無線寬帶的頻譜資源制約與對策研究

何廷潤，蔣天俊

無線寬帶的頻譜資源制約與對策研究

何廷潤1，蔣天俊2

（1.國家無線電頻譜管理研究所，陜西 西安 710061；2.陜西省人民政府對外聯絡辦公室，陜西 西安 710018）

在論述無線寬帶發展壓力最終傳導至頻譜資源的前提下，回顧了無線寬帶頻譜配置現狀與未來需求，提出了緩解無線寬帶頻譜資源供需矛盾的路徑與措施。

無線寬帶頻譜資源5G頻譜配置“數字紅利”頻譜

1　引言

無線寬帶是國家寬帶戰略中的重要組成部分，隨著移動互聯網的高速發展，無線寬帶的戰略地位愈加突出。在支撐無線寬帶發展的眾多資源中，頻譜是最基礎和最緊缺的資源。因此，研究和探討頻譜資源的制約與對策是發展無線寬帶的重要前提之一。

2　無線寬帶發展的壓力最終傳導至頻譜資源

在4G快速發展普及的今天，面向未來以“G比特”為標志的5G時代也己嶄露頭角，并將帶來寬帶移動通信的新紀元。但是，人們熱切期望中的5G是以頻譜資源的有效支撐為基礎的。

回顧移動通信的發展歷程，技術的進步大大提升了頻譜利用效率，緩解了頻譜資源壓力。從不同移動通信制式的頻譜利用效率的演進可見，在2G的GPRS時代下行頻譜利用效率為0.03bit/s.Hz，到了4G的LTE時代下行頻譜利用效率提升為1.36bit/s.Hz—1.50bit/ s.Hz，大約歷經20年由于技術進步其下行頻譜利用效率提升了45至50倍，如表1所示。進入5G時代，預計下行頻譜利用效率將比4G/LTE時代提高10倍。

但是，據美國思科公司預測，未來4年全球移動數據流量將增加11倍，而中國的移動數據流量2010年至2020年將增長300倍以上，預計在2010—2030年的20年間，中國的移動數據流量的增長將超過4萬倍，增速高于全球平均水平。因此，僅憑頻譜效率的提升、基站部署密集化等措施難以應對移動數據流量的高速增長，最終的壓力必然傳遞到頻譜資源的供給。

責任編輯：劉文竹liuwenzhu@mbcom.cn

表1　不同移動通信調制技術下行頻譜利用效率的對比

無線寬帶的另一個重要方向是以Wi-Fi為代表的無線寬帶接入領域。當前，Wi-Fi以更高的性能和更低的價格，在室內及家庭場景中占據了絕對優勢。由于未來數據業務將主要分布在室內和熱點地區，使5G基站與Wi-Fi熱點的布局和吸收數據流量的功能趨于一致。然而，用戶在盼望5G的同時，支出意愿并沒有顯著增長，甚至在降低，因此Wi-Fi的重要性愈加凸顯。

表2　我國2G頻譜配置狀況

回顧Wi-Fi的歷史，在上世紀90年代ITU將2 400MHz—2 483.5MHz共83.5MHz的頻譜以與多種業務公用的方式承載無線接入業務，從而誕生了802.11b/g標準，之后又批準了用于5GHz頻段的802.11a標準，成為移動通信的補充手段。近年來，隨著802.11n和802.11ac標準的確立和快速推進，出現了Wi-Fi與寬帶移動通信并駕齊驅的格局。特別是2013年11月無線寬帶聯盟（WBA）與Wi-Fi聯盟共同開發了Hotspot2.0技術，通過Wi-Fi網絡互聯實現高效隨機的大規模組網，并可實現用戶在不同Wi-Fi網絡間的漫游。

因此，在未來的無線寬帶主導權的競爭中，將是4G/5G與Wi-Fi既相互融合又充滿競爭的時代。但是，至今提供給Wi-Fi的頻譜仍維持在2.4GHz和5GHz的部分頻段內，Wi-Fi的再發展必然對頻譜資源造成新的壓力。

3　無線寬帶的頻譜配置現狀與需求

3.1移動通信頻譜配置現狀與需求

（1）移動通信頻譜配置現狀

從移動通信誕生至今，其頻譜配置都在3GHz以下。以我國為例，2G時代是800MHz、900MHz和1.7GHz—1.8GHz頻段；3G時代是1.7GHz—2.3GHz頻段；4G時代是1.8GHz、2.1GHz、2.3GHz、2.6GHz等頻段。我國為2G時代移動通信分配頻譜130MHz，我國2G頻譜配置狀況如表2所示。

3G時代移動通信分配頻譜275MHz，配置狀況如表3所示。我國為4G時代移動通信分配頻譜250MHz，配置狀況如表4所示。

至今，我國己為移動通信分配頻譜總量達655MHz。其中1GHz以下頻譜共80MHz，占已分配頻譜總量的12.2%；1GHz—3GHz頻譜共575MHz，占已分配頻譜總量的87.8%。

（2）移動通信未來頻譜需求

目前，各國紛紛開展包括5G在內的未來IMT系統頻譜需求和候選頻段研究，我國相關部門也采用ITU的M.2078測算模型和方法進行了未來IMT系統頻譜需求預測，其結論是到2020年我國寬帶移動頻譜需求超過1 500MHz。目前，我國己為移動通信分配的頻譜為655MHz，若滿足2020年寬帶移動通信的頻譜需求，尚存845MHz的頻譜缺口。而且3GHz以下的優質頻譜資源都已分配殆盡，而更高的頻段面臨著穿透性差、覆蓋性能弱以及工程實現難度大等問題。

表3　我國3G頻譜配置狀況

表4　我國4G頻譜配置狀況

3.2Wi-Fi頻譜配置現狀與需求

（1）Wi-Fi頻譜配置現狀

我國對Wi-Fi在2.4GHz頻段（2 400MHz—2 483.5MHz）的規劃與國際上保持一致，與藍牙技術設備、無線電定位以及工、科、醫等非無線電通信設備共用。該頻段總帶寬為83.5MHz，劃分為14個子信道。2.4GHz頻段Wi-Fi在多個信道同時工作的情況下，為保證信道之間不互相干擾，兩個信道中心頻率的間隔不能小于25MHz，因此最多可以提供3個不重疊的信道同時工作。

在5GHz頻段，Wi-Fi擁有較多的頻譜資源，而且各國有所差異。美國為Wi-Fi在5GHz頻段分配了5 170MHz—5 330MHz、5 490MHz—5 710MHz和5 735MHz—5 835MHz這3段共計480MHz頻率。如圖1所示。

在5GHz頻段，我國為Wi-Fi分配了5 150MHz—5 350MHz和5 725MHz—5 850MHz頻段共325MHz頻率，如圖2所示，比美國少了155MHz頻譜。

（2）Wi-Fi未來頻譜需求

在未來無線寬帶發展中，Wi-Fi將占據十分重要的位置。歐盟委員會進行的一項研究發現，在2012年所有歐盟無線數據流量中，約有71%通過Wi-Fi傳輸至智能手機和平板電腦，預計在2016年該比例將升至78%。該研究報告建議，應在整個歐盟提供額外的頻譜，并建議全球統一將5 150MHz—5 925MHz頻譜用于提供Wi-Fi服務，以及規劃超高頻段（30GHz以上）以支持對Wi-Fi不斷增長的需求。

4　無線寬帶頻譜資源供需矛盾緩解的路徑與措施

4.1為無線寬帶重新分配頻譜資源

以美國為例，2010年6月，奧巴馬總統簽署了《釋放無線寬帶革命》計劃，要求NTIA與FCC合作，在未來10年內將500MHz頻譜轉用于固定和移動無線寬帶。其中，在3年內釋放300MHz頻譜資源用于移動通信。如表5所示。

圖1　美國地區的信道分配

圖2　我國5GHz頻段Wi-Fi信道配置

頻譜重新配置主要涉及已有的無線通信業務（WCS）、700MHz頻段、移動業務（AWS）、衛星移動業務（MSS）、廣播電視頻段等。為在10年內分配500MHz頻譜用于寬帶無線，美國商務部還提出了利用從廣播頻段（VHF/UHF）到4 400MHz范圍內的2 200MHz候選頻段范圍，涉及多種軍用和民用無線業務。2013年，英國國防部宣布準備釋放約200MHz無線頻譜，轉交由英國通信管理局（Ofcom）用于4G的商業運作，其中包含2.3GHz頻段的40MHz以及3.4GHz以上頻段的150MHz。

表5　美國FCC規劃為移動業務釋放300MHz頻譜情況

同時，國際電信聯盟（ITU）將為2020年IMT尋找新的頻譜資源列為WRC-15大會的首要議題。IMT-2020重點考慮6GHz以下潛在候選頻段（主要面向WRC-15），下一步將考慮6GHz以上高頻段（面向WRC-19及以后）。我國ITU WRC-15議題國內研究團隊的研究表明，未來IMT潛在候選頻段主要包括

3 300MHz—3 400MHz、4 400MHz—4 500MHz以及4 800MHz—4 990MHz等。

4.2加快釋放小靈通和“數字紅利”頻譜

加快小靈通退網步伐，將小靈通占用的1 900MHz—1 920MHz頻譜用于覆蓋農村與邊遠地區的移動通信。我國主管部門在2001年和2009年2次發布通知，要求小靈通完成清頻退網工作，但由于多種阻力一直未能執行。可喜的是近日多個省份的中國聯通或中國電信宣布了小靈通退市時間表，但該段頻譜如何有效利用尚無下文。

縱觀全球，美歐各國早己啟動釋放“數字紅利”頻譜的進程，例如美國通過2次拍賣釋放了108MHz“數字紅利”頻譜，用于移動通信和公共安全業務。英、德等國也明確2015年至2018年釋放該頻譜，拉美、亞澳及非洲各國也紛紛跟進。在即將召開的WRC-15大會上，將形成“數字紅利”頻譜劃歸寬帶移動通信的最終決議。盡快釋放“數字紅利”頻譜并進行科學規劃與應用，是我國落實國家寬帶戰略、推進廣大農村和邊遠地區信息消費擴大與升級、拉動經濟增長的重要保障。

4.3改造整合雷達業務釋放頻譜資源

從2011年開始，美國為無線寬帶業務尋找合適的頻譜資源，將目光轉向了雷達業務領域的頻譜釋放，以及與無線寬帶共享頻譜的可能性。美國研究發現，多年來雷達與通信系統之間的用頻很少或基本不存在重疊的現象，而在300MHz—3 700MHz的“黃金”頻段中，約45%的頻譜用于雷達系統。特別是大多數的雷達項目只關注雷達系統性能的改善，而忽略了提升用頻效率問題。

在此形勢下，美國研究認為雷達與通信系統有許多的共同點，如數學方法是相似的，天線理論、傳播效應和大量RF設備都是相同的。所以，將這2個系統放在一起研究頻譜管理與頻譜共享問題將會產生巨大的頻譜效益。共享頻譜可通過改進雷達頻譜利用效率的技術得以解決，其中包括認知雷達、組合雷達、自適應天線、高級雷達發射機（改良前端的帶外發射特性）、改進波形、信號處理、多功能系統等。美國研究也發現，無線寬帶與雷達業務實現頻譜共享的最重要的障礙并非技術問題，而是制度上的制約，如信息的不完善、缺乏激勵機制、經費問題、信息資源的匱乏、法規、信任度等問題，所以需要對現有的雷達管理體制進行深度改革。

4.4推動頻譜資源共享，實現頻譜實時指配與管理

為促進寬帶接入、刺激經濟增長，美國國會和政府要求聯邦機構（包括國防部）釋放己擁有的大段頻譜，因此美國國防部于2014年2月發布新的頻譜戰略中，明確要求政府和商業用戶需要找到有效的合作方式共享稀缺的頻譜資源。比如，新的頻譜戰略考慮未來幾年內產業界將可使用軍方日常活動中所使用的一些頻譜，發生危機時軍方可立即收回此頻譜。以技術改革解決頻譜共享中如有害干擾風險等挑戰，包括利用具有發展前景的新技術、出臺相關政策和標準以減少干擾等措施。

但是，至今動態頻譜管理尚無可行方案。例如，美國早在2009年就啟動了“頻譜共享新技術試驗床”計劃，以驗證有效測量動態頻譜接入設備對授權系統影響的方法。歷經5年通過3個測試階段，至今尚無通過驗證的方法可以判別動態頻譜接入設備對授權系統的影響，因此無法解決在地面移動無線（LMR）系統覆蓋區域內大量動態頻譜接入設備所產生的總干擾問題。

以美軍為例，2014年己掌握頻譜共享技術，但頻譜管理程序的改革成為最大難題。美軍計劃將2014年至2050年的35年分為5個重要節點，使頻率指配時間從當前的3個月，縮短至1秒。

2014—2021年：頻率指配時間從3個月縮減至3天；

2021—2029年：頻率指配時間從3天縮減至3小時；

2029—2037年：頻率指配時間從3小時縮減至3分鐘；

2037—2043年：頻率指配時間從3分鐘縮減至3秒；

2043—2050年：頻率指配時間從3秒縮減至1秒。

美軍從傳統頻譜管理到實時頻譜共享管理尚需35年，顯然無線寬帶與其他業務實時共享頻譜之路還很漫長。

5　結束語

頻譜是支撐無線寬帶發展不可或缺的基礎資源，并面臨十分嚴峻的挑戰。因此，尋求新的頻譜資源，進行業務升級，釋放已占頻譜，與其他業務實現頻譜共享，并最終實現動態頻譜指配與管理，將是保障無線寬帶發展的重要努力方向。

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何廷潤：現任國家無線電頻譜管理研究所高級顧問，長期從事無線電技術與頻譜資源研究，主持并參與多項頻譜資源基礎理論研究與頻譜規劃項目研究，發表文章近百篇。

蔣天俊：工程師，學士畢業于國際關系學院，現任職于陜西省人民政府對外聯絡辦公室，從事對外聯絡的無線電技術應用與保障工作。

Research on Wireless Broadband Spectrum Resource Restriction and Corresponding Coun termeasure

HE Ting-run1, JIANG Tian-jun2
(1. The National Research Institute of Radio Spectrum Management, Xi’an 710061, China; 2. The External CommunicationsOffice ofShaanxi Provincial Government, Xi’an 710018, China)

The shortage of spectrum resource is becoming the developmental pressure of wireless broadband. The allocation status and future demand of wireless broadband spectrum were reviewed in this paper to present solution and countermeasure to alleviate the contradiction of wireless broadband spectrum resource between supply and demand.

wireless broadbandspectrum resource5Gspectrum allocationdigital dividend spectrum

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.09.002

TN92

A

1006-1010(2015)09-0009-05

引用格式：何廷潤,蔣天俊. 無線寬帶的頻譜資源制約與對策研究[J]. 移動通信, 2015,39(9): 09-13.

2015-04-16