1. 技术资讯

      保留C频段对亚太地区卫星业务的重要性 发布时间:2019/8/2 11:25:00

      1. 为什么在亚太地区C频段对于卫星业务如此重要?

      C频段在亚太地区的卫星通信的应用非常广泛,业务种类多样,包括:甚小口径终端网络(VSAT)、互联网业务、点对多点链路、卫星新闻采集、到有线电视头端的电视广播节目传输、直接到户电视(DTH)以及移动卫星业务的馈电线路。卫星C频段的大范围覆盖使得在发展中国家、人口稀少和偏远的地区、超长距离(如在大陆之间进行节目内容传送和数据分发)情况下实现业务传送成为可能。

      由于它的广泛覆盖、高可靠性和快速接入的特点,C频段的固定卫星业务(FSS)在很多国家的社会经济发展中扮演着一个关键的角色,提供着重要的服务,对于赈灾也至关重要。该频段也被政府用于国际承诺的连接,如世界气象组织(WMO)使用该频段在世界范围内分发气象数据,和航海航空安全相关的信息通过工作在该频段的地球站进行中继。而且,由于频率较低,特别是在降雨衰减严重的地区,C频段是可以提供高可靠性FSS业务的唯一实际可用的频段。


      2. 卫星业务和地面移动业务在C 频段无法兼容的证据

      2.1 历史

      关于将3400-3600MHz频段用于多种地面宽带个人应用的议题已经争论了很多年。

      2000年代初期,该段频率被考虑用于宽带无线接入(BWA)/WiMax应用。香港通讯事务管理局办公室(OFTA)进行了研究和现场测试,并完成亚太通信组织(APT)的APT/AWF/REP-5报告。该报告主要是ITU-R的报告S.2199的基础。得出的结论是BWA和卫星业务在相同的地理区域内是不能共存的,3400-3600MHz的BWA业务会对整个3400-4200MHz频段的卫星接收产生严重的影响。

      2007年的WRC-07大会考虑了使用全部或部分3400-4200MHz频段用于未来移动电话网络(IMT)的提议。为准备本次大会而进行的兼容性研究表明,即使IMT在使用和接入协议等方面可能不同于BWA和WiMax,但是对FSS接收系统的潜在干扰是一样的,不同的应用并不能改变底层的物理定律。因此,ITU-R的报告M.2109得出了与BWA报告一致的结论。

      WRC-07决定不把这一频段的任何部分指定为IMT,但是允许一些国家将3400-3600MHz或其中一部分在自己的领土内用于IMT(亚太地区有7个国家使用3400-3500MHz频段,9个国家使用3500-3600MHz频段,中国是两个频段都用的国家之一)。然而,认识到IMT和FSS接收的无法兼容性,允许这些国家在本国领土上用于IMT有一个重要要求,即在该国边境线上必须符合规定的功率谱密度的限值,以保护其他国家的FSS接收。

      在2015年的WRC-15大会上C频段被再次考虑。在WRC-15大会之前的相关研究(包含在ITU-R报告S.2368)再次确认即使新的IMT系统特征可能在一些方面有所不同,但其对FSS接收的干扰影响依然不变,因此OFTA、APT和ITU之前做的研究和结果都同样适用于工作在这一频段的新一代的IMT。

      对于亚太地区,WRC-15在IMT于3400-4200MHz频段的部署方面未作改动,但是又批准了两个国家(澳大利亚和菲律宾)可以将3400-3600MHz频段在本国领土内用于IMT,并再次重申应用相同的限制条件来保护其它国家的FSS。

       

      2.2 关于地面移动业务和卫星业务共同使用C频段的共享研究结果汇总

      2000年代初期到2015年期间的几个共享研究报告(详见2A,报告名录见附件1)中,有三种不同的干扰机制会影响FSS的接收:

       

      1) 同频干扰

      由于卫星到地球站的距离非常远,卫星上的功率有限,导致地球站接收到的FSS信号的功率谱密度非常低。IMT设备距离地球站近得多,在FSS接收机输入端口接收到的IMT信号比卫星信号的功率电平高得多。

      研究表明,根据IMT部署的类型,为了给FSS接收机提供足够的保护,对于IMT小蜂窝室内基站部署,同频干扰的保护距离要达到5到几十公里的范围;对于IMT室外宏蜂窝基站的部署,保护距离要在几百公里。值得注意的是,美国FCC在86个工作在3650-3700MHz频段的地球站周围引入了150公里的保护区,用来保护它们不会受到来自地面的干扰。

       

      2) 相邻频段干扰

      - IMT发射机带外发射

      由于来自FSS的信号功率电平很低,工作在相邻频段的IMT基站或用户终端产生的带外发射会对FSS接收机产生干扰。

      研究表明,根据IMT部署的类型,假设卫星和IMT信号的工作频率之间没有保护频带,为了给FSS接收机提供足够的保护,在IMT小蜂窝室内基站部署情况下,IMT发射机的带外发射干扰的保护距离为小于1公里的范围;对于IMT室外小蜂窝基站的部署,保护距离则需要几公里;而对于IMT室外宏蜂窝基站,则要求达到几十公里。如果两个信号工作频率之间有保护频带,则上述要求的保护距离可能会有所减小。

       

      - FSS接收机的LNA/LNB过饱和

      为了接收到功率电平很低的卫星信号,地球站的低噪声放大器(LNA)和低噪声下变频器(LNB)被优化具有很高的灵敏度。而比卫星信号功率高得多的IMT信号会严重影响LNA/LNB的工作点,使之进入非动态范围,表现出非线性的特征,导致交调产物和增益压缩,进一步引起FSS信号的失真和损耗。

      为实现低噪声系数,可以接收到很低的卫星信号,一般来说LNA和LNB都是宽带设备,即在需要的频率范围内有平坦的频率相应,只在中频(IF)阶段(而不是在LNA/LNB)才会对特定带宽的信号进行过滤,所以IMT在相邻频带的发射能够将LNA/LNB推至过饱和状态。

      根据IMT部署的类型,研究表明为了对FSS接收机提供充分的保护,避免LNA/LNB过饱和的保护距离,在IMT小蜂窝基站部署的情况下大约为1公里,而对于IMT室外宏蜂窝基站部署,保护距离将扩大到25公里。

       

      3. 香港的频谱共用状况

      频谱的使用,包括卫星频谱在世界上每个国家、不同地方都是不同的,因此适用于一个地方的方案在另一个地方未必可行。为新的移动应用划分的频谱在不同的地区可能位于不同的频段上,在亚太地区,不包括日本和韩国,C频段应用广泛,是FSS业务的主要频段。OFCA提到过,香港现在就有大约1600个C频段的卫星公共接收电视(SMATV)系统和90万个电视收看终端。此外,还有几个C频段的电信港以及VSAT主站和终端。香港作为卫星通信的中心枢纽,服务于整个亚太地区。

      从共享研究的结果可以看出,如果卫星业务和IMT共用C频段,需要在地球站周围设置保护区。计算出对于同频使用的情况,需要的保护距离超过几十公里,为避免带外杂散发射的影响和将地球站LNA/LNB推饱和则需要0.5到5公里的保护距离。

      亚洲卫星注意到,香港地理面积很小,中心区位于半径5公里的圆形区域,整个行政区半径大约25公里(见图3和2)。一个IMT基站就能影响到同频工作的全部卫星C频段终端的接收,甚至干扰会进入内地(见图1)。即使IMT被限制仅用于小蜂窝部署也是如此。

      同样,一个工作在3400-4200MHz频段的基站可能会使整个香港岛和九龙地区(图3)工作在相邻3600-4200MHz频段的全部卫星接收受阻。即使有可能限定只在室内部署IMT基站和用户终端,一个IMT发射机就可能将从中环到铜锣湾或从尖沙咀到旺角地区(图4)的工作在相邻频段的卫星接收全部中断。

       

      以香港为例对保护距离要求的图示说明

      下面以香港为例,在地图上显示了上述要求的保护距离。根据IMT部署的实际参数,保护距离可能会有变化:

       

      ·  150公里的保护区(按FCC对同频使用的保护要求)会影响整个香港、澳门、广州及周边地区(图1)

      ·  25公里的保护区(保护免受来自工作在相邻频段的室外宏基站的干扰)会影响整个香港特区(图2)

      · 5公里的保护区(为了保护免受工作在相邻频段的小蜂窝室外终端的影响)会影响香港的整个中环地区(图3)

      ·  1公里的保护区(为了保护免受工作在相邻频段的小蜂窝室内终端的影响)会影响从中环到铜锣湾或从尖沙咀到旺角的全部区域(图4和图5)

       

      QQ图片20190730111918.png   

      图1 150公里为半径的圆(FCC规定的同频保护距离)

       

       QQ图片20190730111952.png

      图2 以25公里为半径的保护区(为保护免受来自工作在相邻频段的室外宏基站的干扰

       

       QQ图片20190730112020.png

      图3 以5公里为半径的保护区(为了保护免受工作在邻频段的小蜂窝室外终端的干扰)

       QQ图片20190730112216.png

       

      然而,亚洲卫星注意到,ITU、APT和其它国际组织的各种研究都得出了一致的结论:“FSS地球站被已经大范围部署,或者没有单独发放牌照的情况下,IMT和FSS在同一个地理区域内是不能共同使用的,因为无法保证最小的保护距离。“(ITU-R报告S.2368)

      此外,对于个人移动用户终端来说设置保护区域是不可行的,因为用户的移动不受控制或监管。因此,为避免距离某个地球站太近的用户终端的干扰,用户终端与基站不通信时将禁止发射任何信号。地球站周围的保护区域可能限制周围大面积内安装IMT基站,将来会进一步影响地球站的部署和卫星业务的发展。

       

      4. 有哪些技术手段可以帮助改善共用状况

      为实现IMT和FSS业务的共存,可以考虑采用以下一些技术措施减小IMT基站/用户终端与FSS地球站之间要求的保护距离。对于面积很小的香港,这些技术手段要能够大大缩短保护距离,参见ITU-R工作组5D的新的建议书ITU-R M. [IMT.MITIGATION]。

       

      4.1 IMT 方面

      1)扇区失效

      这个技术措施的目的是减小基站在被干扰的FSS地球站方向的发射输出功率。一般说来,IMT基站使用多扇区天线(例如3扇区和6扇区配置),因此可以使对着FSS地球站方向的天线扇区失效,这个区域可以通过适当的频率规划使用分配给IMT的3400-3600MHz以外的频段。但是这样会导致对IMT终端用户的服务变差,而且要求FSS接收地球站只能设置在已知位置而且只能在一个方向上。

       

      2)自适应波束成形

      下行天线波束成形技术即一个自适应天线阵列通过波束调节或零点信号处理算法进行增益方向图的调整,从而指向特定的方向。这些算法的实现使用的是数字信号处理器,我们称之为数字波束成形技术。天线系统可以将天线辐射方向图的最大增益集中到想要的用户方向,同时减少影响信号质量的噪声、干扰以及来自其它不需要的发射机的影响。这种技术的应用,要求在既定方向上的FSS地球站数量有限,如果IMT基站到IMT终端的方向与FSS接收地球站方向重合,IMT终端只能工作在不同频率或者通过其它基站实现通信。

       

      3)天线角度下倾

      另一个可以改善共存的技术是将IMT基站天线角度下倾,尽管天线角度下倾经常被用于IMT网络的所有基站,这种技术也能缓解干扰,如果能针对特定的FSS接收地球站的位置进行定制设计则会增加保护程度。然而,通过增加基站天线的下倾度,可能会增加给定区域提供服务的IMT基站的数量,降低每个IMT基站的发射功率。尚不清楚的是,单独依靠角度下倾是否足以减少在如香港之小的地理区域内二种业务共存所要求的保护距离。

       

      4)加装滤波器,解决相邻信道的干扰问题

      这种干扰消除手段的目的是减少FSS地球站对于IMT基站所引起的潜在干扰的敏感度,通过增强接收地球站对IMT信号的抑制,和/或减少落入FSS接收地球站频带内来自IMT发射机(基站或用户终端)不需要的发射。

       

      5)IMT发射站不需要的发射

      为了减少落入地球站接收频段的来自IMT台站的不需要的发射,可在IMT基站发射机输出端考虑增加额外的滤波要求,然而也应该看到该技术手段对缓解LNB过饱和或工作在与FSS接收机重叠频段的IMT台站发射的影响并无帮助。

       

      4.2  FSS方面

      1)LNB过饱和

      为了避免LNB过饱和,可以尝试在固定FSS地球站接收端增加抑制IMT信号的带通滤波器,然而这种技术却不能帮助减少IMT台站在相邻频带内的发射或工作在重叠频段的IMT台站发射引起的干扰。很多地球站天线,特别是单收天线、LNB和天线馈源喇叭被塑成一体,物理上不可能被拆分在中间加入滤波器。而且,加入滤波器会降低地球站的品质因数(G/T),从而可能要求使用或更换成更大的天线。在接收系统安装中引入这样的滤波器成本太高,因此LNB带通滤波器只能考虑用于较少的、大型的地球站。

       

      2)地球站的场地屏蔽

      通过在地球站周围安装屏蔽网隔离某个特定方向的IMT发射台站,可以减少来自IMT发射机的干扰,然而,这会涉及大量的成本并且可能取决于特定情况下的条件,使得实际效果有限。

      在地球站被广泛安装和/或没有单独牌照或注册的国家,这种缓解技术手段的效果不佳。

       

      5. 可以改善共存状况的5G移动业务潜在可用频谱

      第5代无线通信系统,也称为IMT-2020,目标是提供更高数据速率、超低时延、增大的网络容量、可靠性和安全性更高的高速宽带通信服务。5G的一个主要发展目标是将现在的数据速率增加到几个Gbps甚至超过10Gbps。实现此目标的手段包括增加频谱效率或带宽,这就要求更多频谱资源、比之前大得多的带宽(超过500MHz的宽频谱)。

      ITU-R 的报告(M.2290-0)预测IMT用于低和高的用户密度场景所要求的整个频谱到2020年至少分别为1340MHz和1960MHz(包括在用频谱或计划使用的频谱)。WRC-07/WRC-15的研究认为C 频段既不适合也不够5G使用,所以ITU正在研究在更高频段为5G分配更多频谱的可能性。

      根据经验,最大的信号带宽是载波频率的5%,频率越高,可用信号带宽越宽。信号带宽越宽,能得到的数据速率就越高。由于毫米波和极高频(EHF)(主要在30GHz以上)频段的以下特点和能力,因此该频段在传送更高数据速率和更低的时延方面具有最大的潜能:

      l 可用带宽宽得多

      l可以提供更高的吞吐量,极大增加了网络容量

      l天线口径更小因此大量天线(大规模MIMO)可以封装在一起,增加天线的增益,窄波束也能降低用户/设备之间的干扰

      l使用动态波束成形技术可以在毫米波频段帮助减少较高的路径损耗

      l毫米波频段可以使用很小口径的高方向性天线和家庭基站

       

      随着新技术的发展,高频频段自然成为5G移动设备部署的、更好的候选频段。

      鉴于5G(IMT 2020)对数据速率的要求和国际上对C频段无法达到这种数据速率的共识,C频段用于5G仅仅是一个介于4G和5G之间的过渡方案,为提供5G要求的更高速率未来需要转到更高频段上去。与其花费资源部署一个用于过渡期的系统,还不如加强现在已分配给2G/3G/4G/5G的低端频段的频谱效率,再在能提供所要求的数据速率的合适频段上开发IMT 2020。为了达到此目的,毫米波和极高频(主要在30GHz以上)的频段反而是能够提供5G所需宽频谱的更好选择。

       

      6. 总结

      C频段在香港乃至亚太地区的卫星通信、电视接收卫星网络中被广泛使用。香港是重要的通信中心,有几个主要的电信港在提供服务,连接亚太地区与世界各地,同时C频段在世界各地也是主要的卫星通信和卫星广播电视使用的频段。

      由于覆盖范围大、高可靠性和快速连接,C频段FSS在很多国家的社会经济发展中扮演着关键的角色,提供重要的服务,对于赈灾也是至关重要。由于频率低,特别在降雨衰减大的地区,C频段是能提供高可用度的FSS服务的唯一可用频段。因此在亚太地区为卫星业务保留C频段是极其重要的。

      来自其它国家的共享研究和现场实测以及实际经验证明,在像香港这样小的地理区域内IMT和卫星业务分享使用同一频段是不可能的。香港在C频段部署IMT,不仅在重叠频段,而且在整个C频段会影响到现有的C频段卫星接收,对香港的卫星业务不仅有有害影响,而且会威胁到香港是否能保持其作为区域通信中心的角色。

      5G如要取得要求的数据速率、超低时延、网络容量、可靠和安全的业务,必须要有比之前更多的频谱资源和大得多的可用带宽(超过500MHz的宽频带宽),这在C频段是得不到的。5G使用C频段仅仅是一个介于4G和5G的过渡方案,为提供5G要求的更高速率未来需要转到更高频段上去。与其花费资源部署一个用于过渡期的系统,还不如加强现在已分配给2G/3G/4G/5G的低端频段的频谱效率,再在能提供所要求的数据速率的合适频段上开发IMT 2020。为实现此目标,毫米波和极高频(主要在30GHz以上)的频段反而是可以提供5G所需宽频谱的更好选择。

       

       

       

       

      附录:

      FSS和BWA/IMT兼容性研究的报告

       

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

        5个报告)APT的报告“3400-3800MHz的宽带无线接入网络与3400-4200MHz的固

        卫星业务网络的共存性研究”

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

        带无线接入(BWA)系统和固定卫星业务(FSS)网络在3400-4200MHz频段的兼

        容性研究 

      3. 报告ITU-R M.2109, 2007年

        http://www.itu.int/pub/R-REP-M.2109,  IMT先进系统和静止轨道卫星网络的固定

        卫星业务在3400-4200和4500-4800MHz频段的共享性研究

      4. 报告ITU-R S.2368, 2015年6月

        http://www.itu.int/pub/R-REP-S.2368-2015, WRC-15研究周期内的IMT-先进系

        统和静止轨道卫星网络的固定卫星业务在3400-4200MHz和4500-4800MHz频段的

        共享性研究

      5. 新建议草案ITU-R M. [IMT.MITIGATION] 

        https://www.itu.int/md/R07-SG05-C-0273/en, 用来加强IMT系统和FSS网络在

        3400-3600MHz频段的共享性而设计的技术手段

      6. 报告ITU-R M.2290-0, 2013年12月

        https://www.itu.int/pub/R-REP-M.2290, 地面IMT的未来频谱要求评估