第三代移動通信業務的頻譜

2019-11-03 09:26:51

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國家無線電頻譜管理中心希玉久

　　希玉久：１９６４年畢業于北京郵電大學無線電系，長期從事信技術標準體制研究工作及無線電頻譜工程和無線電管理工作，曾任郵電部電信傳輸研究所副所長和國家無線電頻譜管理中心副主任等職，教授級高級工程師。

　　◆第三代移動通信的目標

　　現有第二代移動通信技術及其使用的頻譜不能滿足發展需求，第三代移動通信應是頻譜利用率更高、通信容量大、通信質量更好的移動通信系統。第一代和第二代蜂窩移動電話以提供話音業務為主，只滿足各國及部分區域性漫游；第三代移動通信應能提供更廣泛的業務，尤其是圖、文、聲、像的多媒體業務和接入高速因特網業務等，并能提供全球漫游。第三代移動通信應是智能移動通信系統，電磁輻射小，能提供２Ｍｂｉｔ／ｓ甚至更高的信息傳輸速率，具有兼容和擴展能力。

　　◆第三代移動通信

　　使用頻譜的需求與劃分

　　１、無線電頻譜資源的特性

　　無線電頻譜是一種特殊的自然資源。它具有一般資源的共同特性，像土地、水、礦山、森林一樣是國家所有的。但從國際范圍來說，它又屬人類共享的。同時它具有一般自然資源所沒有的如下特性：

　　１）無線電頻譜資源是有限的。電磁波的頻譜是相當寬的，包括紅外線、可見光、Ｘ射線，但作為無線電通信使用的資源，國際電聯定義３０００ＧＨｚ以下的電磁頻譜稱為無線電磁波的頻譜。使用３０００ＧＨｚ以上電磁頻譜的電信系統也在研究探索之中，它最大不能超過可見光的范圍。由于受到頻率劃分使用政策、技術和可使用的無線電設備方面的限制，ＩＴＵ當前只劃分了９ｋＨｚ —４００ＧＨｚ范圍，實際上目前使用的較高頻段只是在幾十ＧＨｚ。由于電波傳播特性所限，大家所熟知的蜂窩移動通信業務一般只能工作在３ＧＨｚ以下。此外，盡管可以通過頻率、時間、空間這三維相互關聯的要素進行頻率的多次復用指配來提高頻率利用率，但就某一頻率或頻段而言，在一定的區域、一定的時間、一定的條件之下，它又是有限的。

　　２）它可以被利用但不會消耗掉，是一種非消耗性的資源。它不同于土地、水、礦山、森林可以再生或非再生的資源，如果不充分利用它則是一種浪費，然而使用不當也是一種浪費，甚至會造成嚴重的危害。

　　３）無線電波有其固有的傳播特性，不受行政區域、國家邊界的限制。因此，任何一個國家、一個地區、一個部門甚至個人都不得隨意地使用，否則會造成相互干擾而不能正常通信。

　　４）頻譜資源極易受到污染。它最容易受到人為噪聲和自然噪聲的干擾，使之無法正常操作和準確有效地傳送各類信息。

　　２、國際電聯關于第三代通信的頻譜劃分計劃

　　１）移動通信的可用頻段。

　　從頻譜的規劃與管理出發，對無線電頻譜按業務進行頻段和頻率的劃分，規定某一頻段供某一種或多種地面或空間業務在規定的條件下使用，稱為“頻率劃分”。劃分頻率通常應遵循下述原則：合理、有效，節約使用頻率資源，按業務分類規劃頻率；適應發展，靈活規劃，分步實施，便于調整；有利于開發利用先進技術和成熟、可靠的技術標準體制。１９９２年以前ＩＴＵ在１０００ＭＨｚ以下曾劃分了幾個頻段用于無線電蜂窩移動通信業務，根據各國多年來移動通信操作運行的經驗看來，４５０、８００和９００ＭＨｚ傳播特性很好，大氣噪聲和銀河噪聲很小，空間傳播損耗和對建筑物的穿透力比較適中，很適合蜂窩移動業務組網使用。但在１０００ＭＨｚ以下頻譜資源很有限，目前開放的其它幾十種無線電業務已經擠得滿滿的，可提供蜂窩業務使用的頻帶也不過幾十兆赫茲，遠不能適應當前移動用戶的發展需要；另外，現在使用的蜂窩系統設備制式繁多、頻段不統一，也很難為第三代通信系統所利用。因此只能開發利用更高的頻段。ＩＴＵ于１９９２年召開的世界無線電行政大會（ＷＡＲＣ－９２）上決定將３０００ＭＨｚ以下主要用于移動業務，現在此頻段內正在操作的各類固定業務將逐步搬移到更高的頻段上去。會上還同時決定在２０００ＭＨｚ頻段上劃分出２３０ＭＨｚ的帶寬用于未來全球陸地移動通信業務，即國際移動通信ＩＭＴ－２０００系統。

　　２）關于ＩＭＴ－２０００的頻率劃分計劃

　　１９９２年ＩＴＵ在ＷＡＲＣ－９２大會上為第三代移動通信業務劃分出２３０ＭＨｚ帶寬，１８８５－２０２５ＭＨｚ作為ＩＭＴ－２０００的上行頻段，２１１０－２２００ＭＨｚ作為下行頻段。其中１９８０－２１１０ＭＨｚ和２１７０－２２００ＭＨｚ分別作為移動衛星業務的上下行頻段。由于ＩＭＴ－２０００應適用于陸地、水上、空中任何地點用戶的通信，因此必須有衛星部分。衛星通信的特點是覆蓋面大、通信容量大，衛星移動業務（ＭＳＳ）是實現全球覆蓋的有效辦法。衛星通信可以利用對地靜止衛星系統來實現，也可以利用中、低軌道和高軌道衛星系統來實現。ＩＭＴ－２０００將是綜合陸地系統與衛星系統的一個整體，但其中利用同步衛星固定業務（ＦＳＳ）經固定地球站（ＦＥＳ）提供的鏈路不能看成是ＩＭＴ－２０００的衛星部分，只能看成是支持ＩＭＴ－２０００的ＦＳＳ連接。

　　３）第三代移動通信系統頻譜需求預測

　　１９９２年ＩＴＵ在ＷＡＲＣ－９２大會上為第三代移動通信業務劃分出的２３０ＭＨｚ帶寬主要是以話音業務為主考慮而估算的。根據目前無線電通信技術的飛速發展及各類用戶對非話業務與數據業務的需求迅速增長的情況看，進入到二十一世紀肯定需要增加更多的功能并得到更廣泛的應用，即不只是話音，還需要支持多媒體業務、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入、可視電話、會議電視等各類新業務。這些新業務對頻譜的需求有著很大的影響，不充分考慮這些需求會使所估算的頻譜過于保守；但考慮得過于寬松也可能會造成頻譜的浪費。因此，對業務量的估計既要考慮到市場的需求，又要考慮到技術的發展。技術上應當考慮系統設計、頻譜共用、調制方式、語音編碼速率、公共信令信道以及Ｃ／Ｎ值和Ｇ／Ｔ值等。為滿足用戶的市場需求則主要涉及到提供給用戶的業務種類及所預測的業務量。估算頻譜需求通常是以話務量為主來考慮的，國際電聯在研究這個問題時所考慮的假定條件如下：

　　估計車載臺的業務量，沿街道每公里停行時６００輛，慢行時３５０輛，沿街道平均按４００輛／ｋｍ估算，有５０％的車裝有電臺，每臺為０．１Ｅ（愛爾蘭），此時的業務量密度將為２０Ｅ／ｋｍ，典型城市街道估計為３００Ｅ／ｋｍ２，加上步行人員移動臺的相似業務量，在業務量較為密集的地區可達到５００Ｅ／ｋｍ２。個人移動臺按沿街道３０００人／ｋｍ，其中８０％有移動電臺，每臺０．０４Ｅ，估算下來的高峰話務量大約為１５００Ｅ／ｋｍ２。對繁華地區多層辦公樓室內電臺的業務量按每１０平方米一臺和每臺０．２Ｅ來計算，估計約為２００００Ｅ／ｋｍ２，估算約需頻譜為２×１６２ＭＨｚ，詳見表１所示。另外，根據當時對非話業務的考慮，與車載臺有關的電路交換業務，業務量大約為４５Ｅ／ｋｍ２；按分組傳輸的交互性數據，考慮每個手持機１５ｓ／ｈ，相當于每小時傳１０頁，每頁８ｂｉｔ／ｓ，傳輸速率為４８ｋｂｉｔ／ｓ，另假設共５０００個終端，業務量大約為３７Ｅ／ｋｍ２，估算約需頻譜為２×６５ＭＨｚ。

　　應當指出，上述這些估算只是考慮最起碼的需求。隨著總體研究的深入和近年業務、技術的發展，看來上述估算的帶寬遠遠不夠。歐洲各國經進一步研究指出，滿足公眾移動通信服務的第三代移動業務開放之后，大約從２００８年開始至少還需增加上下行兩個１８０ＭＨｚ的帶寬；而且提出對要求進行寬帶通信的無線電移動通信系統可以利用毫米波的頻段。

　　ＩＭＴ－２０００衛星通信部分應能提供與地面相互兼容、互相補充的業務，經估算其頻譜需求約為２×６６ＭＨｚ。

　　◆各國有關２０００ＭＨｚ頻段的劃分與使用情況

　　歐洲電信標準化協會（ＥＴＳＩ）早在十多年前就開始了第三代移動通信標準化的研究工作，成立了一個“通用移動通信系統（即ＵＭＴＳ）論壇”，其成員主要來自歐洲各國的運營部門、生產部門和電信主管機構，１９９５年正式向國際電聯提交了頻譜劃分的建議方案：

　　ＵＭＴＳ的地面段為１９２０－１９８０ＭＨｚ；衛星業務占用１９８０－２０１０／２１７０－２２００ＭＨｚ頻段；１９００－１９２０ＭＨｚ和２０１０－２０３０ＭＨｚ為主要業務，屬于第二代的ＤＥＣＴ系統為次要業務，即在允許的情況下可以使用１９００－１９２０ＭＨｚ頻段。

　　美國在ＷＡＲＣ－９２大會之后，對其原來所劃分的頻段進行了重新調整。由于原來個人通信ＰＣＳ業務已經占用了ＩＭＴ－２０００的頻譜，因此調整后的頻譜將是ＩＭＴ－２０００的上行與ＰＣＳ的下行頻段需要共用。這種安排不大符合一般基站發高收低的配置，歐洲則不大同意這種安排。實際上，美國已經在前幾年把２０００ＭＨｚ這段頻譜拍賣給國內七個運營公司分別操作使用。

　　日本對第三代移動通信的研究工作非常重視，決心在第三代技術上不落后于別人。日本于１９９５年成立了無線電產業協會（ＡＲＩＢ），并與電信技術委員會一起加速進行第三代移動通信標準化的工作。日本目前的數字蜂窩系統（ＰＤＣ）使用的是８００ＭＨｚ頻段，ＰＨＳ系統使用的１８００ＭＨｚ的頻段。考慮到國際電聯有關第三代技術的頻譜劃分，仍想把１８８５－１９２０ＭＨｚ保留給ＰＨＳ系統使用；把１９２０－１９８０ＭＨｚ作為ＩＭＴ－２０００的上行頻段，２１１０－２１７０ＭＨｚ作為下行頻段；１９８０－２０１０／２１７０－２２００ＭＨｚ為移動衛星系統的上下行頻段；２０１０－２０２５ＭＨｚ作為時分雙工方式的第三代移動業務。

　　中國有關第三代移動業務的研究與歐美相比起步較晚。由于我國無線電移動通信用戶超常規的發展，頻譜需求量很大，在１０００ＭＨｚ以下我國已經先后劃分了三個頻段用于蜂窩移動業務，即８２５－８３５／８７０－８８０ＭＨｚ，帶寬１０×２ＭＨｚ；８３５－８４０／８８０－８８５ＭＨｚ，帶寬５×２ＭＨｚ；８９０－９１５／９３５－９６０ＭＨｚ，帶寬２５×２ＭＨｚ。總帶寬共為８０ＭＨｚ。為適應發展，同時考慮到國內外技術現狀以及當前或近期可提供設備的情況，前幾年對２０００ＭＨｚ頻段做了部分調整與規劃，調整出共２６０ＭＨｚ以上的帶寬（不包括有線電視傳輸的ＭＭＤＳ系統）供當前發展移動通信業務使用，其中：

　　１）１７１０－１７５５／１８０５－１８５０ＭＨｚ和１８６５－１８８０／１９４５－１９６０ＭＨｚ，帶寬共１２０ＭＨｚ，用于蜂窩移動通信業務，與微波接力通信業務和射電天文等業務共用，但不得干擾射電天文業務的正常工作。

　　２）１８８０－１９００／１９６０－１９８０ＭＨｚ，帶寬共４０ＭＨｚ，原計劃用于無線接入（ＦＤＤ方式），現只批準我國自行研制的Ｓ－ＣＤＭＡ系統使用１８８０－１８８５ＭＨｚ的頻段。

　　３）１９００－１９２０ＭＨｚ，帶寬共２０ＭＨｚ，用于無線接入（可用于ＤＥＣＴ和ＰＨＳ等時分或碼分方式），主要用來解決集中在密集辦公室區域的專業網以及機關、團體和家用無繩電話等需求。

４）２４００－２４８３．５ＭＨｚ（擴譜ＳＳ方式），帶寬共８３．５ＭＨｚ，該頻段主要用于短距離、短信息的數據通信系統以及計算機數據通信系統等。該段頻率與工業、科學、醫療設備（ＩＳＭ）無線電電磁波輻射頻段共用。

　　５）２５３５－２５９９ＭＨｚ，帶寬共６４ＭＨｚ，臨時性用于多路微波有線電視傳輸系統（ＭＭＤＳ）。ＷＡＲＣ－９２大會上通過的頻率劃分表中，中國和其它１１個國家簽字同意將２５３５－２６５５ＭＨｚ頻段用于衛星廣播業務。

　　搞第三代移動通信很重要的目的之一就是要在國際上統一使用相同頻段，ＩＭＴ－２０００系統的全球標準也打算支持非常廣泛的終端產品標準，從簡單的消息設備到復雜的桌面多媒體終端設備，并要求設備要小巧而輕便，這樣便于組織大生產使產品價格降低，使得廣大用戶受益。但是由上述各國當前頻譜劃分使用情況可見，雖然ＩＴＵ早在１９９２年就明確了國際移動通信在２０００年后的使用計劃，但至今為止各國的頻率劃分使用計劃卻差異甚大，很難一下子統一到電聯的規劃方案上去。用于地面蜂窩業務的上行頻段只有一小部分比較一致，大約在１９３０－１９８０附近。移動衛星使用的下行頻段基本一致，然而衛星移動業務將來很可能與地面業務是分開操作運行的。

　　◆我國第三代移動通信業務頻譜策略

　　１、作好第三代核心頻段的調整和清頻工作

　　按現有移動用戶的增長速度，至２００５年估計有近２億用戶的需求，現有已劃分給蜂窩移動業務使用的頻段是不能滿足要求的，必須啟用第三代的核心頻段１８８５－２０２５ＭＨｚ／２１１０－２２００ＭＨｚ。我國的第三代研發工作與一些發達國家相比雖然起步較晚，投入力度不大，但近幾年來中國第三代移動通信標準化工作已經取得了較好成績，如日中天的第二代移動產業在中國也已經有了一定基礎，預計２００１至２００２年有可能進行第三代系統的實驗，２００３年開始有可能開展運營試驗或試用。由于在核心頻段內目前尚有不少小微波、雷達、遙測遙控以及無線電定位等業務正在操作之中，因此無線電管理部門的一項重要工作就是作好第三代核心頻段的調整和清頻工作。隨著第三代系統業務即將實施，在第三代核心頻段內應暫停或慎重審批與第三代系統不直接相關的業務，避免因調整頻率造成設備改頻或停用給運營單位造成損失。

　　２、研究第三代系統不同制式的頻率劃分、使用計劃以及多運營單位時的頻率分配計劃

　　根據目前所形成的ＩＭＴ－２０００ＣＤＭＡＲＴＴ標準，包括有三大系列：即多載波ＣＤＭＡ（以美國的ｃｄｍａ２０００建議為主）、直擴ＣＤＭＡ（以歐洲和日本的ＷＣＤＭＡ建議為主）以及ＴＤＤ的ＣＤＭＡ，前兩種制式需要配對使用頻率，時分制的系統則可成塊使用不需配對；在核心網絡標準中，將可能形成兩個系列，即基于ＧＳＭ的ＭＡＰ標準和基于美國ＩＳ－４１的標準。可見全球標準統一這個理想難以實現。如果是這樣，則將來全球無縫覆蓋和全球漫游只可能是使用多模用戶終端來實現，具體的頻率使用、劃分計劃、多運營單位的頻率分配計劃等將會變得復雜。為合理劃分、分配和使用頻段，頻譜管理人員需要跟蹤研究，提前作好規劃和計劃，加強對頻率共用的研究。

　　３、進一步研究擴展帶寬的規劃和計劃

　　根據上述第二節關于第三代移動通信業務頻譜需求的初步估算，只有核心頻段的頻譜是不夠的，而且缺口較大。為滿足第二步的發展需求，必須研究并采取措施在核心頻段的基礎上進一步擴展帶寬。從中、長期規劃考慮，３０００ＭＨｚ以下的固定業務以及專用無線接入系統頻段等應逐步調整或搬移到３０００ＭＨｚ以上或更高的頻段上去。

　　４、積極鼓勵和支持第三代移動通信系統的研究、開發及工業生產

　　第三代移動通信系統是信息產業中科技創新的突破口，說大一點也是發展中國家與發達國家的一次有重要意義的較量，我國提出的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技術方案已列入ＩＭＴ－２０００的標準之中，我們應積極鼓勵和支持第三代移動通信系統的研發和試驗工作，對于所需頻譜資源盡量提供方便予以滿足。

----《通信世界》