第三代移动通信业务的频谱

国家无线电频谱管理中心 希玉久

　　希玉久： １９６４年毕业于北京邮电大学无线电系，长期从事信技术标准体制研究工作及无线电频谱工程和无线电管理工作，曾任邮电部电信传输研究所副所长和国家无线电频谱管理中心副主任等职，教授级高级工程师。

　　◆第三代移动通信的目标

　　现有第二代移动通信技术及其使用的频谱不能满足发展需求，第三代移动通信应是频谱利用率更高、通信容量大、通信质量更好的移动通信系统。第一代和第二代蜂窝移动电话以提供话音业务为主，只满足各国及部分区域性漫游；第三代移动通信应能提供更广泛的业务，尤其是图、文、声、像的多媒体业务和接入高速因特网业务等，并能提供全球漫游。第三代移动通信应是智能移动通信系统，电磁辐射小，能提供２Ｍｂｉｔ／ｓ甚至更高的信息传输速率，具有兼容和扩展能力。

　　◆第三代移动通信

　　使用频谱的需求与划分

　　１、无线电频谱资源的特性

　　无线电频谱是一种特殊的自然资源。它具有一般资源的共同特性，像土地、水、矿山、森林一样是国家所有的。但从国际范围来说，它又属人类共享的。同时它具有一般自然资源所没有的如下特性：

　　１）无线电频谱资源是有限的。电磁波的频谱是相当宽的，包括红外线、 可见光、Ｘ射线，但作为无线电通信使用的资源，国际电联定义３０００ＧＨｚ以下的电磁频谱称为无线电磁波的频谱。使用３０００ＧＨｚ以上电磁频谱的电信系统也在研究探索之中，它最大不能超过可见光的范围。由于受到频率划分使用政策、技术和可使用的无线电设备方面的限制，ＩＴＵ当前只划分了９ ｋＨｚ —４００ ＧＨｚ范围，实际上目前使用的较高频段只是在几十ＧＨｚ。由于电波传播特性所限，大家所熟知的蜂窝移动通信业务一般只能工作在３ ＧＨｚ以下。此外，尽管可以通过频率、时间、空间这三维相互关联的要素进行频率的多次复用指配来提高频率利用率，但就某一频率或频段而言，在一定的区域、一定的时间、一定的条件之下，它又是有限的。

　　２）它可以被利用但不会消耗掉，是一种非消耗性的资源。它不同于土地、水、矿山、森林可以再生或非再生的资源，如果不充分利用它则是一种浪费，然而使用不当也是一种浪费，甚至会造成严重的危害。

　　３）无线电波有其固有的传播特性，不受行政区域、国家边界的限制。因此，任何一个国家、一个地区、一个部门甚至个人都不得随意地使用，否则会造成相互干扰而不能正常通信。

　　４） 频谱资源极易受到污染。它最容易受到人为噪声和自然噪声的干扰，使之无法正常操作和准确有效地传送各类信息。

　　２、国际电联关于第三代通信的频谱划分计划

　　１）移动通信的可用频段。

　　从频谱的规划与管理出发，对无线电频谱按业务进行频段和频率的划分，规定某一频段供某一种或多种地面或空间业务在规定的条件下使用，称为“频率划分”。划分频率通常应遵循下述原则：合理、有效，节约使用频率资源，按业务分类规划频率；适应发展，灵活规划，分步实施，便于调整；有利于开发利用先进技术和成熟、可靠的技术标准体制。１９９２年以前ＩＴＵ在１０００ＭＨｚ以下曾划分了几个频段用于无线电蜂窝移动通信业务，根据各国多年来移动通信操作运行的经验看来，４５０、８００和９００ＭＨｚ传播特性很好，大气噪声和银河噪声很小，空间传播损耗和对建筑物的穿透力比较适中，很适合蜂窝移动业务组网使用。但在１０００ ＭＨｚ以下频谱资源很有限，目前开放的其它几十种无线电业务已经挤得满满的，可提供蜂窝业务使用的频带也不过几十兆赫兹，远不能适应当前移动用户的发展需要；另外，现在使用的蜂窝系统设备制式繁多、频段不统一，也很难为第三代通信系统所利用。因此只能开发利用更高的频段。ＩＴＵ于１９９２年召开的世界无线电行政大会（ＷＡＲＣ－９２）上决定将３０００ＭＨｚ以下主要用于移动业务，现在此频段内正在操作的各类固定业务将逐步搬移到更高的频段上去。会上还同时决定在２０００ ＭＨｚ频段上划分出２３０ ＭＨｚ的带宽用于未来全球陆地移动通信业务，即国际移动通信ＩＭＴ－２０００系统。

　　２）关于ＩＭＴ－２０００的频率划分计划

　　１９９２年ＩＴＵ在ＷＡＲＣ－９２大会上为第三代移动通信业务划分出２３０ＭＨｚ带宽，１８８５－２０２５ ＭＨｚ 作为ＩＭＴ－２０００的上行频段， ２１１０－２２００ ＭＨｚ作为下行频段。其中１９８０－２１１０ ＭＨｚ和２１７０－２２００ ＭＨｚ分别作为移动卫星业务的上下行频段。由于 ＩＭＴ－２０００ 应适用于陆地、水上、空中任何地点用户的通信，因此必须有卫星部分。卫星通信的特点是覆盖面大、通信容量大，卫星移动业务（ＭＳＳ）是实现全球覆盖的有效办法。卫星通信可以利用对地静止卫星系统来实现，也可以利用中、低轨道和高轨道卫星系统来实现。ＩＭＴ－２０００将是综合陆地系统与卫星系统的一个整体，但其中利用同步卫星固定业务（ＦＳＳ）经固定地球站（ＦＥＳ）提供的链路不能看成是ＩＭＴ－２０００的卫星部分，只能看成是支持ＩＭＴ－２０００的ＦＳＳ连接。

　　３） 第三代移动通信系统频谱需求预测

　　１９９２年ＩＴＵ在ＷＡＲＣ－９２大会上为第三代移动通信业务划分出的２３０ＭＨｚ带宽主要是以话音业务为主考虑而估算的。根据目前无线电通信技术的飞速发展及各类用户对非话业务与数据业务的需求迅速增长的情况看，进入到二十一世纪肯定需要增加更多的功能并得到更广泛的应用，即不只是话音，还需要支持多媒体业务、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入、可视电话、会议电视等各类新业务。这些新业务对频谱的需求有着很大的影响，不充分考虑这些需求会使所估算的频谱过于保守；但考虑得过于宽松也可能会造成频谱的浪费。因此，对业务量的估计既要考虑到市场的需求，又要考虑到技术的发展。技术上应当考虑系统设计、频谱共用、调制方式、语音编码速率、公共信令信道以及Ｃ／Ｎ值和Ｇ／Ｔ值等。为满足用户的市场需求则主要涉及到提供给用户的业务种类及所预测的业务量。估算频谱需求通常是以话务量为主来考虑的，国际电联在研究这个问题时所考虑的假定条件如下：

　　估计车载台的业务量，沿街道每公里停行时６００辆，慢行时３５０辆，沿街道平均按４００辆／ｋｍ估算，有５０％的车装有电台，每台为０．１Ｅ（爱尔兰），此时的业务量密度将为２０Ｅ／ｋｍ，典型城市街道估计为３００Ｅ／ｋｍ２，加上步行人员移动台的相似业务量，在业务量较为密集的地区可达到５００Ｅ／ｋｍ２。个人移动台按沿街道３０００人／ｋｍ，其中８０％有移动电台，每台０．０４Ｅ，估算下来的高峰话务量大约为１５００Ｅ／ｋｍ２。对繁华地区多层办公楼室内电台的业务量按每１０平方米一台和每台０．２Ｅ来计算，估计约为２００００Ｅ／ｋｍ２，估算约需频谱为２×１６２ＭＨｚ，详见表１所示。另外，根据当时对非话业务的考虑，与车载台有关的电路交换业务，业务量大约为４５Ｅ／ｋｍ２；按分组传输的交互性数据，考虑每个手持机１５ｓ／ｈ，相当于每小时传１０页，每页８ｂｉｔ／ｓ，传输速率为４８ｋｂｉｔ／ｓ，另假设共５０００个终端，业务量大约为３７ Ｅ／ｋｍ２，估算约需频谱为２×６５ＭＨｚ。

　　应当指出，上述这些估算只是考虑最起码的需求。随着总体研究的深入和近年业务、技术的发展，看来上述估算的带宽远远不够。欧洲各国经进一步研究指出，满足公众移动通信服务的第三代移动业务开放之后，大约从２００８年开始至少还需增加 上下行两个１８０ＭＨｚ的带宽；而且提出对要求进行宽带通信的无线电移动通信系统可以利用毫米波的频段。

　　ＩＭＴ－２０００卫星通信部分应能提供与地面相互兼容、互相补充的业务，经估算其频谱需求约为２×６６ＭＨｚ。

　　◆各国有关２０００ＭＨｚ频段的划分与使用情况

　　欧洲电信标准化协会（ＥＴＳＩ）早在十多年前就开始了第三代移动通信标准化的研究工作，成立了一个“通用移动通信系统（即ＵＭＴＳ）论坛”，其成员主要来自欧洲各国的运营部门、生产部门和电信主管机构，１９９５年正式向国际电联提交了频谱划分的建议方案：

　　ＵＭＴＳ的地面段为１９２０－１９８０ＭＨｚ；卫星业务占用１９８０－２０１０／２１７０－２２００ＭＨｚ频段；１９００－１９２０ＭＨｚ和２０１０－２０３０ＭＨｚ为主要业务，属于第二代的ＤＥＣＴ系统为次要业务，即在允许的情况下可以使用１９００－１９２０ＭＨｚ频段。

　　美国在ＷＡＲＣ－９２大会之后，对其原来所划分的频段进行了重新调整。由于原来个人通信ＰＣＳ业务已经占用了ＩＭＴ－２０００的频谱，因此调整后的频谱将是ＩＭＴ－２０００ 的上行与ＰＣＳ的下行频段需要共用。这种安排不大符合一般基站发高收低的配置，欧洲则不大同意这种安排。实际上，美国已经在前几年把２０００ ＭＨｚ这段频谱拍卖给国内七个运营公司分别操作使用。

　　日本对第三代移动通信的研究工作非常重视，决心在第三代技术上不落后于别人。日本于１９９５年成立了无线电产业协会（ＡＲＩＢ），并与电信技术委员会一起加速进行第三代移动通信标准化的工作。日本目前的数字蜂窝系统（ＰＤＣ）使用的是８００ＭＨｚ频段，ＰＨＳ系统使用的１８００ＭＨｚ的频段。考虑到国际电联有关第三代技术的频谱划分，仍想把１８８５－１９２０ＭＨｚ保留给ＰＨＳ系统使用；把１９２０－１９８０ＭＨｚ作为ＩＭＴ－２０００的上行频段，２１１０－２１７０ＭＨｚ作为下行频段；１９８０－２０１０／２１７０－２２００ＭＨｚ为移动卫星系统的上下行频段；２０１０－２０２５ＭＨｚ作为时分双工方式的第三代移动业务。

　　中国有关第三代移动业务的研究与欧美相比起步较晚。由于我国无线电移动通信用户超常规的发展，频谱需求量很大，在１０００ＭＨｚ以下我国已经先后划分了三个频段用于蜂窝移动业务，即８２５－８３５／８７０－８８０ ＭＨｚ，带宽１０×２ ＭＨｚ；８３５－８４０／８８０－８８５ ＭＨｚ，带宽５×２ ＭＨｚ；８９０－９１５／９３５－９６０ ＭＨｚ，带宽２５×２ ＭＨｚ。总带宽共为８０ＭＨｚ。为适应发展，同时考虑到国内外技术现状以及当前或近期可提供设备的情况，前几年对２０００ＭＨｚ频段做了部分调整与规划，调整出共２６０ ＭＨｚ以上的带宽（不包括有线电视传输的ＭＭＤＳ系统）供当前发展移动通信业务使用，其中：

　　１）１７１０－１７５５／１８０５－１８５０ＭＨｚ和１８６５－１８８０／１９４５－１９６０ＭＨｚ，带宽共１２０ ＭＨｚ，用于蜂窝移动通信业务，与微波接力通信业务和射电天文等业务共用，但不得干扰射电天文业务的正常工作。

　　２）１８８０－１９００／１９６０－１９８０ＭＨｚ，带宽共４０ＭＨｚ，原计划用于无线接入（ＦＤＤ方式），现只批准我国自行研制的Ｓ－ＣＤＭＡ系统使用１８８０－１８８５ＭＨｚ的频段。

　　３）１９００－１９２０ＭＨｚ，带宽共２０ＭＨｚ，用于无线接入（可用于ＤＥＣＴ和ＰＨＳ等时分或码分方式），主要用来解决集中在密集办公室区域的专业网以及机关、团体和家用无绳电话等需求。

４）２４００－２４８３．５ ＭＨｚ（扩谱ＳＳ方式），带宽共８３．５ ＭＨｚ，该频段主要用于短距离、短信息的数据通信系统以及计算机数据通信系统等。该段频率与工业、科学、医疗设备（ＩＳＭ）无线电电磁波辐射频段共用。

　　５）２５３５－２５９９ＭＨｚ，带宽共６４ＭＨｚ，临时性用于多路微波有线电视传输系统（ＭＭＤＳ）。ＷＡＲＣ－９２大会上通过的频率划分表中，中国和其它１１个国家签字同意将２５３５－２６５５ＭＨｚ频段用于卫星广播业务。

　　搞第三代移动通信很重要的目的之一就是要在国际上统一使用相同频段，ＩＭＴ－２０００系统 的全球标准也打算支持非常广泛的终端产品标准，从简单的消息设备到复杂的桌面多媒体终端设备，并要求设备要小巧而轻便，这样便于组织大生产使产品价格降低，使得广大用户受益。但是由上述各国当前频谱划分使用情况可见，虽然ＩＴＵ早在１９９２年就明确了国际移动通信在２０００年后的使用计划，但至今为止各国的频率划分使用计划却差异甚大，很难一下子统一到电联的规划方案上去。用于地面蜂窝业务的上行频段只有一小部分比较一致，大约在１９３０－１９８０附近。移动卫星使用的下行频段基本一致，然而卫星移动业务将来很可能与地面业务是分开操作运行的。

　　◆我国第三代移动通信业务频谱策略

　　１、作好第三代核心频段的调整和清频工作

　　按现有移动用户的增长速度，至２００５年估计有近２亿用户的需求，现有已划分给蜂窝移动业务使用的频段是不能满足要求的，必须启用第三代的核心频段１８８５－２０２５ＭＨｚ／２１１０－２２００ＭＨｚ。我国的第三代研发工作与一些发达国家相比虽然起步较晚，投入力度不大，但近几年来中国第三代移动通信标准化工作已经取得了较好成绩，如日中天的第二代移动产业在中国也已经有了一定基础，预计２００１至２００２年有可能进行第三代系统的实验，２００３年开始有可能开展运营试验或试用。由于在核心频段内目前尚有不少小微波、雷达、遥测遥控以及无线电定位等业务正在操作之中，因此无线电管理部门的一项重要工作就是作好第三代核心频段的调整和清频工作。随着第三代系统业务即将实施，在第三代核心频段内应暂停或慎重审批与第三代系统不直接相关的业务，避免因调整频率造成设备改频或停用给运营单位造成损失。

　　２、研究第三代系统不同制式的频率划分、使用计划以及多运营单位时的频率分配计划

　　根据目前所形成的ＩＭＴ－２０００ ＣＤＭＡ ＲＴＴ标准，包括有三大系列：即多载波ＣＤＭＡ（以美国的ｃｄｍａ２０００建议为主）、直扩ＣＤＭＡ（以欧洲和日本的ＷＣＤＭＡ建议为主）以及ＴＤＤ的ＣＤＭＡ，前两种制式需要配对使用频率，时分制的系统则可成块使用不需配对；在核心网络标准中，将可能形成两个系列，即基于ＧＳＭ的ＭＡＰ标准和基于美国ＩＳ－４１的标准。可见全球标准统一这个理想难以实现。如果是这样，则将来全球无缝覆盖和全球漫游只可能是使用多模用户终端来实现，具体的频率使用、划分计划、多运营单位的频率分配计划等将会变得复杂。为合理划分、分配和使用频段，频谱管理人员需要跟踪研究，提前作好规划和计划，加强对频率共用的研究。

　　３、进一步研究扩展带宽的规划和计划

　　根据上述第二节关于第三代移动通信业务频谱需求的初步估算，只有核心频段的频谱是不够的，而且缺口较大。为满足第二步的发展需求，必须研究并采取措施在核心频段的基础上进一步扩展带宽。从中、长期规划考虑，３０００ＭＨｚ以下的固定业务以及专用无线接入系统频段等应逐步调整或搬移到３０００ＭＨｚ以上或更高的频段上去。

　　４、积极鼓励和支持第三代移动通信系统的研究、开发及工业生产

　　第三代移动通信系统是信息产业中科技创新的突破口，说大一点也是发展中国家与发达国家的一次有重要意义的较量，我国提出的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技术方案已列入ＩＭＴ－２０００的标准之中，我们应积极鼓励和支持第三代移动通信系统的研发和试验工作，对于所需频谱资源尽量提供方便予以满足。

----《通信世界》