我國頻譜共享的可行性研究與推進建議（通訊）

                                  周鈺哲

        （中國電子信息產業發展研究院無線電管理研究所，北京100846）

摘要：目前，我國工業和信息化領域一系列戰略穩步推進，SG、移動互聯網等信息技術快速發展，無線電頻譜資源的稀缺性再次凸顯。頻譜共享為解決頻譜資源的稀缺問題提供了解決方案，并被國際主流國家積極推行。在分析國內外頻譜共享研究與應用現狀的基礎之上，進一步討論了我國推行頻譜共享的意義和挑戰，給出了頻譜共享可行性評估和分析框架，并提出了頻譜共享的推進建議。

關鍵詞：頻譜資源；頻譜共享；無線電管理

中圖分類號：TP393     doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016108

1  引言

    頻譜是具有經濟和社會價值的有限資源，是信息化和工業化深度融合的重要載體。研究表明，當前無線頻譜利用中最突出的問題是整體頻譜利用效率低。導致這個問題的主要原因在于當前所采用的無線頻譜利用技術的落后以及現有無線頻譜政策的局限。頻譜共享作為提高頻譜利用率、解決頻譜短缺的重要手段之一，為當前頻譜緊張局面提供了一種極為有效的解決途徑。頻譜共享是指由兩個或兩個以上用戶共同使用一個指定頻段的電磁頻譜。共享用戶可分為主用戶和次用戶。主用戶是指最初被授予頻段且愿意與其他接入者共享資源的用戶：次用戶是指其余被允許按照共享規則使用頻譜的用戶。按照不同的標準，可將頻譜共享分為不同的類型，如授權式和免許可式，共存式、非協作式和協作式，下墊式、填充式和交織式，開放式、分級式和動態式等。頻譜共享的實現技術可分為兩大類：一是感知類，如認知無線電技術；二是共享數據庫類，如頻譜池技術。將這兩類技術結合起來使用，如美國三層頻譜接入機制（如圖1所示）中采用的基于數據庫的認知無線電技術等，可獲得更好的頻譜利用率。

2頻譜共享國內外研究與應用現狀

    2001年，英國Surrey大學Paul Leaves等人最早提出動態頻譜分配概念。自2002年開始，美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission,FCC)、IEEE 802.22工作組以及歐盟第七框架計劃(Framework Program 7，FP7)都致力于研究利用認知無線電技術實現利用暫時空閑的頻譜進行無線通信。維吉尼亞工學院、美國加州大學、美國喬治亞理工學院以及德國Karlsruhe大學在各種頻譜感知技術及共享頻譜池技術方面取得了顯著成效。2010年，美國提出了“頻譜高速公路計劃”，通過實施新的頻譜結構和無線電系統架構，并采用一種頻譜資源管理網絡實現微小區低功率二次接入或一般授權接入，預期可將頻譜容量擴充1 000倍以上。2011年，FCC將3.5～3.6 GHz頻段確認為優先共享頻段，并制定相應的頻譜共享監管框架，以促成這段頻譜共享的實現。2012年，歐盟委員會推出了一項使許多新無線技術可以共享免執照的頻段以及能使用電視頻道間的白頻譜的頻譜共享計劃。同年，歐盟成立METIS 2020項目組，負責推進SG中的額譜共享研究。2013年，歐盟在《促進境內市場無線電頻譜資源共享》報告中研究了推動頻譜共享計劃的挑戰和問題，進一步出臺了批準企業間共享無線頻譜資源的政策。同年，諾基亞西門子通信公司主導的現場TD-LTE試驗中，證明授權共享接入(authorized shared access,ASA)技術可通過動態訪問未充分利用的頻譜，可為未來SG網絡奠定堅實基礎2014年，美國政府在部分城市開展頻譜共享試點計劃，推廣三層頻譜接入機制；同時，歐盟通過定義“有益共享機會”確立了ASA的基本框架。2015年,LTE-U(LTE-Unlicensed)論壇發布了首個關于應用5 GHz非授權頻譜的技術規范，包括與Wi-Fi技術的共存規范：~同年，諾基亞通信與T-Mobile共同研發授權輔助接入(license assisted access，iLAA)解決力案，并預計在2016年成為3GPP (the 3rd CenerationPartnership Project)產業標準。

    目前，我國國家通信標準化協會和多個“863”計劃、“973”計劃等國家重大專項課題都在積極探討無線通信系統之間的頻譜共享方案，例如694-806 MH。廣播系統、2.3～2.4 GHz雷達系統和SG移動通信系統(5th generationmobile communications system)等。中國信息通信研究院正在研究TD-LTE系統實現分時頻譜共享的方式。國家無線電監測中心對我國頻譜高速公路戰略進行了研究，指出頻譜共享有利于推動技術創新和產業進步。此外，我國已提出在一定頻段內感知和分配頻譜的技術，多個大學研究機構也對認知無線電、動態頻譜分配技術做了相關研究。

    由此可見，推行頻譜共享已成為國際主流趨勢，世界主要國家和地區都在加緊制定和研究適合本國或地區的頻譜共享模式和計劃，相關的技術研究也不斷進步。雖然發達國家的頻譜共享技術和政策尚未定型，研究成果仍然比較零散，頻譜共享系統并未大規模商用，但是可以看出歐美國家實行技術研究和政策措施并行，而我國更加注重于技術研究，相關的政策措施較少。

3我國推行頻譜共享的意義與挑戰

3.1  我國推行頻譜共享的意義

    隨著移動互聯網、物聯網等新一代信息通信技術的飛速發展以及智能終端的普及，無線電技術和應用不斷涌現，相應的頻譜資源需求將呈現爆發式增長。例如，中國信息通信研究院估計2020年之前我國需要1177 MHz的國際移動通信業務頻譜。以目前的無線電業務使用情況來看，根本無法彌補頻譜資源的嚴重短缺。而頻譜共享可以為各類業務增加可用頻譜的數量，提高頻譜資源的利用率，從而有效緩解我國頻譜資源的供需矛盾。

    無線電頻譜資源幾乎是以無償或者非常低的費用分配給使用者，頻譜的初始分配決定了某些用戶獨占頻段．從而造成大量無線電頻譜資源的閑置浪費，其潛在價值無法得到挖掘。頻段在時間和空間的維度上并未得到充分利用。而頻譜共享可以緩解頻譜利用率的不平衡程度，降低頻譜的重置成本，充分利用頻譜資源的潛在價值。

    推行頻譜共享能有效實現頻譜資源精細化管理。頻譜精細化管理是現代管理模式和無線電管理內容的高度融合。目前，對于頻譜資源的規劃與利用都是建立在靜態的頻率規劃的基礎之上。動態的頻率規劃和管理機制能夠實現空間、時間和頻率3個維度上頻譜的最大化利用，符合未來頻譜管理創新的趨勢。

    頻譜資源是大數據時代最寶貴的基礎性資源之一，頻譜資源匱乏將制約國家或者地區的相關技術和產業的發展，從而在國際或地區競爭中處于不利地位。推行頻譜共享將為新一代以無線電為信息載體的信息通信技術在重點行業和重要企業中的應用提供“寬帶、高速”的基礎資源保障，從而提升相關產業和企業的競爭優勢，如信息化水平和總體運行效率，有利于實現相關產業的轉型升級。

    我國陸地邊界情況最復雜，無線電干擾也日益嚴重。目前，大多通過降低發射功率或者犧牲可用頻段等方式來解決雙邊相互干擾的問題，這在一定程度上降低了邊境地區居民的寬帶通信體驗。若能推行同陸上鄰國之間的頻譜共享，則可以使邊境雙方居民均有較好的通信服務質量，也有助于開展邊境頻率協調工作。

3.2我國推行頻譜共享面臨的三大挑戰

    第一，共享技術和環境約束多。首先，頻譜共享的效果依賴于共享頻段的技術特性，如頻段大小和頻率高低。例如，候選的共享頻譜優先考慮5 GHz以上的高頻段，但高頻段的傳輸特性受天氣因素影響較大。其次，頻譜共享受共享系統復雜性的影響。動態頻譜共享通常涉及多種系統、接入技術、頻段和協議。因此，要求設備具有一定的靈活性和復雜性。頻譜共享的動態性還將帶來較大的不確定性，進而可能造成系統穩定性的下降。最后，頻譜共享客觀條件的約束，例如共享地點、時間、網絡和協議覆蓋范圍以及網絡基礎設施支撐水平等。

    第二，共享參與方間的協調難度大。我國頻率劃分規定的無線電業務主要由政府、軍方和商業用戶使用。此外，還要有無線電管理機構參與其中。由于軍隊的頻譜規劃和使用以及分配給廣電和公眾移動通信頻譜的特殊性，加之各方目前對頻譜的回收和再分配意愿較冷淡，造成了部分空閑頻段的釋放困難，加大了無線電管理機構實施頻譜共享統籌規劃的難度。此外，頻譜共享的可行性和實際效果將由次用戶的投資決策驅動。當頻譜共享的成本過高或預計收益太低時，次用戶對頻譜共享的投資意愿就會下降，從而增加推行頻譜共享的難度。

    第三，傳統頻譜監管方式的不適應性。首先，我國頻譜分配政策較單一，無線電頻率資源分配欠優化。頻譜資源的監管主要依靠行政手段，限制了市場激勵手段的實施。其次，頻譜使用的事后管理和監測力量不足。用戶違規使用未授權頻段會引起干擾，從而降低頻譜共享的效果，造成主用戶對頻譜共享意愿的下降。最后，無線電監管數據庫功能尚不完善。頻率、臺站、設備、監測等數據庫缺乏動態頻譜數據共享、地理信息、統計分析和實時更新能力，導致無線電監管的動態決策能力較低。

4頻譜共享可行性評估框架

    頻譜共享的可行性應當從參與共享的主客體特點、技術、非技術（包括經濟和政策管理等）角度進行分析。下面提出適用于我國的一般頻譜共享的可行性評估框架。

4.1  主客體特點

    頻譜共享的主體主要包含3個參與方，即監管部門、主用戶和次用戶。為了使頻譜共享成為現實，每個參與方都扮演著重要的角色。

    ·監管部門：保障足夠的頻譜資源，維護主用戶權益，鼓勵次用戶之間的競爭。

    ·主用戶：提供頻譜與次用戶進行共享，并遵守共享承諾。

    ·次用戶：獲取頻譜共享許可，提供基礎設施，遵守共享條款以及有效地利用頻譜。次用戶一般包括運營商、其他用頻機構和用戶。

     監管部門制定共享條款時，一般希望條款覆蓋范圍足夠廣，能夠適用于多種情況，以便于降低次用戶的共享成本，對共享方案的監管比較簡易。主用戶希望頻譜價值最大化，次用戶希望制定個性化條款以使自己可以充分利用共享頻段。

    頻譜共享的客體是指可以共享的頻段。與專用頻段不同，任何共享頻譜都必須完成一定程度的協調（包括標準化等）。例如，600～700 MHz廣播電視白頻段、2.4 GHz ISM (industrial scientific medical)頻段、FCC的3.5 GHz頻段以及LTE-U的5.8 GHz頻段等。此外，對于ITU已劃分為專用的頻段，而其中仍有其他用戶使用的，例如450 MHz對講頻段，還可以利用頻譜共享作為釋放頻段的過渡手段。

4.2共享機會

    頻譜共享協議的動態性質將顯著影響次用戶與主用戶頻譜共享的可行性、復雜度和確定性。頻譜塊的大小和給定范圍內的次用戶數量，是決定頻譜共享價值以及共享方法的主要因素。動態性一般通過時間和地理位置兩個維度來衡量，如圖2所示。

    例如，在機場區域允許運營商建造并運營穩定的網絡屬于相對靜態的共享協議，而無人機要求接入頻率根據時間和地理位置變化則屬于高度動態的共享協議。當協議的動態性增加時，無論是時間還是地理位置，次用戶有效使用頻譜的能力將隨著技術和運營復雜度以及管理成本的增加而下降。協議的動態性越強，越需要更復雜的技術和運營解決方案。

4.3經濟影響因素

    頻譜共享的經濟影響因素包含兩大部分：一是主用戶的收益和成本，二是次用戶的收益和成本。頻譜共享的經濟影響分析一般考慮以下因素。

    ·頻譜在專用情況下所能產生的經濟收益為主用戶頻譜共享所能產生收益的最大值。

    ·從這個最大值開始，用一定的折損來反映主用戶頻譜共享協議所涉及的各項條款的特性，如服務的時間和范圍限制、協議期限、頻率協調程度和人口等限制條件。

    ·分析次用戶的投資意愿，包括額外頻譜產生的經濟收益（如提升網絡效率、降低網絡成本、增加用戶接入量等）、以及各種可能減少次用戶投資意愿的成本因素（如合同期限、運營時間和范圍、基礎設施條件、共存風險、共享復雜性和不確定性等）。

    此外，在評估頻譜共享的收益和成本時，還有經濟影響因素以外的因素需要考慮：一是監管成本，即不斷增加的共享應用可能造成監管機構管理成本的上升：二是主用戶從專用轉變到共享可能產生的額外社會效益，即主用戶沒有高效利用其專用頻譜，預計共享后會產生相應的額外社會效益。

4.4監管的作用

    在分析頻譜共享的可行性和促進頻譜共享的過程中需要考慮我國監管部門的以下作用：

    ·確定共享機會：

    ·轉換或升級現有主用戶的頻譜許可，以允許該頻段能夠提供基于頻譜共享的服務：

    ·建立激勵機制，鼓勵主用戶參與共享：

    ·保證次用戶擁有市場機會競爭共享許可：

    ·指導談判和實施過程，管理國家或地區范圍的頻譜登記：

    ·在不同國家間推進頻段協調和標準化。

5我國頻譜共享的推進建議

    頻譜資源共享將對移動互聯網、云計算、物聯網以及智慧城市等相關產業的發展起到積極的推動作用。然而，要將頻譜共享付諸實踐并不簡單。如何應對我國頻譜共享進程中要遇到的問題和挑戰值得進行深入研究。有關頻譜共享的具體推進建議如下。

    (1)預先研究頻譜共享機制和頻譜共享計劃

    一方面，要科學規劃，大力投入和支持頻譜共享和頻譜高效利用機制，加快構建我國的頻譜共享框架和共享系統，如研究重要頻段分時間、分地點共享的可行性?？上冗M行頻譜共享方案試點，鼓勵動態利用空閑頻率資源、共享網絡基礎設施和無線頻譜等。另一方面，應借鑒國外頻譜共享計劃中的管理方法和理念，結合我國頻譜使用情況，加快制定適應于我國用頻特點的頻譜共享計劃。探討多種候選的頻譜共享策略，確保頻譜開放共享的進程。

    (2)加大頻譜共享技術研發力度和技術交流

    一方面，加大頻譜共享和頻譜高效利用新技術和新產品，如認知無線電技術、毫米波技術、微功率無線電技術以及全雙工技術等的研發投入，為頻譜共享進程提供創新技術支撐，進一步研究授權頻譜和非授權頻譜之間的協同利用，通過頻分／時分雙工融合來高效利用成對頻譜或非成對頻譜，通過頻譜重構和軟件定義空口技術來提升靈活配置頻段的空中接口的能力，通過無線環境地圖精確掌握頻譜共享決策時刻的無線環境。另一方面，在政府指導推動、統籌規劃的基礎上，加強與歐美地區和國家在頻譜共享技術和應用等方面的合作與交流，支持無線信息技術企業與研究院、高校間的聯合研發等。   

 (3)全面評估共享效果，制定合理共享方案

    在制定合理的頻譜共享方案之前，應當全面研究頻譜共享效果以及各種因素對共享效果可能產生的影響，評估頻譜共享所可能帶來的經濟收益和成本，進而確定頻譜共享的可行性。通過事前審核，合理評估各項頻譜共享方案對參與方的影響以及可能帶來的經濟收益，從而在此基礎上做出符合技術、政策、市場全面協調的共享決策。

    (4)鼓勵各方積極參與頻譜共享

    為了滿足信息通信業務發展對頻譜資源日益增長的需求，無線電管理機構應當采取措施鼓勵政府、軍方和商業用戶之間進行頻譜共享。一是在某些頻段上探究參與方之間進行頻譜共享的可能性，全面審計各參與方占用頻譜資源的使用狀況，指導頻譜共享的測試等。二是加速釋放業務量和頻譜占用嚴重不成比例的頻段，通過行政或經濟手段清理移交空閑頻譜資源。三是探索頻譜動態共享的市場機制，推動重要頻段的無償或有償共享。此外，實施頻譜

共享必須要確保主用戶的合法權益不受損害，防止其參與頻譜共享意愿的下降。

    (5)探索靈活的頻譜分配和使用監管方式

    無線電頻譜監管方式應向多種調節策略演進，采用多種靈活使用頻譜資源的方式，并實施頻譜政策改革。監管部門要在改革和促進共享的過程中做好充足的準備。第一，確定共享機會。明確規定能參與共享的無線電臺站、設備、用戶以及相應的參數限制，及時制定相應的頻譜政策，鼓勵高效頻譜新技術開發和運用。第二，優化頻段劃分。通過頻譜審計，對使用不合理的頻段進行相應的調整。開發利用新的頻段，例如SG規劃中的移動通信頻段和LTE-U的5-6 GHz等。第三，合理引入市場機制和激勵機制，例如出租、二級市場、頻譜價格機制、拍賣等試行頻譜貿易方式，鼓勵主用戶參與頻譜共享以及次用戶之間的競爭。第

四，完善無線電監管數據庫。充分引入大數據、云計算、物聯網等技術，改善共享數據庫對頻譜監管的支撐能力，提升無線電監管的動態決策能力。

6結束語

    頻譜共享在緩解頻譜供需矛盾、實現頻譜價值與精細化管理、促進產業發展和國際協調中有重要作用。由于國內外頻譜共享的應用研究剛剛起步，因此，我國應當搶占這一有利先機，通過一系列政策支持率先形成自主的頻譜共享體系。針對目前我國頻譜共享面臨的技術和條件約束多、參與方協調難度大以及傳統監管方式落后等問題，提出了頻譜共享可行性評估框架，從技術、經濟和政策管理等角度綜合探討頻譜共享的可行性。針對我國與發達國家相比頻譜共享相關政策研究不足的情況，進一步從管理者的角度提出了通過頻譜共享機制預研、技術創新、效果評估，制定合理的方案，鼓勵各方積極參與頻譜共享以及探索新型頻譜監管方式等來推進我國頻譜共享的政策建議。