频谱授权管理新模式标准化研究及我国应用的思考

李文祺，王首峰，张冬晨（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）



频谱授权管理新模式标准化研究及我国应用的思考

李文祺，王首峰，张冬晨
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘要频谱资源作为支撑现代信息通信产业发展的基础资源，它的科学规划、合理利用、有效管理才能使之发挥巨大的价值。我国目前采用政府审批的方式进行频谱资源管理，面临频谱资源愈来愈紧张的局面，国内外提出了一种新的频谱管理方式，即授权频谱共享接入方式，在该管理方式下，可以有效的提升频谱资源的利用率，本文在研究这种新的频谱授权管理模式的基础上还对其在我国的应用提出了思考。

关键词频谱资源；移动通信；授权频谱共享技术；标准化

1　引言

当前，各国尤其是发达国家对无线电频谱资源重要性的认识不断提高，国际间的频谱资源竞争日趋激烈。传统意义上，频谱管理是排他性的，频谱使用者从管理机构获得排他性的频谱使用许可，并且在得到授权的频段上提供满足服务质量需求的服务。然而，随着近年来各类无线通信技术的高速发展，以及各类用户对无线接入的需求持续增加，无线频谱资源短缺的问题日益突出。根据IMT-2020(5G)推进组的预测，中国2020年就将面临1.8 GHz的频谱缺口。无线频谱资源无法增加，因此更有效地利用频谱成为了解决频谱短缺问题的重要手段。

在我国频谱管理面临以下问题：6 GHz以下的频谱已经被各种无线电业务所使用；频谱的全球融合是移动通信发展的关键；WRC的建议需要反映在国家和地区监管机构的频谱分配决定中；移动通信频谱需求与日剧增。

面对上述问题，近年来，随着无线接入技术的进步，不同的用户，在同一时刻，通过不同的无线技术，在同一特定频段提供服务逐渐成为了可能，而这种频谱使用方式，就是LSA（Licensed Shared Access， 频谱共享接入）。通过这种方式，可以有效提升频谱使用效率。

2　国内外研究现状

2.1国际研究现状

国际有两大标准化组织都针对LSA积极建立了相关的研究工作组，完成了相关的技术报告和技术规范。ETSI在2013年发布了名为《在2 00～2 400 MHz的频段LSA制度下的移动宽带服务》（TR103 113）的LSA系统参考文档技术报告，随后，在2014年发布了名为《在2 300～2 400 MHz频带基于LSA制度下运行移动宽带系统的系统要求》（TS103154）的技术规范。当前ETSI技术委员会可重构无线电系统（TC RRS）正在制定相关的技术规范。国际另一标准化组织3GPP在网络管理和RAN侧开展了相关研究课题建议(SI proposal)的讨论。

在国际标准化组织积极制定技术报告和技术规范的同时，欧洲和美洲作为LSA先行研究者都积极展开了研究工作。欧盟为了推动LSA的研究，成立了相关的工作组：由欧盟和ECPT（European Conference of Postal and Telecommunications Administrations）在2013年1月成立了FM52工作小组研究2.3 GHz频谱共享问题； ETSI（European Telecommunications Standards Institute)提出了2.3 GHz下LSA移动服务相关系统的参考文档；Radio Spectrum Policy Group研究小组在2011年的频谱使用问题的报告中也研究了LSA这一技术的分支。

在美洲，PCAST (President’s Council of Advisors on Science and Technology)， NTIA(National Telecommunications and Information Administration)，FCC（Federal Communications Commission）都对授权频谱共享展开了研究，研究一致考虑将3.5 GHz运用为频谱共享频段。2012年2月PCAST报告中建议频谱共享方式为是频谱利用率翻倍的一种途径，通过在新的联邦SAS（Federal Spectrum Access System， 频谱接入系统）共享联邦1 000 MHz带宽频谱，可以通过这个系统使非联邦用户通过一定规则接入使用这些频段。

2.2国内研究现状

CCSA（China Communications Standards Association，中国通信标准化协会）是有国内企、事业单位资源联合组织，经业务主管部门批准，国家相关机关登记，开展通信技术领域标准化活动的非盈利性法人社会团体，该协会的TC5WG8工作组是频率工作组，该工作组在2015年3月份立项，研究课题“授权频谱共享管理方式研究”，由中国移动和中兴公司牵头进行研究，目的在于研究LSA的原理框架，实施规则及在我国实现的可行性。

3　LSA当前研究态势下重点问题研究

3.1LSA定义

RSPG成立了一个工作小组来制定一个对欧盟委员会要求的应答，涉及LSA频谱相关事宜的观点。RSPG 对LSA的观点在2013年11月提出如下定义。

LSA是一种监管方法，目的在于：在某个已经分配给或者期望分配给某一个或多个现有用户的频段引入有限数目的持有共享牌照的附加用户；在LSA方法中，这些“附加的”用户依据包含在其频谱使用权中的共享规则被授权使用该频谱（或部分频谱），因此，这种方式允许包括现有用户在内的所有授权用户，获得可靠的服务质量[1]。

3.2LSA利益相关方

授权共享接入（Licensed Shared Access）模式是主系统授权一个或多个其他用户接入频谱，但是要在一定的约束条件下进行使用。频谱使用细节要体现在彼此达成的Agreement里，并且需要获得NRA的允许。

图1　LSA框架下的相关利益方

LSA框架下的利益方如图1所示，包括：

Incumbent(现任使用者)：现任使用者提供空闲频谱给LSA牌照持有者使用。现任使用者可以与LSA牌照持有者协商频谱的使用，但是要遵循监管部门的条例。

Prospective LSA licensee（潜在LSA牌照持有者）：成为LSA牌照持有者的先决条件是得到监管部门的授权，使用条件是与现任使用者达成频谱共享协议，该协议规定了共享条件。

Administration/NRA（监管机构/政府管理部门）：授权、制定规则和框架。

3.3LSA主要特征

根据上一节中给出的定义，LSA方法具有如下关键监管特征：

（1）针对给定频段的“共享架构”，将定义出有对应的技术和运行条件的频谱资源，相关系统可以在LSA架构下交替使用。

（2）建立“共享架构”是监管机构的职责，并需要所有相关方的参与。

（3）监管机构基于“共享架构”设置适当的流程来独立授权LSA用户。

LSA在频谱管理方面特征：

LSA是一种的辅助频谱管理工具，隶属于私有授权范畴，与免授权监管方式相比，能够实现更为精细的网络部署管理以及更高效的共享协议控制。

LSA旨在为授权用户及LSA共享用户在频谱接入机会及有害干扰抑制方面提供一定级别的保障，因此，允许它们提供一个可预期的服务质量。在某一给定区域、某一个定时间内，授权用户和LSA共享用户都具有排他接入频谱的权利。

像“机会频谱接入”，“次级使用”，或“次级业务”这类应用不能受到授权用户的保护，LSA并不包含这类应用的概念。

LSA在授权管理方面特征：

依照事先制定好的共享架构，国家监管机构将以公平、透明、非歧视的方式，设置授权过程，并颁布将频谱的使用权颁布给LSA共享用户。考虑到国情和市场需求，LSA并不预先判断国家监管机构授权过程的形式。

3.4LSA共享框架

“共享框架”在监管机构的管理下建立，可以被理解为一系列的“共享规则”或者“共享情况”。这是在国家水平上实现LSA的核心点。

监管机构决定哪些现有的应用需要被考虑在共享框架中的现有用户并且被长期维护。这样的决定将根据国家政策目标和考虑到国际义务和欧盟成员国社区法律来决定。LSA许可要求一定程度的频谱接入保证为了保证和激励网络和设备上的投资。足够水平的保证是由国家基础确定的并考虑到用户需求和共享限制。

在国家基础上建立有效的“共享框架”需要复查和谈判过程，这将在不同的国家有显著的差异。这需要涉及到所有的利益相关者并且将考虑到现任用户的频谱需求和替代使用的需求。

其概念在下图中有描述。在该图中，频谱可用性是基于地理隔离的。在标记为绿色的区域中，“共享框架”定义了LSA用户的频谱可用性。应该注意到，LSA共享将在3个维度中被完成，即时间、频谱和地域。共享框架还需要为现任用户未来的需求负责，正如图2中灰色站点描述的一样：“共享框架”严格的指出了LSA频谱接入的情形来保障现存服务。

图2　共享框架

“共享框架”概念也意味着LSA不应该与传统的共享整理混合，这也应用于FS（微波链接）或者PMR-like服务。在这种情况下，这没有现任使用者拥有优先级或者独占频谱接入在领土和新系统中可以按照先接入先服务的基础，通过应用适当的频谱间隔的管理。

使用共享频谱的框架中有4个主要的参与方：频谱持有方、监管机构、政策制定者、移动运营商及其它邻近的移动通信系统以及移动的最终用户。每一方都为成功的实现频谱共享及行业发展发挥着极其重要的作用。

频谱持有方：为移动产业和移动运营商提供共享频谱资源，并遵循共享承诺。

移动运营商和其它邻近的移动通信系统：购买共享频谱的使用牌照，提供基础设施，遵守共享条款，有效地利用频谱资源。

监管机构：确保足够的可用频谱共享资源，并制定合理的竞争机制。

移动终端用户：手机购买者及移动运营商产品的服务对象。

成功实现频谱共享的必要条件是，所有参与者共同关注频谱共享所带给他们的效益，本质上就是权衡预期效益与实际的成本和风险。因此，想成功实现共享就需要探索各方者的动机及潜在成本和风险并加以管理。图3显示了共享频谱中关键参与方的角色、动机及成本。

3.5LSA网络架构

监管机构、现有用户、LSA用户三方协商确定共享框架后，一方面监管机构需要监管现有用户与LSA用户遵循既定的共享框架实现频谱共享；另一方面需要一些技术手段来约束LSA用户的发射参数，以确保现有用户所受干扰在容忍范围内，同时， LSA用户本身的QoS也可以得到保障。

图4所示LSA的网络架构，其中引入了两个逻辑实体。

LSA数据库：负责现有用户保护，存储并维护现有用户的频谱使用信息，及相关干扰保护准则信息，该信息反映了共享频谱的可用性状态，LSA数据库负责将相关共享频谱可用性信息发送给对应的LSA控制器，并监控现有用户及LSA用户在事先协商达成的共享框架下运行各自的系统；LSA数据库倾向于由监管域授权的第三方来运营。

图3　共享频谱中关键参与方的角色、动机及成本

图4　LSA的网络架构

LSA控制器：接收LSA数据库提供的共享频谱可用性信息，结合无线传播信息并通过计算确定LSA用户设备的发射参数，使得LSA用户设备的运行对现有用户的干扰符合干扰保护准则的要求；LSA控制器倾向于由LSA用户运营。

4　LSA发展过程中的考虑

4.1现有频谱管理政策壁垒

我国原有的频谱授权方式为私有授权，由国家相关管理部门协调发放给使用者，规定其在一定区域内有频谱使用权，如果推行LSA势必对原有的频谱管理政策有冲突，相关的管理部门需要重新规划协调，成为LSA技术推行的顾虑。

4.2各方利益协调艰难

协调授权的频谱共享中的各方利益，需要提供一个对原频谱所有者合理的并且有吸引力的共享条件（如可控和可预测的干扰水平、必要的频谱使用能力和优先级等），还需要使这种共享对其他用户产生足够的吸引力，使其能成为授权的频谱共享用户。对授权的频谱共享用户发放许可前，频谱管理机构需要对其进行认证，保证其不干扰原频谱所有者的服务，也使原频谱所有者确信这种共享不会干扰其正常业务。而通过开放更多频谱资源供授权的频谱共享使用，并且获得这些频谱共享许可的花费较低，可以对需要更多频谱资源的用户产生很大的吸引力。在与欧洲、美洲等专家的交流过程中，均反馈到在LSA具体实施规则，利益分配等方面存在很多考虑，导致现阶段LSA还停留在理论研究阶段，与实际实施应用之间有一定的距离。

4.3LSA应用的共享频率无法确定

我国目前频谱资源紧张，很难有运营商或其他频谱资源使用方愿意将自己已获得牌照的频段作为LSA适用频段，国家相关管理部门对各个频段使用情况缺乏梳理，在短时间内很难确定使用LSA技术的共享频段，这一点会影响LSA技术的后续研究。

4.4国内行业主动上报可用LSA频段可行性较低

国际上的LSA研究，出发点是频谱资源的提供方出于商业利益最大化的考虑，将自身一部分闲置的频谱上报给主管部门供于LSA使用，以便通过这部分频谱获得一定商业收入。但是在我国，其他行业通过出让一部分频谱资源来提高其营业收入的推动力很弱，因此就目前我国各行业频谱分配格局来讲，通过其他行业自主提供LSA使用频谱的可能性较低。

同时，运营商需要评估自己的频谱和网络负荷情况，确定在哪些区域、哪些时段存在使用LSA频段的需求。这也需要对运营商自己频率使用的情况进行评估。

因此，在国内的形势下，未来可能出现的一种解决方案是由国家委派的第三方监管机构，对各行业实际用频情况进行监管和评估。由第三方评估方式，判定哪些行业哪些频段，在哪些区域及何时段存在可以加以利用的频谱，及相应的时空内哪些行业需要这些频谱资源，从而实现初步的LSA频谱的供需定位。

4.5移动通信设备支持度难以控制

若按照各用频行业的频谱均存在LSA使用可能，或者即使将范围缩小至有限几个行业，推动移动通信厂商研发支持LSA频段的网络侧和终端侧设备难度也将非常大。首先，LSA应用频段的范围不确定性大。无论从频谱的位置、带宽，还是LSA授权有效的时段来讲，厂商无法有效确定生产相应设备的应用面，更难以评估投入研发和生产的成本如何回收。其次，LSA授权过程周期与产品研发周期匹配度难以协调。脱离了厂商的支持，运营商无法应用LSA频率为其用户服务。

4.6LSA频谱可考虑用以缓解小站回传的频谱压力

考虑到LSA频谱可用的时空不确定性，以及处于对应时空的终端用户设备支持对应LSA频段的比例提升所需要的巨大成本（提升某一种特殊功能的终端在全市场中的渗透率所需成本），未来LSA频谱用于基站与用户终端直接通信的可行性较低。但是，基于目前移动通信网络向5G系统演进的研究趋势，未来宏站与小站之前的信令及业务信息的下发和回传频率存在利用LSA频段的可能性。目前宏站与小站回传的研究中，主要依靠复用运营商现有频谱方式进行，一定程度上减弱了现有频谱为用户提供流量的能力。但是，即使用于回传的应用，对LSA频谱的时空可用性要求仍然较高，特别是对于其时空可用的稳定性要求最为关切。

4.7第三方的监管者应加强对频谱原有者的约束

在签订LSA许可中应加强对原有者出让频谱的时空内不再使用。

5　总结

本文在频谱资源愈来愈紧张的国际形势下，研究一种新的频谱授权管理模式，介绍了LSA的定义，利益相关方，主要特征，共享框架和网络架构，在这种新的模式下，频谱资源利用率将会得到有效的提升，但LSA技术并未在欧洲和美洲进行应用，目前都处于研究阶段，本文也提出了在我国国情下LSA技术发展过程中的考虑。

参考文献

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[6]European Commission.Radio Spectrum Policy Programme[R].Denmark:ECC, 2012.

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[8]Marja Matinmikko, Marko Palola, and Miia Mustonen, Hanna Okkonen, Petri Ahokangas.Spectrum Sharing Using Licensed Shared Access:The Concept and its Workflow for LTE-Advanced Network[J].IEEE Wireless Communications.April 2014.

Research on the new management mode for spectrum licensed standardization and it's application in China

LI Wen-qi, WANG Shou-feng, ZHANG Dong-chen
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractSpectrum resource is the base resource in modern communication industry, so how to manage it more scientifically, reasonability and effectively is the key to realize the biggest value.In China, the government assign the spectrum resources through the government’s approval.As the spectrum shortage situation is more and more seriously, the global world propose a new management mode called licensed shared access on spectrum.Using this method, we can improve the service effi ciency of the spectrum resource.Under this condition, this research also propose some concern that what would happen by apply this method in our country.

Keywordsspectrum resource; mobile communications; licensed shared access; standardization

收稿日期：2015-12-01

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）03-0033-06