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为变化中的世界分配频谱

2016-04-01 09:35     作者:马斌     来源:人民邮电报社

2015年世界无线电通信大会看当前频谱资源开发利用的趋势

  国际电联2015年世界无线电通信大会(WRC-15)已渐渐远去,会议结果将对未来一个时期全球无线电技术、业务和无线电产业发展产生重要的影响。

  当前,随着各种无线电技术、业务的加速普及,无线电频率和卫星轨道资源的供需矛盾日益突出。WRC-15以“为变化中的世界分配频谱”为主题,一方面凸显了当今世界无线电技术、业务快速发展变化的新态势,另一方面体现了国际电联在推进频谱资源的有效利用和保障各项无线电业务持续发展方面所肩负的使命和为此付出的努力。

  本届大会共设有40多个议题,内容涉及国际移动通信(IMT)、卫星频率和轨道资源开发利用、航空业安全运营和航空器制造、空间研究、智能交通和水上交通通信、应急救灾通信等方面,同时也涉及对相关规则的修订。大会所涉及的各项议题,反映了全球无线电技术、业务发展的现状,体现了无线电频谱资源开发利用的新趋势。

  1当前,在IMT持续演进发展的进程中,移动数据业务呈现爆炸性增长的态势,对频谱资源的需求日益增长。如何满足当前4G和未来5G发展对频谱资源的需求,是一个十分艰巨的任务。

  在WRC-15上,在6GHz以下为IMT新增全球统一的频率划分是参会各国关注的热点议题,各国代表为此展开了激烈的争论。由于存在的分歧较大,最终只有L频段的1427MHz~1518MHz被标注为IMT新增的全球统一频率(其中,1452MHz~1492MHz在一区有53个国家标注为IMT用频),部分国家以脚注的方式将470MHz~698MHz3400MHz~3600MHz频段及其上下邻频标注用于IMT。这一结果在一定程度上暂时缓解了当前全球移动通信系统发展对频谱需求的压力。

  当前,全球4G商用的步伐正在不断加快,移动数据业务加速增长,用户渴望更高的传输速率、更优的网络性能和更好的移动宽带体验,而这些都迫切需要更多的频谱资源提供保障。在全球4G商用方兴未艾之时,IMT-20205G)研究已开始提速。预计于2020年商用的5G将具有光纤般的接入速率、接近零时延的使用体验和千亿设备的连接能力,并支持机器类通信。在5G时代,移动数据业务的爆炸性增长和通信终端数量的持续增加必然带来更大的频率需求。根据ITU的预测,到2020年,全球IMT总频谱需求将达到1340MHz~1960MHz。而我国到2020IMT总频谱需求将达到1490MHz~1810MHz。为满足2020年前IMT发展对频谱资源的需求,WRC-15的一项重要任务就是在6GHz以下为IMT寻求新的全球统一频率划分。

  在WRC-15研究周期,ITU-R专门成立了联合工作组负责该议题的研究工作,并汇总提出了从400MHz6GHz范围内的19个可用于IMT的候选频段,以便由WRC-15确定新增的IMT频段。WRC-15期间,各国围绕IMT的频段的选择展开了长时间的磋商和激烈的争论。但由于各国的分歧较大,会议在IMT的新增频率划分方面并未取得让业界满意的成果。

  中国信息通信研究院通信标准研究所副所长万屹介绍说,面对频率紧缺的状况,近几届WRC一直在为IMT寻找新的频率划分,但现实情况是,在6GHz以下频段为IMT寻找整段的全球统一频率划分的难度越来越大。这是因为,6GHz频段以下密集分布着卫星、广播、无线电定位、科学等不同的业务,每一项新的频率划分都意味着要减少这些频段的现有业务未来可用的频率资源,或者增加现有业务受到干扰的风险,可谓“牵一发而动全身”。此外,由于各国IMT及相关产业发展的战略存在差异,且对IMT新增频率的需求各不相同,这使得各国很难就同一频段达成完全一致的意见。

  鉴于WRC-15未能在IMT频率划分方面取得预期的成果,业界自然对几年后召开的WRC-19充满了期待。为了满足IMT日益增长的频率需求,WRC-19将研究讨论在6GHz以上为IMT增加新的频率划分的问题。在未来5G时代,低频段和高频段相互配合,将为5G发展插上腾飞的翅膀。

  2近年来,新的技术和应用使得卫星通信日趋活跃,引发了对频谱资源新的需求。与此同时,在全球新一轮科技革命和产业变革中,无线电技术在信息通信、工业制造和行业信息化领域的渗透步伐不断加快,迫切需要更多的频谱资源提供支撑。

  除了IMT之外,WRC-15所讨论的议题还涉及卫星业务、空间科学业务、航空业务、水上业务、无线电定位、公共保护和救灾业务、业余无线电等诸多领域,涉及研究确定未来大会议题等事项。值得关注的是,近年来,新的技术和应用使得卫星通信日趋活跃,引发了新的频谱资源需求;与此同时,在全球新一轮科技革命和产业变革中,无线电技术应用在信息通信、工业制造和行业信息化领域扮演了越来越重要的角色,发挥了无法替代的重要作用。如今,包括无线电技术在内的新一代信息技术与飞机、船舶以及汽车制造等工业制造业的融合进程进一步加快,并在加速走向宽带化、智能化、数字化,迫切需要更多的频谱资源提供支撑。

  WRC-15所涉及的卫星业务的议题较多,成为会议一大热点。近年来,诸如VSAT业务、宽带互联网、卫星新闻采集等业务方兴未艾,对频谱资源的需求日益增长,为此本届大会为卫星固定业务(限于对地静止卫星)在Ku频段增加了主要业务划分,解决了Ku频段原有上下行划分不对称的问题。为了满足卫星水上移动业务在全球范围内的频率新需求,大会将7375MHz~7750MHz频段作为主要业务划分给卫星水上移动业务(空对地)使用,以便未来卫星水上移动业务能够提供宽带数据服务。为了促进“动中通”应用,大会为19.7GHz~20.2GHz29.5GHz~30.0GHz频段上下行各500MHz制订了相应的规则和技术条件,允许“动中通”地球站使用该频段,从而使得部分Ka频段的“动中通”业务合法化;在满足一定离岸隔离距离的条件下,允许C频段的“动中通”船载地球站使用更小的便于在小型船只上部署的1.2米天线。WRC-15期间,One Web以及Space X公司计划部署的高密度低轨非静止轨道卫星系统的相关计划受到业界的广泛关注,体现了卫星通信发展的新动向。

  在空间科学业务领域,为了满足气象、环境保护、灾害预防等对地探测卫星对频率的需求,大会将9200MHz~9300MHz9900MHz~10400MHz频段划分给卫星地球探测业务(有源),此项频率划分将使得对地探测卫星星载雷达的成像精度得到明显提升;为了满足地球探测卫星对测控频率的需求,大会在X频段的7190MHz~7250MHz频段增加了卫星地球探测业务(地对空)划分。大会还决定放宽空间飞行器与轨道载人航天器对接5公里通信距离的限制,有助于增强未来载人航天工程空间飞行器对接的安全性和灵活性。

  在航空业务领域,大会决定在4200MHz~4400MHz按航空移动(航路)业务进行频率划分,以满足航空机载内部无线通信(WAIC)对频率的需求,将有效提升航空器飞行的安全性和可靠性。为了提升无人机的超视距远程控制和通信能力,大会为无人机超视距测控链路确定了频率划分,允许无人机系统超视距控制和通信链路使用KuKa频段卫星固定业务频率资源,这对推动全球无人机产业的发展将产生重要影响。为了回应国际社会在马航MH370失踪后对民用航班安全的呼声,大会决定在1087.7MHz~1092.3MH增加航空移动业务划分,以便能通过低轨卫星系统实现对民航航班在全球范围内的监控和跟踪。

  在水上业务领域,为了增强水上无线电通信能力,保障船舶航行安全,大会为水上移动业务引入了甚高频数据交换系统(VDES)并对相关信道的配置进行了调整,将有效提升现有船舶自动识别系统(AIS)的数据通信能力;大会还决定为现有的船载450MHz频段特高频通信系统引入不同的信道间隔及相关数字技术,这将使特高频频段的船载通信能力得到显著提高。

  在无线电定位业务领域,出于保障交通安全的需要,大会将77.5GHz~78.0GHz频段划分给无线电定位业务,以支持短距离高分辨率车载雷达的发展,这对推进智能交通的发展和保障道路交通安全具有十分重要的意义。

  为了促进公共保护和救灾业务(PPDR)的宽带化,有效应对全球范围内的各种应急突发事件和自然灾害,大会提出了鼓励各国使用的宽带PPDR频率范围(694MHz~894MHz),以便各国在实施跨国、跨区域的应急救援时能够采取协调一致的行动。着眼于保障全球卫星搜救系统(Cospas-Sarsat)的用频安全,大会通过决议强调了对搜救卫星上行传输信号的保护,以避免可能出现的干扰。

  此外,WRC-15还讨论确定了WRC-19WRC-23新议题,涉及为IMT以及铁路无线电通信、智能交通、水上通信、卫星通信、高空平台通信(HAPS)、无线局域网等增加新的频率划分或制订相应的使用规则等,反映了未来一个时期全球无线电技术应用和频率资源开发利用的最新趋势。

  3在无线电频谱资源日益稀缺的情况下,要满足各类无线电业务持续发展对频谱资源的需求,就必须最大限度地追求业务的共存和频谱资源的共用,不断提高频谱资源的利用率。

  由于频谱资源是有限的资源,追求频谱资源的有效利用一直是国际电联《无线电规则》的一项根本原则。通过WRC-15可以看出,为了满足各种无线电业务持续发展对频谱资源的需求,国际电联在最大限度地推进不同业务的共存和频谱的共用;一些业务之所以能获得新的频率划分,实际上就是成功实现频谱共用的结果。

  ITU-R第一研究组副主席、工业和信息化部无线电管理局常若艇告诉记者,近年来,随着无线电技术应用的加速普及,频谱资源的供需矛盾日益突出。在此情况下,充分利用频谱资源所具有的时间、空间、能量、码域等多维度属性,让不同的无线电业务实现频谱的共用,便成为解决供需矛盾的一个有效途径。为了让不同的业务和谐共处,国际电联《无线电规则》规定频谱的共用必须依据次要业务让主要业务、后用让先用等基本规则,必须依据相应的技术、操作求来实施,否则业务间的干扰将难以避免,频谱共用将难以实现。

  为了解决频谱共用的问题,在每一个WRC研究周期,国际电联和各国无线电主管部门都要耗费大量的精力,就某一项频率划分进行大量的不同业务间的电磁兼容和业务共存研究,以确保对原有业务或主要业务实现保护。而WRC-15所讨论的许多议题,均涉及不同业务的共存和频率的共用问题。比如,为满足X频段地球探测卫星对测控频率的需求,本届大会讨论决定在7190MHz~7250MHz频段增加卫星地球探测业务(地对空)划分,而拟新增的频率范围覆盖了我国月球探测测控通信上行主用频段。为了确保新的频率划分不对现有的空间研究业务带来不利影响,我国经过积极斡旋,最终使得大会为卫星地球探测业务在X频段增加主要业务划分的同时,明确规定了新增划分“只限于遥控操作使用,用于地球静止轨道卫星时不能对现在和将来空间研究业务提出干扰保护要求”的附加条件,保证了我国现有空间业务不受干扰的优先地位;而在大会为卫星固定业务在Ku频段增加主要业务划分的讨论中,其中拟划分的一区新增13.4GHz~13.65GHz频段(空对地)涉及与我国计划发射的风云三号气象卫星搭载的降水测量雷达拟用频率的共用问题。为确保我国未来的降水测量雷达系统不受干扰,我国在支持为该频段新增频率划分的同时,明确提出了对我国未来降水测量雷达进行充分保护的相关条件并被大会采纳,成功实现了对我国未来气象雷达系统的保护。其实,实现频率共用和业务共存的规则条款往往是各国间相互协商和妥协的结果。在WRC-15上,在涉及为卫星地球探测业务和卫星固定业务划分新的频率等许多议题上,中国代表团都积极协调、多方斡旋,有效维护并拓展了我国的权益。

  中国卫通集团有限公司高级工程师程粉红表示,尽管国际电联一直在最大限度地推进不同业务的共存和频谱的共用,但现实情况是,由于一些频段的无线电业务已十分密集,再加上一些国家出于对原有业务或相关产业的保护,使得不同业务间实现频谱共用的难度越来越大。比如,近年来IMT与卫星业务对C频段频率资源的争夺十分激烈,两者在这一频段基本上难以实现共用。这是因为,C频段卫星通信的波束覆盖范围十分广阔,而IMT需要在陆地上实现大范围的网络覆盖,两者之间难以避免相互干扰。在WRC-15上,IMT的新增频率划分之所以在某些频段未能如愿以偿,一个重要原因是相关候选频段难以与卫星、广播、无线电定位等业务实现兼容和共存。同样,由于难以实现业务的兼容和共存,诸如在22GHz~26GHz为卫星移动业务增加频率划分、在7150MHz~7250MHz(空对地)和8400MHz~8500MHz(地对空)频段为卫星固定业务增加新的频率划分等议题,最终由于多数国家的反对而流产。

  常若艇告诉记者,近年来,面对频率资源日益稀缺的状况,国际电联无线电通信部门及各国无线电主管部门都在开展基于认知无线电等技术的频谱共用研究,探索建立空天地一体化的动态频谱分配和共享机制,不断提高频谱资源的使用效率。面向未来,在新的无线电技术和管理模式的支撑下,结合大数据、云计算及宽带网络的普及,未来的无线电业务共存和频谱共用之路会越走越宽。

  4随着无线电技术应用的加速普及,处于低频段的各类无线电业务已十分密集。为此,地面和空间业务都不得不面向高频段寻找可用的频谱资源,频谱资源的开发利用从低频段向高频段拓展的步伐在不断加快。

  近年来,随着各种无线电技术应用的加速普及,电磁传播性能好、设备研发成本低的低频段已被各类无线电业务“瓜分殆尽”,频率资源的开发利用从低频段向高频段拓展的趋势日益明显。从WRC-15可以看出,由于低频段的频率资源日益紧缺,地面和空间业务向高频段拓展的步伐正在不断加快。

  以IMT为例,鉴于在6GHz以下已很难为IMT找到大块、连续的可用频段,WRC-15确定未来WRC-19将讨论在6GHz以上为IMT寻找新的频率的问题。经过各国讨论,WRC-15已在6GHz~100GHz范围内为IMT大致确定了需要重点研究的频段范围,以便WRC-19就最终的频段作出决定。随着高频段设备研发能力的不断提升,从目前的6GHz以下到未来的6GHz以上,向高频段扩展已成为未来IMT发展的必由之路。

  在空间业务领域,卫星业务用频向高频段扩展的趋势也十分明显。程粉红介绍说,当前卫星通信广泛使用的频段包括LSCXKuKKa等频段。其中,LS频段处于低端,用于实现以窄带语音通信为主的卫星移动业务。CKu频段相对较高,传输容量较大。但这两个频段的频率已被充分使用,轨道位置也趋于饱和。相对于传统的CKu频段,Ka频段可用频率资源更为丰富,可为卫星通信的宽带化提供必要的频率资源保障。从全球来看,近年来迅猛发展的视频发布、宽带互联网、卫星新闻采集等业务触发了卫星通信对Ka以及以上Q40GHz上下)、V50GHz上下)等频段的频率需求。

  如今,美国One WebSpace X公司正计划构建覆盖全球的高密度非静止轨道卫星(NGSO)网络,这些卫星系统将由上百颗星甚至上千颗星组成,使用常规KuKa频段,目标是为全球特别是一些边远地区提供宽带互联网接入等服务。在WRC-15上,经一些欧美国家提议,大会还同意设立了在37.5GHz~52.4GHz频段为NGSO制订相关规则的WRC-19新议题,用以解决未来低轨道、高密度NGSO对频率资源的需求问题。未来的WRC-23还将讨论在37.5GHz~39.5GHz频段为卫星固定业务新增频率划分的议题。

  在“动中通”业务方面,WRC-15通过制订相应的规则,允许“动中通”地球站使用部分Ka频段,这使得“动中通”的使用频段从CKu迈向了更高的Ka频段。而WRC-19将考虑解决整个Ka频段“动中通”业务使用的合法化问题。

  为了满足卫星移动业务对宽带应用的频率需求,WRC-15原本设立了考虑在Ka频段22GHz~26GHz范围内为卫星移动业务增加新的频率的议题。虽然此项频率划分未能获得通过,但也体现了卫星移动业务用频从原来的LS频段向更高频段拓展的趋势。

  常若艇表示,目前,无线电频率划分表的实际划分范围已扩展至275GHz,而275GHz~1000GHz只有少数频段被标注用于射电天文和空间研究等无源业务,拥有很大的开发利用空间。为了在未来的市场竞争中抢占先机,在无线电业务应用和产业领域领先的一些国家已将目光转向了275GHz以上的频段。经日本等国的提议,WRC-15已确定WRC-19将讨论在275GHz~450GHz频段(太赫兹)为陆地移动和固定业务增加频率划分的新议题。目前,许多国家已经开始进行太赫兹频段的物理特性以及相关技术试验。可以预见,面向未来,随着世界各国对太赫兹频段研究进程的推进,275GHz以上频段开发利用的步伐将不断加快。

  5随着“动中通”等一些“跨界”业务的出现,固定业务与移动业务融合的趋势日益明显,一些无线电业务的界限变得日益模糊,迫切要求对现有的相关业务规则适时进行调整。

  每届WRC不仅涉及新的频率划分,而且涉及对相关规则的修订和调整。WRC-15Ka频段“动中通”业务制订了相应的规则,使得该频段的“动中通”业务合法化,顺应了固定业务与移动业务融合的趋势,成为大会的一大亮点。

  上世纪90年代以来,一种被称为“动中通”的新型卫星业务应运而生。所谓“动中通”,是指将原来在地面部署的处于固定状态的卫星地球站搭载到车辆、轮船、飞机等移动载体上,通过地球同步卫星,在移动中为用户提供语音、视频等多媒体服务的新型卫星业务。对于没有构建起卫星移动通信系统的国家而言,或在通信网络难以实现有效覆盖的区域,“动中通”业务成为满足用户对卫星多媒体通信需求的有效手段。

  自WRC-03之后,随着国际电联对船载地球站等“动中通”业务相关使用规则的放松,CKu频段“动中通”业务在全球范围内获得了长足发展。为适应Ka频段“动中通”业务发展的需要,WRC-1519.7GHz~20.2GHz29.5GHz~30.0GHz频段上下行各500MHz制订了相应的规则和技术条件,拓展了“动中通”的频段范围,为Ka频段“动中通”业务发展开启了绿灯。

  程粉红表示,“动中通”是对卫星固定业务应用的创新,但也对现有的《无线电规则》及相关业务定义提出了挑战。这是因为,在国际电联《无线电规则》中,卫星固定业务和卫星移动业务使用的频段各不相同,适用的规则也有很大差异。传统的卫星固定业务地球站是固定不动的,而“动中通”应用允许固定的卫星地球站走向移动化,这种业务的“跨界”改变了卫星地球站位置固定不变的属性,使得“动中通”业务无法简单地归属于卫星固定业务或卫星移动业务之下,从而引发了近几届WRC对相关规则和业务定义的争论。

  在WRC-15上,“动中通”对Ka频段的使用问题就引起了有关国家的激烈争论。一些国家认为,应该严格遵守《无线电规则》对卫星固定业务和卫星移动业务的定义,限制“动中通”业务的发展;而更多的国家则认为《无线电规则》应该根据技术进步的要求,顺应卫星移动业务与卫星固定业务融合的趋势适时进行调整,因而支持对“动中通”放宽使用限制。

  常若艇告诉记者,WRC大会所涉及的固定业务和移动业务的融合问题可谓“地动山摇”,因为对有关业务的定义和业务属性的改变触及了《无线电规则》的基础。实际上,自WRC-03以来,每届WRC都涉及固定业务和移动业务的融合问题。在此背景下,WRC-12WRC-15专门设有一个议题,旨在讨论是否对固定业务、固定台站和移动台站的定义进行修订,以及修订可能对《无线电规则》的相关程序和频率划分带来的影响。虽然连续两届大会都没有支持对相关定义的修订,但该议题的设立本身体现了固定业务与移动融合所引发的业界对相关无线电业务定义和属性的不同认识。

  除了“动中通”之外,有关无人机的议题也涉及业务“跨界”和规则的修订问题。WRC-15虽然通过了允许无人机系统超视距控制和通信链路使用KuKa频段卫星固定业务频率资源的决议,但在该议题的讨论中,有关各方对无人机的业务属性仍存在争议。这是因为无人机作为移动平台,并不符合卫星固定业务的属性。如果将卫星固定业务频率用于移动平台,将改变现有卫星固定业务网络的协调机制和协调关系,必然要涉及对相关规则的修订和调整。

  而未来WRC-19所涉及的亚轨道飞行器等议题也是如此。比如,亚轨道飞行器电台飞出大气层属于空间业务,返回大气层之后则属于地面业务。显然,这些“跨界”业务的出现对现有的业务定义和相关规则带来了挑战,需要国际电联和世界各国无线电主管部门积极应对。