Ka频段宽带卫星之路有多宽

李辉 （北京羽寻科技有限公司）

Ka频段宽带卫星之路有多宽

The Future of Ka-Band Broadband Satellites

李辉 （北京羽寻科技有限公司）

最近几年卫星宽带已成为空间业务领域出现频度极高的主题词，似乎预示着通信卫星新的市场增长和发展机遇已经到来。作为频率研究的专业人员，在热切关注宽带通信卫星发展的同时，也希望针对当前备受关注的Ka频段宽带通信卫星用频的热点问题进行讨论，旨在为相关业界同行提供参考。

这里讨论的Ka宽带通信卫星频段指常规通信卫星使用的20GHz/30GHz频段，具体为27.5～31GHz（地对空方向）、17.7～21.2GHz（空对地方向）。相较于典型的传统Ku频段1GHz左右的带宽，Ka通信频段总带宽达7GHz之多（此处指全球统一划分，个别区域划分情况另外讨论），结合当前已趋于成熟的多点波束频率复用技术，使得Ka频段卫星可以在保持甚至提高功率的前提下提供几十、上百吉赫兹的带宽容量，是名副其实的宽带接入，这也是大多数业内人士看好卫星Ka频段宽带接入业务的根本原因。

然而，就每个具体的通信卫星操作者而言，从Ka频段通信卫星频率资源利用的角度，包括合法性、可行性和频率协调不确定性等方面，真的可以在这7GHz频段中放心、随心地使用吗？

1 空间业务与地面业务的频率争夺

2016年7月，美国公布了5G网络频率方案，其中通信卫星重点使用的28GHz频段赫然在列，这一事件在通信卫星运营商和地面电信业务运营商中，犹如一根越烧越旺的导火索，成为空间业务和地面竞争频谱资源的又一焦点。

又是美国

2016年7月14日，美国联邦通信委员会（FCC）举行月度会议，各委员就5G网络的部署统一分配无线电频率资源问题进行表决后正式公布了毫米波频段的分配方案，使美国成为全世界第一个为5G分配频谱资源的国家。其公布的分配频段带宽共10.85GHz，其中授权许可频段3.85GHz，免授权频段7 G H z。授权频段分别是28 GHz（27.5～28.35GHz）、37GHz（37～38.6GHz）和39GHz（38.6～40GHz）频段，免授权频段是64～71GHz。

美国联邦通信委员会主席维勒在此前出席美国国会众议院的一个听证会时表示，针对5G网络分配频率资源会让美国、本土制造商、企业家和创新人员获得主场优势，并称7月16日做出的决定是美国联邦通信委员会今年以来所做的最重要决定。

据悉，此次分配的频谱过去不能支持移动设备通信，但是通信技术进步使得这些频谱变得更有价值。与低频频段相比，这些高频频段的空间多出了4倍，能够更快速传输数据。美国目前有多家移动运营商正在争取获得5G网络的运营牌照，美国电话电报公司（AT＆T）、威瑞森无线公司（Verizon）等已经开始进行5G网络的测试。在全球市场，一些国家的运营商也已经进行前期试验和测试。

刚刚打响的战斗

在2015年11月底结束的世界无线电通信大会（WRC）上，在讨论未来大会议程过程中，空间业务（卫星）与地面业务[国际移动通信系统（IMT）5G]之间就28GHz频率是否用于国际移动通信系统候选频段问题的矛盾就已呈现。韩国和美国一直强烈支持28GHz频段，并在WRC－15大会上表明，他们将继续研究28GHz用于5G。但是，在众多传统通信卫星运营商的强烈反对下，该频段未能包括在下届大会的讨论议题中（即WRC－19议题1.13，研究在24.25～86GHz频率范围内共11个候选频段，为国际移动通信系统的未来发展确定频段的可能性）。

WRC－15大会的这一结果让很多希望推动5G发展的国家的地面运营商对国际电信联盟（ITU）的工作非常失望，并且颇有指责。移动通信行业内人士对被确定用于国际移动通信系统的频谱数量表示不满，并质疑国际电信联盟对技术快速变革的反应力不足。美国联邦通信委员会委员米歇尔甚至写了一篇文章，藉此表达他对2015年世界无线电通信大会会议结果的不满，“这让我开始思考WRC－15所发生的事，其带来的实际效果，及其后续对国际电信联盟这个角色的影响。这些惯例很可能会破坏世界无线电通信大会未来的价值，并且让国际电信联盟更可能沦为受制于政府与现有频谱用户控制的工具，从而阻碍了频谱效率与技术进展。”

从第三方角度看来，国际电信联盟所受到的这些指责有相当大一部分是替各国主管部门承担的，国际电信联盟作为协调政府间电信事务的国际组织，从内容到形式都只是反映各成员国的立场。因此，如果WRC－19新议题未能如地面电信运营商所愿将更多的频率资源纳入研究范围，也是大部分成员国主管部门在谨慎平衡各自国内的卫星与地面业务的发展需要和利益诉求后作出的共同选择。

因此，可以说地面5G网络与空间业务卫星系统在Ka频段频率的竞争才刚刚开始，在未来一个研究周期内必将愈演愈烈。

Ka频段究竟属于谁

对于很多通信卫星运营商而言，Ka频段（此处仅讨论28GHz）于1976年划分给卫星固定业务以来，似乎就是卫星领域独占的。不得不说，这种认知在5G的概念出现之前确实从未受到过质疑；从实际应用角度看，很多国家早在21世纪初就发射运营包含Ka频段载荷的通信卫星，目前能够查询到的在国际电信联盟登记的Ka频段网络资料可以追溯到20世纪80年代。2010年以来，随着Ka频段卫星器件、单机和多波束天线等技术水平的提高和市场需求的逐渐清晰，Ka频段高吞吐量卫星（HTS）正在迎来高速发展的春天。

但是，不可否认的是，Ka频段在划分给卫星固定业务以前，就已经划分给地面固定、移动业务了，并且在划分给卫星固定业务以后，地面业务作为主要业务划分仍旧保留在频率划分表中，即在这个频段上几十年来始终是空间、地面业务频率共用的。当然，与卫星业务在该频段经历的漫长的发展、成熟过程不同，地面国际移动通信系统的发展太快了。中国3G牌照正式运营于2009年初，到2013年底发放4G牌照仅用了5年时间；工信部明确表示，将于2016年开始开展5G技术试验和商用牌照发放的前期研究，积极参与国际标准制订；国际方面，欧盟于2013年2月宣布，将拨款5000万欧元用于加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟的标准；而日本公用电报电话公司（NTT DoCoMo）2013年10月表示，考虑在2020年东京奥运会前商用5G。业务迅猛发展也意味着对频谱资源的迫切需求。如今，Ka甚至更高频段用于移动系统早已不是天方夜谭了。

空间业务与地面业务在频率资源上的竞争由来已久，从当年卫星固定业务的3.5GHz扩展C频段，到卫星移动业务在国际移动通信系统卫星部分的S频段，再到WRC－15上卫星广播（数字声音）业务的L频段，卫星业务领域始终处于被动防守的状态，现在连卫星系统即将展开大规模应用的Ka频段也难逃被卷入竞争的局面。

空间业务和地面业务在Ka频段频率资源的竞争是不可避免的。地面电信运营商希望推动国际移动通信系统发展，需要为5G寻求全球统一的、有足够带宽的频谱资源；而通信卫星运营商正面临传统业务向高吞吐量宽带接入业务的全面演进的历史机遇，Ka频段资源不可或缺。空间业务与地面业务系统间看似在争夺频率，用来发展各自的系统，其争夺本质其实是“宽带接入市场”。可以说，这是一场势均力敌的竞争,无论结果如何，Ka频段可以是高吞吐量卫星的Ka频段，也可以是国际移动通信系统 5G的Ka频段，但最终都将是服务于“宽带接入”市场的Ka频段。

未来即将来临

即使在现行国际规则框架下，频率资源也不会天然获得。卫星通信业务与地面电信业务运营商的这场竞争最早有可能揭晓的时间是2020年前后。伴随着2019年世界无线电通信大会的召开，国际移动通信系统宽带频率方案一旦确定，5G网络商业运行将成为可能。但是，这中间的道路却必定不可能一帆风顺。

诚然，基于当前的《无线电规则》,在28GHz频段，移动业务作为主要业务划分已经存在了很多年。同时，各国可以在国际规则框架下根据自己国家的实际情况和需要制定自己的频率划分并进行具体业务系统的频率规划。因此，美国联邦通信委员会此次为5G进行频率分配，从频率管理的法理上拥有毋庸置疑的效力，但考虑到国际移动通信系统需要全球统一的频率资源，在国际电信联盟研究体系内未能取得一致的情况下，美国此举还是需要承担一定的风险的。

对此，美国联邦通信委员会在7月16日做出的决定，充分阐释了美国政府推动5G产业的决心。美国联邦通信委员会委员杰西卡于2016年2月在华盛顿的一场演讲中提到：“当我们把眼光放远，就会发现有些地方是美国必须独自前往的。其中包含了28GHz频带……只不过，去年在日内瓦举办的世界无线电通信大会上并没有把这个频带纳入讨论，也未将它列在5G频谱研究列表中。然而，由于这个频带可分配至全球的移动应用，所以我认为美国应该继续探索这个新频谱。韩国与日本都已经着手测试这个频带，我们现在也不能停下脚步。我们必须独自向前，并在年底前完成适用于28GHz频带的架构。”

同时，其他国家的地面运营商也纷纷采取了自己的对策。中国华为公司在表示支持美国和韩国在WRC－19之前开展5G研发的同时也提出：“从产业发展角度看，美国和韩国通过自下而上的方式推动28GHz用于国际移动通信系统技术是合理的，但这种策略由于存在不确定性，市场成本可能会很高。”因此，华为公司希望在24～27GHz频段发展5G，这样相对容易扩展至28GHz。Orange频谱战略董事史蒂夫也表示：“只有美国和韩国支持28GHz是不够的，我们需要像中国或印度这样更大的市场，以确保整个产业生态系统的规模化发展，这对欧洲各国做出决策非常关键。” 爱立信公司则认为：“国际电信联盟的工作对于统一全球移动业务频率来说，仍然是必不可少的。但由于来自卫星产业的竞争，使移动通信产业界需要在国际电信联盟之外推动。我们确实希望在国际电信联盟的框架内开展工作，但这其中牵扯的是两种不同利益。有时候，卫星产业是从更高的社会层面和需求提出自己的反对意见，但是，移动通信和卫星两个产业之间的矛盾是不同社会层面的利益冲突，迫切需要以一种公平的方式平衡二者之间对于频谱的竞争。”

以全球、宽带为标志的5G即将到来。美国已走出第一步，旗帜鲜明的频率资源分配方案实施在即，后续各国地面移动运营商的跟进已经没有悬念；而通信卫星运营商又会作出何种反应呢？是尽量延续地面5G在本国的推进，大规模建设Ka卫星项目并重点占用相关频段？还是在卫星系统设计中避开使用低端频率，减小未来从该频率迁离现有业务可能带来的巨大风险？或者是与地面运营商一起研究天地一体化通信系统的可行性？更为严峻的是，如果28GHz应用于国际移动通信系统一旦证明是可行的，那么是否意味着整个Ka频段在技术上用于国际移动通信系统的可行性呢？空间业务运营商又将何去何从？

2 非地球同步轨道星座与地球同步轨道卫星的矛盾

通信卫星系统按轨道可以分为地球同步轨道（GSO）和非地球同步轨道（NGSO）系统，公众所熟知的地球静止轨道通信卫星按《无线电规则》中相关定义都属于地球同步轨道系统（轨道倾角在15°以内的同步轨道卫星），而当前讨论非常热烈的“另外三十亿人”（O3b）、“一网”（OneWeb）等星座项目则属于典型的非地球同步轨道系统。由于历史原因，1997年之前，使用地球静止轨道卫星系统是通信卫星领域的绝对主流，相应通信频段的划分、管理和申报、协调程序也是结合有限的地球静止轨道频率资源特点制定实施的。

规则基础

伴随着20世纪90年代的第一轮星座热潮，通过非地球同步轨道系统开展星座通信的想法和项目纷纷涌现，从频率资源管理规则和应用技术方面提出了迫切需求，国际电联从1995年世界无线电通信大会开始就《无线电规则》中引入适用于非地球同步轨道系统开展卫星固定业务（FSS）、卫星移动业务（MSS）的内容进行系统、深入的研究。

大会决议中明确提出：“需要在地球同步轨道的卫星固定业务系统和非地球同步轨道的卫星固定业务系统间以及地球同步轨道与非地球同步轨道的卫星固定业务系统间竞争的基础上”，通过频率共用实现相应业务。基于此，WRC－97对《无线电规则》进行修订，引入了著名的22.2条款（RR1998版本中的条款号为S22.2），即非地球同步轨道卫星系统使用卫星固定业务、卫星广播业务（BSS）划分频段时不得对使用地球同步轨道的卫星固定业务、卫星广播业务卫星系统造成不可接受的干扰，并不得要求其保护，同时做出新的划分，规定非同步轨道的卫星固定业务系统使用18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz频段，对1995年11月18日之后投入使用（报送通知资料）的同步轨道的卫星固定业务系统卫星不再提供保护，而是按无线电规则第9.11A条款进行协调（即所谓的先登先占），即上述22.2条款不适用。

上述频率划分和条款意味着，在C、Ku、K a等划分给卫星固定业务的频率资源中（也是公众所熟知的迄今为止绝大多数地球静止轨道通信卫星系统所使用的所有频段），除18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz频段外的频段，当用于非地球同步轨道卫星系统时，地位始终低于地球同步轨道卫星系统，无论资料申报时间早晚，包括未来不断申报的地球同步轨道卫星系统网络；而在18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz这500MHz频段中，非地球同步轨道系统与地球同步轨道系统公平竞争，频率共用。

此后20年来从未中断过的非地球同步轨道通信星座系统梦想得以前仆后继，正是基于当年奠定的这一规则基础。当然，如今的第二次星座浪潮中的卫星系统的技术特性已开始超越上述规则的范围了，这似乎也在预示规则的滞后和新规则的建立。

技术基础

上述条款生效近20年来从未像今天这样备受关注，由于传统地球同步轨道卫星系统间的频率兼容模式相对成熟而固化，无非是分频、极化复用、轨道位置间隔乃至覆盖区域隔离等措施的配合使用，但新一轮轨道革命引发的非地球同步轨道通信星座热潮彻底打破了这个平衡，让本来就已十分激烈的通信卫星频率资源竞争愈发趋于白热化。

与地球同步轨道卫星不同，非地球同步轨道星座系统由于其时变特性，卫星在空间的实时位置与运行的轨道、任务要求以及初始状态相关，并动态变化，与其他系统间的干扰关系也因而随时间变化，或者说是随干扰源及被干扰对象相对位置的变化而变化，需要用时间统计和功率水平两个维度来定义干扰标准和干扰程度。这些特点决定了，不管是两个或多个非地球同步轨道卫星系统间，还是非地球同步轨道星座系统与地球同步轨道卫星间的频率兼容性评估方法变得相对复杂，往往需要通过计算机仿真等方法进行分析。

为此，国际电联在WRC－95引入非地球同步轨道卫星系统的过程中，为保护原有地球同步轨道卫星的既定权益和用频安全进行了大量的技术讨论和研究，并为此建立相关频段的保护标准（具体见《无线电规则》第22条），除前文提到的22.2相关协调地位的条款外，还涉及许多非地球同步轨道与地球同步轨道频率共用的技术条件。现将与Ka频段通信卫星业务限制要求相关的主要内容介绍如下：

1）非地球同步轨道的卫星固定业务系统的卫星发射信号在达到地球表面任一点的等效功率通量密度不得超过《无线电规则》表22－1B、22－1C中规定的限值；

2）非地球同步轨道的卫星固定业务系统的所有地球站发射信号在达到地球静止轨道任一点的等效功率通量密度不得超过《无线电规则》表22－2、22－3中规定的限值；

3）地球同步轨道卫星固定业务系统的轨道位置保持精度、波束指向精度和相关地球站偏轴等效全向辐射功率（EIRP）密度需要满足22.7、22.19、22.26等相关条款提出的限值。

各自面临的挑战

然而，由于规则中仅提供了非地球同步轨道与地球同步轨道卫星系统频率兼容性判断标准和方法，如何实现共用（或者说在上述标准一旦突破的情况下，如何消除潜在干扰）仍是摆在非地球同步轨道与地球同步轨道卫星操作者面前的巨大问题。

（1）针对地球同步轨道通信卫星运营商

上述情况意味着，对地球同步轨道通信卫星运营商而言，在开展其Ka频段卫星项目计划时，特别是在进行先期频率方案论证时，在7GHz可选择频段中，不但需要考虑与其他使用地球同步轨道的同类卫星系统间（包括本国的与国际上的）的频率兼容性，还要考虑在18.8～19.3GHz/28.6～29.1GHz这500MHz频段中与已申报并建立国际协调地位的非地球同步轨道星座系统的频率兼容性和协调风险。根据当前国际电联数据库公布的已申报27.5～31GHz频段的非地球同步轨道卫星网络已近40个。

（2）针对非地球同步轨道卫星系统运营商

当然，历史原因形成的地球同步轨道卫星操作者在大部分频段的协调中占有一定优势，因此寻找并采取干扰规避措施就成为非地球同步轨道通信星座操作者的共同课题。公众所熟知的一网公司等都在这方面进行了大量研究和协调，其迄今为止最有效的措施之一就是利用其卫星与地球同步轨道卫星轨道高度差产生的隔离角避免干扰。

前景预判

换一个角度看地球同步轨道卫星与新一代非地球同步轨道卫星运营商对频谱资源的争夺，从提高频谱资源利用率的思路与角度考虑，这种争夺别具价值。笔者认为，这种非地球同步轨道与地球同步轨道卫星系统争夺频率资源的本质是频率资源的空间复用；如同地球静止轨道不同轨道位置的卫星在充分协调的基础上，可以实现同频、同区域的频率共用一样，如果能够找到频率共用的技术措施，非地球同步轨道与地球同步轨道只是在不同轨道（高度）上的频率复用，甚至地球同步轨道本来就是一种特殊的轨道，本质是频率的空间复用。由此，可以看到其巨大的提高频谱利用率的发展空间，对来自/指向不同空间位置的卫星的无线电频率信号能够加以区分，就意味着非地球同步轨道和地球同步轨道、不同轨道高度/倾角的非地球同步轨道星座系统间的频率可以实现共用，这将极大程度地提高频谱利用效率。

从目前国际电联的规则框架看，提供了这种可能性；但从实际各国操作、协调现状看，各操作者普遍处于一种竞争、对抗、独占、过度保护的心态，以频率占有而不是有效利用为目的的协调，基本谈不上有效的技术措施实现共用。显然，这不是技术问题，而是利益问题，更是发展理念问题。

事实上，我们已经看到，在短期内两方面无法就非地球同步轨道与地球同步轨道卫星系统寻求频率共用达成共识的情况下，已经有卫星操作者希望通过非地球同步轨道与地球同步轨道的卫星项目的合作，让利益冲突的双方成为一家，共同考虑非地球同步轨道和地球同步轨道系统的兼容操作，取长补短，谋求共赢。无论如何，这种趋势无疑是抬高了宽带通信卫星协调使用Ka频段的门槛，对新的卫星运营商而言，通过常规程序完成协调获得足够的Ka频段资源将日益困难。

3 总结

以上仅对通信卫星常规使用的Ka频段当前面临的两大热点问题进行了分析，实际上，Ka频段的选择还有其他约束条件，如众所周知的高端1GHz带宽（30～31GHz/20.2～21.2GHz）通常为军事通信卫星所用，与之同频协调将非常困难；另外新老卫星操作者当前普遍加强的频谱占用意识反映在系统设计上不是尽量提高频谱利用率，而是尽量占满上下行各3.5GHz的划分带宽，让卫星操作者之间的协调往往比预期的要复杂很多。

Ka频段划分给卫星固定业务上行下行共计7GHz带宽的频率，理论上通过波束/区域复用，每个轨道位置都应该可以容纳一颗以上的宽带通信卫星，频率轨道资源的紧张似乎无从谈起。然而从以上Ka频段的热点问题分析可以看到，对于此前没有开展卫星频率资源储备的新卫星操作者而言，在考虑与其他业务/系统频率共用基础上的频率方案论证与协调，仍是十分复杂而艰巨的任务，往往发现这么宽的频率资源中能够为我所得、为我所用的却很少。

其实，几乎所有频率资源都不是某种业务、某个系统独占的，对于任何无线电业务系统运营者而言，频率资源问题永远是最顶层、最具战略性和颠覆性的要素之一。

郭晗/本文编辑