无线电频谱资源的本质与属性探讨-马方立

2007年11月 2007年全国无线电应用与管理学术会集 江苏·南京 ·4· Proceedings of 2006 Conference on Radio Applications and Managements November 2006 CRAM’2007 马方立：无线电频谱资源的本质与属性探讨 ·77· 无线电频谱资源的本质与属性探讨 马方立 （四川省无线电监测站，四川 成都610016） 摘 要：提出了无线电频谱的数学、物理、测量、无线电应用与管理四种意义；论证了无线电频谱资源是人们使用无线电的权利，是人为资源，而不是自然资源；提出并具体了无线电频谱资源的本质及六种基本属性。 关键词：通信技术；频谱资源；理论探讨；本质；基本属性 Essence and attribute of radio frequency spectrum resource MA Fang-li (Sichuan Provincial Radio Monitoring Station, Chengdu 610016) Abstract: Four meanings of Frequency Spectrum in Mathematics, Physics, Measure and Radio Application& Management were defined; It argued that Frequency Spectrum Resources were of human rights to use because it was testified that they are not natural resources, but man-made resources based on the analysis of its essence and six fundamental attributes. Key words: Communication Technology; Frequency Spectrum Resource; theoretic discussion ; essence ; fundamental attributes 1 引言 无线电问世110多年来，人类对无线电频谱资源的重要性已经有了越来越深刻的认识，但有必要对其本质和属性进行更深入的探讨。 对于无线电频谱资源的本质，普遍的观点认为，无线电频谱是自然资源。例如， 1973年的ITU托雷莫里诺斯公约中载明：“各会员国在使用无线电频率时，必须牢记无线电频率和静止卫星轨道是有限的自然资源。”我国1982年颁布的《无线电频率划分规定》中指出：“无线电频率是一项有限的自然资源”。但这种观点与自然资源的定义相去甚远。 对于无线电频谱资源的基本属性，从公开发的文献看，上个世纪九十年代我国有两篇论文进行过开创性的研究。文献[1]写道：无线电频谱资源“能被利用，但不会被消耗，不使用它，本身是一种浪费，但使用不当也是浪费，在某种程度上说更是浪费。无线电频谱范围虽然很宽，但对于某一特定的频段，在某一地区，某一时间来说，也是有限的。它具有空间、时间、频率三维特性，三者是互相关联的。根据不同的空间和时间，频率可以复用，但指配不当，相互间便会产生干扰。”文献[2] 明确提出无线电频谱资源具有有限性、非耗竭性、传播固有性和易受污染性四种属性。 本文将探讨无线电频谱资源的本质，并在前辈专家研究成果的基础上，对无线电频谱资源的基本属性进行梳理和补充。 2 无线电频谱的多种意义 《辞海》1999年版对频谱的定义是：“任何复杂振动分解为许多不同振幅和不同频率的‘谐振动’时，这些谐振动的振幅按频率排列的图形。” 作者认为，从不同的视角看，无线电频谱有数学、物理、测量、无线电应用与管理四个方面的意义。 （1）数学方面的意义 从数学的角度看，无线电频谱是时域无线电信号的傅里叶变换。特点是存在逆变换，即傅里叶反变换。通过频谱的傅里叶反变换可恢复时域信号的所有信息； （2）物理方面的意义 从物理角度看，可实现的、具有实际意义的无线电频谱是无线电信号的单边（即正频率域）短时幅度谱或功率谱； （3）测量方面的意义 从测量的角度看，无线电频谱是频谱分析仪表所测量并显示的无线电信号的强度-频率图形，是对物理意义的逼近。实现方式有并联窄带滤波法、超外差扫频法、快速傅里叶变换（FFT）法。 （4）无线电应用与管理方面的意义 从无线电应用与管理的角度看，无线电频谱就是3000GHz以下的无线电频率的总称，是一种宝贵的资源。这种意义正是本文的研究对象。 3 无线电频谱资源的本质 （1）无线电频率与无线电频谱的概念 无线电频率是指无线电波或其分量，以及相关射频信号（即无线电波发射/辐射前和被接收后）按照简谐函数（正弦、余弦）规律每秒变化的周数以赫兹（Hz）为单位，是频率域（即频域）上的一个点，是表征无线电波的一种物理量，是区分不同无线电波的特征参数之一。 无线电频率是简谐无线电信号变化周期的倒数。对于特定介质中的电磁波，也可用波长来表示。所以，周期和波长也可取代频率成为无线电频谱资源的特征参数，如果是这样，可以分别称之为“无线电周期谱”、“无线电波谱”。事实上，在电磁波“家族”中，红外线、可见光和紫外线一般就是用波长或波谱来作为特征参数的。 从数学的角度看，任意小差值的频率都是不同的频率，“不同”的无线电频率是“无穷多”的。但实际上（物理的角度）存在的无线电波，由于载荷信息（即调制）、多普勒频移（宇宙学和射电天文学上称红移现象或哈勃效应）、系统误差等原因，必定存在一定的频带宽度（即带宽），占用的是或宽或窄的一个频带。所以，一般所说的无线电频率（或频点），是一个频带的中心频率。 整个无线电磁频谱，频率从低至千分之几Hz(地磁脉动的频率)到高达3×1013GHz (γ射线的最高频率)。无线电频谱是其中低于3000GHz的无线电频率的总称，是无线电磁频谱的低频端，占整个无线电磁频谱的百亿分之一（即 ）。无线电频谱中任何连续的一部分通常称为一段频谱。 （2）无线电频谱不是自然资源 关于自然资源的定义，比较权威的主要有以下三种： 一是地理学家金梅曼在1951年出版的《世界资源与产业》一书中指出：无论是整个环境还是其某个部分，只要它们能或被认为能满足人类的需要，就是自然资源。 二是联合国环境署1972年指出：所谓自然资源，是指在一定的时间条件下，能够产生经济价值以提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总称。 三是我国学者毛永文和李世涛在1994年出版的《中国可持续发展战略》一书中为自然资源下的定义为：自然资源是指在一定的时间、地点条件下，能够产生经济价值以提高人类当前和未来福利的自然环境因素和条件。 无线电频谱本身不是环境，也不是无线电波这种物质本身，就像时间、质量一样，是描述物质世界特性的一种参数。它所表示的物质，绝大部分是人为产生的无线电波。它不是物质数量型资源，而是物质参数型资源。 所以说无线电频谱不是自然资源，而是人为资源。如果要称其为自然资源，那就要修改自然资源的定义，扩展其外延。但通过上述分析，作者认为，修改自然资源的定义有点牵强附会。 （3）无线电频谱资源的本质 作者认为，无线电频谱资源的本质是人们在一定时间、一定空间内开发和（或）利用一定频谱宽度、一定强度的电磁波，实现传递信息、获取信息，以及产生热效应、生物效应等目的，避免受到有害干扰的权利。简而言之，是在一定时空、一定频带内使用无线电波的权利。一般地说，使用无线电频谱资源的设备的空间位置和作用范围，是无线电频谱资源的一个重要参数。 所谓使用无线电，是指利用无线电设备和ISM射频设备，发射、接收或同时收发无线电波，实现电信、射电天文、物品加热、医疗等目的。 权利的获得方式有三种： · 国际电信联盟许可独享或共享； · 国家许可独享或共享； · 自由共享，对于未规划频段、对公众开放的频段和业余频段（仅对业余无线电爱好者）。 4 无线电频谱资源的基本属性分析 作者认为，无线电频谱具有社会历史性、多域复用性、差异性、有限性、非耗竭性、易受污染但无残留性共六种基本属性。其中前三种是本文提出的，后三种是文献[1]、[2] 提出，本文加以引用和完善的。 （1）社会历史性 在人类历史的长河中，无线电频谱资源被开发和利用的时间很短。从1894年马可尼完成了无线电波的发送和接收实验至今，才110多年。在此前，无线电频谱对人类毫无价值可言，不成其为资源。随着电子信息技术的发展，无线电的应用范围越来越广泛，可开发利用的频率上限越来越高，价值越来越大。 在可以预见的将来，人类离不开无线电频谱资源。 （2）多域复用性 有的文献将其分为三维性和复用性。笔者认为，用多域复用性更确切。因为一方面，空间并非一维，而是三维的。因此，用三维表示频率、空间和时间是错误的，应该用五维表示；另一方面，其它一些可能带来频谱资源复用的参数，比如编码、极化方式、调制方式，又难以用“维”来表示。无线电频谱资源一定具备频率域、空间域、时间域，可能具备编码域、极化域、调制域。因此，笔者认为用“域”取代“维”更能确切表达。 无线电频谱资源与其他资源具有共同的属性，即排他性，在部分域或全部域内参数相同的情况下，一旦被使用，其它设备是不能再用的。 虽然无线电频谱具有排他性，但可在部分域或全部域内参数不同的情况下异地复用或同地共用。 （3）差异性 就象土地资源有肥沃与贫瘠之分一样，无线电频谱资源具有差异性。也就是说无线电频谱资源在不同的频段、不同的空间、不同的时间可能存在差别。无线电频谱资源的差异性主要是无线电波的传播固有性带来的。有些差别可能会随无线电科学技术的发展而产生变化。 不同频段无线电波的传播特性不一样，导致频谱资源应用的空间范围和业务的差异。 不同的空间，包括地形地貌、大气层中的高度、外层空间的位置等。无线电频谱在不同的空间环境应用，其作用的地域和空间范围可能存在差别。一般地，位置越高，作用距离越远，复用性越差。特别地，对于地面与外空的空间业务应用，只能在大气的电波窗口频段。其它频段由于无线电波被大气层阻挡，不能使用。 不同的时间，主要是电离层随昼夜和季节变化，造成通过电离层反射和散射传播实现特定距离通信的无线电波的工作频段随之变化。 （4）有限性 尽管无线电频谱可以根据时间、空间、频率、极化和编码等方式进行复用，但就某一频段和频率来讲，在一定的区域、一定的时间、一定的极化方式和一定的编码条件下的使用是有限的。 实际上，作为信息传输载体的无线电波都占据一定的频带宽度，描述无线电频谱最起码有频率和带宽两种参数。因此，无线电频谱（有时也称无线电频率）是有限的资源。 （5）非耗竭性 无线电频谱资源不同于物质数量型资源，它是可以被人类利用，但不会被消耗掉。因为它是一种使用权，所以不使用它反倒是一种浪费。 （6）易受污染但无残留性 无线电频率容易会受到其他无线电台、自然无线电噪声和人为无线电噪声的干扰而不能正常利用，使之无法准确、有效和迅速地传送信息。这说明无线电频谱资源容易受到侵害，或者说容易受到污染。其他无线电台人为噪声造成的污染无残留，只要切断干扰源，污染立即消失，不会残留。 当然，无残留是相对于地球和人类可及的宇宙空间而言的，对于整个宇宙来说，还是有残留的。 有的自然无线电噪声无法切断源头，比如一些天体的无线电辐射,污染就会一直存在下去。 5 结束语 人类对整个无线电磁频谱的开发和利用，并非严格按照从低频段向高频段的顺序。太阳黑体辐射的能量大部分集中在可见光频段，供给地球的阳光已持续了40亿年，燧人氏取火的发明意味着人工照明器具的出现也起码有了3万年，因此可见光频段的被动利用是最早的；近些年，自由空间光通信的利用已露端倪，表明人类将无线通信频段向红外线频段拓展的号角已经吹响；射电天文出现之前，可见光天文观测已是一门古老的学科，之后红外天文、亚毫米波天文、紫外天文、X射线天文、γ射线天文相继问世。为适用新形势，军队无线电管理机构已更名为电磁频谱管理委员会。 可以说，将更多的无线电磁频谱资源纳入有序的管理已是大势所趋。 当然，应该注意，用于电信业务，特别是公众移动通信和个域网的电磁频谱，要充分考虑对人体的影响，必须选择对人体无害的频段。 本文试图揭示无线电频谱资源的本质，并梳理和补充了其六种基本属性。由于作者水平的限制，难免有不当之处，敬请批评指正。 感谢信息产业部无线电管理局谢飞波副局长的指导! 参考文献： [1] 丁益兴.频谱的划分和无线电业务的发展[J].中国无线电管理,1990,1:22 [2] 朱三保.频谱资源的性质和地位及其有效利用[J].中国无线电管理,1994,3:2～3 [3] 肖良华.无线电管理学(上)[M].电子科大出版社,2001 [4] 谢飞波.科学规划使用频率资源,保障小康社会建设中各项无线电业务的协调发展[J].中国无线电,2005,7:7～9 作者简介：马方立（1966-），男，汉族，四川成都人，理学硕士，四川省无线电监测站高级工程师、副站长，中国通信学会无线电应用与管理专业委员会委员，主要研究方向为无线电监测与检测、无线电管理学、无线电经济学 73 77 _1253903403.unknown