6.1 第三代移动通信业务的频谱
6.1.1 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。
6.1.2 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：
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。
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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
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1000 MHz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900 MHz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3000 MHz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。
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230 MHz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。
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230 MHz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300 E/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500 E/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2×162 MHz，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15 s/h，相当于每小时传10页，每页8 bit/s，传输速率为48 kbit/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2×65 MHz，详见表2所示。
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180 MHz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2×66 MHz。
6.1.3 各国有关2000 MHz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 ---1980 MHz；卫星业务占用1980 ---2010/2170 ---2200 MHz频段；1900 ---1920 MHz和2010 ---2030 MHz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 ---1920 MHz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800 MHz频段，PHS系统使用的1800 MHz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 ---1920 MHz保留给ＰＨＳ系统使用；把1920 ---1980 MHz 作为IMT-2000的上行频段，2110 ---2170 MHz作为下行频段；1980 ---2010/2170---2200 MHz为移动卫星系统的上下行频段；2010 ~2025 MHz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1000 MHz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 MHz/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80 MHz。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2000 MHz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 ---1850 MHz和1865 ---1880/1945 ---1960 MHz，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 ---1980 MHz, 带宽共40 MHz，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 ---1885 MHz的频段。
(3) 1900---1920 MHz，带宽共20 MHz，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 ---2599 MHz，带宽共64 MHz，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 ---2655 MHz频段用于卫星广播业务。
发展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。
6.2 第三代移动通信系统的网络结构
第三代移动通信系统的网络结构必须具有较好的灵活性，以使现有的第二代移动通信系统能够顺利地向第三代移动通信系统过渡，保护已有投资。ITU-T SG11对IMT-2000网络的功能结构、信令要求、协议等进行了研究，提出了一些原则性的建议。而欧洲方面则通过ACTS RAINBOW计划对第三代移动通信系统的网络结构进行了研究，其研究成果已被ETSI采纳。总的来说，对第三代移动通信系统网络结构的考虑应遵循如下几个原则：（1）在逻辑上将传送网和信令网分开；（2）宏分集完全由接入网控制；（3）在功能上分为接入网和核心网。
图1 WCDMA无线接入网络结构（椭圆表示小区）
CDMA系统的无线接入网络（UTRAN）结构示意图。UTRAN（UMTS陆地无线接入网）由无线网络子系统集（RNS）组成，RNS通过Iu接口与核心网相连。无线网络子系统RNS包括无线网络控制器和一或多个Node Bs。Node B支持FDD模式、TDD模式或双模式，可处理1或多个小区，并通过Iub接口与无线网络控制器RNC相连。RNC负责切换控制，提供支持不同Node B间宏分集的组合/分裂的功能。支持FDD模式的Node B包含可选的宏分集功能。无线网络控制器RNC通过Iur接口相互连接，Iur可通过RNC间的物理连接直接相连或通过合适的传输网相连。
ITU－T负责IMT－2000信令和协议研究的SG11／WP3工作组，于1998年5月确定了IMT－2000的网络框架标准(Q.1701)。Q.1701阐述了“IMT－2000家族”的概念，并明确了由ITU标准化的一组接口。
与网络有关的接口为A接口和NNI，也即IMT－2000的网络可分成无线接入网络(RAN)和核心网络(CN)两部分。这种采用模块化结构的网络设计是IMT－2000的一大特点，它不仅允许符合IMT－2000家族概念的网络设备接入系统，而且可以方便地通过一组标准化接口将各种不同的现有网络与IMT－2000的组件连在一起，因此，这也为网络经营者指出了一条向IMT－2000演化过渡的途径。
由于ITU－T只规定了外部接口，并没有对网络采用的技术加以限制，所以，按照各组成部分的功能划分。IMT－2000的无线接入网还可细分为无线载体通用功能(RBCF)和无线传输特殊功能(RTSF)两部分。前者包括所有与采用的无线接入技术无关的控制与传输功能；后者包括与无线技术有关的各项功能，它还可进一步分为无线传输技术(RTT)和相关的无线传输适配功能(RTAF)，以便将不同的RTT与通用的RBCF连接起来。
在核心网络方面，IMT－2000的结构还允许通过使用网际互连功能(IWF)来支持第二代核心网络的接入，实现第三代核心网络与第二代核心网络之间的互通互连。类似地，通过一定的适配模块(AF)，第二代核心网络也可以支持第三代的无线接入技术。因此，这充分体现了IMT－2000系统的家族概念和从现有网络向IMT－2000过渡的灵活性。
按照第三代移动通信系统可提供全球无缝覆盖的要求，它应允许用户在多种无线运营环境(微微小区，微小区，宏小区和全球范围)下进行通信，所以，CN网就相应有着不同的无线接入技术，比如GSM、CDMA、DECT、PCS、MSS和IMT－2000 RTT等。另一方面，按照第三代移动通信系统可提供多媒体业务的能力，它应支持用户到固定网络的接入，如ISDN、B－ISDN、Internet和LAN等，享受与固定网络用户一样的服务业务。为此，第三代移动通信系统的核心网络必需具备电路交换和分组交换的混合交换功能。由于ATM交换拥有进行语音、数据和图象综合交换的能力，并可满足各类不同业务的质量要求，因而采用ATM交换技术是第三代核心网络的一项优先选择方案。图4给出了一种可能的IMT－2000系统的结构.
6.3 核心网从第二代向第三代过渡之路
由于第三代移动通信系统在许多方面都不同于第二代移动通信系统，因而它的引入将会对后者造成巨大冲击。目前，第二代移动通信系统已在全球110多个国家投入使用，用户总数约有2.5亿左右；预计到2003年IMT－2000大规模商用时，第二代移动用户的总数可达到4～5亿。为了保证第二代移动通信系统的巨额投资回报，继续发挥其庞大基础设施的效益，所以，应当遵循从第二代平滑过渡并能支持第二代系统所提供业务的原则，来选择第三代移动通信系统的演进方案。因此，第三代移动通信系统可分阶段逐步实现。首先，通过增强第二代核心网的能力，使其能提供部分第三代的移动业务；然后，允许第三代无线接入网通过适配功能单元接入到增强的第二代核心网；最后经过一定的时间，再引入第三代核心网，并与第二代核心网进行互通，从而逐步将第二代核心网淘汰掉。
第二代核心网主要包括GSM／MAP和IS－41两大类。根据IMT－2000的家族概念，只要它们经过网络功能提升后，在公共接口上和业务能力上均满足第三代移动通信系统的要求，都可以逐步向IMT－2000过渡。但是，考虑到两类第二代系统彼此采用了不同的无线接入技术，并且又都与第三代的RTT互不兼容，因此，第三代系统中的移动终端应具备在两代基站间进行切换或运用于IMT－2000不同核心网家族成员的双模性能，这样方可保证第二代到第三代的平滑过渡。图5表明了基于现有第二代系统向第三代系统演进的网络方案。
现有第二代系统向第三代系统演进的网络方案
就我国移动通信的发展情况而言，在2000多万移动用户中，80%以上的用户归属于GSM网络。此外，GSM的扩容速度非常迅猛，预计到2002年左右，其容量可达到7000～8000万用户。因此，我们应着重研究如何基于GSM系统逐步朝第三代移动通信系统演进的问题。图6和图7示出了从增强型GSM到IMT－2000的两个可能演进阶段。
GSM到IMT－2000的第一阶段
GSM到IMT－2000的第二阶段
由以上两图可知，在过渡的第一阶段，GSM核心网为第三代移动终端提供语音、数据和图象业务，并对其移动性进行管理；第三代系统只完成呼叫控制和无线资源的分配功能；在过渡的第二阶段，第三代核心网不仅可独立提供满足IMT－2000要求的业务，而且还支持第二代BTS的接入。因为ATM具有适合多种业务速率、动态分配带宽和易于同有线宽带综合业务数字网接口的优点，所以，在第三代核心网中采用基于信元的传输和交换结构，是满足第三代移动用户对多媒体业务需求的最佳选择。
6.4 实现核心网过渡的关键技术
6.4.1 移动性管理及寻址技术
为了提供全球的无缝覆盖，第三代移动通信系统必需能适合工作于多种通信环境，比如公众电话网、蜂窝移动网、无绳电话网、分组数据网和卫星移动通信网等。因此，面对这样复杂的综合系统，第二代系统的移动性管理功能及寻址技术就难以胜任。为保证移动终端跨网络通信和在不同的地区进行漫游，第三代移动通信除了依靠软切换与用户位置跟踪等技术外，还需要解决移动用户的管理问题，这就必须涉及到号码编号和寻址技术。由于大量的用户信息及业务信息存储于业务控制点的数据库内，而且对它们的访问存取和查询修改都十分频繁，所以，开发大规模的移动性管理系统软件，建立大容量的数据库和全球性的分布式数据库网络，以及研究快速有效的寻址方式，均是实现核心网过渡必需要解决的关键技术难题。
6.4.2 智能网技术的研究与应用
智能网技术与移动网相结合，可为终端及个人的移动性管理和多样化业务服务提供主体框架结构，将网络划分为传输功能和业务控制功能，使呼叫处理过程同呼叫业务种类无关，而且同呼叫处理的具体实施细节也无关。因此，随着核心网功能增强，智能网可灵活地添加和修改所提供的业务种类，达到网络升级的目的。比如，先利用智能网技术对现有网络做些修改，然后过渡到智能网中的数据库和第三代移动通信网中的多种数据库实现有机的结合，构成统一的分布式数据库网络，以提供多种智能业务。
6.4.3 地面网与卫星系统的综合
第三代移动通信网最终将是一个提供全球的无缝覆盖并能实现全球漫游通信的系统。实现全球无缝覆盖必然需要集卫星移动通信、地面蜂窝移动网和地面固定网于一体，这样才能真正形成海、陆、空三维覆盖的无缝网。卫星移动通信系统虽然只是地面蜂窝移动网和地面固定网的补充和延伸，而且用户数量也比后两者为少，但它却是实现无通信盲区与达到全球无缝覆盖的关键手段。因此，在第三代移动通信系统中，地面网络(移动和固定)与卫星系统的有效综合显得非常重要。需要研究的内容有：移动终端在各种环境下接入卫星系统的技术；卫星移动波束覆盖域内的越区切换技术；对在地面网和卫星系统间漫游用户的寻呼／连接控制技术等。此外，具有星上处理和星际链路交换功能的卫星移动通信系统更是值得重点研究的。
6.4.4 移动网和固定网的融合技术
第三代移动通信系统众多而又复杂的功能要求，使它几乎集中了通信领域中的所有难点，因此，整个系统不可能设想为一个单一的结构，而应该是由多个相关系统组成的综合网络。比如，第三代系统的接入网就包括无线接入、有线接入和卫星接入，其中无线接入与有线接入又可细分为不同的网络形式。可见，核心网既要能连接现有无线接入设备和新的无线接入设备，还要能支持访问PSTN、Internet、PSDN以及LAN的业务，所以，它需要有融合移动网和固定网的能力。为了达到移动网和固定网有效融合的目的，核心网中将有一个多功能交换平台。该交换平台可在不同的接入网与核心网间提供接口，用以支持移动用户和固定用户的接入，实现宽带无线接入网同电话网、数据网和IP网的互通［9，10］。由于ATM交换机可以进行电路和分组混合交换，并且具有通用的网络接口功能，所以，它是固定／移动混合网中最佳的多媒体交换平台。一些世界著名的大公司，如Lucent、Ericsson和NTT等已经进行基于ATM协议的核心网研究，在基站和移动交换中心之间，利用AAL2传送短时延与长度可变的语音和消息，利用AAL5传送信令和分组数据。事实上，ITU－T SG11／WP3工作组在IMT－2000有关RAN－CN接口的Q.FSA建议中，就要求第三代移动通信系统的A接口信令结构建立在ATM协议基础之上。
第三代核心网包括移动交换网和业务服务网；前者完成无线网同固定网的互通互连和终端移动性管理的功能，后者则向移动用户提供与固定用户所能获得的相同业务和服务质量。由于固定网可看作业务服务网，如Internet、IP数据网、ISDN和PSTN，故而核心网的演进主要是移动交换网功能的提升。因此，研究如何从第二代GSM核心网逐步平滑过渡到第三代IMT－2000核心网的途径具有重要的意义。
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