【前沿】冰火两重天的卫星Ku转发器市场

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。