GSO卫星移动通信L和S频段资源态势分析

翟华 张千

【摘  要】卫星移动通信可面向个人用户提供天基话音和数据服务，具有重要的商用和军用价值。二十多年来，地球同步轨道（GSO）卫星移动通信系统普遍使用L和S频段。对国际电信联盟（ITU）在L和S频段的使用规则进行详细梳理，并总结了各频段当前在轨卫星系统的建设情况和发展趋势。通过分析面向卫星移动通信L和S频段资源的紧缺状况，以及地面蜂窝通信系统与卫星移动通信系统在L和S频段资源上的激烈竞争局势，对GSO卫星移动通信系统的用频策略给出了一些参考建议。

【关键词】卫星移动通信;L和S频段;频谱资源

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章編号：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：翟华，张千. GSO卫星移动通信L和S频段资源态势分析[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 00-00.

0   引言

卫星通信技术自20世纪70年代起在全球范围内逐渐投入广泛应用。相比于地面有线和无线通信系统，卫星通信系统具有覆盖范围广、抗灾害能力强的优势，在电视广播、应急救灾、海洋和航空通信等领域发挥了不可替代的功用。按照国际电信联盟（ITU）的规定，卫星通信业务分为广播业务（BSS）、固定业务（FSS）和移动业务（MSS）[1]，其中MSS面向地面移动卫星通信终端，可直接为个人用户、移动运载平台（如车、船、飞机等）提供天基话音、短消息、传真和数据等业务[2]，适用于灵活多样的应用场景，具有重要的商用和军用价值。

L频段（1—2 GHz）和S频段（2—4 GHz）因其在波长、传播特性、带宽能力、元器件成熟度等方面的优势，比较适合于移动无线通信系统[2]。ITU已经将大部分L和S频段划分给地面无线通信和卫星移动通信业务[1]。目前全球大规模商用的地面2G、3G、4G蜂窝移动通信网主要采用L、S频段，国际范围内业已建成投入应用的多个卫星移动通信系统也集中在L和S频段。

GSO卫星移动通信系统经过20余年的建设和发展，在技术发展、应用开发、市场推广等方面均不断成熟和完善。本文将重点关注GSO卫星移动通信L和S频段的频谱资源情况，通过分析频谱规则、在轨卫星频率使用状况、系统应用中的频率问题等，为L和S频段GSO卫星移动通信系统的发展提出建议。

1   卫星移动通信发展状况

自20世纪90年代以来，国际上已在L和S频段建设了数十个卫星移动通信系统[3]，并且目前大多数系统仍在轨运行并广泛应用。除“铱星（Iridium）”、“全球星（Globalstar）”两个系统为低地球轨道（LEO）系统外（Iridium轨道高度780 km，Globalstar轨道高度1 400 km），其余十余个L和S频段卫星移动通信系统均为地球同步轨道（GSO）系统。相比于LEO星座系统，GSO系统仅需单颗卫星即可提供较大范围的区域常态覆盖，3～4颗GSO卫星组网可实现全球中低纬度常态覆盖，并且GSO系统没有LEO系统所面临的复杂移动性管理、大多普勒频偏等问题[4]。表1中整理列出了全球范围内1995年来发射入轨的L、S频段GSO卫星移动通信系统：

为提升波束增益、保障传输链路性能，GSO移动通信卫星星上配置较大口径的天线，形成多点波束实现对星下区域的拼接覆盖，并且多点波束间采用频率复用方式提高系统频谱利用率。随着技术的发展，在轨卫星的天线口径已由数米增大到几十米，如Inmarsat-4卫星采用11米口径天线，TerreStar卫星采用22米口径天线;卫星的点波束数量也由数个增多到数百个，如Thuraya卫星形成250个以上波束，TerreStar卫星可形成超过500个波束。

L和S频段GSO卫星天线和波束能力的提升，使得系统可以对小型化低功耗手持、便携卫星终端提供天基通信接入服务，极大地拓展了应用市场。例如，全球90%以上客运航班和远洋船舶均已安装Inmarsat-4卫星终端，多国政府在抢险救灾中也普遍配备Inmarsat-4手持机用作应急通信手段。

2   L和S频段频率资源状况

2.1  ITU频率使用规则

国际电信联盟（ITU）在制定无线电频谱使用规则时，将全球划分为三个区[1]，如图1所示，第一区主要为非州、欧洲，第二区主要为美洲，第三区主要为亚太地区。表2中给出了ITU频谱规则中，在L和S频段为MSS业务分配的频率资源情况[1]。

从表2中可见，L和S频段为MSS分配的频率资源，包括以下三类：

（1）全球频段，共8段（4组）：1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz，1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660 MHz，1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz，1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz，这些频段在1、2、3区均可使用，目前在轨的大部分MSS卫星系统均集中在这4组频段。

（2）二区频段，共4段（2组）：1 930—1 970 MHz/2 120—2 160 MHz，2 010—2 025 MHz/2 160—2 170 MHz，这些频段仅限于2区使用，且其中1 930—1 970 MHz/2 120—2 160 MHz上MSS仅为次要业务，目前尚未有在轨卫星使用这4段频率。

（3）三区频段，共2段（1组）——2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz，仅限于3区使用，目前印度和日本的MSS卫星系统使用该频段。

下文将对L和S频段MSS各段频率的具体规则和使用情况进行描述。

2.2  MSS频段使用现状

（1）1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz

1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz频段是最早应用于GSO卫星移动通信的频段，因而被称为卫星移动通信的“黄金频段”，卫星MSS业务在此频段具有独占性。如图2所示，目前全球范围有4个卫星系统在轨使用该频段：覆盖全球中低纬度区域的Inmarsat 4星座系统、覆盖欧亚非地区的Thuraya星座系统、覆盖北美的Skyterra卫星和覆盖东南亚的ACeS卫星。

为协调不同卫星系统在该频段上共用，1997年国际上成立了L频段多边协调机制，成员国包括澳大利亚、埃及、印尼、日本、俄罗斯、阿联酋、英国、法国等，通过定期召开大会和磋商会，为成员国在该频段上建设卫星移动通信系统协调和分配频率资源。该协调机制将地球划分为几十个区，不同区之间可实现频率复用。

另外，该频段在具体使用上也有一些限制，如1 544—1 545 MHz/1 645.5—1 646.5 MHz限优先用于卫星应急和安全保障通信[1]。

（2）1 980—2 010MHz/2 170—2 200 MHz

1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz频段于1992年的世界无线电大会上正式被授权开展MSS业务。但是，该频段同时也被授权开展地面固定和移动业务，并且地面业务和MSS业务均被定义为并列的主要业务。在不同的国家和地区，可以根据具体建设需求，灵活协调该频段的使用方式。

北美地区最早将该频段用于建设卫星移动通信系统，2008年发射的ICO G1卫星和2009年发射的TerreStar-1卫星都采用该频段，且均覆盖北美地区。两系统在该频段采用分频共用方式，其中ICO G1使用2 010—2 020 MHz/2 180—2 190 MHz，TerreStar-1使用2 000—2 010 MHz/2 190—2 200 MHz。

欧盟于2009年初将该频段的使用权授予Solaris Mobile公司和Inmarsat公司，希望两家公司分频使用该频段的各15 MHz资源（使用期限为18年），建设服务欧洲全境的卫星移动通信系统。如图3所示，2017年6月，两颗覆盖欧洲的移动通信卫星Echostar 21和Inmarsat S相继发射升空，该频段在欧洲全境正式投入实际应用。

由于美国回声星（Echostar）公司于2011年收购了美国ICO、TerreStar两公司，并于2014年收购了欧洲Solaris Mobile公司。因此，回声星公司目前拥有该频段在北美和欧洲地区的主要使用权。

在亚洲，我国积极倡导在该频段建设卫星移动通信系统，但韩国、菲律宾、印度等国家已有计划将该频段用作地面蜂窝无线通信。同时，日本准天顶（QZSS）卫星系统采用该频段中的5 MHz（2 000—2 005 MHz/2 190—2 195 MHz）用于卫星灾害救援通信保障。

（3）1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz

1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz于2003年的世界无线电大会上被授权用于MSS业务，是较新的MSS频段，因而目前实际在轨的卫星系统较少。仅有2013年发射的Inmarsat I-4A F4（AlphaSat I-XL）卫星在轨使用了该频段，覆盖欧洲和非洲地区。

与上述1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz类似，该频段同样也被授权给地面固定和移动业务使用，且地面业务与MSS业务处于同等地位，在实际使用时需要充分协调。

在我国，射电天文业务已经使用1 668—1 670 MHz频段，我国卫星气象业务已使用1 671.6—1 675 MHz频段。若在该频段开展MSS业务，需与已有系统进行充分沟通和协调，尽量避免发生互相干扰的状况。

（4）1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz

1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz自20世纪90年代即用于投入MSS业务应用，但当时主要是两个LEO通信卫星星座采用该频段进行建设——Iridium系统和GlobalStar系统。其中Iridium系统采用时分双工（TDD）通信模式，卫星对地面和地面对卫星的通信链路均1 616—1 626.5 MHz频带上运行，GlobalStar系统采用常规频分双工（FDD）模式，地面到卫星的链路工作在1 610—1 626.5 MHz，卫星到地面的链路工作在2 483.5—2 500 MHz。这两个LEO星座系统已在全球范围内占用了该频段。

1 610—1 626.5 MHz同时也被划分给了航空无线电导航业务，且MSS业务不得对其产生有害干扰。另外，2012年的世界无线电大会将2 483.5—2 500 MHz划分给了卫星无线电测定（RDSS）作为主要业务，我国北斗导航系统也计划采用该频段开展导航定位业务[5]。

（5）2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz

2 500—2 535 MHz/2 655—2 690 MHz仅限于在3区用于MSS业务，但该频段在3区也被授权给地面固定和移动通信、卫星FSS和BSS业务等作为主要業务使用。同时ITU规定利用2 520—2 535 MHz/2 655—2 670 MHz在3区建设卫星MSS系统时，仅限于本国境内使用。因此，3区内的不同国家可针对此频段自行决定使用方式。

日本2006年发射的ETS-8卫星采用了该频段（2 500—2 505 MHz/2 655—2 660 MHz），形成5个波束覆盖日本国土。印度2015年发射的GSAT-6卫星采用该频段（2 500—2 520 MHz/2 670—2 690 MHz），形成5个波束覆盖印度半岛;2018年3月，印度发射GSAT-6A卫星用于补充GSAT-6的能力，但卫星入轨后因故失联。

在我国，已明确将2 500—2 690 MHz频段用于地面蜂窝移动通信系统建设，我国三大运营商的TD-LTE 4G网络均已部署工作在此频段。

3   卫星MSS系统建设用频建议

3.1  建议卫星MSS系统以区域覆盖为主

尽管建设全球覆盖的GSO卫星移动通信星座组网系统更具商业应用价值，但从频率资源使用的可行性角度分析，建议以区域覆盖为主。目前，全球范围内所建设的卫星移动通信系统，仅有Inmarsat-4实现了全球覆盖，其余系统均为区域覆盖（如阿联酋Thuraya系统）或国境内覆盖（如印度GSAT-6系统）。

基于表2中给出的8段全球MSS业务频段进行分析：

（1）1 610—1 626.5 MHz/2 483.5—2 500 MHz是独占性的卫星MSS频段，但已经存在两个LEO全球星座系统，并且2 483.5—2 500 MHz频段面临与卫星导航业务的协调，重新建设全球系统的难度很大。

（2）1 525—1 559 MHz/1 626.5—1 660.5 MHz也是独占性的卫星MSS频段，目前已有Inmarsat-4系统实现了全球覆盖，使用该频段需要首先加入L频段多边协调机制，与在轨的多个系统充分协调存在不小的难度。并且Thuraya公司和Inmarsat公司均已经表示要在该频段继续建设替代卫星系统，以保持对该频段的接续使用权，因此重新规划全球系统几乎没有可行性。

（3）1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz、1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz频段上卫星MSS和地面移动通信并列为主用业务，构建全球系统必须与覆盖区内的众多国家逐个开展频率协调，操作难度和风险极大。同时这些频段上已经有覆盖欧洲和北美的多个卫星系统在轨（如Terrestar、Alphasat等），构建全球系统必须与之进行协调，因此，在这些频段上规划新的全球系统也存在很大难度。

综上，在现有的MSS业务频段上重新规划建设全球性的GSO卫星移动通信系统，存在较大的协调难度和建设风险，建议重点考虑区域覆盖卫星移动通信系统建设。

3.2  建议重视来自地面系统的用频竞争

近年来随着地面移动通信技术的发展以及智能手机、移动互联网的广泛普及，地面蜂窝通信系统飞速建设，手机通信速率已提升至数百Mbps。随着5G投入商用以及6G启动论证，地面系统对频率带宽的需求更为迫切。除了向更高的C和Ka频段扩展之外，地面系统也将对现有L和S频段重新整合，从而与卫星MSS系统产生用频竞争。

从表2中统计可见，ITU为L和S频段卫星MSS授权的14段频谱，其中全球使用的频谱共175 MHz，限于2区使用的频谱共105 MHz，限于3区使用的频谱共70 MHz。与之对比，地面蜂窝移动通信网所占用的频率资源要多得多。以我国为例，我国已为地面2G、3G、4G网络授权的频率资源达到680 MHz，其中有近500 MHz带宽资源已经投入三大运营商系统建设和使用。

另外，1 980—2 010 MHz/2 170—2 200 MHz、1 518—1 525 MHz/1 668—1 675 MHz等频段上卫星MSS和地面业务均为主要地位，目前已有许多国家（如亚洲范围内的韩国、日本、印度等）的频率管理部门公开表示将使用这些频段建设地面蜂窝通信系统。在此态势下，卫星MSS系统的建设用频将更为受限。

通常认为GSO卫星移动通信系统是“功率受限”（即受限于卫星载荷功率），对频率带宽的占用需求不高。但是随着卫星平台能力和天线口径的不断提升，使得系统逐渐向“频率受限”（即受限于通信频率资源）转变。因而，卫星MSS业务也应在ITU规则范围内加强寻求频率资源保障，协调来自地面通信系统的频率资源竞争挑战，巩固现有MSS频段的使用权。

3.3  建议开展星地同频共用技术研究

近年来，国际上已逐渐形成认识：卫星移动通信与地面移动通信都是IMT系统（International Mobile Telecommunications）的组成部分，两者的技术特点决定了各自的应用优势，通过互补融合建设可以更好地促进IMT系统发展。面对稀缺的L和S频段资源，ITU倾向于将同一段频段同时授权给卫星MSS和地面移动通信业务，也积极倡导探讨星地联合频率共用方案[1]。

近十余年来，国际范围内针对星地融合（Integrated）或混合（Hybrid）网络系统广泛开展了详细的系统论证和标准化工作[6-7]。自2008年来，北美和欧洲的频谱管理部门授权卫星MSS业务运营者采用地面辅助单元（ATC， Ancillary Terrestrial Component）或增补地面单元（CGC， Complementary Ground Component）技术[8]，在卫星移动通信系统中增设地面辅助基站，用于解决卫星通信在受遮挡场景以及建筑内部性能不佳的问题。地面ATC基站和卫星共用同一段L或S频段频率资源，采用相同的空口信号格式和通信体制，并且共同连接到统一的核心网进行管理。但是，2011年突发了“光平方”卫星的ATC基站干扰GPS事件[9]，导致ATC技术在北美的推广应用受阻。如图4所示，目前，Inmarsat正在欧洲开展欧洲航空網络（EAN）建设，采用Inmarsat S卫星和遍布欧洲的300个地面CGC基站，提供航空通信服务。星地联合频率共用技术必须针对系统架构开展深入的方案论证，协调避免可能出现的同频和邻频干扰情况。

另外，2017年以来，国际标准化组织3GPP在开展IMT-2020系统5G标准论证时，已经开始论证将卫星通信和地面通信一起融入5G系统架构中，并正在开展星地联合系统的统一化通信协议和标准制定[10-11]，这也加速推进了星地频率联合共用的进度和可行性。

由此可见，针对L和S频段的移动通信频率资源，国际范围内已形成星地共用频率的认知和发展趋势，后续卫星移动通信系统的规划应考虑与地面通信系统联合论证和同频建设。

4   星地同频共用问题分析

L和S频段卫星移动通信和地面移动通信系统的同频共用技术，需要考虑如下几个问题。

（1）卫星和地面通信链路的差异问题

与地面基站通信相比，卫星的发射功率受限于卫星平台的能力，同时卫星信道的传播距离远远高于地面。因此卫星通信的信号强度往往远远小于地面通信系统，通常卫星信号强度比地面通信系统小30 dB以上。由于卫星通信链路的传播距离长，其传输时延远远高于地面系统，GSO卫星的回程时延（RTD）可达250 ms。另外，卫星的轨道设计可能造成通信链路的相对运动，以GSO移动通信卫星为例，其轨道往往设计小倾角（约3°～6°），从而其星下点在24小时内按“ 8 ”字变化。这导致卫星波束覆盖区的轻度变化，并引入了通信频偏。

在设计星地同频共用通信系统时，需综合考虑以上星地通信链路的差异性问题，深入开展星地一体化系统架构和应用模式的研究论证工作。

（2）MSS频谱资源双工划分问题

目前国际电联对授权给地面MSS的频率资源，均不做双工模式的要求。地面基站到手机的下行链路与手机到地面基站的上行链路，可以按照TDD模式工作在同一频段上，也可以按照FDD模式工作在有一定频率间隔的两个不同频段。地面4G和5G蜂窝通信系统均同时支持TDD和FDD模式。但对于卫星通信系统，国际电联所授权的频谱资源基本均为FDD模式，即卫星通信的上下行链路工作在两个不同频段上。

为保障星地同频共用通信系统的统一建设和融合应用，可促使国际电联在L和S频段上对卫星MSS业务授权TDD频段。

（3）星地同频共用的协调管理问题

GSO移动通信卫星单个点波束的覆盖直径达数百km，整星覆盖直径可达数千km，通常其覆盖区内可包含多个国家。若每个国家针对L和S频段“星地同频共用”的态度策略和部署方式不同，极易对本国GSO卫星产生同频干扰，从而影响系统整体通信能力。因此，需提前开展与周边国家的频率协调工作，尽可能避免干扰的发生。同时在本国内，也许加强卫星和地面通信系统之间的资源统筹管理，尽可能将星地一体化通信系统交由统一公司运维，以提升频谱资源的使用效能。

5   结束语

经过二十余年的发展，卫星MSS业务已在社会经济活动中发挥了重要功用。但是L和S频段的MSS业务频率资源面临较为严峻的态势，在规划新的GSO卫星移动通信系统时除需与在轨卫星进行协调外，还面临来自地面通信系统、卫星导航系统等的频率竞争。ITU等标准化组织倡导将卫星MSS系统作为IMT系统的一部分，开展星地联合系统论证和星地联合频率共用设计，是未来发展的一种趋势。

参考文献：

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[11]   3GPP. 3GPP TR 22.822. Study on using satellite access in 5G （Release 16）[R]. 2017.

作者簡介

翟华（orcid.org/0000-0001-6529-6613）：助理研究员，毕业于国防科技大学，现任职于北京跟踪与通信技术研究所，主要研究方向为卫星通信。

张千，高级工程师，中国空间技术研究院通信卫星事业部，主要研究方向为卫星通信。

收稿日期：2020-05-03