【摘 要】在論述LTE市場(chǎng)與網(wǎng)絡(luò)不同發(fā)展階段對(duì)頻譜的需求的基礎(chǔ)上，歸納研究了頻譜資源分配模式從行政審批向頻譜拍賣與頻譜二次交易模式的轉(zhuǎn)變。最終，在4G/LTE向5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)的前提下，提出基于博弈論的“可控與自治”相結(jié)合的頻譜管理模式。

【關(guān)鍵詞】4G/LTE 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng) 頻譜交易 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 可控自治

中圖分類號(hào)：F623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2014）-03-0009-04

4G/LTE的部署與商用以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和用戶的增加，催生了數(shù)據(jù)流量的急劇增長(zhǎng)，即使無線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)和創(chuàng)新也難以抵御數(shù)據(jù)洪流的沖擊，最終壓力必將傳導(dǎo)至無線電頻譜資源。因此，無論是在4G/LTE的部署期、成長(zhǎng)期，還是在未來向5G演進(jìn)的時(shí)代，有限的頻譜資源與巨大數(shù)據(jù)流量的矛盾是無法回避的。在此背景下，發(fā)達(dá)國家和相關(guān)國際組織紛紛將目光聚焦在頻譜資源管理模式的變革上，以尋求適應(yīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代頻譜資源高效利用的新路徑。

1 頻譜是LTE不同發(fā)展階段不可或缺的

基礎(chǔ)資源

愛立信發(fā)布移動(dòng)市場(chǎng)報(bào)告稱，預(yù)計(jì)到2019年，4G/LTE網(wǎng)絡(luò)將覆蓋全球近65%的人口。與此同時(shí)，智能手機(jī)流量從2013年到2019年將增加10倍，達(dá)到10艾字節(jié)（EB）；視頻流量每年增長(zhǎng)55%，占總數(shù)據(jù)量的比例過半。在中國，2014年全國工業(yè)和信息化工作會(huì)議上明確提出“支持4G加快發(fā)展，2014年底前4G商用城市超過300個(gè)，4G用戶超過3 000萬”的目標(biāo)?？梢灶A(yù)見，未來幾年中國將從2G/3G網(wǎng)絡(luò)迅速轉(zhuǎn)向4G網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2019年底，中國LTE用戶數(shù)將增加7億以上。2013年至2019年，預(yù)計(jì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年將以約45%的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，其對(duì)頻譜資源的需求首當(dāng)其沖。因此，各運(yùn)營(yíng)商對(duì)頻譜資源的爭(zhēng)奪將愈演愈烈。

以美國市場(chǎng)為例，運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)已整體進(jìn)入4G/LTE時(shí)代，在技術(shù)上沒有差距的情況下，各運(yùn)營(yíng)商之間的頻譜差距導(dǎo)致其市場(chǎng)表現(xiàn)相差甚遠(yuǎn)。AT&T的LTE頻譜包括700MHz頻段（2×10MHz）、AWS頻段（2×10MHz）和WCS頻段（2×10MHz），共計(jì)60MHz；Verizon的LTE頻譜包括700MHz 頻段（2×10MHz）和AWS頻段（2×20MHz）兩段共計(jì)60MHz。而Sprint的LTE只在PCS頻段（2×5MHz）總計(jì)10MHz的可用頻譜，在LTE的頻譜總量上與AT&T和Verizon相差甚遠(yuǎn)，因此Sprint用戶總數(shù)不斷下降，市場(chǎng)份額被蠶食。

據(jù)國家無線電監(jiān)測(cè)中心研究預(yù)測(cè)，到2020年，中國數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比2010年將增長(zhǎng)500～800倍，增長(zhǎng)率遠(yuǎn)超歐美及世界平均水平，中國IMT頻譜需求量將達(dá)1 240～1 710MHz。因此，可預(yù)見在我國4G發(fā)展的不同階段，頻譜資源的保障能力都將承受巨大的壓力。

2 LTE發(fā)展初期：以行政審批方式保障

頻譜資源的供給

2013年12月4日，我國發(fā)放了4G/TD-LTE牌照，同時(shí)以行政審批的方式，宣布了具體的頻譜分配結(jié)果：中國移動(dòng)獲得130MHz頻譜資源（1 880—1 900MHz、

2 320—2 370MHz、2 575—2 635MHz）；中國聯(lián)通獲得40MHz頻譜資源（2 300—2 320MHz、2 555—

2 575MHz）；中國電信獲得40MHz頻譜資源（2 370—

2 390MHz、2 635—2 655MHz）。

我國早在TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)之初，就分配了2.6GHz頻段中的50MHz頻率作為試驗(yàn)頻率。2012年10月，在全球LTE商用化的關(guān)鍵階段，我國無線電管理部門又新規(guī)劃了2.6GHz頻段的190MHz頻譜作為TDD的頻率資源，使TDD系統(tǒng)的規(guī)劃頻段總帶寬達(dá)到了345MHz，充分表明了我國發(fā)展TD-LTE技術(shù)的決心，也極大地提振了全球產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)對(duì)TD-LTE發(fā)展的信心。同時(shí)，為了滿足移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展對(duì)頻譜資源的需求，我國正在積極考慮將1.4GHz、3.5GHz頻段用于TDD的后續(xù)發(fā)展，并研究探討50GHz以上頻段用于滿足未來寬帶移動(dòng)通信發(fā)展的需求。

在發(fā)放4G/TD-LTE牌照的同時(shí)，我國也明確表示“將在條件成熟后，發(fā)放LTE FDD牌照”；因此預(yù)計(jì)在不久的時(shí)間內(nèi)，我國還將依據(jù)國際和國內(nèi)的情況，再以行政審批的方式明確FDD LTE的頻譜分配。按照3GPP的規(guī)劃，LTE FDD網(wǎng)絡(luò)分配頻譜主要集中在2.6GHz、1.8GHz和700MHz頻段。預(yù)計(jì)1.8GHz頻段將成為我國LTE FDD網(wǎng)絡(luò)的主流頻段，2.1GHz頻段成為補(bǔ)充頻段。目前，中國電信和中國聯(lián)通的LTE FDD試驗(yàn)網(wǎng)主要使用1.8GHz和2.1GHz的兩個(gè)頻段。由此可見，我國4G頻譜的規(guī)劃與分配是無線電管理部門經(jīng)過多年的頻譜規(guī)劃與相應(yīng)的技術(shù)研究、分析、試驗(yàn)和調(diào)整的結(jié)晶，也是參與國際頻率規(guī)劃與協(xié)調(diào)的結(jié)果。

經(jīng)國家無線電頻譜管理中心初步估算，上述以行政審批方式分配的4G頻譜，到2018年基本可滿足我國4G/LTE市場(chǎng)的需求，但是在局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的頻率資源緊張；同時(shí)，如果數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)超過預(yù)期，頻譜資源將出現(xiàn)全面緊張的狀況。

3 LTE成熟競(jìng)爭(zhēng)期：頻譜拍賣和二次交

易模式

4G/LTE度過網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化和市場(chǎng)布局的成長(zhǎng)期后，將進(jìn)入成熟期，頻譜資源的矛盾將越加顯現(xiàn)，以行政審批的方式分配頻譜將受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：行政審批頻譜不能體現(xiàn)頻譜資源的市場(chǎng)價(jià)值，使頻譜失去了調(diào)節(jié)4G/LTE市場(chǎng)的能力；技術(shù)進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)容易造成部分頻譜成為“沉沒”資源，降低了頻譜利用效率；極易形成頻譜資源為部門或行業(yè)所有的觀念，從而阻礙頻譜資源的重新規(guī)劃和再利用。因此，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的市場(chǎng)化配置迫在眉睫。工信部無線電管理局在2014年無線電管理工作展望中，提出按照中央關(guān)于加快完善現(xiàn)代市場(chǎng)體系的要求，正確處理政府和市場(chǎng)的關(guān)系，完善相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)部分市場(chǎng)化程度較高的頻段，著手研究通過拍賣、招標(biāo)、交易等方式配置資源。endprint

從上世紀(jì)90年代初開始，以美國為首的發(fā)達(dá)國家就開始商用頻譜市場(chǎng)化分配的探索，至今已形成頻譜拍賣與二次交易等非常成熟的分配模式。隨著4G/LTE的興起，許多國家都進(jìn)行了4G/LTE頻譜的拍賣，其特點(diǎn)如下：

一是提供多頻段的頻譜資源，如英國提供了800MHz和2.6GHz兩個(gè)頻段，奧地利則拍賣800MHz、900MHz和1.8GHz頻段共28區(qū)塊的頻譜，斯洛文尼亞拍賣1.8GHz和2.1GHz頻譜等；

二是選擇組合拍賣機(jī)制，即競(jìng)拍者對(duì)一系列不可拆分的頻譜組合出價(jià)。目前，英國、荷蘭、瑞士、丹麥、愛爾蘭、加拿大和奧地利等國都采取了組合拍賣機(jī)制；

三是明確投標(biāo)者的義務(wù)，如英國Ofcom規(guī)定競(jìng)得800MHz頻譜的投標(biāo)者將有義務(wù)在2017年底前為至少98%的人口提供室內(nèi)接收移動(dòng)寬帶服務(wù)。挪威通訊部規(guī)定拍得800MHz頻段牌照的運(yùn)營(yíng)商必須在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)98%的人口覆蓋率，下行帶寬至少達(dá)2Mbps；

四是保障不同投標(biāo)者頻譜資源的均等機(jī)會(huì)，如挪威通訊部對(duì)于已經(jīng)持有重要頻段的運(yùn)營(yíng)商，規(guī)定對(duì)其800MHz頻段的頻寬設(shè)有上限；

五是規(guī)定明確的頻譜有效期，如斯洛文尼亞監(jiān)管局規(guī)定拍賣1.8GHz的8個(gè)頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2016年1月3日，2.1GHz的2個(gè)頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2021年9月21日。

在頻譜拍賣后進(jìn)行二次交易是近年來興起的提高頻譜利用效率的重要方式。在美國為獲得更多的頻譜資源，不少運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了大規(guī)模的頻譜收購。2011年，AT&T申請(qǐng)收購T-Mobile USA，其主要的目的就是獲得T-Mobile擁有的AWS頻譜資源，從而為L(zhǎng)TE的大規(guī)模部署做好準(zhǔn)備。AT&T還以19億美元收購?fù)ǜ咄ü境钟械?00MHz頻譜中較低的D頻段和E頻段以及6MHz頻譜中較低的D頻段，以滿足iPhone等智能手機(jī)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求。另外，Sprint收購Clearwire，獲得超過100MHz全美范圍內(nèi)的TDD頻譜，加上原有的10MHz PCS頻譜，其在全美擁有了超過110MHz的可用頻譜，頻譜總量上相比AT&T和Verizon具有了明顯優(yōu)勢(shì)。

由上可見，我國在4G/LTE進(jìn)入成熟競(jìng)爭(zhēng)期后，頻譜資源與移動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展的矛盾顯現(xiàn)，為實(shí)行頻譜資源市場(chǎng)化分配提供了需求基礎(chǔ)，因此頻譜管理模式應(yīng)逐步從行政審批向頻譜拍賣機(jī)制轉(zhuǎn)變。

4 LTE向5G過渡期：自治與可控相結(jié)合

的頻譜共享模式

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在未來的十年內(nèi)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將有1 000倍的增長(zhǎng)，而4G/LTE網(wǎng)絡(luò)也將實(shí)現(xiàn)向5G網(wǎng)絡(luò)的過渡。5G的核心是異構(gòu)網(wǎng)的融合，指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術(shù)共存的背景下，立足于融合和協(xié)同，結(jié)合用戶行為和業(yè)務(wù)特征，引入先進(jìn)的無線資源管理算法和規(guī)劃理念，做到無線資源的異構(gòu)協(xié)同和異構(gòu)融合。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)面臨有限頻譜資源和爆發(fā)性流量的矛盾，其根本出路是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線電業(yè)務(wù)的頻譜共享。

為了支持頻譜共享，美國總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)（PCAST）提出了“頻譜高速公路計(jì)劃”。該“計(jì)劃”提出需要建立頻譜接入系統(tǒng)（SAS）作為信息和控制交換樞紐，并建立明確的規(guī)則來管理頻譜，當(dāng)設(shè)備收到禁止發(fā)射的信號(hào)時(shí)，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。但是，上述實(shí)現(xiàn)接入業(yè)務(wù)共享頻譜的設(shè)計(jì)，仍然是大一統(tǒng)的頻譜管控思維的延續(xù)，以SAS實(shí)現(xiàn)所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶的共享與有序接入幾無可能。因?yàn)閺念l譜管控架構(gòu)角度審視，頻譜資源的最優(yōu)配置需要實(shí)時(shí)地認(rèn)知電磁環(huán)境、用戶、業(yè)務(wù)、信道和網(wǎng)絡(luò)等信息，并匯集到SAS處理節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行全局統(tǒng)籌優(yōu)化。如此雖然能得到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下最優(yōu)的頻譜接入，卻需要傳遞和處理所有認(rèn)知信息，這意味著海量的信息收集、匯聚、處理和反饋，由此帶來的巨大運(yùn)算量也會(huì)使得SAS難以做出快速有效的響應(yīng)。因此，這種完全集中式的異構(gòu)動(dòng)態(tài)頻譜管控方式，其管控復(fù)雜度高，響應(yīng)遲緩，難以實(shí)現(xiàn)SAS設(shè)計(jì)的初衷。

而完全采用各異構(gòu)接入系統(tǒng)分布式頻譜接入優(yōu)化，則難以收斂到全局頻譜接入最優(yōu)的目標(biāo)。因?yàn)樵陬l譜共享環(huán)境中，所有用戶本質(zhì)上是對(duì)有限頻譜資源進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，這一矛盾在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中更為突出。理論上，無線系統(tǒng)可以通過本地信息，在競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)有利于本系統(tǒng)的頻譜資源共享；但由于缺乏全局觀，這種某一無線系統(tǒng)的頻譜“自治”通?？赡茉斐扇诸l譜資源的低效利用。

因此，基于全局非精確頻譜狀態(tài)信息的“控制”，結(jié)合基于本地異構(gòu)無線系統(tǒng)精確頻譜信息的“自治”，構(gòu)成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線接入情境下頻譜優(yōu)化配置的基本元素。博弈理論中提出了“可控與自治”的理論和方法，其框架形態(tài)如圖1所示：

其目標(biāo)是綜合考慮局部競(jìng)爭(zhēng)和全局優(yōu)化的優(yōu)缺點(diǎn)，通過受控博弈的手段，使得本地競(jìng)爭(zhēng)有序化，頻譜資源博弈向著全局最優(yōu)性能逼近，從而實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效、合理、公平配置和管理。

為適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多種無線業(yè)務(wù)接入的頻譜需求，“受控博弈，有序競(jìng)爭(zhēng)”的設(shè)計(jì)思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個(gè)子優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)基于子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的自治。同時(shí)，子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的代價(jià)則通過全局反饋的方式獲得，并由此實(shí)現(xiàn)全局的控制。代價(jià)的反饋量將決定實(shí)現(xiàn)接入頻譜的復(fù)雜度與全局性能最優(yōu)性之間的折中，使得局部達(dá)成的自治向整體頻譜資源配置最優(yōu)的方向逼近，從而實(shí)現(xiàn)局部分布式處理、交互信息量少、響應(yīng)迅速、逼近全局最優(yōu)的結(jié)果，見圖2：

“受控博弈，有序競(jìng)爭(zhēng)”的難點(diǎn)是控制機(jī)制的合理設(shè)計(jì)，特別是接入規(guī)則與懲罰措施系統(tǒng)和解析優(yōu)化方法。對(duì)頻譜資源而言，無論異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)宏觀層面的全局受控，還是微觀層面的本地自治，都需要接入總網(wǎng)與子網(wǎng)充分獲取、認(rèn)知、分析和學(xué)習(xí)頻譜、信道、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶等多維度狀態(tài)信息，其中有效認(rèn)知和學(xué)習(xí)是提升頻譜效率的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的認(rèn)知無線電的認(rèn)知主要停留在頻譜感知層面，即發(fā)掘和利用空閑頻率進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，對(duì)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率提升程度有限。因此，在異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，其感知升級(jí)到對(duì)于信息的發(fā)掘、認(rèn)知、理解和學(xué)習(xí)，帶來了認(rèn)知的新視角，即用戶位置、使用模式、業(yè)務(wù)種類等相關(guān)信息以及需求的異化，都有助于提升頻譜資源的使用效率。

5 結(jié)束語

保障頻譜的有效供給是4G/LTE不同發(fā)展階段的永恒主題，盡快從單一的頻譜行政審批模式向頻譜拍賣與交易，最終向異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下“控制與自治”相結(jié)合的頻譜管理模式轉(zhuǎn)型，是現(xiàn)代頻譜資源管理的有效路徑。

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從上世紀(jì)90年代初開始，以美國為首的發(fā)達(dá)國家就開始商用頻譜市場(chǎng)化分配的探索，至今已形成頻譜拍賣與二次交易等非常成熟的分配模式。隨著4G/LTE的興起，許多國家都進(jìn)行了4G/LTE頻譜的拍賣，其特點(diǎn)如下：

一是提供多頻段的頻譜資源，如英國提供了800MHz和2.6GHz兩個(gè)頻段，奧地利則拍賣800MHz、900MHz和1.8GHz頻段共28區(qū)塊的頻譜，斯洛文尼亞拍賣1.8GHz和2.1GHz頻譜等；

二是選擇組合拍賣機(jī)制，即競(jìng)拍者對(duì)一系列不可拆分的頻譜組合出價(jià)。目前，英國、荷蘭、瑞士、丹麥、愛爾蘭、加拿大和奧地利等國都采取了組合拍賣機(jī)制；

三是明確投標(biāo)者的義務(wù)，如英國Ofcom規(guī)定競(jìng)得800MHz頻譜的投標(biāo)者將有義務(wù)在2017年底前為至少98%的人口提供室內(nèi)接收移動(dòng)寬帶服務(wù)。挪威通訊部規(guī)定拍得800MHz頻段牌照的運(yùn)營(yíng)商必須在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)98%的人口覆蓋率，下行帶寬至少達(dá)2Mbps；

四是保障不同投標(biāo)者頻譜資源的均等機(jī)會(huì)，如挪威通訊部對(duì)于已經(jīng)持有重要頻段的運(yùn)營(yíng)商，規(guī)定對(duì)其800MHz頻段的頻寬設(shè)有上限；

五是規(guī)定明確的頻譜有效期，如斯洛文尼亞監(jiān)管局規(guī)定拍賣1.8GHz的8個(gè)頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2016年1月3日，2.1GHz的2個(gè)頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2021年9月21日。

在頻譜拍賣后進(jìn)行二次交易是近年來興起的提高頻譜利用效率的重要方式。在美國為獲得更多的頻譜資源，不少運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了大規(guī)模的頻譜收購。2011年，AT&T申請(qǐng)收購T-Mobile USA，其主要的目的就是獲得T-Mobile擁有的AWS頻譜資源，從而為L(zhǎng)TE的大規(guī)模部署做好準(zhǔn)備。AT&T還以19億美元收購?fù)ǜ咄ü境钟械?00MHz頻譜中較低的D頻段和E頻段以及6MHz頻譜中較低的D頻段，以滿足iPhone等智能手機(jī)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求。另外，Sprint收購Clearwire，獲得超過100MHz全美范圍內(nèi)的TDD頻譜，加上原有的10MHz PCS頻譜，其在全美擁有了超過110MHz的可用頻譜，頻譜總量上相比AT&T和Verizon具有了明顯優(yōu)勢(shì)。

由上可見，我國在4G/LTE進(jìn)入成熟競(jìng)爭(zhēng)期后，頻譜資源與移動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展的矛盾顯現(xiàn)，為實(shí)行頻譜資源市場(chǎng)化分配提供了需求基礎(chǔ)，因此頻譜管理模式應(yīng)逐步從行政審批向頻譜拍賣機(jī)制轉(zhuǎn)變。

4 LTE向5G過渡期：自治與可控相結(jié)合

的頻譜共享模式

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在未來的十年內(nèi)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將有1 000倍的增長(zhǎng)，而4G/LTE網(wǎng)絡(luò)也將實(shí)現(xiàn)向5G網(wǎng)絡(luò)的過渡。5G的核心是異構(gòu)網(wǎng)的融合，指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術(shù)共存的背景下，立足于融合和協(xié)同，結(jié)合用戶行為和業(yè)務(wù)特征，引入先進(jìn)的無線資源管理算法和規(guī)劃理念，做到無線資源的異構(gòu)協(xié)同和異構(gòu)融合。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)面臨有限頻譜資源和爆發(fā)性流量的矛盾，其根本出路是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線電業(yè)務(wù)的頻譜共享。

為了支持頻譜共享，美國總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)（PCAST）提出了“頻譜高速公路計(jì)劃”。該“計(jì)劃”提出需要建立頻譜接入系統(tǒng)（SAS）作為信息和控制交換樞紐，并建立明確的規(guī)則來管理頻譜，當(dāng)設(shè)備收到禁止發(fā)射的信號(hào)時(shí)，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。但是，上述實(shí)現(xiàn)接入業(yè)務(wù)共享頻譜的設(shè)計(jì)，仍然是大一統(tǒng)的頻譜管控思維的延續(xù)，以SAS實(shí)現(xiàn)所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶的共享與有序接入幾無可能。因?yàn)閺念l譜管控架構(gòu)角度審視，頻譜資源的最優(yōu)配置需要實(shí)時(shí)地認(rèn)知電磁環(huán)境、用戶、業(yè)務(wù)、信道和網(wǎng)絡(luò)等信息，并匯集到SAS處理節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行全局統(tǒng)籌優(yōu)化。如此雖然能得到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下最優(yōu)的頻譜接入，卻需要傳遞和處理所有認(rèn)知信息，這意味著海量的信息收集、匯聚、處理和反饋，由此帶來的巨大運(yùn)算量也會(huì)使得SAS難以做出快速有效的響應(yīng)。因此，這種完全集中式的異構(gòu)動(dòng)態(tài)頻譜管控方式，其管控復(fù)雜度高，響應(yīng)遲緩，難以實(shí)現(xiàn)SAS設(shè)計(jì)的初衷。

而完全采用各異構(gòu)接入系統(tǒng)分布式頻譜接入優(yōu)化，則難以收斂到全局頻譜接入最優(yōu)的目標(biāo)。因?yàn)樵陬l譜共享環(huán)境中，所有用戶本質(zhì)上是對(duì)有限頻譜資源進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，這一矛盾在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中更為突出。理論上，無線系統(tǒng)可以通過本地信息，在競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)有利于本系統(tǒng)的頻譜資源共享；但由于缺乏全局觀，這種某一無線系統(tǒng)的頻譜“自治”通常可能造成全局頻譜資源的低效利用。

因此，基于全局非精確頻譜狀態(tài)信息的“控制”，結(jié)合基于本地異構(gòu)無線系統(tǒng)精確頻譜信息的“自治”，構(gòu)成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線接入情境下頻譜優(yōu)化配置的基本元素。博弈理論中提出了“可控與自治”的理論和方法，其框架形態(tài)如圖1所示：

其目標(biāo)是綜合考慮局部競(jìng)爭(zhēng)和全局優(yōu)化的優(yōu)缺點(diǎn)，通過受控博弈的手段，使得本地競(jìng)爭(zhēng)有序化，頻譜資源博弈向著全局最優(yōu)性能逼近，從而實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效、合理、公平配置和管理。

為適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多種無線業(yè)務(wù)接入的頻譜需求，“受控博弈，有序競(jìng)爭(zhēng)”的設(shè)計(jì)思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個(gè)子優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)基于子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的自治。同時(shí)，子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的代價(jià)則通過全局反饋的方式獲得，并由此實(shí)現(xiàn)全局的控制。代價(jià)的反饋量將決定實(shí)現(xiàn)接入頻譜的復(fù)雜度與全局性能最優(yōu)性之間的折中，使得局部達(dá)成的自治向整體頻譜資源配置最優(yōu)的方向逼近，從而實(shí)現(xiàn)局部分布式處理、交互信息量少、響應(yīng)迅速、逼近全局最優(yōu)的結(jié)果，見圖2：

“受控博弈，有序競(jìng)爭(zhēng)”的難點(diǎn)是控制機(jī)制的合理設(shè)計(jì)，特別是接入規(guī)則與懲罰措施系統(tǒng)和解析優(yōu)化方法。對(duì)頻譜資源而言，無論異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)宏觀層面的全局受控，還是微觀層面的本地自治，都需要接入總網(wǎng)與子網(wǎng)充分獲取、認(rèn)知、分析和學(xué)習(xí)頻譜、信道、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶等多維度狀態(tài)信息，其中有效認(rèn)知和學(xué)習(xí)是提升頻譜效率的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的認(rèn)知無線電的認(rèn)知主要停留在頻譜感知層面，即發(fā)掘和利用空閑頻率進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，對(duì)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率提升程度有限。因此，在異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，其感知升級(jí)到對(duì)于信息的發(fā)掘、認(rèn)知、理解和學(xué)習(xí)，帶來了認(rèn)知的新視角，即用戶位置、使用模式、業(yè)務(wù)種類等相關(guān)信息以及需求的異化，都有助于提升頻譜資源的使用效率。

5 結(jié)束語

保障頻譜的有效供給是4G/LTE不同發(fā)展階段的永恒主題，盡快從單一的頻譜行政審批模式向頻譜拍賣與交易，最終向異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下“控制與自治”相結(jié)合的頻譜管理模式轉(zhuǎn)型，是現(xiàn)代頻譜資源管理的有效路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣均牧. Sprint引爆TD-LTE建網(wǎng)高潮 TDD頻譜漸成運(yùn)營(yíng)商眼中“金礦”[EB/OL]. （2013-11-11）. http：//www.c114.net/wireless/2935/a803845.html.

[2] 謝飛波. 推進(jìn)無線電管理改革發(fā)展新局面[N]. 人民郵電報(bào)， 2013-12-27.

[3] 項(xiàng)楚，陳妍. 歐洲各國紛紛舉行LTE頻譜拍賣會(huì)[N]. 人民郵電報(bào)， 2013-03-22.

[4] 孟娟. 5G關(guān)鍵技術(shù)研究方向[EB/OL]. （2013-07-22）. http：//network.51cto.com/art/201307/404179.htm.

[5] 張從武，胡堅(jiān)波. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢(shì)探討[J]. 信息通信技術(shù)， 2012（3）.

[6] 何廷潤(rùn)，李軍芳. 基于“可控與自治”相結(jié)合的電磁頻譜管控模式研究[A]. 國防通信技術(shù)委員會(huì). 中國通信學(xué)會(huì)國防通信技術(shù)委員會(huì)第九屆年會(huì)論文集[C]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2013： 53-55.endprint

從上世紀(jì)90年代初開始，以美國為首的發(fā)達(dá)國家就開始商用頻譜市場(chǎng)化分配的探索，至今已形成頻譜拍賣與二次交易等非常成熟的分配模式。隨著4G/LTE的興起，許多國家都進(jìn)行了4G/LTE頻譜的拍賣，其特點(diǎn)如下：

一是提供多頻段的頻譜資源，如英國提供了800MHz和2.6GHz兩個(gè)頻段，奧地利則拍賣800MHz、900MHz和1.8GHz頻段共28區(qū)塊的頻譜，斯洛文尼亞拍賣1.8GHz和2.1GHz頻譜等；

二是選擇組合拍賣機(jī)制，即競(jìng)拍者對(duì)一系列不可拆分的頻譜組合出價(jià)。目前，英國、荷蘭、瑞士、丹麥、愛爾蘭、加拿大和奧地利等國都采取了組合拍賣機(jī)制；

三是明確投標(biāo)者的義務(wù)，如英國Ofcom規(guī)定競(jìng)得800MHz頻譜的投標(biāo)者將有義務(wù)在2017年底前為至少98%的人口提供室內(nèi)接收移動(dòng)寬帶服務(wù)。挪威通訊部規(guī)定拍得800MHz頻段牌照的運(yùn)營(yíng)商必須在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)98%的人口覆蓋率，下行帶寬至少達(dá)2Mbps；

四是保障不同投標(biāo)者頻譜資源的均等機(jī)會(huì)，如挪威通訊部對(duì)于已經(jīng)持有重要頻段的運(yùn)營(yíng)商，規(guī)定對(duì)其800MHz頻段的頻寬設(shè)有上限；

五是規(guī)定明確的頻譜有效期，如斯洛文尼亞監(jiān)管局規(guī)定拍賣1.8GHz的8個(gè)頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2016年1月3日，2.1GHz的2個(gè)頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2021年9月21日。

在頻譜拍賣后進(jìn)行二次交易是近年來興起的提高頻譜利用效率的重要方式。在美國為獲得更多的頻譜資源，不少運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了大規(guī)模的頻譜收購。2011年，AT&T申請(qǐng)收購T-Mobile USA，其主要的目的就是獲得T-Mobile擁有的AWS頻譜資源，從而為L(zhǎng)TE的大規(guī)模部署做好準(zhǔn)備。AT&T還以19億美元收購?fù)ǜ咄ü境钟械?00MHz頻譜中較低的D頻段和E頻段以及6MHz頻譜中較低的D頻段，以滿足iPhone等智能手機(jī)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求。另外，Sprint收購Clearwire，獲得超過100MHz全美范圍內(nèi)的TDD頻譜，加上原有的10MHz PCS頻譜，其在全美擁有了超過110MHz的可用頻譜，頻譜總量上相比AT&T和Verizon具有了明顯優(yōu)勢(shì)。

由上可見，我國在4G/LTE進(jìn)入成熟競(jìng)爭(zhēng)期后，頻譜資源與移動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展的矛盾顯現(xiàn)，為實(shí)行頻譜資源市場(chǎng)化分配提供了需求基礎(chǔ)，因此頻譜管理模式應(yīng)逐步從行政審批向頻譜拍賣機(jī)制轉(zhuǎn)變。

4 LTE向5G過渡期：自治與可控相結(jié)合

的頻譜共享模式

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在未來的十年內(nèi)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將有1 000倍的增長(zhǎng)，而4G/LTE網(wǎng)絡(luò)也將實(shí)現(xiàn)向5G網(wǎng)絡(luò)的過渡。5G的核心是異構(gòu)網(wǎng)的融合，指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術(shù)共存的背景下，立足于融合和協(xié)同，結(jié)合用戶行為和業(yè)務(wù)特征，引入先進(jìn)的無線資源管理算法和規(guī)劃理念，做到無線資源的異構(gòu)協(xié)同和異構(gòu)融合。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)面臨有限頻譜資源和爆發(fā)性流量的矛盾，其根本出路是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中無線電業(yè)務(wù)的頻譜共享。

為了支持頻譜共享，美國總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)（PCAST）提出了“頻譜高速公路計(jì)劃”。該“計(jì)劃”提出需要建立頻譜接入系統(tǒng)（SAS）作為信息和控制交換樞紐，并建立明確的規(guī)則來管理頻譜，當(dāng)設(shè)備收到禁止發(fā)射的信號(hào)時(shí)，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。但是，上述實(shí)現(xiàn)接入業(yè)務(wù)共享頻譜的設(shè)計(jì)，仍然是大一統(tǒng)的頻譜管控思維的延續(xù)，以SAS實(shí)現(xiàn)所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶的共享與有序接入幾無可能。因?yàn)閺念l譜管控架構(gòu)角度審視，頻譜資源的最優(yōu)配置需要實(shí)時(shí)地認(rèn)知電磁環(huán)境、用戶、業(yè)務(wù)、信道和網(wǎng)絡(luò)等信息，并匯集到SAS處理節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行全局統(tǒng)籌優(yōu)化。如此雖然能得到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下最優(yōu)的頻譜接入，卻需要傳遞和處理所有認(rèn)知信息，這意味著海量的信息收集、匯聚、處理和反饋，由此帶來的巨大運(yùn)算量也會(huì)使得SAS難以做出快速有效的響應(yīng)。因此，這種完全集中式的異構(gòu)動(dòng)態(tài)頻譜管控方式，其管控復(fù)雜度高，響應(yīng)遲緩，難以實(shí)現(xiàn)SAS設(shè)計(jì)的初衷。

而完全采用各異構(gòu)接入系統(tǒng)分布式頻譜接入優(yōu)化，則難以收斂到全局頻譜接入最優(yōu)的目標(biāo)。因?yàn)樵陬l譜共享環(huán)境中，所有用戶本質(zhì)上是對(duì)有限頻譜資源進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，這一矛盾在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中更為突出。理論上，無線系統(tǒng)可以通過本地信息，在競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)有利于本系統(tǒng)的頻譜資源共享；但由于缺乏全局觀，這種某一無線系統(tǒng)的頻譜“自治”通?？赡茉斐扇诸l譜資源的低效利用。

因此，基于全局非精確頻譜狀態(tài)信息的“控制”，結(jié)合基于本地異構(gòu)無線系統(tǒng)精確頻譜信息的“自治”，構(gòu)成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線接入情境下頻譜優(yōu)化配置的基本元素。博弈理論中提出了“可控與自治”的理論和方法，其框架形態(tài)如圖1所示：

其目標(biāo)是綜合考慮局部競(jìng)爭(zhēng)和全局優(yōu)化的優(yōu)缺點(diǎn)，通過受控博弈的手段，使得本地競(jìng)爭(zhēng)有序化，頻譜資源博弈向著全局最優(yōu)性能逼近，從而實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效、合理、公平配置和管理。

為適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多種無線業(yè)務(wù)接入的頻譜需求，“受控博弈，有序競(jìng)爭(zhēng)”的設(shè)計(jì)思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個(gè)子優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)基于子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的自治。同時(shí)，子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的代價(jià)則通過全局反饋的方式獲得，并由此實(shí)現(xiàn)全局的控制。代價(jià)的反饋量將決定實(shí)現(xiàn)接入頻譜的復(fù)雜度與全局性能最優(yōu)性之間的折中，使得局部達(dá)成的自治向整體頻譜資源配置最優(yōu)的方向逼近，從而實(shí)現(xiàn)局部分布式處理、交互信息量少、響應(yīng)迅速、逼近全局最優(yōu)的結(jié)果，見圖2：

“受控博弈，有序競(jìng)爭(zhēng)”的難點(diǎn)是控制機(jī)制的合理設(shè)計(jì)，特別是接入規(guī)則與懲罰措施系統(tǒng)和解析優(yōu)化方法。對(duì)頻譜資源而言，無論異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)宏觀層面的全局受控，還是微觀層面的本地自治，都需要接入總網(wǎng)與子網(wǎng)充分獲取、認(rèn)知、分析和學(xué)習(xí)頻譜、信道、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、用戶等多維度狀態(tài)信息，其中有效認(rèn)知和學(xué)習(xí)是提升頻譜效率的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的認(rèn)知無線電的認(rèn)知主要停留在頻譜感知層面，即發(fā)掘和利用空閑頻率進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，對(duì)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率提升程度有限。因此，在異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，其感知升級(jí)到對(duì)于信息的發(fā)掘、認(rèn)知、理解和學(xué)習(xí)，帶來了認(rèn)知的新視角，即用戶位置、使用模式、業(yè)務(wù)種類等相關(guān)信息以及需求的異化，都有助于提升頻譜資源的使用效率。

5 結(jié)束語

保障頻譜的有效供給是4G/LTE不同發(fā)展階段的永恒主題，盡快從單一的頻譜行政審批模式向頻譜拍賣與交易，最終向異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下“控制與自治”相結(jié)合的頻譜管理模式轉(zhuǎn)型，是現(xiàn)代頻譜資源管理的有效路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣均牧. Sprint引爆TD-LTE建網(wǎng)高潮 TDD頻譜漸成運(yùn)營(yíng)商眼中“金礦”[EB/OL]. （2013-11-11）. http：//www.c114.net/wireless/2935/a803845.html.

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[3] 項(xiàng)楚，陳妍. 歐洲各國紛紛舉行LTE頻譜拍賣會(huì)[N]. 人民郵電報(bào)， 2013-03-22.

[4] 孟娟. 5G關(guān)鍵技術(shù)研究方向[EB/OL]. （2013-07-22）. http：//network.51cto.com/art/201307/404179.htm.

[5] 張從武，胡堅(jiān)波. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢(shì)探討[J]. 信息通信技術(shù)， 2012（3）.

[6] 何廷潤(rùn)，李軍芳. 基于“可控與自治”相結(jié)合的電磁頻譜管控模式研究[A]. 國防通信技術(shù)委員會(huì). 中國通信學(xué)會(huì)國防通信技術(shù)委員會(huì)第九屆年會(huì)論文集[C]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2013： 53-55.endprint