試論LTE不同發(fā)展階段頻譜管理模式的變革

【摘 要】在論述LTE市場與網(wǎng)絡(luò)不同發(fā)展階段對頻譜的需求的基礎(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：F623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0009-04

4G/LTE的部署與商用以及移動互聯(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，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、成長期，還是在未來向5G演進(jìn)的時代，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)移動互聯(lián)網(wǎng)時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)布移動市場報告稱，預(yù)計到2019年，4G/LTE網(wǎng)絡(luò)將覆蓋全球近65%的人口。與此同時，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，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)計移動數(shù)據(jù)流量每年將以約45%的增長率增長，其對頻譜資源的需求首當(dāng)其沖。因此，各運營商對頻譜資源的爭奪將愈演愈烈。

以美國市場為例，運營商現(xiàn)已整體進(jìn)入4G/LTE時代，在技術(shù)上沒有差距的情況下，各運營商之間的頻譜差距導(dǎo)致其市場表現(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60MHz；Verizon的LTE頻譜包括700MHz 頻段（2×10MHz）和AWS頻段（2×20MHz）兩段共計60MHz。而Sprint的LTE只在PCS頻段（2×5MHz）總計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，市場份額被蠶食。

據(jù)國家無線電監(jiān)測中心研究預(yù)測，到2020年，中國數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比2010年將增長500～800倍，增長率遠(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)試驗之初，就分配了2.6GHz頻段中的50MHz頻率作為試驗頻率。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)和市場對TD-LTE發(fā)展的信心。同時，為了滿足移動通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展對頻譜資源的需求，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通信發(fā)展的需求。

在發(fā)放4G/TD-LTE牌照的同時，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)計在不久的時間內(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頻段成為補充頻段。目前，中國電信和中國聯(lián)通的LTE FDD試驗網(wǎng)主要使用1.8GHz和2.1GHz的兩個頻段。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市場的需求，但是在局部區(qū)域會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的頻率資源緊張；同時，如果數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長超過預(yù)期，頻譜資源將出現(xiàn)全面緊張的狀況。

3 LTE成熟競爭期：頻譜拍賣和二次交

易模式

4G/LTE度過網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化和市場布局的成長期后，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)頻譜資源的市場價值，使頻譜失去了調(diào)節(jié)4G/LTE市場的能力；技術(shù)進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)升級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，實現(xiàn)頻譜資源的市場化配置迫在眉睫。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)代市場體系的要求，正確處理政府和市場的關(guān)系，完善相關(guān)法律法規(guī)，對部分市場化程度較高的頻段，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，即競拍者對一系列不可拆分的頻譜組合出價。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)接收移動寬帶服務(wù)。挪威通訊部規(guī)定拍得800MHz頻段牌照的運營商必須在5年內(nèi)實現(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，如挪威通訊部對于已經(jīng)持有重要頻段的運營商，規(guī)定對其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個頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2016年1月3日，2.1GHz的2個頻寬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，不少運營商進(jìn)行了大規(guī)模的頻譜收購。2011年，AT&T申請收購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LTE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)對移動數(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。

由上可見，我國在4G/LTE進(jìn)入成熟競爭期后，頻譜資源與移動市場發(fā)展的矛盾顯現(xiàn)，為實行頻譜資源市場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，在未來的十年內(nèi)，移動數(shù)據(jù)流量將有1 000倍的增長，而4G/LTE網(wǎng)絡(luò)也將實現(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（PCAST）提出了“頻譜高速公路計劃”。該“計劃”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)射的信號時，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。但是，上述實現(xiàn)接入業(yè)務(wù)共享頻譜的設(shè)計，仍然是大一統(tǒng)的頻譜管控思維的延續(xù)，以SAS實現(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。因為從頻譜管控架構(gòu)角度審視，頻譜資源的最優(yōu)配置需要實時地認(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，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，由此帶來的巨大運算量也會使得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)動態(tài)頻譜管控方式，其管控復(fù)雜度高，響應(yīng)遲緩，難以實現(xiàn)SAS設(shè)計的初衷。

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)。因為在頻譜共享環(huán)境中，所有用戶本質(zhì)上是對有限頻譜資源進(jìn)行競爭的關(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，在競爭中實現(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)是綜合考慮局部競爭和全局優(yōu)化的優(yōu)缺點，通過受控博弈的手段，使得本地競爭有序化，頻譜資源博弈向著全局最優(yōu)性能逼近，從而實現(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，有序競爭”的設(shè)計思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個子優(yōu)化問題，實現(xiàn)基于子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的自治。同時，子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的代價則通過全局反饋的方式獲得，并由此實現(xiàn)全局的控制。代價的反饋量將決定實現(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，有序競爭”的難點是控制機(jī)制的合理設(shè)計，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，其感知升級到對于信息的發(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)：

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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，即競拍者對一系列不可拆分的頻譜組合出價。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)接收移動寬帶服務(wù)。挪威通訊部規(guī)定拍得800MHz頻段牌照的運營商必須在5年內(nèi)實現(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，如挪威通訊部對于已經(jīng)持有重要頻段的運營商，規(guī)定對其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個頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2016年1月3日，2.1GHz的2個頻寬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，不少運營商進(jìn)行了大規(guī)模的頻譜收購。2011年，AT&T申請收購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LTE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)對移動數(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。

由上可見，我國在4G/LTE進(jìn)入成熟競爭期后，頻譜資源與移動市場發(fā)展的矛盾顯現(xiàn)，為實行頻譜資源市場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，在未來的十年內(nèi)，移動數(shù)據(jù)流量將有1 000倍的增長，而4G/LTE網(wǎng)絡(luò)也將實現(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（PCAST）提出了“頻譜高速公路計劃”。該“計劃”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)射的信號時，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。但是，上述實現(xiàn)接入業(yè)務(wù)共享頻譜的設(shè)計，仍然是大一統(tǒng)的頻譜管控思維的延續(xù)，以SAS實現(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。因為從頻譜管控架構(gòu)角度審視，頻譜資源的最優(yōu)配置需要實時地認(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，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，由此帶來的巨大運算量也會使得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)動態(tài)頻譜管控方式，其管控復(fù)雜度高，響應(yīng)遲緩，難以實現(xiàn)SAS設(shè)計的初衷。

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)。因為在頻譜共享環(huán)境中，所有用戶本質(zhì)上是對有限頻譜資源進(jìn)行競爭的關(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，在競爭中實現(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)是綜合考慮局部競爭和全局優(yōu)化的優(yōu)缺點，通過受控博弈的手段，使得本地競爭有序化，頻譜資源博弈向著全局最優(yōu)性能逼近，從而實現(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，有序競爭”的設(shè)計思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個子優(yōu)化問題，實現(xiàn)基于子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的自治。同時，子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的代價則通過全局反饋的方式獲得，并由此實現(xiàn)全局的控制。代價的反饋量將決定實現(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，有序競爭”的難點是控制機(jī)制的合理設(shè)計，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，其感知升級到對于信息的發(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頻譜漸成運營商眼中“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， 2013-12-27.

[3] 項楚，陳妍. 歐洲各國紛紛舉行LTE頻譜拍賣會[N]. 人民郵電報， 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，胡堅波. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢探討[J]. 信息通信技術(shù)， 2012（3）.

[6] 何廷潤，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. 中國通信學(xué)會國防通信技術(shù)委員會第九屆年會論文集[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，即競拍者對一系列不可拆分的頻譜組合出價。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)接收移動寬帶服務(wù)。挪威通訊部規(guī)定拍得800MHz頻段牌照的運營商必須在5年內(nèi)實現(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，如挪威通訊部對于已經(jīng)持有重要頻段的運營商，規(guī)定對其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個頻寬2×5MHz的子頻段，有效期至2016年1月3日，2.1GHz的2個頻寬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，不少運營商進(jìn)行了大規(guī)模的頻譜收購。2011年，AT&T申請收購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LTE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)對移動數(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。

由上可見，我國在4G/LTE進(jìn)入成熟競爭期后，頻譜資源與移動市場發(fā)展的矛盾顯現(xiàn)，為實行頻譜資源市場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，在未來的十年內(nèi)，移動數(shù)據(jù)流量將有1 000倍的增長，而4G/LTE網(wǎng)絡(luò)也將實現(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（PCAST）提出了“頻譜高速公路計劃”。該“計劃”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)射的信號時，必須有能力立即關(guān)閉其射頻發(fā)射。但是，上述實現(xiàn)接入業(yè)務(wù)共享頻譜的設(shè)計，仍然是大一統(tǒng)的頻譜管控思維的延續(xù)，以SAS實現(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。因為從頻譜管控架構(gòu)角度審視，頻譜資源的最優(yōu)配置需要實時地認(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，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，由此帶來的巨大運算量也會使得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)動態(tài)頻譜管控方式，其管控復(fù)雜度高，響應(yīng)遲緩，難以實現(xiàn)SAS設(shè)計的初衷。

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)。因為在頻譜共享環(huán)境中，所有用戶本質(zhì)上是對有限頻譜資源進(jìn)行競爭的關(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，在競爭中實現(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)是綜合考慮局部競爭和全局優(yōu)化的優(yōu)缺點，通過受控博弈的手段，使得本地競爭有序化，頻譜資源博弈向著全局最優(yōu)性能逼近，從而實現(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，有序競爭”的設(shè)計思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個子優(yōu)化問題，實現(xiàn)基于子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的自治。同時，子接入系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的代價則通過全局反饋的方式獲得，并由此實現(xiàn)全局的控制。代價的反饋量將決定實現(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，有序競爭”的難點是控制機(jī)制的合理設(shè)計，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，其感知升級到對于信息的發(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頻譜漸成運營商眼中“金礦”[EB/OL]. （2013-11-11）. http：//www.c114.net/wireless/2935/a803845.html.

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[3] 項楚，陳妍. 歐洲各國紛紛舉行LTE頻譜拍賣會[N]. 人民郵電報， 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，胡堅波. 異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢探討[J]. 信息通信技術(shù)， 2012（3）.

[6] 何廷潤，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. 中國通信學(xué)會國防通信技術(shù)委員會第九屆年會論文集[C]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2013： 53-55.endprint