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首頁 - 新聞動態

【前沿】冰火兩重天的衛星Ku轉發器市場

2021-11-17 / 閱讀次數:1663

  轉自 | 衛星與網絡

  文 | 潘力 甘海力

  摘要

  國內衛星Ku轉發器市場出現分化,一方面標準Ku轉發器(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)的轉發器空置率高,市場認知程度低,用戶寥寥。衛星轉發器資源本來就稀缺,加上使用上不均衡,造成了衛星頻譜資源的浪費。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,衛星憑借其廣袤覆蓋的優點得到了廣泛的應用,不僅被廣泛用于視頻分發和現場直播,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,以及高通量衛星技術的應用,市場對于衛星轉發器的需求強勁。2020年全球衛星轉發器使用量達到創紀錄的2000Gbps,相當于2015年的3倍。這種高速增長還將持續發展,到2029年將達到8800Gbps(圖一)。

  圖一

  不斷增長的使用量對衛星頻率資源提出了巨大的挑戰,隨之而來的是衛星業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)分配給衛星使用的頻譜資源都是有限的。

  衛星頻段的劃分

  我們通常說的衛星頻段,指的是固定衛星業務的非規劃頻段,大致可以理解為ITU劃分給非L頻段的、商用衛星通信業務的頻率。經過幾代衛星的發展,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務。C頻段的傳播條件比較穩定,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,對衛星信號造成了干擾(圖三)。在監管部門和ITU的協調下,原用于衛星通信的擴展C頻段(3.4-3.6GHz)重新規劃給了地面5G使用,衛星撤出使用這個頻段。

  圖三

  Ka頻段的衛星通信使用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頻段對于衛星通信至關重要

  Ku頻段對于衛星通信的重要性毋庸置疑,衛星公司都在加大Ku頻段轉發器的投入,Ku頻段轉發器在所有轉發器中的占比最大,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轉發器個數之總和。

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

  1983年,第一代通信衛星開始使用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),只有500MHz的帶寬;

  因為500MHz帶寬不足以滿足業務拓展的要求,在衛星行業的努力協調下,經過兩次ITU WRC大會(WRC-1992和WRC-1995),確認了13.75-14.0 GHz頻段可以作為衛星上行頻段使用。但是需要衛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務;

  4.5米天線口徑的限制太大,仍然不利于業務的開展。NASA航天飛機也已退役多年。衛星行業進一步在WRC-2003大會上爭取到將此限制寬限到1.2米(適用于亞太區);

  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國家爭取到在14.5-14.8 GHz 可以用作固定衛星業務。

  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星,開展國內和國際的衛星通信業務打下了基礎。特別是位于13.75-14GHz和14.5-14.8GHz的擴展Ku頻段,經過幾代衛星頻譜專家爭取得到,來之不易?,F如今Ku頻段已經成為衛星通信的主要頻譜,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,提供連接服務。

  但是在衛星通信市場上,業務仍然擁擠并堵塞在14.0-14.5GHz頻段,轉發器出租率高達100%,出現一兆(1MHz)難求的現象。而衛星公司在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,從而增加了衛星轉發器的價格,最終對衛星通信的用戶不利。

  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,造成了衛星轉發器資源的浪費。首先是市場上13.75-14.0GHz頻段的衛星轉發器本來就比較少,衛星公司將大多數資源投放在了14.0-14.5GHz;其次,衛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星公司在設計新衛星時候又避開了13.75-14.0GHz頻段,從而愈發加劇了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,衛星通信產業的幾個參與方的取態如下:

  衛星地面站

  衛星地面站是衛星通信的用戶,他們的偏好相當程度上左右了衛星轉發器的市場。而BUC(上變頻功放)是衛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器供不應求的主要原因。

  服務集成商

  服務集成商為衛星通信用戶提供集成服務,承包建設各類衛星通信鏈路,經驗豐富。因為衛星固定站大量使用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,因此在新的衛星站項目上已經開始逐步使用寬帶BUC。

  衛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。

  衛星運營商

  目前在國內開展衛星通信業務的運營商,均發射了配備有13.75-14.0GHz轉發器的衛星。軌位頻率資源對于衛星運營商來說至關重要,如果某個軌位的擴展Ku頻段有優先級,衛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的規則,不使用的頻率將失去優先級,很容易被其他衛星公司搶占;其次,如前所述,固定衛星業務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衛星,必然要使用13.75-14.0GHz;第三,同步軌道衛星眾多,相鄰衛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星之間的干擾,如果它的14.0-14.5GHz有優先級的話。

  雖然衛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,合理配置衛星轉發器。比如出于國內市場對13.75-14.0GHz接受程度不高,衛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,和國內衛星通信并未普遍使用13.75-14.0GHz的現狀,我們建議:

  新衛星通信項目采用13.75-14 GHz頻段

  目前很多衛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早已開放給了衛星使用,市場上支持這個頻段的設備、衛星轉發器資源也很多,成本和14-14.5GHz一樣。新的衛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國家,已經領先世界一步拿到了14.5-14.8GHz的頻段做固定衛星上行業務。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衛星轉發器帶寬已經到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。我們建議在新的衛星通信項目里面使用更加寬帶的調制解調器。

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