試論LTE不同發展階段頻譜管理模式的變革

【摘 要】在論述LTE市場與網絡不同發展階段對頻譜的需求的基礎上，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變。最終，在4G/LTE向5G異構網絡融合演進的前提下，提出基于博弈論的“可控與自治”相結合的頻譜管理模式。

【關鍵詞】4G/LTE 移動互聯網 頻譜交易 異構網絡 可控自治

中圖分類號：F623 文獻標識碼：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網的發展和用戶的增加，催生了數據流量的急劇增長，即使無線通信技術的不斷演進和創新也難以抵御數據洪流的沖擊，最終壓力必將傳導至無線電頻譜資源。因此，無論是在4G/LTE的部署期、成長期，還是在未來向5G演進的時代，有限的頻譜資源與巨大數據流量的矛盾是無法回避的。在此背景下，發達國家和相關國際組織紛紛將目光聚焦在頻譜資源管理模式的變革上，以尋求適應移動互聯網時代頻譜資源高效利用的新路徑。

1 頻譜是LTE不同發展階段不可或缺的

基礎資源

愛立信發布移動市場報告稱，預計到2019年，4G/LTE網絡將覆蓋全球近65%的人口。與此同時，智能手機流量從2013年到2019年將增加10倍，達到10艾字節（EB）；視頻流量每年增長55%，占總數據量的比例過半。在中國，2014年全國工業和信息化工作會議上明確提出“支持4G加快發展，2014年底前4G商用城市超過300個，4G用戶超過3 000萬”的目標。可以預見，未來幾年中國將從2G/3G網絡迅速轉向4G網絡，預計到2019年底，中國LTE用戶數將增加7億以上。2013年至2019年，預計移動數據流量每年將以約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，運營商現已整體進入4G/LTE時代，在技術上沒有差距的情況下，各運營商之間的頻譜差距導致其市場表現相差甚遠。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，因此Sprint用戶總數不斷下降，市場份額被蠶食。

據國家無線電監測中心研究預測，到2020年，中國數據業務相比2010年將增長500～800倍，增長率遠超歐美及世界平均水平，中國IMT頻譜需求量將達1 240～1 710MHz。因此，可預見在我國4G發展的不同階段，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規模技術試驗之初，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商用化的關鍵階段，我國無線電管理部門又新規劃了2.6GHz頻段的190MHz頻譜作為TDD的頻率資源，使TDD系統的規劃頻段總帶寬達到了345MHz，充分表明了我國發展TD-LTE技術的決心，也極大地提振了全球產業和市場對TD-LTE發展的信心。同時，為了滿足移動通信技術進一步發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的后續發展，并研究探討50GHz以上頻段用于滿足未來寬帶移動通信發展的需求。

在發放4G/TD-LTE牌照的同時，我國也明確表示“將在條件成熟后，發放LTE FDD牌照”；因此預計在不久的時間內，我國還將依據國際和國內的情況，再以行政審批的方式明確FDD LTE的頻譜分配。按照3GPP的規劃，LTE FDD網絡分配頻譜主要集中在2.6GHz、1.8GHz和700MHz頻段。預計1.8GHz頻段將成為我國LTE FDD網絡的主流頻段，2.1GHz頻段成為補充頻段。目前，中國電信和中國聯通的LTE FDD試驗網主要使用1.8GHz和2.1GHz的兩個頻段。由此可見，我國4G頻譜的規劃與分配是無線電管理部門經過多年的頻譜規劃與相應的技術研究、分析、試驗和調整的結晶，也是參與國際頻率規劃與協調的結果。

經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，但是在局部區域會出現結構性的頻率資源緊張；同時，如果數據業務增長超過預期，頻譜資源將出現全面緊張的狀況。

3 LTE成熟競爭期：頻譜拍賣和二次交

易模式

4G/LTE度過網絡建設優化和市場布局的成長期后，將進入成熟期，頻譜資源的矛盾將越加顯現，以行政審批的方式分配頻譜將受到嚴峻挑戰。這些挑戰包括：行政審批頻譜不能體現頻譜資源的市場價值，使頻譜失去了調節4G/LTE市場的能力；技術進步和網絡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所有的觀念，從而阻礙頻譜資源的重新規劃和再利用。因此，實現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，提出按照中央關于加快完善現代市場體系的要求，正確處理政府和市場的關系，完善相關法律法規，對部分市場化程度較高的頻段，著手研究通過拍賣、招標、交易等方式配置資源。endprint

從上世紀90年代初開始，以美國為首的發達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制；

三是明確投標者的義務，如英國Ofcom規定競得800MHz頻譜的投標者將有義務在2017年底前為至少98%的人口提供室內接收移動寬帶服務。挪威通訊部規定拍得800MHz頻段牌照的運營商必須在5年內實現98%的人口覆蓋率，下行帶寬至少達2Mbps；

四是保障不同投標者頻譜資源的均等機會，如挪威通訊部對于已經持有重要頻段的運營商，規定對其800MHz頻段的頻寬設有上限；

五是規定明確的頻譜有效期，如斯洛文尼亞監管局規定拍賣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，不少運營商進行了大規模的頻譜收購。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的大規模部署做好準備。AT&T還以19億美元收購通高通公司持有的700MHz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等智能手機對移動數據流量的需求。另外，Sprint收購Clearwire，獲得超過100MHz全美范圍內的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具有了明顯優勢。

由上可見，我國在4G/LTE進入成熟競爭期后，頻譜資源與移動市場發展的矛盾顯現，為實行頻譜資源市場化分配提供了需求基礎，因此頻譜管理模式應逐步從行政審批向頻譜拍賣機制轉變。

4 LTE向5G過渡期：自治與可控相結合

的頻譜共享模式

據權威機構預測，在未來的十年內，移動數據流量將有1 000倍的增長，而4G/LTE網絡也將實現向5G網絡的過渡。5G的核心是異構網的融合，指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術共存的背景下，立足于融合和協同，結合用戶行為和業務特征，引入先進的無線資源管理算法和規劃理念，做到無線資源的異構協同和異構融合。異構無線網絡面臨有限頻譜資源和爆發性流量的矛盾，其根本出路是實現異構網絡中無線電業務的頻譜共享。

為了支持頻譜共享，美國總統科技顧問委員會（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（SAS）作為信息和控制交換樞紐，并建立明確的規則來管理頻譜，當設備收到禁止發射的信號時，必須有能力立即關閉其射頻發射。但是，上述實現接入業務共享頻譜的設計，仍然是大一統的頻譜管控思維的延續，以SAS實現所有異構網絡、業務、用戶的共享與有序接入幾無可能。因為從頻譜管控架構角度審視，頻譜資源的最優配置需要實時地認知電磁環境、用戶、業務、信道和網絡等信息，并匯集到SAS處理節點，以進行全局統籌優化。如此雖然能得到異構網絡環境下最優的頻譜接入，卻需要傳遞和處理所有認知信息，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。因此，這種完全集中式的異構動態頻譜管控方式，其管控復雜度高，響應遲緩，難以實現SAS設計的初衷。

而完全采用各異構接入系統分布式頻譜接入優化，則難以收斂到全局頻譜接入最優的目標。因為在頻譜共享環境中，所有用戶本質上是對有限頻譜資源進行競爭的關系，這一矛盾在異構無線網絡應用環境中更為突出。理論上，無線系統可以通過本地信息，在競爭中實現有利于本系統的頻譜資源共享；但由于缺乏全局觀，這種某一無線系統的頻譜“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信息的“控制”，結合基于本地異構無線系統精確頻譜信息的“自治”，構成了異構網絡無線接入情境下頻譜優化配置的基本元素。博弈理論中提出了“可控與自治”的理論和方法，其框架形態如圖1所示：

其目標是綜合考慮局部競爭和全局優化的優缺點，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性能逼近，從而實現頻譜資源的高效、合理、公平配置和管理。

為適應異構網絡中多種無線業務接入的頻譜需求，“受控博弈，有序競爭”的設計思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個子優化問題，實現基于子接入系統頻譜優化的自治。同時，子接入系統頻譜優化的代價則通過全局反饋的方式獲得，并由此實現全局的控制。代價的反饋量將決定實現接入頻譜的復雜度與全局性能最優性之間的折中，使得局部達成的自治向整體頻譜資源配置最優的方向逼近，從而實現局部分布式處理、交互信息量少、響應迅速、逼近全局最優的結果，見圖2：

“受控博弈，有序競爭”的難點是控制機制的合理設計，特別是接入規則與懲罰措施系統和解析優化方法。對頻譜資源而言，無論異構融合網絡宏觀層面的全局受控，還是微觀層面的本地自治，都需要接入總網與子網充分獲取、認知、分析和學習頻譜、信道、網絡、業務、用戶等多維度狀態信息，其中有效認知和學習是提升頻譜效率的基礎。而傳統的認知無線電的認知主要停留在頻譜感知層面，即發掘和利用空閑頻率進行業務傳輸，對異構融合網絡的頻譜利用效率提升程度有限。因此，在異構融合網絡環境下，其感知升級到對于信息的發掘、認知、理解和學習，帶來了認知的新視角，即用戶位置、使用模式、業務種類等相關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 結束語

保障頻譜的有效供給是4G/LTE不同發展階段的永恒主題，盡快從單一的頻譜行政審批模式向頻譜拍賣與交易，最終向異構融合網絡環境下“控制與自治”相結合的頻譜管理模式轉型，是現代頻譜資源管理的有效路徑。

參考文獻：

[1] 蔣均牧. Sprint引爆TD-LTE建網高潮 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. 推進無線電管理改革發展新局面[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關鍵技術研究方向[EB/OL]. （2013-07-22）. http：//network.51cto.com/art/201307/404179.htm.

[5] 張從武，胡堅波. 異構無線網絡融合關鍵問題和發展趨勢探討[J]. 信息通信技術， 2012（3）.

[6] 何廷潤，李軍芳. 基于“可控與自治”相結合的電磁頻譜管控模式研究[A]. 國防通信技術委員會. 中國通信學會國防通信技術委員會第九屆年會論文集[C]. 北京： 國防工業出版社， 2013： 53-55.endprint

從上世紀90年代初開始，以美國為首的發達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制；

三是明確投標者的義務，如英國Ofcom規定競得800MHz頻譜的投標者將有義務在2017年底前為至少98%的人口提供室內接收移動寬帶服務。挪威通訊部規定拍得800MHz頻段牌照的運營商必須在5年內實現98%的人口覆蓋率，下行帶寬至少達2Mbps；

四是保障不同投標者頻譜資源的均等機會，如挪威通訊部對于已經持有重要頻段的運營商，規定對其800MHz頻段的頻寬設有上限；

五是規定明確的頻譜有效期，如斯洛文尼亞監管局規定拍賣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，不少運營商進行了大規模的頻譜收購。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的大規模部署做好準備。AT&T還以19億美元收購通高通公司持有的700MHz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等智能手機對移動數據流量的需求。另外，Sprint收購Clearwire，獲得超過100MHz全美范圍內的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具有了明顯優勢。

由上可見，我國在4G/LTE進入成熟競爭期后，頻譜資源與移動市場發展的矛盾顯現，為實行頻譜資源市場化分配提供了需求基礎，因此頻譜管理模式應逐步從行政審批向頻譜拍賣機制轉變。

4 LTE向5G過渡期：自治與可控相結合

的頻譜共享模式

據權威機構預測，在未來的十年內，移動數據流量將有1 000倍的增長，而4G/LTE網絡也將實現向5G網絡的過渡。5G的核心是異構網的融合，指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術共存的背景下，立足于融合和協同，結合用戶行為和業務特征，引入先進的無線資源管理算法和規劃理念，做到無線資源的異構協同和異構融合。異構無線網絡面臨有限頻譜資源和爆發性流量的矛盾，其根本出路是實現異構網絡中無線電業務的頻譜共享。

為了支持頻譜共享，美國總統科技顧問委員會（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（SAS）作為信息和控制交換樞紐，并建立明確的規則來管理頻譜，當設備收到禁止發射的信號時，必須有能力立即關閉其射頻發射。但是，上述實現接入業務共享頻譜的設計，仍然是大一統的頻譜管控思維的延續，以SAS實現所有異構網絡、業務、用戶的共享與有序接入幾無可能。因為從頻譜管控架構角度審視，頻譜資源的最優配置需要實時地認知電磁環境、用戶、業務、信道和網絡等信息，并匯集到SAS處理節點，以進行全局統籌優化。如此雖然能得到異構網絡環境下最優的頻譜接入，卻需要傳遞和處理所有認知信息，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。因此，這種完全集中式的異構動態頻譜管控方式，其管控復雜度高，響應遲緩，難以實現SAS設計的初衷。

而完全采用各異構接入系統分布式頻譜接入優化，則難以收斂到全局頻譜接入最優的目標。因為在頻譜共享環境中，所有用戶本質上是對有限頻譜資源進行競爭的關系，這一矛盾在異構無線網絡應用環境中更為突出。理論上，無線系統可以通過本地信息，在競爭中實現有利于本系統的頻譜資源共享；但由于缺乏全局觀，這種某一無線系統的頻譜“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信息的“控制”，結合基于本地異構無線系統精確頻譜信息的“自治”，構成了異構網絡無線接入情境下頻譜優化配置的基本元素。博弈理論中提出了“可控與自治”的理論和方法，其框架形態如圖1所示：

其目標是綜合考慮局部競爭和全局優化的優缺點，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性能逼近，從而實現頻譜資源的高效、合理、公平配置和管理。

為適應異構網絡中多種無線業務接入的頻譜需求，“受控博弈，有序競爭”的設計思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個子優化問題，實現基于子接入系統頻譜優化的自治。同時，子接入系統頻譜優化的代價則通過全局反饋的方式獲得，并由此實現全局的控制。代價的反饋量將決定實現接入頻譜的復雜度與全局性能最優性之間的折中，使得局部達成的自治向整體頻譜資源配置最優的方向逼近，從而實現局部分布式處理、交互信息量少、響應迅速、逼近全局最優的結果，見圖2：

“受控博弈，有序競爭”的難點是控制機制的合理設計，特別是接入規則與懲罰措施系統和解析優化方法。對頻譜資源而言，無論異構融合網絡宏觀層面的全局受控，還是微觀層面的本地自治，都需要接入總網與子網充分獲取、認知、分析和學習頻譜、信道、網絡、業務、用戶等多維度狀態信息，其中有效認知和學習是提升頻譜效率的基礎。而傳統的認知無線電的認知主要停留在頻譜感知層面，即發掘和利用空閑頻率進行業務傳輸，對異構融合網絡的頻譜利用效率提升程度有限。因此，在異構融合網絡環境下，其感知升級到對于信息的發掘、認知、理解和學習，帶來了認知的新視角，即用戶位置、使用模式、業務種類等相關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 結束語

保障頻譜的有效供給是4G/LTE不同發展階段的永恒主題，盡快從單一的頻譜行政審批模式向頻譜拍賣與交易，最終向異構融合網絡環境下“控制與自治”相結合的頻譜管理模式轉型，是現代頻譜資源管理的有效路徑。

參考文獻：

[1] 蔣均牧. Sprint引爆TD-LTE建網高潮 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. 推進無線電管理改革發展新局面[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關鍵技術研究方向[EB/OL]. （2013-07-22）. http：//network.51cto.com/art/201307/404179.htm.

[5] 張從武，胡堅波. 異構無線網絡融合關鍵問題和發展趨勢探討[J]. 信息通信技術， 2012（3）.

[6] 何廷潤，李軍芳. 基于“可控與自治”相結合的電磁頻譜管控模式研究[A]. 國防通信技術委員會. 中國通信學會國防通信技術委員會第九屆年會論文集[C]. 北京： 國防工業出版社， 2013： 53-55.endprint

從上世紀90年代初開始，以美國為首的發達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制；

三是明確投標者的義務，如英國Ofcom規定競得800MHz頻譜的投標者將有義務在2017年底前為至少98%的人口提供室內接收移動寬帶服務。挪威通訊部規定拍得800MHz頻段牌照的運營商必須在5年內實現98%的人口覆蓋率，下行帶寬至少達2Mbps；

四是保障不同投標者頻譜資源的均等機會，如挪威通訊部對于已經持有重要頻段的運營商，規定對其800MHz頻段的頻寬設有上限；

五是規定明確的頻譜有效期，如斯洛文尼亞監管局規定拍賣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，不少運營商進行了大規模的頻譜收購。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的大規模部署做好準備。AT&T還以19億美元收購通高通公司持有的700MHz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等智能手機對移動數據流量的需求。另外，Sprint收購Clearwire，獲得超過100MHz全美范圍內的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具有了明顯優勢。

由上可見，我國在4G/LTE進入成熟競爭期后，頻譜資源與移動市場發展的矛盾顯現，為實行頻譜資源市場化分配提供了需求基礎，因此頻譜管理模式應逐步從行政審批向頻譜拍賣機制轉變。

4 LTE向5G過渡期：自治與可控相結合

的頻譜共享模式

據權威機構預測，在未來的十年內，移動數據流量將有1 000倍的增長，而4G/LTE網絡也將實現向5G網絡的過渡。5G的核心是異構網的融合，指在2G、3G、LTE、WLAN等多種接入技術共存的背景下，立足于融合和協同，結合用戶行為和業務特征，引入先進的無線資源管理算法和規劃理念，做到無線資源的異構協同和異構融合。異構無線網絡面臨有限頻譜資源和爆發性流量的矛盾，其根本出路是實現異構網絡中無線電業務的頻譜共享。

為了支持頻譜共享，美國總統科技顧問委員會（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（SAS）作為信息和控制交換樞紐，并建立明確的規則來管理頻譜，當設備收到禁止發射的信號時，必須有能力立即關閉其射頻發射。但是，上述實現接入業務共享頻譜的設計，仍然是大一統的頻譜管控思維的延續，以SAS實現所有異構網絡、業務、用戶的共享與有序接入幾無可能。因為從頻譜管控架構角度審視，頻譜資源的最優配置需要實時地認知電磁環境、用戶、業務、信道和網絡等信息，并匯集到SAS處理節點，以進行全局統籌優化。如此雖然能得到異構網絡環境下最優的頻譜接入，卻需要傳遞和處理所有認知信息，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。因此，這種完全集中式的異構動態頻譜管控方式，其管控復雜度高，響應遲緩，難以實現SAS設計的初衷。

而完全采用各異構接入系統分布式頻譜接入優化，則難以收斂到全局頻譜接入最優的目標。因為在頻譜共享環境中，所有用戶本質上是對有限頻譜資源進行競爭的關系，這一矛盾在異構無線網絡應用環境中更為突出。理論上，無線系統可以通過本地信息，在競爭中實現有利于本系統的頻譜資源共享；但由于缺乏全局觀，這種某一無線系統的頻譜“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信息的“控制”，結合基于本地異構無線系統精確頻譜信息的“自治”，構成了異構網絡無線接入情境下頻譜優化配置的基本元素。博弈理論中提出了“可控與自治”的理論和方法，其框架形態如圖1所示：

其目標是綜合考慮局部競爭和全局優化的優缺點，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性能逼近，從而實現頻譜資源的高效、合理、公平配置和管理。

為適應異構網絡中多種無線業務接入的頻譜需求，“受控博弈，有序競爭”的設計思路是通過將接入頻譜的效用框架分解為多個子優化問題，實現基于子接入系統頻譜優化的自治。同時，子接入系統頻譜優化的代價則通過全局反饋的方式獲得，并由此實現全局的控制。代價的反饋量將決定實現接入頻譜的復雜度與全局性能最優性之間的折中，使得局部達成的自治向整體頻譜資源配置最優的方向逼近，從而實現局部分布式處理、交互信息量少、響應迅速、逼近全局最優的結果，見圖2：

“受控博弈，有序競爭”的難點是控制機制的合理設計，特別是接入規則與懲罰措施系統和解析優化方法。對頻譜資源而言，無論異構融合網絡宏觀層面的全局受控，還是微觀層面的本地自治，都需要接入總網與子網充分獲取、認知、分析和學習頻譜、信道、網絡、業務、用戶等多維度狀態信息，其中有效認知和學習是提升頻譜效率的基礎。而傳統的認知無線電的認知主要停留在頻譜感知層面，即發掘和利用空閑頻率進行業務傳輸，對異構融合網絡的頻譜利用效率提升程度有限。因此，在異構融合網絡環境下，其感知升級到對于信息的發掘、認知、理解和學習，帶來了認知的新視角，即用戶位置、使用模式、業務種類等相關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 結束語

保障頻譜的有效供給是4G/LTE不同發展階段的永恒主題，盡快從單一的頻譜行政審批模式向頻譜拍賣與交易，最終向異構融合網絡環境下“控制與自治”相結合的頻譜管理模式轉型，是現代頻譜資源管理的有效路徑。

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