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　　轉(zhuǎn)自 | 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)

　　文 | 潘力 甘海力

　　摘要

　　國內(nèi)衛(wèi)星Ku轉(zhuǎn)發(fā)器市場出現(xiàn)分化，一方面標(biāo)準(zhǔn)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器（14/12GHz頻段）供不應(yīng)求，出租率高達(dá)100%；另一方面擴(kuò)展Ku頻段（13/11GHz頻段）的轉(zhuǎn)發(fā)器空置率高，市場認(rèn)知程度低，用戶寥寥。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源本來就稀缺，加上使用上不均衡，造成了衛(wèi)星頻譜資源的浪費(fèi)。本文分析了Ku頻段的歷史沿襲和使用現(xiàn)狀，進(jìn)而提出了改善的建議。

　　在我們這個(gè)高度互聯(lián)的世界里，衛(wèi)星憑借其廣袤覆蓋的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，不僅被廣泛用于視頻分發(fā)和現(xiàn)場直播，而且還被用于許多的數(shù)據(jù)服務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)寬帶連接、VSAT服務(wù)、移動(dòng)回程、海事和機(jī)載上網(wǎng)等服務(wù)。近年來隨著互聯(lián)互通應(yīng)用的增長，以及高通量衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用，市場對(duì)于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的需求強(qiáng)勁。2020年全球衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器使用量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的2000Gbps，相當(dāng)于2015年的3倍。這種高速增長還將持續(xù)發(fā)展，到2029年將達(dá)到8800Gbps（圖一）。

　　圖一

　　不斷增長的使用量對(duì)衛(wèi)星頻率資源提出了巨大的挑戰(zhàn)，隨之而來的是衛(wèi)星業(yè)界需要采用更高的數(shù)據(jù)壓縮和頻率復(fù)用技術(shù)，目的是壓榨出頻率表里面每赫茲的最后一個(gè)比特。但是現(xiàn)實(shí)是，不管怎么增加效率，基于ITU（國際電信聯(lián)盟）分配給衛(wèi)星使用的頻譜資源都是有限的。

　　衛(wèi)星頻段的劃分

　　我們通常說的衛(wèi)星頻段，指的是固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)的非規(guī)劃頻段，大致可以理解為ITU劃分給非L頻段的、商用衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的頻率。經(jīng)過幾代衛(wèi)星的發(fā)展，現(xiàn)在主要使用的頻段是C、Ku和Ka頻段（圖二）。

　　圖二

　　4-8GHz頻段稱為C頻段。商用通信衛(wèi)星從1960年代就已經(jīng)開始利用C頻段提供國際電話和電視轉(zhuǎn)播等越洋通信業(yè)務(wù)。C頻段的傳播條件比較穩(wěn)定，幾乎不受降雨衰耗影響，適合無線電信號(hào)傳播。但是，隨著地面移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的增長，特別是進(jìn)入5G時(shí)代之后，5G信號(hào)也開始使用C頻段，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)造成了干擾（圖三）。在監(jiān)管部門和ITU的協(xié)調(diào)下，原用于衛(wèi)星通信的擴(kuò)展C頻段（3.4-3.6GHz）重新規(guī)劃給了地面5G使用，衛(wèi)星撤出使用這個(gè)頻段。

　　圖三

　　Ka頻段的衛(wèi)星通信使用27.5-31/17.7-21.2GHz頻段，簡稱為30/20GHz頻段。Ka頻段多見于高通量衛(wèi)星（HTS）應(yīng)用，使用多色頻率復(fù)用的密集點(diǎn)波束，其EIRP可達(dá)60dBW或更高。Ka頻段的波長接近于雨滴直徑，降雨衰耗比Ku頻段更加嚴(yán)重（圖四）。為了應(yīng)對(duì)更加嚴(yán)重的雨衰，Ka鏈路需要設(shè)計(jì)更多的余量（圖五）。中國南部、南亞、東南亞等多雨地區(qū)很容易遭受降雨導(dǎo)致的通信中斷。

　　圖四

　　圖五

　　12-18GHz頻段稱為Ku頻段，與C頻段相比，Ku頻段的天線增益較高，可使用較小口徑的地面天線；配套的射頻設(shè)備相對(duì)C頻段的體積小很多，成本低。與Ka頻段相比，Ku頻段的波長相對(duì)較長，降雨衰耗影響較??；而且相對(duì)于Ka，Ku頻段已經(jīng)廣泛使用數(shù)十年，設(shè)備繼承性好，地面系統(tǒng)的改造成本低。

　　圖六

　　Ku頻段對(duì)于衛(wèi)星通信至關(guān)重要

　　Ku頻段對(duì)于衛(wèi)星通信的重要性毋庸置疑，衛(wèi)星公司都在加大Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器的投入，Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器在所有轉(zhuǎn)發(fā)器中的占比最大，并且還在逐年提高。預(yù)計(jì)到2027年占比將提升到68%（圖六），兩倍于C和Ka轉(zhuǎn)發(fā)器個(gè)數(shù)之總和。

　　在亞太地區(qū)，最早的商業(yè)衛(wèi)星使用的Ku頻段是14.0-14.5/12.25-12.75GHz，簡稱為14/12GHz頻段。隨著業(yè)務(wù)量的增加，衛(wèi)星行業(yè)不斷努力去爭取更多的頻率資源（圖七）：

　　1983年，第一代通信衛(wèi)星開始使用Ku頻段開始廣播電視服務(wù)。當(dāng)時(shí)Ku頻段局限在14.0-14.5GHz/12.25-12.75GHz頻段（亞太區(qū)），只有500MHz的帶寬；

　　因?yàn)?00MHz帶寬不足以滿足業(yè)務(wù)拓展的要求，在衛(wèi)星行業(yè)的努力協(xié)調(diào)下，經(jīng)過兩次ITU WRC大會(huì)（WRC-1992和WRC-1995），確認(rèn)了13.75-14.0 GHz頻段可以作為衛(wèi)星上行頻段使用。但是需要衛(wèi)星上行鏈路的地面站天線不小于4.5米，保護(hù)無線電定位和NASA航天飛機(jī)空間探索業(yè)務(wù)；

　　4.5米天線口徑的限制太大，仍然不利于業(yè)務(wù)的開展。NASA航天飛機(jī)也已退役多年。衛(wèi)星行業(yè)進(jìn)一步在WRC-2003大會(huì)上爭取到將此限制寬限到1.2米（適用于亞太區(qū)）；

　　Ku頻段的上行13.75-14.5GHz，只有750MHz；而下行段10.95-11.2GHz，11.45-11.7GHz，和12.2-12.75GHz，共有1050MHz。上行頻段比下行頻段少了300MHz。經(jīng)過一輪協(xié)調(diào)，最終在WRC-2015年大會(huì)上，中國、日本、澳大利亞等數(shù)個(gè)亞太地區(qū)國家爭取到在14.5-14.8 GHz 可以用作固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)。

　　圖七

　　至此，中國的無線電頻率分配表上，Ku頻段上下行頻段均為1050MHz，為更加均衡的設(shè)計(jì)通信衛(wèi)星，開展國內(nèi)和國際的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)打下了基礎(chǔ)。特別是位于13.75-14GHz和14.5-14.8GHz的擴(kuò)展Ku頻段，經(jīng)過幾代衛(wèi)星頻譜專家爭取得到，來之不易?，F(xiàn)如今Ku頻段已經(jīng)成為衛(wèi)星通信的主要頻譜，用于向最需要的地方，跨越海洋和開闊的天空，和陸地上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，提供連接服務(wù)。

　　但是在衛(wèi)星通信市場上，業(yè)務(wù)仍然擁擠并堵塞在14.0-14.5GHz頻段，轉(zhuǎn)發(fā)器出租率高達(dá)100%，出現(xiàn)一兆（1MHz）難求的現(xiàn)象。而衛(wèi)星公司在14.0-14.5GHz的資源有限，要空出頻率給客戶使用，勢必增加運(yùn)營成本，從而增加了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的價(jià)格，最終對(duì)衛(wèi)星通信的用戶不利。

　　與14.0-14.5GHz火爆的情況相反的是13.75-14.0GHz頻段使用者寥寥可數(shù)，造成了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源的浪費(fèi)。首先是市場上13.75-14.0GHz頻段的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本來就比較少，衛(wèi)星公司將大多數(shù)資源投放在了14.0-14.5GHz；其次，衛(wèi)星通信用戶對(duì)這個(gè)頻段不熟，在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往不考慮13.75-14.0GHz頻段。二者因素相互影響，用戶使用率低反過來促使衛(wèi)星公司在設(shè)計(jì)新衛(wèi)星時(shí)候又避開了13.75-14.0GHz頻段，從而愈發(fā)加劇了Ku頻段使用不均衡的情況。

　　13.75-14.0GHz頻段的參與方

　　對(duì)于使用13.75-14.0GHz頻段，衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的幾個(gè)參與方的取態(tài)如下：

　　衛(wèi)星地面站

　　衛(wèi)星地面站是衛(wèi)星通信的用戶，他們的偏好相當(dāng)程度上左右了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的市場。而BUC（上變頻功放）是衛(wèi)星地面站的重要部件，按工作帶寬大小分為兩類。帶寬為500MHz的BUC，采用13050MHz的本振，對(duì)應(yīng)L頻段為950-1450MHz，對(duì)應(yīng)射頻范圍14.0-14.5GHz；而帶寬為750MHz 的BUC，采用的是12800MHZ本振，對(duì)應(yīng)L頻段為950-1700MHz，對(duì)應(yīng)射頻范圍13.75-14.5GHz。兩種BUC在成本上幾乎一樣。

　　目前國內(nèi)的衛(wèi)星固定站絕大部分不支持13.75-14.0GHz頻段。因?yàn)殛懙毓潭ㄕ径际且恍﹤鹘y(tǒng)衛(wèi)星通信的用戶，而歷史上相當(dāng)長一段時(shí)間13.75-14.0GHz的使用限制較大（2003年前上行天線要求4.5米以上），導(dǎo)致這些傳統(tǒng)的站點(diǎn)都采用的是14.0-14.5GHz的系統(tǒng)，很少有采用13.75-14.0GHz頻段的歷史。一路沿襲下來，陸地固定站形成了習(xí)慣，更傾向于采購14-14.5GHZ的BUC，是造成這段頻率的轉(zhuǎn)發(fā)器供不應(yīng)求的主要原因。

　　服務(wù)集成商

　　服務(wù)集成商為衛(wèi)星通信用戶提供集成服務(wù)，承包建設(shè)各類衛(wèi)星通信鏈路，經(jīng)驗(yàn)豐富。因?yàn)樾l(wèi)星固定站大量使用14-14.5GHz頻段，造成國內(nèi)該頻段BUC供不應(yīng)求，需要訂貨周期。而13.75-14.5GHz頻段的BUC卻都有現(xiàn)貨。衛(wèi)星集成商考慮到寬帶BUC的產(chǎn)品通用性好，庫存充足，因此在新的衛(wèi)星站項(xiàng)目上已經(jīng)開始逐步使用寬帶BUC。

　　衛(wèi)星集成商是傾向于采用適用13.75-14.5GHz寬頻段的設(shè)備，對(duì)于備貨，兼容性，和維護(hù)都有好處。

　　衛(wèi)星運(yùn)營商

　　目前在國內(nèi)開展衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的運(yùn)營商，均發(fā)射了配備有13.75-14.0GHz轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星。軌位頻率資源對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)營商來說至關(guān)重要，如果某個(gè)軌位的擴(kuò)展Ku頻段有優(yōu)先級(jí)，衛(wèi)星運(yùn)營商傾向于盡快使用這段頻率，而不會(huì)特意避開：

　　首先，按照ITU的規(guī)則，不使用的頻率將失去優(yōu)先級(jí)，很容易被其他衛(wèi)星公司搶占；其次，如前所述，固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)Ku頻段長期以來存在上下行帶寬不均衡的問題，上行頻率偏少，下行頻率多，導(dǎo)致在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)上行頻率碼不開的問題。特別是多波束的Ku衛(wèi)星，必然要使用13.75-14.0GHz；第三，同步軌道衛(wèi)星眾多，相鄰衛(wèi)星之間很容互相干擾。錯(cuò)開頻率是避免干擾的最佳方法，使用13.75-14.0GHz就可以避開和附近衛(wèi)星之間的干擾，如果它的14.0-14.5GHz有優(yōu)先級(jí)的話。

　　雖然衛(wèi)星運(yùn)營商盡量利用所有頻率資源，但是他們出于現(xiàn)實(shí)情況考慮，合理配置衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。比如出于國內(nèi)市場對(duì)13.75-14.0GHz接受程度不高，衛(wèi)星運(yùn)營商會(huì)將覆蓋中國的Ku波束配置多些14.0-14.5GHz頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，而將13.75-14.0GHz主要運(yùn)用在覆蓋國外的波束，或者移動(dòng)波束上。這樣的配置也一定程度上造成了國內(nèi)14.0-14.5GHz轉(zhuǎn)發(fā)器的緊缺。

　　結(jié)論

　　綜上所述，鑒于Ku頻段資源的稀缺性，和國內(nèi)衛(wèi)星通信并未普遍使用13.75-14.0GHz的現(xiàn)狀，我們建議：

　　新衛(wèi)星通信項(xiàng)目采用13.75-14 GHz頻段

　　目前很多衛(wèi)星通信用戶習(xí)慣上仍然認(rèn)為Ku上行頻段為14-14.5GHz。而13.75-14.0GHz早已開放給了衛(wèi)星使用，市場上支持這個(gè)頻段的設(shè)備、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源也很多，成本和14-14.5GHz一樣。新的衛(wèi)星通信項(xiàng)目只需要將13.75-14.0GHz的使用頻率包括進(jìn)來，一來不會(huì)增加成本，二來也為將來的擴(kuò)展使用增加了可能性，是一舉兩得的好事。

　　采用寬帶BUC

　　包括中國在內(nèi)的幾個(gè)主要亞太地區(qū)國家，已經(jīng)領(lǐng)先世界一步拿到了14.5-14.8GHz的頻段做固定衛(wèi)星上行業(yè)務(wù)。設(shè)備廠家可以響應(yīng)這個(gè)政策變化，將14.5-14.8GHz的頻段也包含到設(shè)備支持的頻段中去。拿BUC來說，現(xiàn)有工作頻率13.75-14.5GHz的BUC，本振頻率是12800MHz。如果要設(shè)計(jì)13.75-14.8GHz的寬帶BUC，可以保留12800MHz本振，對(duì)應(yīng)L頻段為950-2000MHz。因此，采用12800MHz本振的BUC，對(duì)應(yīng)使用950-2150MHz標(biāo)準(zhǔn)L頻段基帶設(shè)備，無論現(xiàn)在還是將來，其通用性都更強(qiáng)。如果這些擴(kuò)展Ku頻段都能得到充分使用，勢必緩解國內(nèi)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器資源供不應(yīng)求的現(xiàn)狀。

　　采用支持950-1700MHz及以上的調(diào)制解調(diào)器

　　由于歷史上的沿襲，傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器僅支持950-1450MHz。近年來隨著Ka頻段普及，部分Ka衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬已經(jīng)到1GHz以上，因此調(diào)制解調(diào)器也開始支持950-2150MHZ頻段，市場上選擇也很多。我們建議在新的衛(wèi)星通信項(xiàng)目里面使用更加寬帶的調(diào)制解調(diào)器。