。

3.1 海事卫星关口站与 IMT 系统同频共存分析

当 海 事 卫 星 移 动 通 信 系 统 关 口 站 与 其 周 围 的 IMT系统基站的发射频率相同时，经式（3）计算，两系统间不存在有害干扰所需要的最小损耗，具体见表 3。下一代IMT 系 统 的 基站 发 射 的信 号 与 关 口 站 天 线 接 收 方 向 相 同时 ， 需 要 经 过 至 少 232 dB （用 -130 dBm／MHz 的 干 扰 保 护门 限 计 算 出 的 结 果 ）或 208.6 dB （用 -106.6 dBm／MHz 的干扰保护门限计算出的结果）的传输损耗后，才不会对海事卫星移动通信系统关口站的接收链路产生有害干扰。在关口站的其他接收方向上，由于接收站天线旁瓣增益 迅 速 降 低 ，将 式 （4）带 入 式 （3）计 算 知 ，至 少 需 要 168 dB（用 -130 dBm／MHz 的 干 扰 保 护 门 限 计 算 出 的 结 果 ）或144.6 dB （用 -106.6 dBm／MHz 的 干 扰 保 护 门 限 计 算 出 的结果）的传输损耗才不会对海事卫星移动通信系统关口站的接收链路产生有害干扰。

图4 海事卫星移动通信系统关口站与 IMT 系统基 站 同 频时的隔离距离仿真结果

用电磁环境仿真软件 WRAP 进行仿真，得出的结果如图 4 所示。 图 4（a）仿真后的 全 部覆盖区 域 是 传输损 耗 小于 232 dB 的 隔 离 域 ，图 4（b）仿 真 后 的 全 部 覆 盖 区 域 是 传输 损 耗 小 于 208.6 dB 的 隔 离 域 。即 海 事 卫 星 关 口 站 需 要在其周围预留的隔离保护域，此区域以外，两系统间将不会产生有害干扰。关口站周围不同的接收方向需要的隔离距离不同。图 4（a）和图 4（b）对应的最大隔离距离分别 为87 km 和 71 km 。随 着 偏 轴 角 φ 的 不 断 增 大 ，接 收 天 线 旁瓣增益明显降低，因此，越偏离接收天线的主接收方向，两系统间需要的隔离距离越小。当偏离主接收方向超过26.3°后 ，两 系 统 间 需 要 的 最 小 隔 离 距 离 分 别 约 只 有 13 km（用-130 dBm／MHz 的 干 扰 保 护 门 限 仿 真 出 的 结 果 ）和 6 km（用 -106.6 dBm／MHz 的 干 扰 保 护 门 限 仿 真 出 的 结 果 ），两系 统 间 只 需 要 不 小 于 168 dB（通 过-130 dBm／MHz 的 干 扰保 护 门 限 计 算 出 ）或 144.6 dB （通 过 -106.6 dBm／MHz 的 干扰保护门限计算出）的总传输损耗，即可实现两系统间的共存。具体隔离距离见表 3。

按现有技术指标，在两系统同频的情况下，只有当隔离距离达到几十公里后才能实现两系统间的共存。但是在这么大的区域内不设置下一代 IMT 系统显然是不可能的，因此，同频时两系统难以共存。

3.2 海事卫星关口站与 IMT 系统邻频共存分析

假设 下 一 代 IMT 系 统 的 发射 频 率 与 地球 站 的 接 收 频率邻频，按照式（3）计算出的系统间所需的最小损耗见表4，仿真出的隔离距离如图5所示。

与上面同频时的分析一样，图 5 的区域为 IMT 系统 需要在海事卫星关口站周围，为关口站预留的隔离保护区域，此区域以外的两系统间不会产生有害干扰。图 5（a）和 图 5（b）对 应 的 最 大 隔 离 距 离 分 别 约 为 16 km 和 15 km；对 应 的 最 小 隔 离 距 离 分 别 约 为 1 km 和 0.7 km，详 见 表 4。图 5 中 的 传 输 损 耗 162 dB 和 138.6 dB 分 别 对 应 的 是 干 扰保 护 门 限 为 -130 dBm／MHz 和 -106.6 dBm／MHz，且 偏 轴 角度为 1°。同理，偏轴角 度为 10°时，两种干扰保 护 门 限下，对 应 的 传 输 损 耗 为 137 dB 和 113.6 dB ； 偏 轴 角 度 大 于 26.3°时，两种干扰保护门限下，对应的传输损耗分别为123 dB 和 99.6 dB。

图5 海事卫星移动通信系统关口站与 IMT 系统 基 站 邻 频时的隔离距离仿真结果

表3 海事卫星关口站与 IMT 系统同频共存

表4 海事卫星关口站与 IMT 系统邻频共存

3.3 海事卫星关口站与 IMT 系统具有一定保护带宽时的共存分析

如果两系统间有一定的频率隔离，其带外无用发射可以 进 一 步 限 制 ， 选 择 无 用 发 射 为 -65 dBm／MHz（5 MHz 保护 带 可 实 现 ）和-86 dBm／MHz（10 MHz 保 护 带 可 实 现 ），且设备厂商可实现上述指标，则海事卫星 关口站和 IMT 系统间所需的最小损耗，具体见表 5。

有一定隔离频带时，海事卫星移动通信系统关口站与IMT 系统基站的隔离距离仿真结果如图 6 所示。

图6 有一定隔离频带时，海事卫星移动通信系统关口站与IMT 系统基站的隔离距离仿真结果

其 中 ，实 心 所 围 区 域 为 具 有 5 MHz频 率 隔 离 带 宽 时 ，海 事 卫 星 关 口 站 在 -130 dBm／MHz 的 干 扰 保 护 门 限 下 ，仿真 出 的 保 护 隔 离 区 域 ，该 区 域 的 传 输 损 耗 ≤134 dB；网 格区 域 为 具 有 5 MHz 频 率 隔 离 带 宽 时 ，海 事 卫 星 关 口 站 在-106.6 dBm／MHz 的 干 扰 保 护 门 限 下 ，仿 真 出 的 保 护 隔 离 区域 ，该 区 域 的 传 输 损 耗≤110.6 dB；竖 格 区 域 为 具 有 10 MHz频 率 隔 离 带 宽 时 ，海 事 卫 星 关 口 站 在-130 dBm／MHz 的 干扰保护门限下，仿真出的保护隔离区域，该区域的传输损 耗 ≤113 dB。 在 这 些 区 域 外 ，可 以 布 置 下 一 代 IMT 系统，两系统间可以实现共存。可见，在两系统间有一定保护频 带 时，若对 IMT 系统的 发 射 指标进行 合 理 限 制 ，并 在 关口 站 天 线 主 接 收 方 向 周 边 确 定 保 护 区 （如 1 km），就 可 以有效地实现两系统在室外的共存。同理，如果在海事卫星关口站周围设置一定的电磁环境保护措施，如增加屏蔽网等，则更容易在更小的范围内实现两系统间的共存。

4 结束语

本文 对第四代海 事卫星 移动通信系 统和下一代 IMT系统间的共存进行了理论分析和仿真，得出的结果对设 置 海 事 卫 星 关 口 站 和 其 周 边 的 IMT 系 统 具 有 较 强 的指导意义。即当系统同频时，两系统间无法实现共存；当 系 统 邻 频 时 ，两 系 统 间 的 隔 离 距 离 需 超 过 10 km ，才可 实 现 共存；进一步增大两系统间的隔离带宽，当隔离带宽为 5 MHz 时 ，两 系 统 间 的 隔 离 距 离 达 到 1 km 以 上 可 共 存 ；当 隔 离 带 宽 为 10 MHz 时 ，两 系 统 不 需 要 任 何 隔 离 距 离 就可 实 现 共 存 。如 果 3.5 GHz 频 段 IMT 系 统 被 用 于 室 内 通信，其无用发射功率传输到室外被海事卫星地球站接收到的概率很小，因此，室内无线接入系统和海事卫星地球站是可以实现共存的。相反，如果在设置海事卫星地球站时，为其站址周围设置电磁环境保护措施，那么两系统间的隔离距离可大大降低，频率利用度也可增加，这也符合将扩展C 频 段 （3.4～3.7 GHz）划 分 为 未 来 IMT 系 统 和 空 间 业 务 共 用频段的规划。

表5 海事卫星关口站与 IMT 系统有频带隔离时共存情况

［1］ 中 华 人 民 共 和 国 工 业 与 信 息 化 部 . 中 华 人 民 共 和 国 无 线电 频 率 划 分 规 定 ［S ／OL］. ［2014-01-29］.http：／／www.miit.gov. cn／n11293472／n11293832／n12843926／n13917072／15865839.html. Ministry of Industry and Information Technology.People’s Republic of China Radio Frequency Allocation Provisions ［S／OL］.［2014-01-29］.http：／／www.miit.gov.cn／n11293472／n11293832／n12843926／n13917072／1586 5839.html.

［2］ User equipment （UE）radio transmission and reception：3GPP TS36.101：2012 ［S／OL］. ［2012-09-01］. http：／www.3gpp.org／DynaReport／36-series.html.

［3］ Base station （BS）radio transmission and reception：3GPP TS36.104：2013 ［S／OL］. ［2013-09-01］.http：／www.3gpp.org／DynaReport／36-series.html.

［4］Radio frequency （RF ）system scenarios：TS36.942 ：2010［S／OL］. ［2010-12-01］.http：／www.3gpp.org／DynaReport／36-series. html.

［5］ Apportionment of the allowable error performance degradations to fixed-satellite service （FSS）hypothetical reference digital paths arising from time invariant interference for systems operating below 30 GHz：ITU-R S.1432-1：2006［S／OL］. ［2006-01-01］.http：／www.itu.int／pub／R-REC.

［6］ 李 景 春 ，黄 标 ，黄 嘉 ，等. 电 磁 频 谱 工 程 ［M］. 北 京 ：人 民 邮 电出版社，2008. LI J C，HUANG B，HUANG J，et al.Electromagnetic spectrum engineering［M］.Beijing：Posts and Telecom Press，2008.

［7］Radiation diagrams for use as design objectives for antennas of earth stations operating with geostationary satellites：ITU-R S. 580-6：2004 ［S／OL］. ［2004-01-01］.http：／／www.itu.int／pub／R-REC.

Frequency sharing of the international maritime satellite mobile communication system and the next generation IMT system

ZHANG Xiaoyan，YANG Xiaqing，HAN Rui
State Radio Monitoring Center，Beijing 100037，China

According to the “Table of Frequency Allocations of People’s Republic of China” and the relevant provisions of the “Radio Regulations”，it is shown that there are frequency overlap between the space to ground （down）link of the fourth-generation international maritime satellite （INMARSAT）mobile communication system and the next generation international mobile telecommunication （IMT）system in China.In order to guarantee the coexistence of the fourth-generation INMARSAT mobile communication system and the next generation of IMT system，the operation prerequisites or protection distances were analyzed.Based on the theoretical analysis，the simulation and survey of production level of equipment company，some suggestions on how to make the above two systems coexist were presented.

the fourth-generation international maritime satellite mobile communication system，IMT system，frequency sharing，coexistence，protection distance

The National Science and Technology Major Project （No.2015ZX03002008）

TN929

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016087

张晓燕（1982-），女，博士，国家无线电监测中心工程师，主要研究方向为电波传播、无线通信和电磁兼容。

杨夏青（1988-），男，国家无线电监测中心助理工程师，主要研究方向为无线通信。

韩锐（1984-），男，博士，国家无线电监测中心工程师，主要研究方向为无线通信。

2015-11-05；

2016-03-02

国家科技重大专项基金资助项目（No.2015ZX03002008）