3G频谱.docx
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3G频谱
无线通信技术发展
与频谱利用
希玉久
国家无线电监测中心老科协
教授级高工
2001．06
目录
第一章无线电频谱资源
1.1频谱的定义—3000GHz以下称为无线电频谱
1.2无线电频谱资源的特性
1.3无线电波传播与频谱的应用
1.4无线电频谱的管理
第二章无线电业发展现状
2.1无线电业务的定义
2.2无线电业务发展概况
2.3几种典型的新技术和才新业务（略）
1）地面业务（无线接入、数字集群、蓝芽技术、高空平台系统）
2）空间业务（卫星移动业务、高速率宽带数字卫星技术、GPS技术）
第三章第三代移动通信及使用的频谱
3.1第三代移动通信目标
3.2第三代移动通信网络结构
3.3第三代移动通信传输系统
3.4第三代移动通信频谱需求与划分
3.5各国2GHz频段的划分与使用现状
3.6第三代移动通信系统的卫星运行环境
3.7我国第三代移动业务频谱策略
第一章无线电频谱资源
无线电频谱是宝贵的、有限的自然资源。
发展无线电事业离不开频谱资源
•无线电业务的发展取决于有没有可用的频段，但是当前大多数可用的频段都在使用之中。
因此，国际上以及各个国家都设有权威的机构来加强无线电频谱资源的管理，使有限的资源得到充分而有效的利用。
1.1频谱的定义—3000GHz以下称为无线电频谱
我们对电磁频谱最为熟息的部分就是可见光。
‘频谱’这个词英文为‘Spectrum’，实际上最初只限于光。
物理学家在17至19世纪首先认识到白色光实际上是由红色到紫色各种不同颜色的光组成的。
因此，白色光是不同颜色的频谱。
光像水池中的水波纹一样表现出波的特性，波峰之间的距离就称为波长。
单位时间内通过某一点的波峰数就称为频率。
因此光具有波长和频率，红色光的波长最长，频率最低；紫色光的波长最短，频率最高。
理论和实践证明，当电子通过导线行进时其周围空间存在着电场和磁场，而且是随着时间而变化的，同时磁场的变化会产生电场，电场的变化也会产生磁场。
交变的电磁场不仅存在于导体的周围，而且能够脱离其产生的波源向远方传播，这种以相同的频率向周围空间辐射传播的交变电磁场就称为电磁波。
电磁波在空中以光速传播，即每秒钟30万公里。
1864年英国人麦克斯韦从理论上确定了电荷、电流、电场和磁场的关系，而且确定了电磁波的存在。
1888年德国人赫兹使用来顿瓶做放电实验，第一次由人工产生了30厘米的电磁波，从而证明了麦克斯韦的理论，因此人们在很长一段时间都把电磁波叫做赫兹波，后来把频率的单位称为赫兹，直至今天。
若用f表示频率，用V表示电磁波每秒钟传播的距离（米），用入表示波长（米），则三者之间的关系为：
f＝Ｖ／入 赫兹。
即频率的单位是赫兹或周／秒，还可用千赫（kHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）表示，其中：
1kHz＝1000Hz
1MHz=1000kHz
1GHz=1000MHz
电磁频谱可以从可见光向两个方向扩展，更高频率的‘光’包括紫外线、X射线以及宇宙射线；而更长的波长、更低频率的‘光’则首先包括有红外线光，随着频率降低和波长越来越长即是无线电波。
无线电频谱可用来传送话音、数据、声音及图象广播、气象服务、雷达、导航，以及卫星通信、灾害报警、时间信号等。
电磁频谱中的3000GHz以下才称为无线电频谱。
根据无线电波传播及使用的特点，国际上将其划分为１２个频段，而通常的无线电通信只使用其中的第４到第１２个频段，详见下表１所示。
表1无线电频谱和波段的命名
序号
频段名称
频段范围
（含上限，不
含下限）
波段名称
波长范围
（含上限，不含下限）
3
特低频（ULF）
300—3000Hz
特长波
100—10万米
4
甚低频（VLF）
3—30kHz
甚长波
10—1万米
5
低频（LF）
30—300kHz
长波
10—1千米
6
中频（MF）
300—3000kHz
中波
10—100米
7
高频（HF）
3—30MHz
短波
100—10米
8
甚高频（VHF）
30—300MHz
米波
10—1米
9
特高频（UHF）
300—3000MHz
分米波
微波
10—1分米
10
超高频（SHF）
3—30GHz
厘米波
10—1厘米
11
极高频（EHF）
30—300GHz
毫米波
10—1毫米
12
至高频（SEHF）
300—3000GHz
亚毫米波
10—1丝米
在电信领域中还经常使用更低的电磁频谱，为确定电信领域中频段的命名，把频段向低扩展包括如下表2的范围。
频段标注号
代号
频率范围
（含上限，不含下限）
相应的米制表达
–1
0.03-0.3Hz
千兆米波
0
ELF
0.3-3Hz
百兆米波
1
3-30Hz
十兆米波
2
30-300Hz
兆米波
表2300Hz以下频段的命名
对某些频段有时候使用字母来表示，而不是使用符号或缩写字符来表示，例如在雷达和空间通信的领域里有些人使用了下表3中所列的表达方式，但是在国际电信联盟（ITU）的出版物中未建议使用这些字符。
表3
字符
雷达（GHz）
空间通信（GHz）
频谱范围
例
标称频段
例
L
1-2
1.215-1.4
1.5
1.525-1.710
S
2-4
2.3-2.5
2.7-3.4
2.5
2.5-2.690
C
4-8
5.25-5.85
4/6
3.4-4.2
4.5-4.8
5.85-7.075
X
8-12
8.5-10.5
–
Ku
12-18
13.4-14.0
15.3-17.3
11/14
12/14
10.7-13.25
14.0-14.5
K
18-27
24.05-24.25
20
17.7-20.2
Ka
27-40
33.4-36.0
30
27.5-30.0
1.2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。
说它是一种自然资源，是由于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，它又是属于人类共有、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。
电磁波的频谱包括红外线、可见光、X射线是相当宽的，无线电通信所使用的频谱资源，最低可为3kHz,最高达3000GHz。
更高的电磁频谱当然不是以3000GHz为限的,关于使用3000GHz以上电磁频谱的电信系统也在研究探索之中，但它最大不能超过可见光的范围。
由于受到技术上和可提供能够操作使用的无线电设备方面的限制，ITU当前只划分到最高400GHz范围内，而目前实用的较高的频段只是在50吉赫左右。
由于无线电波传播特性所决定，像大家所熟知的蜂窝移动通信业务（俗称大哥大）一般只能工作在3GHz以下，现主要工作在800MHz、900MHz／1800MHz，将来的第三代蜂窝移动通信业务计划工作在2000MHz频段。
另外尽管人们可以通过频率、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）无线电频谱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、森林等可以再生或非再生的资源，如果不充分利用它，则是一种资源浪费，然而若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，它不受行政区域、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
不能确保正常通信。
4）无线电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而有效地传送各类信息。
鉴于上述原因，为了加强对无线电频谱这种宝贵的、有限的自然资源管理和有效地利用，从便于无线电频谱的规划、管理以及设备的研制生产和使用出发，通常对无线电频谱按业务进行频段和频率的划分、分配和指配。
规定把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’。
为此，国际电联（ITU）专门制定了国际《无线电规则》,实际上这是一个各个国家都要遵守的国际上通用的无线电法规，各个国家也都移此制定了自己国家的无线电法或相关的详细管理规定，同时为各类无线电业务划分了频率或频段，ITU还专门建立了国际频率划分表，把世界划分为三个区域，第一区包括欧洲、非洲和部分亚洲国家，第二区包括南、北美洲，第三区包括大部分亚洲国家和大洋州，我国为第三区。
使用无线电频率的无线电业务基本上分为两大类，即无线电通信业务和射电天文业务。
无线电通信业务又可分为地面业务及空间业务，其中包括固定业务、移动业务、广播业务、业余业务、航空和水上安全业务等总共为37种业务。
无线电频率划分表为各类无线电业务划分了频率或频段，例如我国把279-281MHz划分给移动业务用于开放全国联网无线寻呼业务等。
我国的频率划分表是1983年制定的，随着无线电事业的发展，这些年来频率的划分和使用都发生了相当大的变化，现正在积极组织修订。
把某一频段批准给一个或多个国家、地区或部门在规定的条件下使用，称为‘频率分配’。
我国的频率分配是由国家无线电管理机构统一进行的，例如把87-108Mhz频段分配给广播部门开放FM广播业务在全国各地统一规划和使用等。
国家或地方无线电管理机构根据设台审批权限批准某单位或个人的某一电台在规定的条件下操作使用某一无线电频率，称为‘频率指配’。
根据我国《中华人民共和国无线电管理条理》的规定，用户设置各类无线电台必须在领取电台执照后才能进行合法的操作和使用。
1.3无线电波传播方式及利用
无线电通信是利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式。
电磁波是由发射天线辐射的，天线就是波源，波中的电磁场随着时间而变化，从而把辐射的能量传播至远方。
无线电波共有七种传播方式，即波导、地波、天波、空间波（主要指直射波和反射波）、折射、对流层层散射和视距（点到点或地球到卫星），表3摘要表示了从VLF至EHF频段的有关传播方式、范围、带宽利用以及形成干扰的可能情况。
表2无线电波传播特点与利用
序号
频段名称
频段范围
（含上限）
传播方式
传播距离
可用
带宽
干扰量
利用
4
甚低频（VLF）
3—30kHz
波导
数千公里
极有限
宽扩展
世界范围
长距离无线电导航
5
低频（LF）
30—300kHz
地波
空间波
数千公里
很有限
宽扩展
长距离无线电导航
战略通信
6
中频（MF）
300—3000kHz
地波
空间波
几千公里
适中
宽扩展
中等距离点到点
广播和水上移动
7
高频（HF）
3—30MHz
空间波
几千公里
宽
有限的
长和短距离点到点
全球广播，移动
8
甚高频（VHF）
30—300MHz
空间波
对流层散射
绕射
几百公以内
很宽
有限的
短和中距离点到点
移动，LAN
声音和视频广播
个人通信
9
特高频（UHF）
300—3000MHz
空间波
对流层散射
绕射
视距
100公里以内
很宽
有限的
短和中距离点到点
移动，LAN
声音和视频广播
个人通信
卫星通信
10
超高频（SHF）
3—30GHz
视距
30公里左右
很宽
通常是有限的
短距离点到点
移动，LAN
声音和视频广播
移动/个人通信
卫星通信
11
极高频（EHF）
30—300GHz
视距
20公里
很宽
通常是有限的
短距离点到点
移动，LAN
个人通信
卫星通信
由于无线电波的传播存在着各种各样的影响，如反射、折射、散射和波导等，无线电传播模型通常是很复杂的。
为保证使用频率的用户的通信质量，需要详细地估算发射的覆盖和电波传播的可靠程度。
无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与科学的场强预测，会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。
为了频率指配和台站管理的目的，须对不同的频段使用不同的电波传播模型预测电台复盖和传播场强。
下面简要地叙述几种传播方式。
VLF（f<30kHz）频率低于30kHz，传播损耗近似自由空间传播损耗。
在此频段内，电波在电离层与地球之间可以波导方式沿全球行进传播。
LF（30计算有用信号限值的地波模式及传播无用信号的电离层（空间波）模式。
空间波信号幅度具有明显的昼夜变化，这是由于电离层吸收和变化的缘故。
MF（300kHz国际电联无线通信局ITU-R的P.368建议对地波传播做了研究并有计算程序，当评价地波时，还需要知道大地的电气特性，特别是电导率的数据。
对150KHz到1.6MHz频率采用空间波传播的预测方法。
在MF广播频带内，空间波传播只假定发生在夜间就足够了。
在1.6MHz以上频率，HF传播预测方法才开始有效。
超过1.6MHz时，空间波对移动通信明显地变得更为重要。
ITU-R的P.43建议5给出了预测方法。
HF（3电离层的传播特点主要表现为会使长途电路受到多径失真，出现信号干扰甚至中断操作的情况。
由于该频段的频谱拥挤以及长距离传播应用，因此不得不使用相当复杂的电波传播预测模型。
使用电离层特性来预测HF传播，ITU-R的P.533建议可用来在任意路径上对任何季节、太阳黑子数等预测基本的和可用的MUF、场强、接收功率、信/噪比和可靠性等。
VHF和UHF（30MHz该频段除了在很低的边缘部分外，通常不是通过有规则的电离层来进行电波传播的。
气候的影响限制在超折射和传导，这是由大气折射指数中正常梯度的变换引起的。
除了自由空间传播外，另一个重要的部分是对流层散射和绕射，这是由于在电波传播的路径上介入了阻挡物所引起的，其中包括地球的凸起、地形的变化以及各类建筑物等因素所引起的绕射。
我们可以按照下述各种特定的传播环境来估算电波的传播损耗：
·自由空间损耗。
在某些环境中，假定有用信号只是由于在自由空间所产生的传播损耗就足够了。
通常把电磁波在真空中的传播称之为“自由空间传播”，即把大气看成为近似真空的均匀介质，电磁波沿直线传播，不发生反射、折射绕射、散射等现象，这时在大气中的传播就等效于自由空间传播，它只与频率f和距离d有关。
通常定义发射功率Pt与接收功率Pr之比为传播损耗L0，在工程上常用分贝来表示，见下式：
L0=Pt/Pr=（4πd/λ）
L0（dB）=32.45+20lgd（km）+20lgf（MHz）
·平坦大地的绕射。
在大于视距的范围时，对有用信号的预测需要考虑地球的曲率。
·在世界特定地区和特别粗糙大地上的传播。
·OKUMURA-HATA。
以发射机天线的距离和高度为依据。
校正这个损耗须要以建筑物在接收位置附近的百分率、路径类型（陆地、海洋、混合）和大地不规则度为依据。
·LONGLEY-RICE模型可用来估算地波和对流层散射的传播衰减。
这个模型是统计模型，也就是预测中值场强和估计信号随时间与空间的变化。
另外，还必须考虑到其他有可能造成干扰的传播机理，包括电离层传播机理，有可能随季节和昼夜时间变化；通过偶尔发生的E层，可能允许在约70MHz频率上进行长距离传播。
此外还有超折射和大气波导等。
SHF和更高频率（f>3GHz）上，如上所述的各传播因素除空间波而外均适用于更高的频率，但这时必须考虑衰减、散射以及由降雨与其它大气微粒产生的交差极化。
当频率大于10GHz时，雨滴所引起的衰减，会对信号质量造成严重的损伤，估算衰减概率分布的方法，通常以超过0.01%时间的雨强密度R0.01（mm/h）为基础。
这个值应以长期降雨观测为基础，大约以一分钟的时间间隔进行取值。
ITU-R的P.530建议给出了在视距路径上估算对应于其它时间百分数衰减电平的方法。
15GHz以上，还必须考虑大气层气体的衰减。
在清洁的空气条件下，地面传播可能遇到由于绕射、大气、表面多径、波束扩散、天线散焦等造成的衰落。
具体的损耗可按ITU-R的P.838建议来计算。
地面一空间的传播环境可以对有用信号按自由空间计算就足够了。
当考虑无用信号时，必须对由于水气凝结体造成的交差极化，电离层内极化旋转和电离层闪烁现象（ITU-R建议PI.531），随着路径仰角变小，路径损耗将超过自由空间的损耗值，而且建筑物的阻挡能力增加。
建议ITU-RPN.618提供了基本的传播数据。
ITU-R建议PN.618提供了估算大气吸收和降雨衰减的信号损耗的方法。
信号闪烁是信号幅度快速波动，是由于大气折射指数变化而引起的。
ITU-R建议PN.618提供了一个预测方法，估算闪烁衰落深度，对应于时间的百分率在一年的0.01和50%之间。
另外，在许多情况下的地形特性使得有用信号和无用信号（干扰）电平有较大的差异。
地形知识必须采用一些方法估算传播损耗。
使用的不同种类的地形有：
海洋其它水体，沙漠，稠密森林、森林、农村、城市和郊区。
根据地形图像的路径剖面通常由手工进行。
这是很费力、费时和花费的过程。
然而，绘图研究所已作了很多工作，提供数字地图，选择地理区域。
从这些地图中，可以竿到无线电传播预测重要的特性、地形高度、地表植被，建筑物高度和密度、街道宽度、大地地质可能是未来使用的项目。
另外，地形资料还可以利用航空照片或卫星捕获的图像得到。
在地形数据库中最频繁使用的方法是根据栅格结构，按统一的空间间隔产生高度数据。
数据的分辨根据数字存储容量和预测的精度来管理。
所需的地形数据的分辨，取决于所研究的频段。
有可能从用于VHF/SHF十万分之一到用于HF的5百万分之一。
数据的精度（障碍物高度）应在10mgcf至1000m范围，也是取决于频段。
使用已存储的地形数据，高度路径剖面可以在任意包括在地形数据库内两个地理点之间生成。
这些剖面在确定视距离 和地形周围的屏蔽效应是很有用的。
当地形特性很重要时，建筑物高度不应忽略，特别是市区和郊区。
用于传播损耗计算的计算机技术可以自动地访问地形数据库。
1.4无线电频谱的管理
1.4.1频谱资源的重要性
二十一世纪将是信息社会时代，谁掌握了信息谁就有了竞争的优势。
信息时代将改变人们的工作方式以及生活方式，而且将彻底改变世界利益的格局和竞争的态势。
通信的重要性已经不仅仅表现为社会的基础设施，它已经成为现代社会生产力的要素和综合国力的组成部分。
因此世界各国均投入巨资，促进和加强通信的现代化。
无线电通信是传递信息的重要手段，为全社会提供着各类信息传递服务，在社会、经济发展，国防建设和人民生活中发挥着重要的作用。
每天收听无线电台广播、收看无线电电视、使用BP机和蜂窝手机通信已经是人们日常生活中不可缺少的一部分了，尤其是在移动状态下的通信，无线电已经成为无法用其他方式来替代的手段。
无线电通信广泛应用于公众通信、广播、电视、铁路、交通（包括水上）、航空、水上、石油、化工、地故、农村、气象、渔业、旅游、建筑、卫生、教育、国防、公安、安全等部门，并大量用于外贸、金融、证卷、工商、体育等社会的各行各业，对于促进信息交流、保障国家安全、维护社会稳定、搞好生产调度、丰富人民物质文化、生活都发挥着重要的作用，具有明显的社会效益和经济效益，尤其是在抢险救灾中发挥了特殊重要的作用。
至于在国防建设和未来战争中，无线电通信有时是唯一的手段，在现代战争中的自动化控制系统、电子对抗、无线电遥控、卫星导航等无线电应用实际已经成为决定战争胜败的关键。
如前所述，无线电频谱是一种特殊宝贵的自然资源，它的应用非常重要而且广泛。
当前在人类走向信息社会的情况下，无线电频谱越来越显得重要，可以说谁能够对无线电频谱资源开发得充分、管理与利用的更科学更有效，谁就能在国际范围的竞争中处于优势地位。
1.4.2频谱管理的目标
频谱管理的目标是从国家的利益出发促进无线电频谱的使用。
频谱管理的目标通常作为国家立法的前提，国家对频谱使用的目标主要包括以下几个方面：
。
使可用频谱能快速、高效地在国内和国际范围内用于通信服务；
。
促进基础设施的发展和业务提供的革新；
。
为国家安全和国防服务；
。
保障生命和财产安全；
。
支持犯罪预防和加强执法；
。
支持国家和国际的交通运输系统；
。
促进保护自然资源；
。
提供传播教育知识和综合性及公共关心的信息及娱乐；
。
促进科学研究、开发和探索；
。
加速社会和经济进步。
为达到这些目标，频谱管理机构应具备一套有序的方案来分配频带或频率、授权和登记频率的使用，核发电台执照，建立管理频谱使用的法规和标准，解决关于频谱的冲突，并在国际论坛上代表国家利益。
国家应有长期的频谱规划，一个国家的长期频谱规划可包括频谱使用的目标，使频谱管理机构和人员明确其未来的方向。
我国的无线电事业坚持了为党政首脑机关服务，为国民经济服务，为国防建设服务和科学管理、促进发展的总方针。
国家对无线电频谱实行统一规划、合理开发、科学管理、有偿使用的原则。
1.4.3频谱资源管理的措施
为了加强对无线电频谱这种宝贵的、有限的自然资源管理和有效地利用，从
频谱的规划与管理出发，通常对无线电频谱按业务进行频段和频率的划分、分配和指配，规定把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’。
划分频率一般应遵循下述原则：
合理、有效、节约地使用频率资源，按业务分类和规划频率；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。
为划分频率，国际电联（ITU）专门建立了国际频率划分表，把世界划分为三个区域，第一区包括欧洲、非洲和部分亚洲国家，第二区包括南、北美洲，第三区包括大部分亚洲国家和大洋州。
我国为第三区。
各个国家也都据此制定了自己国家的无线电法或相关的详细管理规定，同时为各类无线电业务划分了频率或频段，并根据ITU的无线电频率划分表制定了本国的频率划分表。
我国的频率划分表是１９８３年制定的，随着无线电事业的发展，这些年来频率的划分和使用都发生了相当大的变化，现正在积极组织修订。
把某一频段批准给一个或多个国家、地区或部门在规定的条件下使用，称为‘频率分配’，我国的频率分配是由国家无线电管理机构统一进行的。
国家或地方无线电管理机构根据设台审批权限批准某单位或个人的某一电台在规定的条件下使用某一无线电频率，称为‘频率指配’。
由于无线电频谱的管理涉及到很多方面，不仅有频率的分配使用问题，还有无线电设备的研制、生产和销售等问题；既有行政管理问题，又有技术上的问题。
因此，管理无线电频率、台站和设备必须综合采用以下各项有效手段：
1）加强行政管理：
为搞好无线电管理工作，充分利用有限的频谱资源，根据无线电波传播和使用的特点，必须加强国家对无线电的集中统一管理，坚持“科学管理，促进发展”的方针
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