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【前沿】冰火两重天的卫星Ku转发器市场

2021-11-17 / 阅读次数:1583

  转自 | 卫星与网络

  文 | 潘力 甘海力

  摘要

  国内卫星Ku转发器市场出现分化,一方面标准Ku转发器(14/12GHz频段)供不应求,出租率高达100%;另一方面扩展Ku频段(13/11GHz频段)的转发器空置率高,市场认知程度低,用户寥寥。卫星转发器资源本来就稀缺,加上使用上不均衡,造成了卫星频谱资源的浪费。本文分析了Ku频段的历史沿袭和使用现状,进而提出了改善的建议。

  在我们这个高度互联的世界里,卫星凭借其广袤覆盖的优点得到了广泛的应用,不仅被广泛用于视频分发和现场直播,而且还被用于许多的数据服务,如互联网宽带连接、VSAT服务、移动回程、海事和机载上网等服务。近年来随着互联互通应用的增长,以及高通量卫星技术的应用,市场对于卫星转发器的需求强劲。2020年全球卫星转发器使用量达到创纪录的2000Gbps,相当于2015年的3倍。这种高速增长还将持续发展,到2029年将达到8800Gbps(图一)。

  图一

  不断增长的使用量对卫星频率资源提出了巨大的挑战,随之而来的是卫星业界需要采用更高的数据压缩和频率复用技术,目的是压榨出频率表里面每赫兹的最后一个比特。但是现实是,不管怎么增加效率,基于ITU(国际电信联盟)分配给卫星使用的频谱资源都是有限的。

  卫星频段的划分

  我们通常说的卫星频段,指的是固定卫星业务的非规划频段,大致可以理解为ITU划分给非L频段的、商用卫星通信业务的频率。经过几代卫星的发展,现在主要使用的频段是C、Ku和Ka频段(图二)。

  图二

  4-8GHz频段称为C频段。商用通信卫星从1960年代就已经开始利用C频段提供国际电话和电视转播等越洋通信业务。C频段的传播条件比较稳定,几乎不受降雨衰耗影响,适合无线电信号传播。但是,随着地面移动通信业务量的增长,特别是进入5G时代之后,5G信号也开始使用C频段,对卫星信号造成了干扰(图三)。在监管部门和ITU的协调下,原用于卫星通信的扩展C频段(3.4-3.6GHz)重新规划给了地面5G使用,卫星撤出使用这个频段。

  图三

  Ka频段的卫星通信使用27.5-31/17.7-21.2GHz频段,简称为30/20GHz频段。Ka频段多见于高通量卫星(HTS)应用,使用多色频率复用的密集点波束,其EIRP可达60dBW或更高。Ka频段的波长接近于雨滴直径,降雨衰耗比Ku频段更加严重(图四)。为了应对更加严重的雨衰,Ka链路需要设计更多的余量(图五)。中国南部、南亚、东南亚等多雨地区很容易遭受降雨导致的通信中断。

  图四

  图五

  12-18GHz频段称为Ku频段,与C频段相比,Ku频段的天线增益较高,可使用较小口径的地面天线;配套的射频设备相对C频段的体积小很多,成本低。与Ka频段相比,Ku频段的波长相对较长,降雨衰耗影响较小;而且相对于Ka,Ku频段已经广泛使用数十年,设备继承性好,地面系统的改造成本低。

  图六

  Ku频段对于卫星通信至关重要

  Ku频段对于卫星通信的重要性毋庸置疑,卫星公司都在加大Ku频段转发器的投入,Ku频段转发器在所有转发器中的占比最大,并且还在逐年提高。预计到2027年占比将提升到68%(图六),两倍于C和Ka转发器个数之总和。

  在亚太地区,最早的商业卫星使用的Ku频段是14.0-14.5/12.25-12.75GHz,简称为14/12GHz频段。随着业务量的增加,卫星行业不断努力去争取更多的频率资源(图七):

  1983年,第一代通信卫星开始使用Ku频段开始广播电视服务。当时Ku频段局限在14.0-14.5GHz/12.25-12.75GHz频段(亚太区),只有500MHz的带宽;

  因为500MHz带宽不足以满足业务拓展的要求,在卫星行业的努力协调下,经过两次ITU WRC大会(WRC-1992和WRC-1995),确认了13.75-14.0 GHz频段可以作为卫星上行频段使用。但是需要卫星上行链路的地面站天线不小于4.5米,保护无线电定位和NASA航天飞机空间探索业务;

  4.5米天线口径的限制太大,仍然不利于业务的开展。NASA航天飞机也已退役多年。卫星行业进一步在WRC-2003大会上争取到将此限制宽限到1.2米(适用于亚太区);

  Ku频段的上行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。上行频段比下行频段少了300MHz。经过一轮协调,最终在WRC-2015年大会上,中国、日本、澳大利亚等数个亚太地区国家争取到在14.5-14.8 GHz 可以用作固定卫星业务。

  图七

  至此,中国的无线电频率分配表上,Ku频段上下行频段均为1050MHz,为更加均衡的设计通信卫星,开展国内和国际的卫星通信业务打下了基础。特别是位于13.75-14GHz和14.5-14.8GHz的扩展Ku频段,经过几代卫星频谱专家争取得到,来之不易。现如今Ku频段已经成为卫星通信的主要频谱,用于向最需要的地方,跨越海洋和开阔的天空,和陆地上移动网络无法到达的偏远地区,提供连接服务。

  但是在卫星通信市场上,业务仍然拥挤并堵塞在14.0-14.5GHz频段,转发器出租率高达100%,出现一兆(1MHz)难求的现象。而卫星公司在14.0-14.5GHz的资源有限,要空出频率给客户使用,势必增加运营成本,从而增加了卫星转发器的价格,最终对卫星通信的用户不利。

  与14.0-14.5GHz火爆的情况相反的是13.75-14.0GHz频段使用者寥寥可数,造成了卫星转发器资源的浪费。首先是市场上13.75-14.0GHz频段的卫星转发器本来就比较少,卫星公司将大多数资源投放在了14.0-14.5GHz;其次,卫星通信用户对这个频段不熟,在设计的时候往往不考虑13.75-14.0GHz频段。二者因素相互影响,用户使用率低反过来促使卫星公司在设计新卫星时候又避开了13.75-14.0GHz频段,从而愈发加剧了Ku频段使用不均衡的情况。

  13.75-14.0GHz频段的参与方

  对于使用13.75-14.0GHz频段,卫星通信产业的几个参与方的取态如下:

  卫星地面站

  卫星地面站是卫星通信的用户,他们的偏好相当程度上左右了卫星转发器的市场。而BUC(上变频功放)是卫星地面站的重要部件,按工作带宽大小分为两类。带宽为500MHz的BUC,采用13050MHz的本振,对应L频段为950-1450MHz,对应射频范围14.0-14.5GHz;而带宽为750MHz 的BUC,采用的是12800MHZ本振,对应L频段为950-1700MHz,对应射频范围13.75-14.5GHz。两种BUC在成本上几乎一样。

  目前国内的卫星固定站绝大部分不支持13.75-14.0GHz频段。因为陆地固定站都是一些传统卫星通信的用户,而历史上相当长一段时间13.75-14.0GHz的使用限制较大(2003年前上行天线要求4.5米以上),导致这些传统的站点都采用的是14.0-14.5GHz的系统,很少有采用13.75-14.0GHz频段的历史。一路沿袭下来,陆地固定站形成了习惯,更倾向于采购14-14.5GHZ的BUC,是造成这段频率的转发器供不应求的主要原因。

  服务集成商

  服务集成商为卫星通信用户提供集成服务,承包建设各类卫星通信链路,经验丰富。因为卫星固定站大量使用14-14.5GHz频段,造成国内该频段BUC供不应求,需要订货周期。而13.75-14.5GHz频段的BUC却都有现货。卫星集成商考虑到宽带BUC的产品通用性好,库存充足,因此在新的卫星站项目上已经开始逐步使用宽带BUC。

  卫星集成商是倾向于采用适用13.75-14.5GHz宽频段的设备,对于备货,兼容性,和维护都有好处。

  卫星运营商

  目前在国内开展卫星通信业务的运营商,均发射了配备有13.75-14.0GHz转发器的卫星。轨位频率资源对于卫星运营商来说至关重要,如果某个轨位的扩展Ku频段有优先级,卫星运营商倾向于尽快使用这段频率,而不会特意避开:

  首先,按照ITU的规则,不使用的频率将失去优先级,很容易被其他卫星公司抢占;其次,如前所述,固定卫星业务Ku频段长期以来存在上下行带宽不均衡的问题,上行频率偏少,下行频率多,导致在卫星设计中经常会出现上行频率码不开的问题。特别是多波束的Ku卫星,必然要使用13.75-14.0GHz;第三,同步轨道卫星众多,相邻卫星之间很容互相干扰。错开频率是避免干扰的最佳方法,使用13.75-14.0GHz就可以避开和附近卫星之间的干扰,如果它的14.0-14.5GHz有优先级的话。

  虽然卫星运营商尽量利用所有频率资源,但是他们出于现实情况考虑,合理配置卫星转发器。比如出于国内市场对13.75-14.0GHz接受程度不高,卫星运营商会将覆盖中国的Ku波束配置多些14.0-14.5GHz频段转发器,而将13.75-14.0GHz主要运用在覆盖国外的波束,或者移动波束上。这样的配置也一定程度上造成了国内14.0-14.5GHz转发器的紧缺。

  结论

  综上所述,鉴于Ku频段资源的稀缺性,和国内卫星通信并未普遍使用13.75-14.0GHz的现状,我们建议:

  新卫星通信项目采用13.75-14 GHz频段

  目前很多卫星通信用户习惯上仍然认为Ku上行频段为14-14.5GHz。而13.75-14.0GHz早已开放给了卫星使用,市场上支持这个频段的设备、卫星转发器资源也很多,成本和14-14.5GHz一样。新的卫星通信项目只需要将13.75-14.0GHz的使用频率包括进来,一来不会增加成本,二来也为将来的扩展使用增加了可能性,是一举两得的好事。

  采用宽带BUC

  包括中国在内的几个主要亚太地区国家,已经领先世界一步拿到了14.5-14.8GHz的频段做固定卫星上行业务。设备厂家可以响应这个政策变化,将14.5-14.8GHz的频段也包含到设备支持的频段中去。拿BUC来说,现有工作频率13.75-14.5GHz的BUC,本振频率是12800MHz。如果要设计13.75-14.8GHz的宽带BUC,可以保留12800MHz本振,对应L频段为950-2000MHz。因此,采用12800MHz本振的BUC,对应使用950-2150MHz标准L频段基带设备,无论现在还是将来,其通用性都更强。如果这些扩展Ku频段都能得到充分使用,势必缓解国内Ku转发器资源供不应求的现状。

  采用支持950-1700MHz及以上的调制解调器

  由于历史上的沿袭,传统调制解调器仅支持950-1450MHz。近年来随着Ka频段普及,部分Ka卫星转发器带宽已经到1GHz以上,因此调制解调器也开始支持950-2150MHZ频段,市场上选择也很多。我们建议在新的卫星通信项目里面使用更加宽带的调制解调器。

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