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行業(yè)新聞
【前沿】冰火兩重天的衛(wèi)星Ku轉發(fā)器市場
2021-11-17 / 閱讀次數：4415
轉自 | 衛(wèi)星與網絡
文 | 潘力 甘海力
摘要
國內衛(wèi)星Ku轉發(fā)器市場出現分化，一方面標準Ku轉發(fā)器（14/12GHz頻段）供不應求，出租率高達100%；另一方面擴展Ku頻段（13/11GHz頻段）的轉發(fā)器空置率高，市場認知程度低，用戶寥寥。衛(wèi)星轉發(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。本文分析了Ku頻段的歷史沿襲和使用現狀，進而提出了改善的建議。
在我們這個高度互聯的世界里，衛(wèi)星憑借其廣袤覆蓋的優(yōu)點得到了廣泛的應用，不僅被廣泛用于視頻分發(fā)和現場直播，而且還被用于許多的數據服務，如互聯網寬帶連接、VSAT服務、移動回程、海事和機載上網等服務。近年來隨著互聯互通應用的增長，以及高通量衛(wèi)星技術的應用，市場對于衛(wèi)星轉發(fā)器的需求強勁。2020年全球衛(wèi)星轉發(fā)器使用量達到創(chuàng)紀錄的2000Gbps，相當于2015年的3倍。這種高速增長還將持續(xù)發(fā)展，到2029年將達到8800Gbps（圖一）。
圖一
不斷增長的使用量對衛(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據壓縮和頻率復用技術，目的是壓榨出頻率表里面每赫茲的最后一個比特。但是現實是，不管怎么增加效率，基于ITU（國際電信聯盟）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)務的頻率。經過幾代衛(wèi)星的發(fā)展，現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年代就已經開始利用C頻段提供國際電話和電視轉播等越洋通信業(yè)務。C頻段的傳播條件比較穩(wěn)定，幾乎不受降雨衰耗影響，適合無線電信號傳播。但是，隨著地面移動通信業(yè)務量的增長，特別是進入5G時代之后，5G信號也開始使用C頻段，對衛(wèi)星信號造成了干擾（圖三）。在監(jiān)管部門和ITU的協調下，原用于衛(wèi)星通信的擴展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）應用，使用多色頻率復用的密集點波束，其EIRP可達60dBW或更高。Ka頻段的波長接近于雨滴直徑，降雨衰耗比Ku頻段更加嚴重（圖四）。為了應對更加嚴重的雨衰，Ka鏈路需要設計更多的余量（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；配套的射頻設備相對C頻段的體積小很多，成本低。與Ka頻段相比，Ku頻段的波長相對較長，降雨衰耗影響較??；而且相對于Ka，Ku頻段已經廣泛使用數十年，設備繼承性好，地面系統的改造成本低。
圖六
Ku頻段對于衛(wèi)星通信至關重要
Ku頻段對于衛(wèi)星通信的重要性毋庸置疑，衛(wèi)星公司都在加大Ku頻段轉發(fā)器的投入，Ku頻段轉發(fā)器在所有轉發(fā)器中的占比最大，并且還在逐年提高。預計到2027年占比將提升到68%（圖六），兩倍于C和Ka轉發(fā)器個數之總和。
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。當時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；
因為500MHz帶寬不足以滿足業(yè)務拓展的要求，在衛(wèi)星行業(yè)的努力協調下，經過兩次ITU WRC大會（WRC-1992和WRC-1995），確認了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，保護無線電定位和NASA航天飛機空間探索業(yè)務；
4.5米天線口徑的限制太大，仍然不利于業(yè)務的開展。NASA航天飛機也已退役多年。衛(wèi)星行業(yè)進一步在WRC-2003大會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。經過一輪協調，最終在WRC-2015年大會上，中國、日本、澳大利亞等數個亞太地區(qū)國家爭取到在14.5-14.8 GHz 可以用作固定衛(wèi)星業(yè)務。
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，為更加均衡的設計通信衛(wèi)星，開展國內和國際的衛(wèi)星通信業(yè)務打下了基礎。特別是位于13.75-14GHz和14.5-14.8GHz的擴展Ku頻段，經過幾代衛(wèi)星頻譜專家爭取得到，來之不易。現如今Ku頻段已經成為衛(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，和陸地上移動網絡無法到達的偏遠地區(qū)，提供連接服務。
但是在衛(wèi)星通信市場上，業(yè)務仍然擁擠并堵塞在14.0-14.5GHz頻段，轉發(fā)器出租率高達100%，出現一兆（1MHz）難求的現象。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，勢必增加運營成本，從而增加了衛(wèi)星轉發(fā)器的價格，最終對衛(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，造成了衛(wèi)星轉發(fā)器資源的浪費。首先是市場上13.75-14.0GHz頻段的衛(wèi)星轉發(fā)器本來就比較少，衛(wèi)星公司將大多數資源投放在了14.0-14.5GHz；其次，衛(wèi)星通信用戶對這個頻段不熟，在設計的時候往往不考慮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)星公司在設計新衛(wèi)星時候又避開了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
對于使用13.75-14.0GHz頻段，衛(wèi)星通信產業(yè)的幾個參與方的取態(tài)如下：
衛(wèi)星地面站
衛(wèi)星地面站是衛(wèi)星通信的用戶，他們的偏好相當程度上左右了衛(wèi)星轉發(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，對應L頻段為950-1450MHz，對應射頻范圍14.0-14.5GHz；而帶寬為750MHz 的BUC，采用的是12800MHZ本振，對應L頻段為950-1700MHz，對應射頻范圍13.75-14.5GHz。兩種BUC在成本上幾乎一樣。
目前國內的衛(wèi)星固定站絕大部分不支持13.75-14.0GHz頻段。因為陸地固定站都是一些傳統衛(wèi)星通信的用戶，而歷史上相當長一段時間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），導致這些傳統的站點都采用的是14.0-14.5GHz的系統，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慣，更傾向于采購14-14.5GHZ的BUC，是造成這段頻率的轉發(fā)器供不應求的主要原因。
服務集成商
服務集成商為衛(wèi)星通信用戶提供集成服務，承包建設各類衛(wèi)星通信鏈路，經驗豐富。因為衛(wèi)星固定站大量使用14-14.5GHz頻段，造成國內該頻段BUC供不應求，需要訂貨周期。而13.75-14.5GHz頻段的BUC卻都有現貨。衛(wèi)星集成商考慮到寬帶BUC的產品通用性好，庫存充足，因此在新的衛(wèi)星站項目上已經開始逐步使用寬帶BUC。
衛(wèi)星集成商是傾向于采用適用13.75-14.5GHz寬頻段的設備，對于備貨，兼容性，和維護都有好處。
衛(wèi)星運營商
目前在國內開展衛(wèi)星通信業(yè)務的運營商，均發(fā)射了配備有13.75-14.0GHz轉發(fā)器的衛(wèi)星。軌位頻率資源對于衛(wèi)星運營商來說至關重要，如果某個軌位的擴展Ku頻段有優(yōu)先級，衛(wèi)星運營商傾向于盡快使用這段頻率，而不會特意避開：
首先，按照ITU的規(guī)則，不使用的頻率將失去優(yōu)先級，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，導致在衛(wèi)星設計中經常會出現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)先級的話。
雖然衛(wèi)星運營商盡量利用所有頻率資源，但是他們出于現實情況考慮，合理配置衛(wèi)星轉發(fā)器。比如出于國內市場對13.75-14.0GHz接受程度不高，衛(wèi)星運營商會將覆蓋中國的Ku波束配置多些14.0-14.5GHz頻段轉發(fā)器，而將13.75-14.0GHz主要運用在覆蓋國外的波束，或者移動波束上。這樣的配置也一定程度上造成了國內14.0-14.5GHz轉發(fā)器的緊缺。
結論
綜上所述，鑒于Ku頻段資源的稀缺性，和國內衛(wèi)星通信并未普遍使用13.75-14.0GHz的現狀，我們建議：
新衛(wèi)星通信項目采用13.75-14 GHz頻段
目前很多衛(wèi)星通信用戶習慣上仍然認為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，市場上支持這個頻段的設備、衛(wèi)星轉發(fā)器資源也很多，成本和14-14.5GHz一樣。新的衛(wèi)星通信項目只需要將13.75-14.0GHz的使用頻率包括進來，一來不會增加成本，二來也為將來的擴展使用增加了可能性，是一舉兩得的好事。
采用寬帶BUC
包括中國在內的幾個主要亞太地區(qū)國家，已經領先世界一步拿到了14.5-14.8GHz的頻段做固定衛(wèi)星上行業(yè)務。設備廠家可以響應這個政策變化，將14.5-14.8GHz的頻段也包含到設備支持的頻段中去。拿BUC來說，現有工作頻率13.75-14.5GHz的BUC，本振頻率是12800MHz。如果要設計13.75-14.8GHz的寬帶BUC，可以保留12800MHz本振，對應L頻段為950-2000MHz。因此，采用12800MHz本振的BUC，對應使用950-2150MHz標準L頻段基帶設備，無論現在還是將來，其通用性都更強。如果這些擴展Ku頻段都能得到充分使用，勢必緩解國內Ku轉發(fā)器資源供不應求的現狀。
采用支持950-1700MHz及以上的調制解調器
由于歷史上的沿襲，傳統調制解調器僅支持950-1450MHz。近年來隨著Ka頻段普及，部分Ka衛(wèi)星轉發(fā)器帶寬已經到1GHz以上，因此調制解調器也開始支持950-2150MHZ頻段，市場上選擇也很多。我們建議在新的衛(wèi)星通信項目里面使用更加寬帶的調制解調器。
