ITU和FCC對NGSO衛(wèi)星的功率通量密度限值研究

劉明星，馬雯雯

（國家無線電監(jiān)測中心烏魯木齊監(jiān)測站，烏魯木齊 830054）

0 引言

由于無線電頻率資源的稀缺性和一定程度的排他性，導致此類特殊資源不能無所顧忌的使用，但人類的生產(chǎn)生活對無線電頻率資源的依賴卻與日俱增。為緩解頻率資源的緊張，各國的研究者在探索提升頻率資源效率的方法，最直接的體現(xiàn)在《無線電規(guī)則》中同一段頻率被劃分給多種無線電業(yè)務使用，且頻率劃分規(guī)定在不停的修訂補充和完善。

為規(guī)范各類無線電業(yè)務和應用，使頻率資源能夠合理高效利用，在頻率劃分規(guī)定中有地位之分，即主要業(yè)務和次要業(yè)務之分。在同一頻段內(nèi)具有相同地位的無線電業(yè)務之間的共享也需要進一步的限定或規(guī)定，例如固定業(yè)務和衛(wèi)星固定業(yè)務在10.7-12.7GHz、17.7-20.2GHz頻段同為主要業(yè)務，但二者之間的共存對衛(wèi)星固定業(yè)務提出了功率的限值，用于保護地面的固定業(yè)務，這一限值由功率通量密度（PFD，Power Flux Density）表達。

功率通量密度用于描述單位面積上在一定參考帶寬內(nèi)的功率值，單位為dBW/m2（參考帶寬），常用的參考帶寬為4kHz和1MHz。其表達式如下[1]：PFD=Ptx/S，S=4πR2，計算示意圖如下所示。

圖1 PFD計算示意圖

1 ITU和FCC的功率通量密度的適用范圍

PFD用于限定工作在某頻段的某種空間業(yè)務的空間電臺到達地球表面的單位面積功率值，該值可能有適用的頻段、業(yè)務及地理區(qū)域的限制。國際電信聯(lián)盟（ITU，International Telecommunication Union）和美國聯(lián)邦通信委員會（FCC，F(xiàn)ederal Communication Committee）分別制定了各自關于PFD使用的規(guī)則，詳細如下。

1.1 國際電信聯(lián)盟的PFD限值適用范圍

ITU關于空間電臺的PFD限值規(guī)定在《無線電規(guī)則》第21條第21.16款的表格21-4中[2]，包含L，S，C，X，Ku，Ka，V等頻段，涉及的頻段范圍為1.5GHz-50.2GHz，詳細如表1所示。

ITU的規(guī)定中，涉及的空間業(yè)務分別為衛(wèi)星移動業(yè)務（MSS）、衛(wèi)星固定業(yè)務（FSS）、衛(wèi)星廣播業(yè)務（BSS）、衛(wèi)星地球探測業(yè)務（EESS）、空間研究業(yè)務（SRS）、空間操作業(yè)務（SOS）、衛(wèi)星間業(yè)務（ISS）、衛(wèi)星氣象業(yè)務（MetSat），共8種。部分頻段的PFD限值有地理區(qū)域的限制，在使用的方向也有限制，對不同的軌道類型也有不同的規(guī)定。

表1 ITU規(guī)定的PFD限值的適用范圍

表1中用于限定衛(wèi)星固定業(yè)務非靜止軌道衛(wèi)星（NGSO FSS）的PFD限 制 涉 及3400-4200MHz、10.7-12.75GHz、17.7-19.7GHz、37.5-42.5GHz。上述頻段中Ku、Ka和V頻段將被廣泛用于NGSO系統(tǒng)中，第3節(jié)將對用于NGSO系統(tǒng)的PFD限值詳細的分析。

1.2 美國通信委員會的PFD限值適用范圍

FCC關于PFD規(guī)定條款在聯(lián)邦法規(guī)第47卷第25部分（CFR47 PART25）的25.208中，包含S、C、Ku、Ka和V等頻段，涉及頻率范圍為2.4-42.0GHz，詳細如表2所示。

表2 FCC規(guī)定的PFD限值的適用范圍

對比FCC和ITU關于PFD的規(guī)定，ITU的規(guī)定詳細，涉及的業(yè)務種類更多也更具體，適用的頻率范圍更廣。美國FCC的規(guī)定涉及的頻段少，大部分頻段涉及的業(yè)務未明確指出，這種沒有指定特定業(yè)務的限制也同樣有效，在一定條件和場合下適用的業(yè)務對象和系統(tǒng)更廣泛，也更加靈活。

FCC對衛(wèi)星固定業(yè)務的NGSO應用在Ku、Ka和V頻段分別作了專門的限定，為今后NGSO的發(fā)展奠定基礎，也符合當前大型NGSO星座系統(tǒng)的申請情況，本研究中的FCC法規(guī)（2019年3月版）是始于2012年的PART25規(guī)則修訂的產(chǎn)物，修訂加強了對NGSO系統(tǒng)的針對性和指向性。美國早在2012年就著手修訂傾向于非靜止軌道衛(wèi)星在衛(wèi)星固定業(yè)務中的應用，而各國向國際電聯(lián)申報NGSO星座系統(tǒng)的熱潮始于2014年[4]。

圖2 全球向ITU申報的NGSO系統(tǒng)（衛(wèi)星數(shù)量大于10顆）

從規(guī)則有傾向性的修訂和NGSO系統(tǒng)發(fā)展的新的熱潮的時間關系來看，美國依舊是NGSO系統(tǒng)熱潮的策源地。第3節(jié)將針對非對地靜止軌道的衛(wèi)星固定業(yè)務系統(tǒng)主流用頻分析FCC和ITU關于PFD限制的異同之處。

2 美國聯(lián)邦通信委員會和國際電信聯(lián)盟在不同頻段的對比

ITU對各頻段PFD的限值規(guī)定在《無線電規(guī)則》21條中給出，F(xiàn)CC對各頻段PFD的限值規(guī)定在PART25的25.208中規(guī)定。本節(jié)將結(jié)合典型的衛(wèi)星固定業(yè)務的NGSO星座，對美國和ITU的PFD在Ku、Ka和V頻段的具體限值進行對比分析。

2.1 Ku頻段PFD限值對比

Ku頻段豐富的頻率資源和成熟的技術方案成為NGSO星座申報的熱門頻段之一，目前NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡資料中申報Ku頻段的衛(wèi)星網(wǎng)絡資料85份[4]。OneWeb、Starlink、Theia等操作者為各自的NGSO星座申請Ku頻段的頻率資源[5-7]。

2.1.1 10.7-11.7GHz頻段的PFD限值對比

表3 10.7-11.7GHz頻段的PFD限值

表3中的參考帶寬不同，將ITU的參考帶寬歸化至4kHz，即10*lg（1000/4）=24dB?？梢钥闯?，F(xiàn)CC和ITU在10.7-11.7GHz頻段的限值相同。

以下二圖，分別為SpaceX和OneWeb在Ku頻段（10.7-11.7GHz）的PFD限值，圖中可以看出，F(xiàn)CC和ITU的在上述頻段的限值相同（參考帶寬統(tǒng)一后），對比兩個星座的限值結(jié)果，差異不大。

圖3 SpaceX在Ku頻段的PFD限值

圖4 Oneweb在Ku頻段的PFD限值

2.1.2 11.7-12.7GHz頻段的PFD限值對比

FCC在11.7-12.7GHz頻段未設置PFD限值，在各操作者向FCC的申請文檔中均使用ITU的限值進行分析。相較于10.7-11.7GHz頻段的PFD限值，ITU在11.7-12.7GHz頻段的限值在低仰角區(qū)間（0-25°）增加了2dB，在高仰角區(qū)間（25-90°）增加了2dB，變得較為寬松，詳細如表4所示。

表4 11.7-12.7GHz頻段的PFD限值

以下二圖，分別展示了SpaceX和OneWeb在Ku頻段（11.7-12.7GHz）的PFD限值（選用ITU標準）。圖5、圖6中可以看出，SpaceX的限值和OneWeb的限值之間的差值超過30dB，且其與規(guī)定限值的余量達到近35dB。SpaceX在10.7-11.7GHz的系統(tǒng)余量與11.7-12.7GHz頻段有較大的差異，這將為該系統(tǒng)的在Ku頻段的功率分配和頻率復用機制的有效實施帶來一定程度的麻煩，Ku頻段內(nèi)的系統(tǒng)效能也無法統(tǒng)一。

圖5 SpaceX在Ku頻段的PFD限值

圖6 Oneweb在Ku頻段的PFD限值

此外，F(xiàn)CC在12.2-12.7GHz頻段單獨設定了NGSO系統(tǒng)對多路視頻與數(shù)據(jù)分布業(yè)務（MVDDS：Multichannel Video and Data Distribution Service）系統(tǒng)的保護限值。

表5 12.2-12.7GHz頻段的PFD限值

相較于ITU在12.2-12.7GHz的PFD限值，F(xiàn)CC對該頻段NGSO系統(tǒng)對MVDDS系統(tǒng)在0-5度的限值較之ITU嚴苛10dB。但根據(jù)實際的應用來看，NGSO的星座系統(tǒng)衛(wèi)星下行信號的仰角遠大于5度，如圖7中Starlink星座中衛(wèi)星的覆蓋所示，實際的干擾情況發(fā)生的概率較低，上述規(guī)則使用的概率也不高。

圖7 SpaceX系統(tǒng)的仰角示意圖

在現(xiàn)有的功率條件下，系統(tǒng)余量越多，其增加功率帶來的系統(tǒng)性能提升也越明顯，且協(xié)調(diào)的難度也越小。

2.2 Ka頻段PFD限值對比

截至2019年底，全球向ITU申報的Ka頻段NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡共計214套[4]，向FCC為NGSO星座系統(tǒng)申請Ka頻段資源的達到8個[5-12]。

關于Ka頻段，F(xiàn)CC在2019年3月版的衛(wèi)星通信管理法規(guī)（CFR47-PART25）中，未對Ka頻段NGSO系統(tǒng)的PFD進行單獨限定，僅對17.3-17.7GHz的BSS業(yè)務和17.7-19.7GHz的GSO系統(tǒng)做了限定，推測FCC對NGSO在Ka頻段的使用持支持和保護的態(tài)度，且美國的5G頻率規(guī)劃僅占用27.5-28.35GHz的Ka頻段[13]。同時SpaceX等操作者認為，美國向ITU申報的地面業(yè)務臺站的數(shù)量少、且分散程度高，其保護的需求不明顯，協(xié)調(diào)的難度也較小，出現(xiàn)潛在干擾的可能性較低。從Ka頻段業(yè)務劃分的最新修訂情況來看，F(xiàn)CC極力支持Ka頻段NGSO系統(tǒng)的應用。

（1）17.7-19.3GHz頻段的PFD限值對比。FCC在Ka頻段雖未在25.208款中單獨對FSS-NGSO系統(tǒng)的PFD設定限值的約束，但是在25.146款中規(guī)定：10.7GHz-30GHz頻段的FSS-NGSO系統(tǒng)需符合ITU關于PFD的限值規(guī)定，ITU的限值規(guī)定如表6所示。

表6 17.7-19.3GHz頻段的PFD限值

表6中，X由衛(wèi)星的數(shù)量確定，計算公式如下：X=0dB，N≤50；X=5/119（N-50）dB，50＜N≤288；X=1/69（N+402）dB，N＞288。OneWeb和SpaceX均使用了用系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量計算PFD限值，這種做法更加契合實際的情況，便于協(xié)調(diào)。

表7 19.3-19.7GHz頻段的PFD限值

19.3-19.7GHz頻段，F(xiàn)CC同樣未規(guī)定PFD限值，ITU的限值見表7。與17.7-19.3GHz頻段不同，該限值的計算方法與系統(tǒng)中衛(wèi)星的數(shù)量無關。

對于19.7-20.2GHz頻段，ITU和FCC均未規(guī)定限值，依照《無線電規(guī)則（2016版）》的規(guī)定，NGSO在此頻段使用需要滿足5.484A、5.484B、5.516B、5.527A等條款的限制[2]。

OneWeb和SpaceX兩個星座分別針對ITU和FCC的限值要求做了分析和測算，如下所示。

圖8 SpaceX關口站在Ka頻段的PFD限值

圖8中SpaceX關于Ka頻段PFD限值的分析基于FCC《衛(wèi)星通信管理法規(guī)》第25.208（c）款，其空間電臺的功率通量密度完全符合限值的規(guī)定，且有超過10dB的余量。

圖9中OneWeb系統(tǒng)關于Ka頻段PFD限值的分析基于《無線電規(guī)則》第21條表格21-4中的分析。17.7-19.3GHz的PFD限值有兩種定義方式，分別為與衛(wèi)星數(shù)量有關和與衛(wèi)星數(shù)量無關，OneWeb選擇與衛(wèi)星數(shù)量有關的計算方法，其更嚴苛，而且計算的結(jié)果有20dB的余量，如圖8所示。

圖9 Oneweb在Ka頻段的PFD限值

比較上述OneWeb和SpaceX的限值，其結(jié)果有較大的差異，因ITU和FCC規(guī)則的不一致性導致。采取嚴苛的限值條件，對系統(tǒng)提供的服務可能會有影響，但對于協(xié)調(diào)來說，有很大的促進作用，需要操作者根據(jù)實際情況取舍。Ka頻段同時作為GSO高通量衛(wèi)星和NGSO寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的首選頻段，以及5G毫米波的候選頻段，各系統(tǒng)間的共存將面臨很大挑戰(zhàn)。

2.3 V頻段PFD限值對比

下一個熱門的頻段將是37.5-42.5GHz為衛(wèi)星業(yè)務下行的V頻段，向ITU申報該頻段的空間業(yè)務網(wǎng)絡資料數(shù)量高達930個[4]。為保護地面相關業(yè)務，ITU和FCC均設置了相應的PFD限值，F(xiàn)CC對V頻段的PFD限值規(guī)定在25.208（r）款中，詳細如下。

2.3.1 37.5-40.0GHz頻段的PFD限值對比

表8 37.5-40.0GHz頻段的PFD限值

FCC和ITU關于37.5-42.5GHz頻段的限值在仰角0-25度范圍內(nèi)不同，限定的方法也不同，ITU規(guī)定了3個角度區(qū)間，F(xiàn)CC規(guī)定了2個角度區(qū)間。在此頻段，仰角為0-20度時，F(xiàn)CC的PFD限值比ITU的限值高出約12dB，仰角在20-25之間，F(xiàn)CC的限值較ITU高12-0.35（δ-5）dB。此頻段FCC的限值嚴苛，與美國的5G毫米波頻段規(guī)劃方案有密切的關系[8]。NGSO工程推進中為避免美國國內(nèi)協(xié)調(diào)和國際協(xié)調(diào)的不一致性，降低協(xié)調(diào)難度，SpaceX等操作者均選擇FCC的限值來遵守。

2.3.2 40-40.5GHz頻段的PFD限值對比

在40-40.5GHz頻段，F(xiàn)CC和ITU未單獨為NGSO系統(tǒng)限定PFD值，ITU對FSS的限值與FCC的限值相同，詳見下表。

表9 40.0-40.5GHz頻段的PFD限值

2.3.3 40.5-42GHz頻段的PFD限值對比

在40.5-42GHz頻段，F(xiàn)CC和ITU對NGSO系統(tǒng)規(guī)定了相同的PFD限值，詳細如下。

表10 40.5-42.0GHz頻段的PFD限值

2.3.4 42-42.5GHz頻段的PFD限值對比

在42-42.5GHz頻段，F(xiàn)CC無限值，ITU對NGSO系統(tǒng)規(guī)定的PFD限值，詳細如下。

表11 42.0-42.5GHz頻段的PFD限值

整體來看，ITU在V頻段對PFD規(guī)定限值的頻率范圍較之FCC廣，但FCC在部分有限值的頻段，大多定義了特定的業(yè)務或特定的用途，或為保護地面的特有業(yè)務設定了專門的限值。

對比V頻段的限值，F(xiàn)CC在37.5-40GHz頻段的規(guī)定最嚴苛，如圖10所示，OneWeb星座對PFD的限值的符合FCC和ITU限值的要求。

圖10 OneWeb在V頻段的PFD限值

圖11 SpaceX在V頻段的PFD限值

圖11展示SpaceX在V頻段的PFD限值，其滿足ITU的限值，但不滿足FCC的在37.5-40GHz的PFD限值要求且功率值接近限值門限，若需要滿足FCC的要求，需要進一步限制衛(wèi)星的下行功率，會對系統(tǒng)容量和服務能力產(chǎn)生負面的影響。另外，Starlink星座的在37.5-40GHz不符合FCC的規(guī)定，這將對未來該系統(tǒng)與5G的協(xié)調(diào)帶來難度。

此外，F(xiàn)CC與ITU關于PFD限值的規(guī)定還有一點不同，F(xiàn)CC規(guī)定未限定業(yè)務，僅限定了軌道類型（GSO或NGSO），其適用性較之ITU更廣泛，限定范圍更廣。

3 結(jié)束語

本文通過分析FCC和ITU關于功率通量密度的規(guī)定，結(jié)合實際的工程案例分析其異同，掌握典型系統(tǒng)與規(guī)則的匹配情況。OneWeb系統(tǒng)完全匹配FCC和ITU的PFD規(guī)則，Starlink系統(tǒng)未能完全遵守FCC在V頻段的規(guī)則，為其今后在美國國內(nèi)的協(xié)調(diào)留下了隱患。掌握FCC就NGSO系統(tǒng)的規(guī)則使用的詳情，能作為我國衛(wèi)星系統(tǒng)與美國系統(tǒng)的協(xié)調(diào)依據(jù)。

目前，我國在實際的協(xié)調(diào)中主要使用ITU的規(guī)則，未專門針對國內(nèi)的實際情況專門制定相關規(guī)則，而ITU的規(guī)則可能無法完全適用我國的國情。美國的規(guī)則有大量工程案例作為實踐的依據(jù)，其規(guī)則能指導我國制定相關的規(guī)則。大型NGSO星座系統(tǒng)作為全球系統(tǒng)，可能對我國的相關系統(tǒng)造成影響，F(xiàn)CC的相關規(guī)定能夠作為干擾評估的有效依據(jù)。及時分析和了解國外的規(guī)則能夠為我國空間業(yè)務發(fā)展和推進提供必要的參考。