衛(wèi)星移動(dòng)通信頻軌資源應(yīng)用現(xiàn)狀與對(duì)我國(guó)發(fā)展建議

張馨予孫茜劉慧梁

（1中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部 2國(guó)家航天局衛(wèi)星通信系統(tǒng)創(chuàng)新中心）

2022年必將是大眾衛(wèi)星通信服務(wù)市場(chǎng)化進(jìn)程中具有里程碑意義的一年。2022年9月6日，華為公司產(chǎn)品發(fā)布會(huì)展示了新款Mate50系列手機(jī)將通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星短消息功能。9月8日，蘋(píng)果公司（Apple）發(fā)布的iPhone14系列手機(jī)正式宣布將依托“全球星”（GlobalStar）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信功能。以上兩場(chǎng)產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，首次將衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)引入大眾消費(fèi)電子終端，在全球通信服務(wù)領(lǐng)域?yàn)椤笆謾C(jī)直連衛(wèi)星”（satellite-to-cellular service）業(yè)務(wù)的概念進(jìn)行了宣傳推廣，本文將從頻軌資源的視角探尋國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星公司引領(lǐng)的新興衛(wèi)星移動(dòng)通信浪潮發(fā)展概況，并對(duì)我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信提出發(fā)展建議。

1關(guān)于衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)的國(guó)際規(guī)則定義

支持大眾智能手機(jī)終端直接連入衛(wèi)星系統(tǒng)的“手機(jī)直連衛(wèi)星”新型應(yīng)用，已成為全球衛(wèi)星移動(dòng)通信市場(chǎng)的新熱點(diǎn)，除了在通信協(xié)議、芯片設(shè)計(jì)、終端研制等多個(gè)環(huán)節(jié)共同發(fā)力、推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新之外，在對(duì)空間頻率軌道資源的利用方面也呈現(xiàn)了新思路和新變化。

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）作為負(fù)責(zé)分配和管理全球無(wú)線電頻譜與衛(wèi)星軌道資源的聯(lián)合國(guó)專門(mén)機(jī)構(gòu)，早在1982年發(fā)布的《無(wú)線電規(guī)則》中就提出了移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）的定義[1]。在ITU領(lǐng)域，如果與衛(wèi)星進(jìn)行通信的地球站具有移動(dòng)特性（即：相對(duì)于地表并非固定不動(dòng)），那么就需要選擇ITU劃分給MSS業(yè)務(wù)的無(wú)線電頻譜資源，并根據(jù)地球站的具體移動(dòng)范圍進(jìn)一步分為陸地衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)、航空衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)、水上衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)。表1給出了ITU劃分給MSS的常用頻段范圍，為方便對(duì)不同頻段范圍的引用，本文定義了頻段范圍代號(hào)。

表1 ITU劃分給MSS的常用頻段范圍[1]

基于表1中ITU劃分給MSS的頻譜資源，國(guó)際移動(dòng)通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商們選擇不同的軌道資源，先后發(fā)展并形成了以“銥星”（Iridium）、GlobalStar為代表的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，以及以“國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星”（Inmarsat）、“瑟拉亞”（Thuraya）為代表的靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[2]。圖1給出了ITU發(fā)布的上述典型傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率申報(bào)情況。

圖1 國(guó)外典型衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率申報(bào)情況[3]

可以看出，無(wú)論是低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，還是靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率申報(bào)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）頻率的選擇集中在ITU為MSS業(yè)務(wù)分配的頻段范圍，向ITU申報(bào)并且使用的頻率資源均為MSS業(yè)務(wù)可用資源；

2）出于服務(wù)手持終端的目標(biāo)，系統(tǒng)建設(shè)初期均主要使用3GHz以下頻率資源提供移動(dòng)通信服務(wù)[4]。隨著用戶對(duì)通信速率需求的提高，以及衛(wèi)星平臺(tái)與天線性能的提高，部分移動(dòng)通信系統(tǒng)嘗試向更高的Ka頻段擴(kuò)展[5]；

3）由于3GHz以下頻段范圍的MSS與地面移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)很難在背靠背設(shè)計(jì)的前提下實(shí)現(xiàn)同頻同覆蓋應(yīng)用，在當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)及技術(shù)背景下，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)在同一區(qū)域只能通過(guò)分頻實(shí)現(xiàn)兼容共用，導(dǎo)致傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)只能發(fā)展專用用戶終端為用戶提供服務(wù)，與地面移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)的“互補(bǔ)”僅體現(xiàn)在為地面基站難以覆蓋區(qū)域提供覆蓋能力的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)淺層次的星地融合[6]。

2新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)申報(bào)及使用頻率情況分析

2022年9月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）給美國(guó)衛(wèi)星電信服務(wù)提供商領(lǐng)克全球公司（Lynk Global）頒發(fā)了一份“特殊”的頻率許可——允許其使用地面蜂窩移動(dòng)通信的頻率，該許可直接突破了傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以選擇的頻段范圍，為打造支持手機(jī)直連的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)了新思路。幾乎在同一時(shí)間，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、蘋(píng)果、華為等衛(wèi)星公司及智能手機(jī)公司紛紛召開(kāi)發(fā)布會(huì)，宣布“開(kāi)發(fā)新一代手機(jī)芯片、提供手機(jī)直連衛(wèi)星的新型服務(wù)”。太空網(wǎng)絡(luò)寬帶服務(wù)公司（AST&S）成功發(fā)射藍(lán)行者－3（BlueWalker－3）衛(wèi)星，用以在軌開(kāi)展手機(jī)直連衛(wèi)星的相關(guān)試驗(yàn)，相關(guān)報(bào)道均代表著新興衛(wèi)星移動(dòng)通信浪潮已正式開(kāi)啟。

向FCC的頻率申報(bào)情況分析

表2給出了AST&S公司和Lynk Global公司向FCC申請(qǐng)的頻率軌道資源情況，可以看到，業(yè)務(wù)鏈路的選頻仍然集中在3GHz以下的頻段范圍，但已經(jīng)涉及原本劃分給地面蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)使用的617~960MHz頻段。

表2 向FCC申請(qǐng)手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的頻率計(jì)劃[8- 9]

除上述兩家公司之外，SpaceX公司也向FCC提交了修改“星鏈”（Starlink）星座頻率計(jì)劃的申請(qǐng)，希望能夠補(bǔ)充1~2GHz頻段范圍的MSS頻率資源[7]。

向ITU的頻率申報(bào)情況分析

與FCC在頻率許可政策法規(guī)方面擁有一定的靈活性不同，ITU對(duì)于不符合業(yè)務(wù)劃分的頻率申請(qǐng)管理得非常嚴(yán)格：必須承諾遵守《無(wú)線電規(guī)則》第一卷的4.4條款，既不能對(duì)其他合法使用的頻率造成有害干擾，也不得要求來(lái)自其他合法使用頻率的保護(hù)[1]。表3給出了上述新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)向ITU的頻率申報(bào)情況，可以看到，除了傳統(tǒng)的MSS劃分之外，已經(jīng)基于4.4條款向ITU申報(bào)了大量用于地面蜂窩移動(dòng)通信的移動(dòng)業(yè)務(wù)（MS）劃分，其中，SpaceX公司選擇申報(bào)的MS劃分基本是基于現(xiàn)有MSS劃分頻率范圍的延伸。

表3 向ITU申請(qǐng)手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的頻率計(jì)劃[3]

新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)頻率使用計(jì)劃的對(duì)比分析

圖2給出了新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率使用情況?？梢钥吹?，Iridium、GlobalStar、Inmarsat以及Thuraya的頻率使用集中在MSS劃分的可用頻率資源，但領(lǐng)克塔－1（Lynk Tower－1）試驗(yàn)衛(wèi)星、BlueWalker－3試驗(yàn)衛(wèi)星、Starlink系統(tǒng)（擬與T-Mobile手機(jī)合作開(kāi)展手機(jī)直連服務(wù)）、華為手機(jī)（擬使用北斗系統(tǒng)開(kāi)展短報(bào)文服務(wù)）和iPhone 14（擬使用GlobalStar系統(tǒng)開(kāi)展短報(bào)文服務(wù)）等新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率使用已經(jīng)突破了傳統(tǒng)“衛(wèi)星業(yè)務(wù)使用MSS劃分、地面業(yè)務(wù)使用MS劃分”的限制，逐步探索“衛(wèi)星業(yè)務(wù)使用MS劃分、地面業(yè)務(wù)使用MSS劃分”的可能性。

圖2 3GHz以下典型移動(dòng)頻率劃分及使用情況

基于上述分析，不難得出以下結(jié)論：

1）新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率選擇不再局限于ITU劃分給MSS的頻率資源，呈現(xiàn)出衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)在對(duì)方業(yè)務(wù)領(lǐng)域交叉選頻的態(tài)勢(shì)，嘗試突破目前國(guó)際規(guī)則對(duì)衛(wèi)星與地面移動(dòng)業(yè)務(wù)的頻率劃分制約，從頻率資源的層面為大眾智能手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)提供了可能性；

2）新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)踐者充分尊重頻率軌道資源“先到先得”的國(guó)際規(guī)則，基本提前于發(fā)布計(jì)劃兩年就完成了ITU頻率軌道資源的申報(bào)工作，并且通過(guò)申報(bào)多份不同軌道構(gòu)型、不同頻段范圍的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料來(lái)確保國(guó)際頻率協(xié)調(diào)的優(yōu)先地位；

3）新興衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面蜂窩運(yùn)營(yíng)商、制造商在頻率軌道資源領(lǐng)域的大力合作，為衛(wèi)星系統(tǒng)在用戶終端層面與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)融合奠定了基礎(chǔ)，衛(wèi)星移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)與地面移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)逐步由競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系轉(zhuǎn)為合作共贏模式[10]。

3對(duì)我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展的建議

隨著用戶對(duì)低成本、高速率互聯(lián)網(wǎng)要求的提升，手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)的推動(dòng)將帶動(dòng)手機(jī)產(chǎn)業(yè)和衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。面對(duì)復(fù)雜多變、競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境，結(jié)合上述分析研究及國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）對(duì)于我國(guó)成熟移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商，需探索在地面無(wú)基站覆蓋的廣袤區(qū)域，利用現(xiàn)有地面移動(dòng)業(yè)務(wù)頻段，開(kāi)展星地通信服務(wù)。這一技術(shù)路徑的特點(diǎn)是，在不改變現(xiàn)有地面移動(dòng)通信系統(tǒng)體制協(xié)議、終端工作頻段的前提下，通過(guò)提升衛(wèi)星有效載荷性能，實(shí)現(xiàn)無(wú)基站地區(qū)的手機(jī)移動(dòng)服務(wù)，讓衛(wèi)星應(yīng)用真正成為地面移動(dòng)通信覆蓋能力的有效補(bǔ)充。例如，可借鑒AST公司經(jīng)驗(yàn)，利用大型相控陣天線等先進(jìn)有效載荷提供的卓越技術(shù)能力，實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)頻段內(nèi)手機(jī)終端直連衛(wèi)星通信。

2）對(duì)于我國(guó)衛(wèi)星通信運(yùn)營(yíng)商，需盡早規(guī)劃布局衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，特別是基于非靜止軌道衛(wèi)星星座的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。這一技術(shù)路徑的特點(diǎn)是，在現(xiàn)有衛(wèi)星移動(dòng)通信體制協(xié)議與合規(guī)頻段內(nèi)，論證手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)的可行性，并向國(guó)際電聯(lián)申報(bào)衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資料。例如，可借鑒SpaceX公司經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，布局衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，盡快論證并申報(bào)支持MSS業(yè)務(wù)頻段的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料，在“先登先占”的規(guī)則框架下?lián)屨伎臻g頻率軌道優(yōu)質(zhì)資源，為后續(xù)系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

3）對(duì)于我國(guó)致力于星地一體化建設(shè)的運(yùn)營(yíng)商，在星座系統(tǒng)論證中，需更加開(kāi)拓思路，協(xié)同設(shè)計(jì)衛(wèi)星與地面間的體制協(xié)議，避免“背靠背”論證過(guò)程中的重復(fù)建設(shè)，提升頻譜利用效率。例如，可借鑒Lynk Global公司經(jīng)驗(yàn)，在空間移動(dòng)通信星座論證規(guī)劃過(guò)程中，充分考慮真實(shí)業(yè)務(wù)需求與系統(tǒng)能力之間的關(guān)系，統(tǒng)籌現(xiàn)有地面移動(dòng)通信服務(wù)與衛(wèi)星移動(dòng)服務(wù)的兼容性，將“優(yōu)質(zhì)”頻段供應(yīng)“急用”需求，提升服務(wù)效率的同時(shí)優(yōu)化頻譜利用率。