1.2 无线电频谱资源的基本属性与特征

目前各国关于无线电频谱的定义有如下几种：

“无线电频谱是指国际电信联盟规定之内的，可以用于无线电电子设备或者高频设备操作的无线电频率组合。”

“无线电频谱是指适合无线电通信用的频率范围。”

“电磁场产生的波在空间以不同的频率传播（电磁场变化的速率或次数被定义为频率，其单位为赫兹，即每秒次数），这些频率的集合统称为电磁频谱。从3kHz到3000GHz的频率又称为无线电频谱。”

“无线电频谱是无线电波的全部频率范围，是电磁频谱中3000GHz以下的部分。”

虽然各国对无线电频谱中频率起止范围还有不同的规定，但对于无线电频谱的定义有一点是一致的，即无线电频谱是无线电频率的组合。

下面让我们来深入了解无线电频谱资源的属性与特性。无线电频谱的物理属性决定了其传播及收发的方式，进而决定了其应用模式；无线电频谱的经济属性决定了其在行业中的应用，无线电频谱资源与行业间逐步形成共赢关系的商业模式，从而能够产生巨大的经济效益。

1.2.1 无线电频谱的基本特性

所有的无线电业务都离不开无线电频率，就像车辆必须行驶在道路上。无线电波是自然界存在的一种电磁波，是一种物质，是一种各国可均等获得的看不见、摸不着的自然资源，它具有以下六种特性：

第一，有限性。尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进行频率的复用，但就某一频段和频率来讲，在一定的区域、一定的时间和一定的条件下使用频率是有限的。

第二，排他性。无线电频谱资源与其他资源具有共同的属性，即排他性，在一定的时间、地区和频域内，一旦被使用，其他设备是不能再使用的。

第三，复用性。虽然无线电频谱具有排他性，但在一定的时间、地区、频域和编码条件下，无线电频率是可以重复使用和利用的，即不同无线电业务和设备可以频率复用和共用。

第四，非耗竭性。无线电频谱资源不同于矿产、森林等资源，它是可以被人类利用的，但不会被消耗掉。

第五，固有的传播特性。无线电波按照一定的规律传播，不受行政地域的限制，传播既无省界也无国界。

第六，易污染性。如果无线电频率使用不当，就会受到其他无线电台、自然噪声和人为噪声的干扰而无法正常工作，或者干扰其他无线电台站，使其不能正常工作。

1.2.2 无线电频谱的物理属性

无线电波定义为频率在3000GHz以下，不用人工波导而在空间传播的电磁波。作为传输载体的无线电波都具有一定的频率和波长，即位于无线电频谱中的一定位置，并占据一定的宽度。以下将从无线电波的传播及波段划分两个维度，说明无线电频谱的物理属性。

1.2.2.1 无线电波的传播

1.无线电波的传播方式

发射天线或自然源辐射的无线电波，通过介质或受到介质分界面的影响，而到达接收天线的过程，称为无线电波传播。

根据何种介质或何种介质分界面对电波传播产生的主要影响，可将通常遇到的电波传播方式分为：

• 地波传播（电波传播主要受地球表面影响）。
• 对流层电波传播（电波传播主要受对流层影响）。电离层电波传播（电波传播主要受电离层影响）。
• 地—电离层波导电波传播（电波传播主要受电离层下缘和地面的影响，此外还有埋地天线、地壳中电波传播、火箭喷焰、再入等离子体鞘套和核爆炸等影响）。

2.无线电波的传播特性

由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会像“1+1=2”那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小。可见，地面反射的存在，使得信号强度的空间分布变得相当复杂。

实际测量指出：在一定的距离Ri之内，信号强度随距离或天线高度的增加都会发生变化；在一定的距离Ri之外，随距离的增加或天线高度的减少，信号强度将单调下降。理论计算给出了Ri和天线高度HT与HR的关系式：

Ri=（4×HT×HR）/L，L是波长，Ri必须小于极限直视距离Rmax

其中，HT为发射天线的高度，HR为接收天线的高度。

①电波的多径传播

在超短波和微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物（例如楼房、高大建筑物或山丘等）对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（从广义上讲，地面反射波也应包括在内），这种现象称为多径传播。

由于多径传播，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传播的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。应尽量克服多径传播效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

②电波的绕射传播

在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象称为电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度，不仅与建筑物的高度有关，与接收天线和建筑物之间的距离有关，还与频率有关。例如有一个建筑物，其高度为10m，在建筑物后面距离200m处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100m处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，如上所述，减弱程度还与信号频率有关，对于216～223MHz的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16dB，对于670MHz的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB。如果建筑物高度增加到50m，则在距建筑物1000m以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高，接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮，接收天线与建筑物越远，信号强度与通信质量受影响程度越小。

因此，选择基站场地及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播产生影响的各种因素。

③无线电波的产生与发射

产生无线电波必须先产生高频电磁振荡，就是产生“载波”，然后把欲传递的信息加上去，这个过程称为“调制”。之后，还需经过功率放大，配置适当的馈线、天线，才能形成载息无线电波，从而向空中发射出去。

例如，无线电广播所传递的信息是语言和音乐，就是声音信号，是频率自数十赫至数千赫的机械振动。因此，首先必须把这种机械振动转换为相应的低频电振动（音频信号），话筒就起着这一作用。但是，上述的低频范围所对应的波长大约从十几公里到几千公里，要制造出能辐射这种波长的电磁波的天线，是不可能的。因此无线电通信就采用高频电磁波传递信号，由它将低频信号携带到空间去。

高频振荡器产生等幅的正弦波振荡，这个正弦波振荡是连续的。

在调制器中，音频信号控制高频振荡信号的某一参数，或幅度，或频率，或初始相位，来实现调制的目的。

高频载波的幅度被调制，称为调幅；当频率被调制时，称为调频；如果调制的是初始相位，则称为调相。这种经过调制的高频载波称为已调振荡或已调波，载波频率称为载频或射频。

发射机主要技术参数如下：

• 载波频率f0：如浙江广播电台810kHz、交通之声89.7MHz等。
• 调制方式：AM，FM，PM，SSB（单边带）等。
• 发射功率：发射功率越大，传播距离越远。

1.2.2.2 无线电频谱的波段划分

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个到第12个频段。无线电频谱和波段的划分如表1-1所示。

表1-1 无线电频谱和波段划分

按照无线电波的波长划分，各个波段的传播特点如下。

1.超低频与特低频电波传播

频率从30Hz到300Hz（波长从10000km到1000km）的无线电波称为超低频无线电波，又称为超长波。频率从300Hz到3000Hz（波长从1000km到100km）的无线电波称为特低频无线电波，又称音频无线电波。

这两个频段的主要特点是：由于频率低，在海水中的衰减比其他频段都小，故透入海水最深，但是天线很大，设备很昂贵。音频电波可用于水下核潜艇的指挥通信；利用雷电辐射的音频电波，可以研究电离层与外层空间的结构。

2.甚低频电波传播

频率从3kHz到30kHz（波长从100km到10km）的无线电波称为甚低频无线电波或甚长波。

此频段的优点是：

• 传播衰减小，作用距离远甚至达到全球；
• 传播相位较稳定，且有良好的可预测性；
• 受电离层扰动的影响小，传播情况稳定；
• 透入海水能力较强。

此频段的缺点是：

• 因频率低，数据率比较低，通常约每分钟15～60字节；
• 大气噪声干扰大；
• 需要较大的发射天线，设备较贵。

甚低频广泛应用于远距离的可靠通信（这时数据率低不是主要的，而可靠性是主要的），还应用于远距甚至全球的无线电导航、标准频率和时间信号的广播、对水下潜艇的通信等，同时也可用于低电离层研究和雷爆定位等。

3.低频电波传播

频率为30～300kHz（波长从10km到1km）的无线电波称为低频无线电波或长波。此波段主要用于远距离精密无线电导航，标准频率与时间信号的广播、可靠通信、低电离层的研究等。

4.中频电波传播

频率为300kHz～3MHz（波长从1000m到100m）的无线电波称为中频无线电波或中波，主要用于近距离广播与无线电导航，535～1605kHz是国际规定的中波广播段，还可利用其交叉调制效应研究低电离层。

5.高频电波传播

频率为3Hz～30MHz（波长从100m到10m）的无线电波称为高频无线电波，又称短波。此波段的优点：相对长、中波段而言，得到相同传输效果，其发射功率较小，设备较简单，成本较低。电波经电离层反射或电离层地面间多次反射，可实现远距离（数千公里到上万公里）的通信。

短波广泛应用于各种距离的定点通信、国际通信及广播、船岸间的航海移动通信和飞机地面间的航空移动通信等。

车载移动电台和军用战术小型电台也有用短波的地波传播方式通信的，因为短波段的地波随距离增大而衰减很快，故只用于近距离通信。

但是短波也有通信不稳定、电台过分拥挤、互相干扰严重等缺点。

6.甚高频电波传播

频率为30～300MHz（波长从10m到1m）的无线电波称为甚高频无线电波，又称米波或超短波。这一频段主要应用于调频广播、电视广播、陆上移动通信、航空移动通信、海上移动通信、定点散射通信、雷达、射电天文学等方面。

7.微波传播

频率为300MHz～300GHz（波长从10dm到1mm）的无线电波（即分米波、厘米波及毫米波）称为微波。微波具有波束很窄、频率很高等特点，因而应用的范围很广，如用于定点及移动通信、导航、雷达定位测速、卫星通信、中继通信、气象及天文学方面等。

1.2.3 无线电频谱的经济属性

1.2.3.1 无线电频谱所有权属性

《中华人民共和国物权法》（以下简称《物权法》）作为调整平等主体之间财产归属和利用关系的重要法律规范和调整社会主义市场经济关系的基本法律，是构建社会主义和谐社会的重要保障。《物权法》第五章“国家所有权和集体所有权、私人所有权”中第五十条明确规定：“无线电频谱资源属于国家所有。”

《物权法》明确了无线电频谱资源属于国家所有，这是我国首次在法律中明确规定无线电频谱资源的国有属性。《物权法》是加强我国无线电管理工作的重要法律依据，对国家进一步加强无线电频谱资源集中统一管理有着十分重大的意义。

1.2.3.2 无线电频谱经济资源属性

1.经济物品

从经济学的角度来看可以把与人类生存和发展息息相关的物品分为三类，即自由物品、经济物品和有害物品。

自由物品是指经济学中那些不需要付出任何代价就能够得到的有用物品，如阳光、空气等。这类物品的基本特点是“取之不尽，用之不竭”，对人类有用而且价格为零，即买方不用花费任何代价，卖方也得不到任何好处，因此通常不存在供求双方形成的买卖市场。在日常生活中，没有人愿意为呼吸的空气付给其他经济主体报酬，也是这个道理。

经济物品又称稀缺物品，是指人类必须付出相应代价才能得到的有用物品，如房子、汽车，粮食等，社会各行各业利用频谱的各种设备、服务也是经济物品，例如卫星、雷达、通信服务等。这类物品的共同特点是有一定的市场价格，即必须借助生产资源通过人类加工出来的物品。

经济物品的第一个特点是有用性。第二个特点是人们获得时通常都要花费代价。第三个特点是经济物品相对于自由物品来说一定是稀缺的。人的欲望是无限的，但是人类面临的经济物品是有限的，这两者构成了一对矛盾，即经济物品的稀缺性。第四个特点是价格为正，价格为正的物品在市场交易时，通常是买方向卖方支付代价。

有害物品是指人类必须付出相应代价才能够消除的物品，它来源于人们的经济活动或其他活动，或是大自然的力量留下来的灾害，如垃圾、尘垢和汽车尾气等。

2.经济资源

经济资源又称稀缺资源或生产要素，是指那些用于生产商品或劳务所必须投入的物品。一般而言，人类在物质产品的生产活动中，需要投入经济资源。例如，在汽车的生产过程中，需要投入资本、设备、劳动力、土地等自然资源，还要投入企业家的经营管理才能、知识和技术，以及公共产品等，这些经济资源或生产要素通常是不可缺少的。

3.无线电频谱经济资源属性

频谱作为一种自然资源，如果未经人类开发，就不具有使用价值，对社会就没有有用性，这时的频谱是一种潜在的经济资源。例如，从定义上讲，电磁频谱中3000GHz以下的部分称为无线电频谱。但是目前人类已开发的频谱集中在300GHz以下，还有相当数量的频谱没有被开发，这部分频谱就是潜在的经济资源，现在对社会还没有产生价值。

已被人类利用的频谱中，例如4～6GHz，在未被人类开发之前，也是不具有使用价值的潜在经济资源。这是因为，在一定的劳动力投入、资本投入、知识和卫星通信技术投入下，4～6GHz被开发成为可用的卫星通信频段，纳入了人类社会经济体系中，才成为具有使用价值的现实经济资源。这时的频谱，依附在有形的物质载体——通信卫星之上，为人类社会提供卫星通信服务和电视节目传输服务，对于人类社会而言才具有有用性。如图1-2所示。

1.2.3.3 无线电频谱的稀缺性

每个经济社会都面临很多经济问题，但西方经济学认为，任何社会，不论它的社会经济制度如何，也不论它处在什么年代，其经济问题都源于一个基本的经济事实或矛盾，即人类欲望的无限性和满足欲望的资源的稀缺性，这一矛盾也是经济学产生的根源。经济物品和经济资源是有限的，而人类的欲望是无限的，有限的经济物品和经济资源总是难以满足无限产生和膨胀的人类欲望，这一矛盾就是经济学中通常所说的稀缺性，是指相对于人类欲望的无限性来说，再多的物品和资源也是不足的。

由前面的定义可知，只有经济物品才存在稀缺性，自由物品不存在稀缺性，有害物品也无须谈什么稀缺性。一方面，一个企业不可能像得到自由物品那样无偿得到无限的资本、劳动力、自然资源、企业家才能、知识和公共产品，因为这些有限资源的取得都必须付出相应的代价。另一方面，人类对物质产品、精神产品等经济物品需要的无限性又决定了对生产这些经济物品的经济资源需要的无限性。因此，任何社会都一样，必须做出选择，把有限的经济资源应用到最能发挥作用的方面去。

对于频谱而言，它是一种非常重要的经济资源，必然具备有用性和稀缺性，有用性是资源之所以为资源的依据，稀缺性是经济资源之所以为经济资源的前提，而能否认识和利用这种稀缺的有用性则尚需依赖于一定的知识、技术和经济条件。

频谱稀缺性产生的一个重要原因是频谱开发技术的不成熟。一方面由于现有的频谱利用技术未能将所有频段开发，为人类所用，导致有相当数量的频段还处于经济资源的潜在形态，闲置而未利用，造成了现有频谱资源总体数量上的紧张；另一方面是现有利用技术未能高效利用所拥有的频段，导致出现一些频段内无线电业务拥挤繁忙，而另一些有利用价值的频段由于缺乏在规定时间和地点内的真正利用而常常处于闲置状态，造成了频谱某种意义上的相对稀缺性。在无线电频谱资源十分珍贵的今天，挖掘利用频谱的“灰色频段”或未使用的专用频谱，提高无线电技术利用频谱的效率，应当提到议事日程上。

频谱稀缺性产生的另一个重要原因是社会各行业对无线电频谱利用的需求猛增。由于无线电频谱所蕴含的巨大社会价值和经济价值，以及各种无线电新技术、新业务在社会经济和人民生活中的广泛应用，社会对无线电频谱资源的需求日益增长。一方面，各种传统的无线电业务，如短波通信、微波通信、广播业务、无线数据通信系统等，依然对无线电频谱资源有着很大的需求；另一方面，各种新兴无线电业务，如3G、数字集群通信、WiFi、UWB等不断涌现。无线电业务已经普及到了社会生活的各个方面、各个层次和各个领域，无线电运营市场出现空前繁荣的景象，无线电通信产业在信息产业中已经占据主导地位，加速了我国信息化的进程。以上这些都导致了对无线电频谱资源更多的需求，从而使得无线电频谱这一有限的自然资源变得越来越紧张，频谱资源稀缺而无线电应用需求巨大，频谱需求和供应之间矛盾日益突出。

1.2.3.4 无线电频谱的选择与机会成本

经济资源的稀缺性衍生出一个重要的经济学概念：选择（choice）。选择与稀缺性是一对孪生概念，反映了一个问题的两个方面。频谱是稀缺的，那么就必须做出选择：有限的频谱应该如何利用，是用来做通信服务，还是用来做气象服务？这些都是经济活动中的选择问题。

选择具有广泛存在性，选择是稀缺性的必然结果，稀缺性是选择的直接原因。可以说，没有经济资源和经济物品的稀缺性，就根本不会存在选择；反过来，没有选择余地的稀缺性，同样没有任何意义。

在经济学上，选择是指把稀缺的经济资源从多种用途中挑选一种或几种加以利用的过程。机会成本（opportunity costs）又称选择成本。一种经济资源被选择了特定用途时，必然要放弃其他用途，在放弃的其他用途中，可能给选择者带来的最大收益就是选择这种特定用途的机会成本。

对频谱而言，某些频段需求旺盛，需要多个潜在频谱用户进行相互竞争来获得频谱资源的使用权；而在某些频段，由于是某种专门的应用，可能并不需要竞争。市场机制下的频谱分配策略就是要将频谱资源分配给能够给社会带来最大经济利益的频谱用户。

例如，对于698～806/862MHz（统称700MHz）频段而言，电视数字化后，700MHz频段中的频率可实现更佳的覆盖和楼内穿透性，同时运营商也迫切需要为广大农村地区提供覆盖连接，因此在国际上该频段被称为“数字红利”。该频段就牵涉到国家广播电影电视总局（以下简称广电）与中国移动通信运营商之间的利益纠葛。

一方面，中国移动在多种场合表示希望政府主管部门在低频段（450～470MHz和698～806MHz频段）中增加更多可用于时分多址（TDD）的频谱，并形成频率规划建议提交国际电信联盟，以促进形成有利于TDD发展的正式频率规划。

另一方面，目前广电部门具有470～806MHz广播电视频率的规划权、分配权及使用权。虽然表态计划在2015年完成电视模数转换后，将部分700MHz频段让给无线宽带使用，但随后也明确表示，未来电视频道还要进一步细分，频道数的增加会对频率资源提出新的需求，而移动多媒体广播、高清电视、车载移动电视等新业务对无线电频率也有新的需求。可见，以电视数字化而节省的频率用于支持电信的宽带移动应用，还面临着一些困难。

这里就存在着政府的选择。对于热门频段700MHz，政府应该怎样抉择，从而以最小的选择机会成本为社会带来最大的利益？政府主管部门需要在权衡各种利弊之后才能做出决断。