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保留C頻段對亞太地區衛星業務的重要性 發布時間:2019/8/2 11:25:00

1. 為什么在亞太地區C頻段對于衛星業務如此重要?

C頻段在亞太地區的衛星通信的應用非常廣泛,業務種類多樣,包括:甚小口徑終端網絡(VSAT)、互聯網業務、點對多點鏈路、衛星新聞采集、到有線電視頭端的電視廣播節目傳輸、直接到戶電視(DTH)以及移動衛星業務的饋電線路。衛星C頻段的大范圍覆蓋使得在發展中國家、人口稀少和偏遠的地區、超長距離(如在大陸之間進行節目內容傳送和數據分發)情況下實現業務傳送成為可能。

由于它的廣泛覆蓋、高可靠性和快速接入的特點,C頻段的固定衛星業務(FSS)在很多國家的社會經濟發展中扮演著一個關鍵的角色,提供著重要的服務,對于賑災也至關重要。該頻段也被政府用于國際承諾的連接,如世界氣象組織(WMO)使用該頻段在世界范圍內分發氣象數據,和航海航空安全相關的信息通過工作在該頻段的地球站進行中繼。而且,由于頻率較低,特別是在降雨衰減嚴重的地區,C頻段是可以提供高可靠性FSS業務的唯一實際可用的頻段。


2. 衛星業務和地面移動業務在C 頻段無法兼容的證據

2.1 歷史

關于將3400-3600MHz頻段用于多種地面寬帶個人應用的議題已經爭論了很多年。

2000年代初期,該段頻率被考慮用于寬帶無線接入(BWA)/WiMax應用。香港通訊事務管理局辦公室(OFTA)進行了研究和現場測試,并完成亞太通信組織(APT)的APT/AWF/REP-5報告。該報告主要是ITU-R的報告S.2199的基礎。得出的結論是BWA和衛星業務在相同的地理區域內是不能共存的,3400-3600MHz的BWA業務會對整個3400-4200MHz頻段的衛星接收產生嚴重的影響。

2007年的WRC-07大會考慮了使用全部或部分3400-4200MHz頻段用于未來移動電話網絡(IMT)的提議。為準備本次大會而進行的兼容性研究表明,即使IMT在使用和接入協議等方面可能不同于BWA和WiMax,但是對FSS接收系統的潛在干擾是一樣的,不同的應用并不能改變底層的物理定律。因此,ITU-R的報告M.2109得出了與BWA報告一致的結論。

WRC-07決定不把這一頻段的任何部分指定為IMT,但是允許一些國家將3400-3600MHz或其中一部分在自己的領土內用于IMT(亞太地區有7個國家使用3400-3500MHz頻段,9個國家使用3500-3600MHz頻段,中國是兩個頻段都用的國家之一)。然而,認識到IMT和FSS接收的無法兼容性,允許這些國家在本國領土上用于IMT有一個重要要求,即在該國邊境線上必須符合規定的功率譜密度的限值,以保護其他國家的FSS接收。

在2015年的WRC-15大會上C頻段被再次考慮。在WRC-15大會之前的相關研究(包含在ITU-R報告S.2368)再次確認即使新的IMT系統特征可能在一些方面有所不同,但其對FSS接收的干擾影響依然不變,因此OFTA、APT和ITU之前做的研究和結果都同樣適用于工作在這一頻段的新一代的IMT。

對于亞太地區,WRC-15在IMT于3400-4200MHz頻段的部署方面未作改動,但是又批準了兩個國家(澳大利亞和菲律賓)可以將3400-3600MHz頻段在本國領土內用于IMT,并再次重申應用相同的限制條件來保護其它國家的FSS。

 

2.2 關于地面移動業務和衛星業務共同使用C頻段的共享研究結果匯總

2000年代初期到2015年期間的幾個共享研究報告(詳見2A,報告名錄見附件1)中,有三種不同的干擾機制會影響FSS的接收:

 

1) 同頻干擾

由于衛星到地球站的距離非常遠,衛星上的功率有限,導致地球站接收到的FSS信號的功率譜密度非常低。IMT設備距離地球站近得多,在FSS接收機輸入端口接收到的IMT信號比衛星信號的功率電平高得多。

研究表明,根據IMT部署的類型,為了給FSS接收機提供足夠的保護,對于IMT小蜂窩室內基站部署,同頻干擾的保護距離要達到5到幾十公里的范圍;對于IMT室外宏蜂窩基站的部署,保護距離要在幾百公里。值得注意的是,美國FCC在86個工作在3650-3700MHz頻段的地球站周圍引入了150公里的保護區,用來保護它們不會受到來自地面的干擾。

 

2) 相鄰頻段干擾

- IMT發射機帶外發射

由于來自FSS的信號功率電平很低,工作在相鄰頻段的IMT基站或用戶終端產生的帶外發射會對FSS接收機產生干擾。

研究表明,根據IMT部署的類型,假設衛星和IMT信號的工作頻率之間沒有保護頻帶,為了給FSS接收機提供足夠的保護,在IMT小蜂窩室內基站部署情況下,IMT發射機的帶外發射干擾的保護距離為小于1公里的范圍;對于IMT室外小蜂窩基站的部署,保護距離則需要幾公里;而對于IMT室外宏蜂窩基站,則要求達到幾十公里。如果兩個信號工作頻率之間有保護頻帶,則上述要求的保護距離可能會有所減小。

 

- FSS接收機的LNA/LNB過飽和

為了接收到功率電平很低的衛星信號,地球站的低噪聲放大器(LNA)和低噪聲下變頻器(LNB)被優化具有很高的靈敏度。而比衛星信號功率高得多的IMT信號會嚴重影響LNA/LNB的工作點,使之進入非動態范圍,表現出非線性的特征,導致交調產物和增益壓縮,進一步引起FSS信號的失真和損耗。

為實現低噪聲系數,可以接收到很低的衛星信號,一般來說LNA和LNB都是寬帶設備,即在需要的頻率范圍內有平坦的頻率相應,只在中頻(IF)階段(而不是在LNA/LNB)才會對特定帶寬的信號進行過濾,所以IMT在相鄰頻帶的發射能夠將LNA/LNB推至過飽和狀態。

根據IMT部署的類型,研究表明為了對FSS接收機提供充分的保護,避免LNA/LNB過飽和的保護距離,在IMT小蜂窩基站部署的情況下大約為1公里,而對于IMT室外宏蜂窩基站部署,保護距離將擴大到25公里。

 

3. 香港的頻譜共用狀況

頻譜的使用,包括衛星頻譜在世界上每個國家、不同地方都是不同的,因此適用于一個地方的方案在另一個地方未必可行。為新的移動應用劃分的頻譜在不同的地區可能位于不同的頻段上,在亞太地區,不包括日本和韓國,C頻段應用廣泛,是FSS業務的主要頻段。OFCA提到過,香港現在就有大約1600個C頻段的衛星公共接收電視(SMATV)系統和90萬個電視收看終端。此外,還有幾個C頻段的電信港以及VSAT主站和終端。香港作為衛星通信的中心樞紐,服務于整個亞太地區。

從共享研究的結果可以看出,如果衛星業務和IMT共用C頻段,需要在地球站周圍設置保護區。計算出對于同頻使用的情況,需要的保護距離超過幾十公里,為避免帶外雜散發射的影響和將地球站LNA/LNB推飽和則需要0.5到5公里的保護距離。

亞洲衛星注意到,香港地理面積很小,中心區位于半徑5公里的圓形區域,整個行政區半徑大約25公里(見圖3和2)。一個IMT基站就能影響到同頻工作的全部衛星C頻段終端的接收,甚至干擾會進入內地(見圖1)。即使IMT被限制僅用于小蜂窩部署也是如此。

同樣,一個工作在3400-4200MHz頻段的基站可能會使整個香港島和九龍地區(圖3)工作在相鄰3600-4200MHz頻段的全部衛星接收受阻。即使有可能限定只在室內部署IMT基站和用戶終端,一個IMT發射機就可能將從中環到銅鑼灣或從尖沙咀到旺角地區(圖4)的工作在相鄰頻段的衛星接收全部中斷。

 

以香港為例對保護距離要求的圖示說明

下面以香港為例,在地圖上顯示了上述要求的保護距離。根據IMT部署的實際參數,保護距離可能會有變化:

 

·  150公里的保護區(按FCC對同頻使用的保護要求)會影響整個香港、澳門、廣州及周邊地區(圖1)

·  25公里的保護區(保護免受來自工作在相鄰頻段的室外宏基站的干擾)會影響整個香港特區(圖2)

· 5公里的保護區(為了保護免受工作在相鄰頻段的小蜂窩室外終端的影響)會影響香港的整個中環地區(圖3)

·  1公里的保護區(為了保護免受工作在相鄰頻段的小蜂窩室內終端的影響)會影響從中環到銅鑼灣或從尖沙咀到旺角的全部區域(圖4和圖5)

 

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圖1 150公里為半徑的圓(FCC規定的同頻保護距離)

 

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圖2 以25公里為半徑的保護區(為保護免受來自工作在相鄰頻段的室外宏基站的干擾

 

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圖3 以5公里為半徑的保護區(為了保護免受工作在鄰頻段的小蜂窩室外終端的干擾)

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然而,亞洲衛星注意到,ITU、APT和其它國際組織的各種研究都得出了一致的結論:“FSS地球站被已經大范圍部署,或者沒有單獨發放牌照的情況下,IMT和FSS在同一個地理區域內是不能共同使用的,因為無法保證最小的保護距離。“(ITU-R報告S.2368)

此外,對于個人移動用戶終端來說設置保護區域是不可行的,因為用戶的移動不受控制或監管。因此,為避免距離某個地球站太近的用戶終端的干擾,用戶終端與基站不通信時將禁止發射任何信號。地球站周圍的保護區域可能限制周圍大面積內安裝IMT基站,將來會進一步影響地球站的部署和衛星業務的發展。

 

4. 有哪些技術手段可以幫助改善共用狀況

為實現IMT和FSS業務的共存,可以考慮采用以下一些技術措施減小IMT基站/用戶終端與FSS地球站之間要求的保護距離。對于面積很小的香港,這些技術手段要能夠大大縮短保護距離,參見ITU-R工作組5D的新的建議書ITU-R M. [IMT.MITIGATION]。

 

4.1 IMT 方面

1)扇區失效

這個技術措施的目的是減小基站在被干擾的FSS地球站方向的發射輸出功率。一般說來,IMT基站使用多扇區天線(例如3扇區和6扇區配置),因此可以使對著FSS地球站方向的天線扇區失效,這個區域可以通過適當的頻率規劃使用分配給IMT的3400-3600MHz以外的頻段。但是這樣會導致對IMT終端用戶的服務變差,而且要求FSS接收地球站只能設置在已知位置而且只能在一個方向上。

 

2)自適應波束成形

下行天線波束成形技術即一個自適應天線陣列通過波束調節或零點信號處理算法進行增益方向圖的調整,從而指向特定的方向。這些算法的實現使用的是數字信號處理器,我們稱之為數字波束成形技術。天線系統可以將天線輻射方向圖的最大增益集中到想要的用戶方向,同時減少影響信號質量的噪聲、干擾以及來自其它不需要的發射機的影響。這種技術的應用,要求在既定方向上的FSS地球站數量有限,如果IMT基站到IMT終端的方向與FSS接收地球站方向重合,IMT終端只能工作在不同頻率或者通過其它基站實現通信。

 

3)天線角度下傾

另一個可以改善共存的技術是將IMT基站天線角度下傾,盡管天線角度下傾經常被用于IMT網絡的所有基站,這種技術也能緩解干擾,如果能針對特定的FSS接收地球站的位置進行定制設計則會增加保護程度。然而,通過增加基站天線的下傾度,可能會增加給定區域提供服務的IMT基站的數量,降低每個IMT基站的發射功率。尚不清楚的是,單獨依靠角度下傾是否足以減少在如香港之小的地理區域內二種業務共存所要求的保護距離。

 

4)加裝濾波器,解決相鄰信道的干擾問題

這種干擾消除手段的目的是減少FSS地球站對于IMT基站所引起的潛在干擾的敏感度,通過增強接收地球站對IMT信號的抑制,和/或減少落入FSS接收地球站頻帶內來自IMT發射機(基站或用戶終端)不需要的發射。

 

5)IMT發射站不需要的發射

為了減少落入地球站接收頻段的來自IMT臺站的不需要的發射,可在IMT基站發射機輸出端考慮增加額外的濾波要求,然而也應該看到該技術手段對緩解LNB過飽和或工作在與FSS接收機重疊頻段的IMT臺站發射的影響并無幫助。

 

4.2  FSS方面

1)LNB過飽和

為了避免LNB過飽和,可以嘗試在固定FSS地球站接收端增加抑制IMT信號的帶通濾波器,然而這種技術卻不能幫助減少IMT臺站在相鄰頻帶內的發射或工作在重疊頻段的IMT臺站發射引起的干擾。很多地球站天線,特別是單收天線、LNB和天線饋源喇叭被塑成一體,物理上不可能被拆分在中間加入濾波器。而且,加入濾波器會降低地球站的品質因數(G/T),從而可能要求使用或更換成更大的天線。在接收系統安裝中引入這樣的濾波器成本太高,因此LNB帶通濾波器只能考慮用于較少的、大型的地球站。

 

2)地球站的場地屏蔽

通過在地球站周圍安裝屏蔽網隔離某個特定方向的IMT發射臺站,可以減少來自IMT發射機的干擾,然而,這會涉及大量的成本并且可能取決于特定情況下的條件,使得實際效果有限。

在地球站被廣泛安裝和/或沒有單獨牌照或注冊的國家,這種緩解技術手段的效果不佳。

 

5. 可以改善共存狀況的5G移動業務潛在可用頻譜

第5代無線通信系統,也稱為IMT-2020,目標是提供更高數據速率、超低時延、增大的網絡容量、可靠性和安全性更高的高速寬帶通信服務。5G的一個主要發展目標是將現在的數據速率增加到幾個Gbps甚至超過10Gbps。實現此目標的手段包括增加頻譜效率或帶寬,這就要求更多頻譜資源、比之前大得多的帶寬(超過500MHz的寬頻譜)。

ITU-R 的報告(M.2290-0)預測IMT用于低和高的用戶密度場景所要求的整個頻譜到2020年至少分別為1340MHz和1960MHz(包括在用頻譜或計劃使用的頻譜)。WRC-07/WRC-15的研究認為C 頻段既不適合也不夠5G使用,所以ITU正在研究在更高頻段為5G分配更多頻譜的可能性。

根據經驗,最大的信號帶寬是載波頻率的5%,頻率越高,可用信號帶寬越寬。信號帶寬越寬,能得到的數據速率就越高。由于毫米波和極高頻(EHF)(主要在30GHz以上)頻段的以下特點和能力,因此該頻段在傳送更高數據速率和更低的時延方面具有最大的潛能:

l 可用帶寬寬得多

l可以提供更高的吞吐量,極大增加了網絡容量

l天線口徑更小因此大量天線(大規模MIMO)可以封裝在一起,增加天線的增益,窄波束也能降低用戶/設備之間的干擾

l使用動態波束成形技術可以在毫米波頻段幫助減少較高的路徑損耗

l毫米波頻段可以使用很小口徑的高方向性天線和家庭基站

 

隨著新技術的發展,高頻頻段自然成為5G移動設備部署的、更好的候選頻段。

鑒于5G(IMT 2020)對數據速率的要求和國際上對C頻段無法達到這種數據速率的共識,C頻段用于5G僅僅是一個介于4G和5G之間的過渡方案,為提供5G要求的更高速率未來需要轉到更高頻段上去。與其花費資源部署一個用于過渡期的系統,還不如加強現在已分配給2G/3G/4G/5G的低端頻段的頻譜效率,再在能提供所要求的數據速率的合適頻段上開發IMT 2020。為了達到此目的,毫米波和極高頻(主要在30GHz以上)的頻段反而是能夠提供5G所需寬頻譜的更好選擇。

 

6. 總結

C頻段在香港乃至亞太地區的衛星通信、電視接收衛星網絡中被廣泛使用。香港是重要的通信中心,有幾個主要的電信港在提供服務,連接亞太地區與世界各地,同時C頻段在世界各地也是主要的衛星通信和衛星廣播電視使用的頻段。

由于覆蓋范圍大、高可靠性和快速連接,C頻段FSS在很多國家的社會經濟發展中扮演著關鍵的角色,提供重要的服務,對于賑災也是至關重要。由于頻率低,特別在降雨衰減大的地區,C頻段是能提供高可用度的FSS服務的唯一可用頻段。因此在亞太地區為衛星業務保留C頻段是極其重要的。

來自其它國家的共享研究和現場實測以及實際經驗證明,在像香港這樣小的地理區域內IMT和衛星業務分享使用同一頻段是不可能的。香港在C頻段部署IMT,不僅在重疊頻段,而且在整個C頻段會影響到現有的C頻段衛星接收,對香港的衛星業務不僅有有害影響,而且會威脅到香港是否能保持其作為區域通信中心的角色。

5G如要取得要求的數據速率、超低時延、網絡容量、可靠和安全的業務,必須要有比之前更多的頻譜資源和大得多的可用帶寬(超過500MHz的寬頻帶寬),這在C頻段是得不到的。5G使用C頻段僅僅是一個介于4G和5G的過渡方案,為提供5G要求的更高速率未來需要轉到更高頻段上去。與其花費資源部署一個用于過渡期的系統,還不如加強現在已分配給2G/3G/4G/5G的低端頻段的頻譜效率,再在能提供所要求的數據速率的合適頻段上開發IMT 2020。為實現此目標,毫米波和極高頻(主要在30GHz以上)的頻段反而是可以提供5G所需寬頻譜的更好選擇。

 

 

 

 

附錄:

FSS和BWA/IMT兼容性研究的報告

 

  1. 報告No. APT/AWF/REP-5, 2008年3月http://www.apt.int/, AWG-RECS-REPS (第

    5個報告)APT的報告“3400-3800MHz的寬帶無線接入網絡與3400-4200MHz的固

    衛星業務網絡的共存性研究”

  2. 報告ITU-R S.2199, 2010年11月http://www.itu.int/pub/R-REP-S.2199-2010,  寬

    帶無線接入(BWA)系統和固定衛星業務(FSS)網絡在3400-4200MHz頻段的兼

    容性研究 

  3. 報告ITU-R M.2109, 2007年

    http://www.itu.int/pub/R-REP-M.2109,  IMT先進系統和靜止軌道衛星網絡的固定

    衛星業務在3400-4200和4500-4800MHz頻段的共享性研究

  4. 報告ITU-R S.2368, 2015年6月

    http://www.itu.int/pub/R-REP-S.2368-2015, WRC-15研究周期內的IMT-先進系

    統和靜止軌道衛星網絡的固定衛星業務在3400-4200MHz和4500-4800MHz頻段的

    共享性研究

  5. 新建議草案ITU-R M. [IMT.MITIGATION] 

    https://www.itu.int/md/R07-SG05-C-0273/en, 用來加強IMT系統和FSS網絡在

    3400-3600MHz頻段的共享性而設計的技術手段

  6. 報告ITU-R M.2290-0, 2013年12月

    https://www.itu.int/pub/R-REP-M.2290, 地面IMT的未來頻譜要求評估

 

 


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