面向6G网络的频谱定价机制演进与展望.pdf

1研究与探讨1网络首发：2 0 2 3-0 6-0 1面向6 G网络的频谱定价机制演进与展望张浩霖，赵友平*（北京交通大学电子信息工程学院，北京10 0 0 44）【摘要】6G网络的异构性和复杂性将进一步提高，可用频段愈渐短缺，迫切需要更为灵活高效的频谱资源管理模式。使用市场化定价手段促进频谱资源的高效利用，为纤解6 G频谱短缺困境提供了解决方案。首先简要分析了6 G移动网络的频谱资源新特点，接着梳理了数十年来频谱管理和定价机制的演进进程，包括基于博奔论、拍卖模型的定价机制研究和基于人工智能的定价机制研究等成果。最后，对面向6 G移动网络的频谱定价机制进行了展望，为标准化工作提供借鉴和参考。【关键词】6G；频谱定价；频谱资源管理；频谱市场doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20220829-0003文献标志码：A文章编号：10 0 6-10 10(2 0 2 4)0 4-112-11引用格式：张浩霖,赵友平.面向6 G网络的频谱定价机制演进与展望.移动通信，2 0 2 4,48(4)：112-12 2.ZHANG Haolin,ZHAO Youping.Evolution and Prospect of Spectrum Pricing Mechanisms for 6G NetworksJ.Mobile Communications,2024,48(4):112-122.3中图分类号：TN929.5OSID:扫描二维码与作者交流Evolution and Prospects of Spectrum Pricing Mechanisms for 6G NetworksZHANG Haolin,ZHAO Youping(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)AbstractKeywords 6G;spectrum pricing;spectrum resource management;spectrum market0引言随着新一代信息技术与传统产业的深度融合，以移动互联网、工业物联网等为代表的无线电技术和业务，正加速向经济建设、国防建设和社会发展等领域渗透，成为以万物互联与泛在智能为特征的新型工业化与数字经济的基础与动力。作为信息化无处不在的唯一载体，无线电频谱资源的作用无可替代。2 0 19 年以来，中国、美国、日本和欧盟等国家和组织积极投入6 G研究 2，全球发布了多份6 G白皮书和研究报告成果。在以“全频谱、收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 9*基金项目：国家自然科学基金（6 2 17 10 2 0）*通信作者With the increasing heterogeneity and complexity of 6G networks,the available frequency bands are becomingscarce,necessitating a more flexible and efficient spectrum resource management approach.The utilization of market-driven pricing methods has emerged as a solution to alleviate the spectrum scarcity dilemma in 6G.This paper aimsto provide a brief analysis of the new characteristics of spectrum resources in 6G mobile networks and reviews theevolutionary process of spectrum management and pricing mechanisms over the past decades.This evolution includesresearch on pricing mechanisms based on game theory,auction models,and artificial intelligence.Lastly,this paperpresents a prospect for spectrum pricing mechanisms tailored to 6G mobile networks,offering insights and referencesfor standardization efforts.全空间、全业务、强安全”为特征的6 G时代，无线频谱资源虽进一步扩展至太赫兹乃至可见光频段 3，但在热点地区或复杂场景下，可用频段将呈现愈渐短缺的态势，频谱资源分配也由地表平面上升到三维立体场景，因此迫切需要更为灵活高效的频谱资源管理模式。因此在6 G时代中，基于认知无线电技术的动态频谱分配技术必将得到进一步的发展与更加充分广泛的应用。与此同时，市场经济手段在频谱管理中已经发挥作用。通过对频谱资源进行市场化定价来实现频谱资源的合理分配，是当今的发展趋势。在5G及之前时代，由于缺乏经济因素（包括频谱定价收益、频谱共享激励等）的刺激，基于频谱共享的动态频谱分配方案并没有得到广泛采纳，112移动通信2024年4月第4期第48 卷总第52 4期张浩霖，赵友平：面向6 G网络的频谱定价机制演进与展望移动通信频谱利用率还有极大的提升空间。因此考虑在6 G时代下通过创新频谱定价机制，来推动动态频谱分配方案得到更广泛的应用，纤解6 G时代的频谱资源分配难题。本文基于对6 G时代下频谱资源特性以及近三十年来频谱资源定价机制发展脉络的分析，探讨6 G时代下可行的频谱定价机制，提出需要解决的一些问题和研究方向，为后续开展6 G新型频谱管理模式的研究作参考。16G网络频谱资源新特点在2 0 2 2 年，5G移动通信已经正式商用3年，6 G的研究也已经于2 0 19 年启动。业界对6 G时代展望的主要场景为：全息通信、数字李生、超能交通（智慧交通网络）和空天海地一体化通信 3。这些新的应用场景都对6 G移动网络的数据率、连接密度、频谱利用率、空口时延、能源效率等指标提出了更高的要求 4。同时，业界对无线频谱资源的开拓的尝试从未停止，如2 0 19 年，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）为6 G研究开放了太赫兹频段。尽管如此，可用频谱资源增加的速度与迅速膨胀的通信需求相比仍然极其缓慢，因此必须继续重视对频谱管理和分配方式进行优化、创新，保证在6 G时代新的频谱使用特点下，更加充分地利用每一块频谱资源，创造更大的社会效益。文献 5根据6 G白皮书等一系列标准，探讨了未来的频谱管理面临的挑战及可能的发展方向。由5G步人更快更复杂的6 G，频谱管理将面临着四项巨大的挑战：1）无线通信频率全谱化。6 G研究已经将太赫兹频谱确定为移动通信网络的研究领域 5。6 G的频谱范围将比以往任何时候都大，从而需要更多的频谱管理方法来应对频段的差异。2）无线通信频谱空间化。信号频谱分布由以前的地面二维分布迈向空间立体分布，电磁干扰呈空间立体化。在空天地海一体化网络（Aero-Space-Ground-OceanIntegratedNetwork，A SG O-I N）建设中，卫星网络和地面无线网络的融合是缓解地面网络的资源紧张趋势的重要措施。3）无线通信频谱碎片化。频谱拆分拍卖、频率重耕和多体制等多种原因会导致频谱的碎片化，降低了频谱使用效率。4）多业务共存的网络异构化。6 G无线通信系统将是一个多业务共存、多种通信技术融合的异构网络系统，具有异构、复杂、超密集等特点。对此，在6 G网络的建设之中，许多新兴技术将提供强大的驱动力 7：1）人工智能与深度学习。2）分布式异构网络技术。3）通信与计算融合。4）基于区块链的动态频谱分配。综上所述，6 G网络将是一个综合空天地海接入需求、支持固定移动融合、集中与分布式结合、智能化的异构网络 8。可以预见，这些新兴技术的运用也将为频谱管理手段提供全新的可能。借助于新技术，频谱管理能够应对更复杂的系统，考虑到更多细节，实现差异化的定价，激励频谱资源的市场化分配。2频谱资源管理机制发展脉络随着经济的快速发展，各种先进的无线电技术和新业务在社会经济中的广泛应用以及对无线电频谱需求的不断增长，无线电频谱资源已成为一种稀缺资源。传统的基于行政授权的频谱管理模式已经不能满足社会经济发展的需要。基于市场机制的频谱管理模式正在成为世界范围内频谱管理的主流。从1G时代开始，就出现了相应的频谱管理机制。几十年来，各种不同的频谱管理机制都致力于高效地利用紧缺的频谱资源。总的来说，频谱管理方法可以分为三类：行政分配、市场机制和不需许可的共用方式。行政分配是诞生于第一代移动通信网络的主要频谱管理方法，在今日依然用于专用频谱如卫星、微波雷达等频谱资源的管理。以市场为基础的机制提供了出租或交易频谱的机会，从而使得频谱市场更为灵活，最著名的市场机制是频谱拍卖。以市场为基础的频谱资源管理正成为国际无线电频谱资源管理的发展方向。不需许可的共用方式没有定义单独的频谱接人权，但允许不同的无线系统进入市场，这些系统可能由不同的利益相关者基于共享频谱接人而部署。不过在移动通信网络中不适宜使用该方式，业界的关注度也很低。从1G移动通信网络建设开始，频谱定价机制的发展脉络由图1所示。伴随着时代发展，频谱市场由一级市场到次级市场的拓展乃至计算科学的进步，频谱定价机制由最初1G时代的行政分配，到2 G时代市场化手段的兴起，进入了3G、4G 时代的基于数学模型的定价方法，最终来到5G乃至未来6 G时代的基于人工智能的定价方法。表1对业界已有频谱定价机制采用的技术特点、优缺点以及文献依据进行了总结。文献 5中指出，6 G需要的将是基于认知智能理论和技术的动态、智能的频谱管理。以智能频谱感知和动1132024年4月第4期第48 卷1研究与探讨1总第52 4期态频谱共享为主要技术。这就意味着能够感知周围环境，自动调整自身工作参数以适应环境变化的认知无线电技术 9，将成为未来频谱管理的技术基础。从经济学角度研究认知用户的动态频谱接入策略，促进社会福利最大化，已经引起了许多学者的关注。频谱定价机制方面，近年来比较突出的研究成果是PaulMilgrom及其团队提出的激励拍卖方式。在2 0 16 年至2 0 17 年，成功帮助FCC将无线电频谱从广播电视转换为无线互联网10。并且将拍卖与计算科学相结合，充分保证了大规模节点计算压力下的拍卖可行性。5G商用以来，使用人工智能技术进行无线资源管理和定价的研究也成为了业界热点。1G频谱一级市场FCC首次使用1994同步向上拍卖基于博奔模型3G,4G时代的频谱定价表1已有频谱定价机制概览市场层级定价方案行政分配价值评估一级市场拍卖定价博奔定价次级市场拍卖定价异质频谱组合双重拍卖长期以来，在动态频谱分配方案中，主用户（PrimaryUser,PU）缺乏共享频谱的意愿，如何确定次用户（Se c o n d a r y U s e r，SU）的租赁费用一直是困扰动态频谱分配在现实中广泛应用的重要因素。6 G时代下，在主次用户的共享系统中引人拍卖机制，保障主用户在共享中的收益，从而促进动态频谱分配的应用。3面向6 G网络的潜在频谱定价方案面对6 G网络的新场景、新需求和新特点，以市场为基础的定价机制将毫无疑问的成为无线频谱定价解决方案的主流。如图2 所示，目前存在两级频谱资源交易市场：行政分配手段，新西兰举行首1989次频谱拍卖1G,2G行政分配和时代简单拍卖认知无线电问世，1999频谱次级市场2009卖机制TRUST异质频谱双向拍卖机2012制TAHES和TDAMHFCC首次采用5G商用，人工智激励拍卖多系统动态频能引入频谱管理图神经网络进行2016谱分配架构频谱资源管理201920205G,6G基于人工智能时代的频谱定价图1频谱定价机制发展脉络关键技术优势成本定价权威性强，管理有效基准价格修正系数法因素全面，体系简明层次分析法系统性好同步向上拍卖步骤简明，利润可观激励拍卖灵活度高，可行性强合作博奔理论成熟，公平性和稳定性较高非合作博奔同质频谱双重拍卖同质频谱双向拍缺点准确性差，不灵活权重受到主观因素影响难以定量描述无法处理复杂异构网络需要大量计算资源难以在定价过程中感受到价格，对收益做出预期保证了频谱重用性和交易真实性没有考虑频谱异质性，应用范围有限综合考虑买卖双方的偏好和冲突情系统设计复杂，需要合适的分组机制况，能够精准匹配弹性光网络引入2022参考文献18 114 112 14 102425179111718 202829 21232627114移动通信2024年4月第4期第48 卷总第52 4期张浩霖，赵友平：面向6 G网络的频谱定价机制演进与展望的价值可以是服务商的利润，但根本在于为社会成员提供频谱管理机构的福利效益11。进行频谱资源评估时的三大指标为：对一级频谱市场社会的总贡献、对社会的总贡献与投入成本之比和购买者主用户PU使用频谱后的经济发展潜力。文献 12 指出了进行频谱资源评估的一般策略和主次级频谱市场共享频谱池()图2 频谱资源交易市场1）一级市场，即由国家或地区的频谱资源管理机构和各地移动网络运营商（MobileNetworkOperator,MNO）及其他授权用户（主用户）组成的市场，是最早出现的频谱资源交易市场。2）次级市场，即由主用户和未授权的认知用户（次用户）组成的市场，是由于认知无线电技术的出现而产生的新市场。一级市场和次级市场的分配具有不同的特点。一级市场为主用户分配频谱牌照，主用户凭借牌照占有频谱一年至数十年不等，是相对静止的分配。在次级市场中，采用的是基于认知无线电技术的动态频谱分配，次用户的数量和主用户提供的可用频谱量都在随时变化。频谱分配特点的不同，必然导致一级市场和次级市场在定价方式上的区别。在FCC等频谱管理机构主导的一级市场拍卖中，采用的都是单边拍卖的方式，在次级市场拍卖中，由于卖家之间也存在竞争关系，大都采用了双重拍卖的设计。在以市场经济手段进行频谱分配的方案中，频谱拍卖一直备受青睐。业界针对一级市场和次级市场的拍卖方式都进行了长时间的研究，并且在一级市场中，频谱拍卖已经取得了相当多的成绩（详见3.3节）。因此，6 G时代下，次级市场的频谱拍卖方式必将作为一个重要的发展方向。为此，需要对当前的动态频谱分配的发展现状进行准确了解，吸取当前一级市场和次级市场的频谱拍卖机制研究成果，并寻求智能化技术和频谱分配技术的结合。3.1频谱资源价值评估研究成果人类对无线电的研究历史，可以说是在不断的扩展对频谱资源的认识和应用的历史。随着技术的进步，无线频谱的用途越来越广泛，覆盖范围越来越大，使用用户也越来越多，频谱日益表现出了它的公共资源属性。因此国内外学者都针对频谱资源的价值进行了经济学的评估，并产生了一系列方法和理论 1-14。频谱既是一种自然资源，也是一种公共资源。频谱要定价方法。如表2 所示频谱评估的三种基本策略是：费用策略、财政策略和市场策略。四种主要定价方法为：成次用户SU本导向定价、管理激励定价、激励定价和拍卖定价。表2 频谱价值评估的三种策略2 策略依据费用策略频谱管理费用财政策略国家财政负担市场策略市场机制保证文献 12 在理论上明确了频谱定价的原则，是一个纲领性，指导性的文献。在实际操作中需要建立频谱价值的经济模型，将各种影响因素做成量化指标来构建算法。文献 1采用层次分析法对指标进行加权进行总评估，设定了最基本的经济模型，具有较强的实践指导意义。文献13对认知无线电场景下异构网络的频谱价值评估进行了研究，分析了干扰和衰落引起的租用频谱质量差异在频谱价值上的影响。文献 14根据资源的经济理论全面评价了频谱经济价值的影响因素，创造性的引人了土地资源价值评估中的基准价格修正系数法，使得频谱价值评估的流程更加简明。3.2基于博奔模型的频谱定价机制近年以来基于认知无线电技术的动态频谱分配方案得到了较为充分的研究15.16。博奔论是研究具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法。在频谱共享机制下，主用户和次用户之间以及各次用户之间对频谱资源的争夺可以采用博奔论来进行分析建模。频谱资源的定价便是在博奔论分析的基础上达到均衡的结果。许多研究中，都基于博奔理论提出了多种动态频谱管理方案以及对应的定价算法。根据参与者之间是否进行信息交流，达成协议，博奔模型一般分为合作博奔与非合作博奔两种。文献 17 提出了基于主用户合作博奔的频谱定价算法，收敛速度较快，保障了主用户整体收益。但是在大多数情况下，用户出于最大化自身利益考虑，并不愿意进行合作共享。因此一般使用非合作博奔模型分析动态频谱分配及其定价问题。次级市场中的频谱交易是双向的，主用户和次用户内部都存在着竞争。现有的研究主要关注主用户的竞争定价问题，次用户的竞争定价主要由双向拍卖方式实现。文献17提出了针对主用户空闲频谱的竞争价格模型，可以得115目标最大投资利润合理财政负担最大社会效益移动通信2024年4月第4期第48 卷1研究与探讨1总第52 4期到唯一的纳什均衡解，实现主用户收益最大化。文献 18 则综合考虑了主用户和次用户的成本收益，设计了分布式的频谱定价算法，提高了系统的频谱使用效率。在经济学中，少数公司（即寡头垄断者）主导特定市场的情况，被称为寡头垄断 19。次级市场下由主用户主导的频谱分配，可以视为寡头垄断市场。Bertrand博奔是处理寡头市场的价格竞争模型，因此可以引入频谱定价机制的设计中 19 2 0。文献 19 使用Bertrand博奔来分析主用户的竞争问题，采用了分布式的算法。得到了所有主用户的总利润最大化的纳什均衡。文献 2 0 基于静态Bertrand博奔论，提出了针对主用户的频谱定价算法，综合考虑了次用户的干扰和主用户在许可频谱租赁期间的新频谱需求，不仅提高了频谱效率，而且保证了主用户的经济效益。以上博奔模型均需要求解纳什均衡点，得到优化价格。达成纳什均衡的条件之一是用户拥有完全信息，但是在实际系统中，经常出现信息不完全或者有误的情况。因此文献 9 创新地将稳健博奔引人动态频谱管理，处理非合作博奔中信息不完全的情况。虽然没有直接设计处理经济问题的模型，但依然为寻求定价问题的博奔解法提供了良好思路。综上，对于MNO与认知用户之间进行共享的费用核算，基于博奔论的定价机制都意识到市场化的频谱定价是用户的竞争和博奔的结果，需要去中心化的管理方式，考虑的因素较为全面，公平性和求解的稳定性都比较良好。6 G移动通信中将要融合的相关技术诸如人工智能、分布式异构网络和区块链技术等恰好可以为分布式的频谱管理提供支持。然而，相比于得到广泛应用的频谱拍卖，基于博奔模型的定价方法在现实中难以落地。现实中的价格受到许多社会因素干扰，拍卖机制可以将这些因素封装在竞标者提供的报价里，有动态的退出机制处理成交价格与支付能力不符的情况。而许多基于博奔模型的算法将定价机制视为最优化问题进行求解，难以处理实拍卖机构拍卖成果1994年，首次频谱同步拍卖2008年，主持了7 0 0 MHz频段拍卖FCC2016年，主持了首次激励拍卖，将6 0 0 MHz电视频段腾退给无线宽带业务2020年，主持了3.7 4GHz的5G使用频段的拍卖2000年，主持了3G频谱的拍卖，获得2 2 5亿英镑收益2013年，主持了8 0 0 MHz和2.6 GHz频段的4G频谱拍卖OFCOM2016年，为移动宽带服务拍卖2.3GHz和3.4GHz频段2021年，主持完成3.6 GHz频段12 0 MHz带宽的5G频谱拍卖2013年主持拍卖了7 0 0 MHz和2.5GHz频段的4G频谱ACMA际经济能力不能支持求解结果的问题。因此基于博奔模型的定价机制需要继续加强与现实经济的结合。3.3一级市场的频谱拍卖机制研究成果频谱拍卖被视为一种最有效的将有限资源分配给能够利用资源创造出最大价值的用户的手段 2 1。频谱拍卖机构利用拍卖机制将频谱的专属使用权租赁给运营商，并从中获取利润。首次频谱拍卖发生在19 8 9 年的新西兰，在之后至今的三十多年间，美国和欧洲举行了数十次频谱拍卖，关于频谱拍卖的理论和制度也逐渐发展完善。频谱拍卖的分配过程和结果都更加公平、客观，容易被社会所接受，同时可以使卖家获取更大的利润。目前频谱拍卖机构以国家管理部门为主，如英国信息管理办公室（OfficeofCommunication，O FC O M）澳大利亚信息媒体管理局（AustralianCommunicationsandMediaAuthority，A C M A）和美国联邦通信委员会（FC C）等。以FCC为例，创造了许多经典的频谱拍卖案例。OFCOM和ACMA也在各自国家负责频谱管理、频谱牌照的出售和租赁任务。在这些拍卖中创造出了诸如同步向上拍卖、双向拍卖、激励拍卖等多种沿用至今的拍卖理论和方法。历年以来各个拍卖机构以及各自组织的拍卖活动和取得成果如表3所示。在文献 2 1和 2 3中，拍卖手段都被视为进行动态频谱分配的可行的市场化的手段。文献 2 1中设计了基于博奔模型的组合异质频谱拍卖机制。文献 2 3深入研究了异质频谱双向拍卖中的分组问题，来简化拍卖过程中的投标组合，更好地适用于复杂异构的频谱需求。在近年来的研究中，Paul Milgrom等提出了激励拍卖，引入了时钟拍卖这一新形式，并通过与计算机技术结合，来处理未来6 G愈渐复杂的投标组合的情况。文献24详细说明了激励拍卖中的“启发式时钟拍卖”的设计及其计算速度快。效率高的优势，充分保证了大规模节表3世界主要拍卖机构及其成果3）允许频谱所有权变更和允余频谱的使用；4）管理免授权频谱；5）制定频谱使用政策，解决频谱干扰；6）进行频谱分配前瞻性研究；7）参与国际研讨2021年主持拍卖了2 6 GHz频段的5G频谱职权范围 2 1）确定和改变频谱用途；2）确定需要清退的频谱；116移动通信2024年4月第4期第48 卷总第52 4期张浩霖，赵友平：面向6 G网络的频谱定价机制演进与展望点计算压力下的拍卖可行性。本文选取同步向上拍卖和激励拍卖两种影响力较大的拍卖方案进行分析。所有用户提交带宽需求和单位频谱报价，形成竞标组合文公布最高带宽需求与最高单位频谱报价用户提交新的需求与报价组合，其中报价不得低于上一轮在第九阶段仍无法达成双向一致，则整个激励拍卖失败。其中，反向时钟拍卖用于政府从广播电视公司手中收购电视频谱。是一种递减时钟拍卖，即会定时降低报价的拍卖。降价流程直到不再有合适频谱分配给上一轮报价的广播公司为止。这样就确定了政府可以供给的频谱总量。正向时钟拍卖用于确定无线宽带提供商为购买频谱所需要支付的价格。FCC从一个低价开始逐轮向上叫价。当竞标者对频谱牌照的需求大于供给时，报价停止上升。反向时钟拍卖(ReverseClockAuction)：广播电视公司将自愿决定是否将其频谱权利出售给FCC，通过向下竞价出让频谱判定是否存在更高的组合价格否拍卖结束，分配带宽图3同步向上拍卖流程14（1）同步向上拍卖在19 9 4年的第一次拍卖中，FCC创造了至今常用的同步向上拍卖流程。其具体流程如图3所示。同步向上拍卖建立的前提是频谱作为自然资源的同质性，即在外部条件不变的情况下，频谱提供者提供的带宽范围内，任意频段创造的单位价值都相同。同步向上拍卖法以其步骤简明、能够一定程度上防止共谋、有利于最大化拍卖价格的优点，已经成为了频谱拍卖中的经典方法。但是随着时代发展，尤其是网络异构化复杂化的发展，频谱提供者提供的频谱同质性正在减弱；如果将其应用在认知无线电系统下，由主用户向大量密集次用户共享频谱获取收益的方案中，最高组合价格的判定本身就可能成为一个NP-hard问题，或者需要很大的计算时间资源，在即时性要求更高的6 G时代，这样的缺点是致命的。（2）激励拍卖PaulMilgrom提出的激励拍卖，具有节省时间，减少计算负担并保证可行性的优点。同时也具备了防共谋的优势，是一种非常适合现代通信发展趋势的拍卖机制。激励拍卖的基本流程如图4所示。激励拍卖包含反向时钟拍卖、正向时钟拍卖和重新打包规划三个部分。FCC制定了共九个阶段的频谱拍卖方案。若正向拍卖所得足够支付反向拍卖所需的频谱回收价格，则拍卖结束，否则进人下一阶段的拍卖。每一阶段的拍卖都从反向拍卖重新开始，直至进人第九阶段。若正向时钟拍卖(ForwardClockAuction)：无线电是激励拍卖与之前的拍卖方式不同，激励拍卖具有如下特点：1）基于自愿原则。每轮时钟拍卖中途竞标者都可以自愿放弃，这样就可以促使优先为最愿意付出代价的用户分配频谱，保证了MNO的收益。2）频谱总量拍卖不定。拍卖的总量取决于反向拍卖能够回收多少频谱，是一种适应资源动态提供的拍卖方式。3）保证了拍卖的可行性。在每轮时钟拍卖后都能决出唯一愿意付出最大代价的用户。既保证了优先将频谱分配给最能创造价值的用户，又避免了对庞大的竞标组合进行统一优化。综上所述，在FCC主导的历次拍卖中，所有的拍卖方法都是在解决频谱管理机构如何将无线资源的使用权分配给具体的运营商的问题。经过了几十年的发展，处理这类拍卖问题的机制已经比较成熟。PaulMilgrom对于拍卖与计算科学融合发展的研究，使得频谱拍卖机制能够应对更复杂的异构系统，处理全国规模的十万级别的节点数量，综合考虑频谱异质性、干扰冲突、竞标分组等问题2 5。在6 G时代，面对超密集的异构系统，与人工智能、区块链技术等新兴技术融合的频谱拍卖机制，117宽带提供商将向上竞价购买频谱使用权重新打包规划（Repacking）当将电视台分配至新的频道时，为避免同频道干扰，所有未被拍卖的频谱都会被强制性重新打包规划正向拍卖所得是否足够支付反向拍卖所需的频谱回收价格是拍卖结束图4激励拍卖流程2 5移动通信2024年4月第4期香第48 卷1研究与探讨1总第52 4期将从经济领域保障频谱资源的合理高效利用。3.4次级市场的频谱拍卖机制研究成果在本文3.1节中，提到了目前动态频谱分配的主流定价方案是基于博奔的竞争定价机制。优势在于理论比较成熟，效果的公平性和稳定性较高。不过缺点也比较明显：单个用户难以在定价过程中直观的感受到价格相对高低，也难以对最终收益做出预期，定价机制对于用户的激励作用就会有限。业界希望能够在动态频谱分配中引入拍卖机制，使得分配结果和价格对主用户和次用户都具有更强的激励作用，发挥拍卖机制在分配稀缺资源方面的优势。6 G移动通信系统是多业务共存的复杂异构网络，因此在进行拍卖机制的设计时，首先要考虑对异质性频谱的处理问题，包括分析频谱的时间、频率和空间的异质特点，利用频谱重用性的和建立干扰冲突图。为了实现异质性频谱拍卖，文献2 3 和2 6 提出了一种针对多个异构频谱单元的真实双重拍卖机制TruthfulDouble Auction for Multiple Heterogeneous spectrumunits（T D A M H），文献2 7 提出了一种针对异构频谱的真实双重拍卖机制Truthful doubleAuctionmechanismforHEterogeneous Spectrum（T A H ES）。TAHES是第一个针对异构频谱交易的双重拍卖机制，允许买家对不同频率的频谱表达不同的偏好。也是第一个能够处理频谱频率异质性引起的干扰图变化问题的拍卖机制。根据异构频谱中不同的冲突关系对频谱购买者进行分组，通过考虑频谱的可重用性，提高了频谱利用率。TAHES机制设计中只考虑了一对一的匹配情况，为此设计了相应的匹配机制。TDAMH同样将买家干扰条件建模成冲突图，对无冲突买家进行分组，保障频谱资源可重用性。创新性地引入了虚拟竞标组（VirtualBidGroup，V BG）的概念，将具有不同需求的一组买家划分为具有单个单位需求的多个VBG，从而解决了一对多和多对多的匹配情况，弥补了TAHES的不足。在更早的研究中，有许多针对同质性频谱拍卖的研究成果。如文献2 8 基于Vickrey-Clarke-Groves（VCG）竞价机制设计了最大化卖家收益的动态频谱拍卖机制，从而激励主用户共享频谱，缺点是没有在时间维度分析频谱异质性，最优化方法存在很大的计算复杂性。文献29设计了真实双重拍卖（TRuthfuldoUbleSpectrumaucTions，T RU ST）机制，在同质性频谱分配中成功实现了频谱重用性和真实性的双重保证。这些研究成果在一定的系统设计下，同样可以用于异质性频谱的拍卖中。频谱的异质性是可以分析的，异质的频谱资源总可以找到一种方式切割为多个同质的部分，这样同质性条件下的拍卖机制就依旧能够派上用场。文献15 提出了一种系统级的动态频谱分配系统结构，引人频谱资源管理中心（Frequency Spectrum Resource Management Center,FSRMC）进行供需信息的处理。与直接将异质频谱需求加人竞标信息不同的是，该系统把待分配频谱资源划分为同质性的频谱资源块，并由FSRMC进行与用户需求的匹配，满足一定的匹配度条件后再进行分配。在处理异质性频谱的拍卖问题中，也可以使用类似的系统结构（如图5所示），通过引人FSRMC，把分配的异质频谱资源划分成同质性的频谱资源块，与次要用户的需求进行匹配后，形成多个独立的同质性频谱拍卖系统，把双边拍卖需要处理的博奔分解为单边拍卖来实现。需求申报次用户次用户2必用户品次用户3层次用户M公图5同质资源块匹配交易的异质频谱拍卖系统15i这样的处理降低了拍卖系统的复杂性，从而可以使用更简单的同质性频谱拍卖方法，减轻分布式计算节点的负担。同时并不违背最终的成交价格是用户博奔的结果这一基本原则，提升了拍卖系统的可行性。3.5基于人工智能的频谱定价（1）基于数学模型的频谱管理方法的问题长期以来，无线资源管理的管理方法都是基于数学模型的方法，即把实际系统管理目标转化为数学模型的优化问题，如线性规划、非线性规划、整数规划等。进一步的，就可以使用相对成熟的优化算法进行问题的求解30 。将价格也作为一个考虑因素加人相应的数学模型中，通过优化问题的求解就可以得到相应的定价策略。前文提到的基于博奔模型的定价机制、一级市场和次级市场的拍卖定价机制都是基于数学模型的管理方法。基于数学模型的管理方法的优点是将实际问题抽象为数学模型后，对模型可以进行详细的分析，得到的结果具有很高的可靠性。然而，面对通信系统的复杂度与日俱增、性能要求急剧提升、分布式网络迅速发展等新形势，其问题也逐渐暴露出来31,32 1）不适应分布式资源分配网络。传统的集中式频谱管理系统无力应付6 G更高的频谱性能要求、更复杂的干扰管理和安全防范，难以保证无线资源分配的效率和公平性。需求匹配资源告知FSRMC主用户主用户2+主用户主用户3层主用户118移动通信2024年4月第4期第48 卷总第52 4期张浩霖，赵友平：面向6 G网络的频谱定价机制演进与展望移动通信2）不适应动态频谱分配。在认知无线电中，认知用户需要实时探知周围信道状态，这些实时状态很难定义为静态参数。3）不适应复杂的异构网络。6G无线通信系统将是一个多业务共存、多种通信技术融合的异构网络。使用一个统一的数学模型来对系统进行描述将变得极为困难32 。（2）基于人工智能的频谱管理方法研究成果6G网络将是高度智能化的网络，人工智能、深度学习、通信与计算融合技术等都将成为潜在的关键技术7 ，在5G场景下，业界已经通过引人人工智能方法，取得了相当的研究成果30 。人工智能手段解决频谱资源分配问题成为了可能。文献32 指出，使用人工智能进行无线资源管理有如下四个优势：（1）可以直接从数据中获得解决方案；（2）NP-h a r d 问题等棘手优化问题的求解具有可接受的复杂性；（3）对系统参数不太敏感；（4）多目标优化问题不需要划分为子问题就可以求解。近年来在无线资源分配领域，基于Q学习和仿生学算法的方法取得了广泛的研究3-38 ，解决了信道和功率分配、基站功耗管理和提升达到预期服务质量（Qualityof Service，Q o S）时的用户数量等问题。神经网络也是人工智能算法中的重要分支。6 G网络面临频谱空间化乃至多维化的趋势，而图在刻画复杂多维关系方面具有先天的优势39 。于是基于图论分析的图卷积神经网络（GraphConvolutionalNetworks,GCN），凭借强大的图数据特征提取能力，在6 G时代可以发挥更大的作用。文献40 将GCN引入弹性光网络，进行拓扑特征提取，优化了频谱分配性能。随着6 G演进工作的推进，GCN必然能获得更广泛的应用。当前基于人工智能的频谱资源管理方法总体上还处于初步的研究阶段，仍然面临着许多挑战。业界对当前面临的挑战进行了总结，并给出可能的发展方向，如表4所示。46G频谱定价机制展望在6 G网络的新愿景和新的业务需求下，如何有效结合6 G技术框架进行更为高效的频谱资源管理，是未来几面临挑战缺乏用于开发和评估人工智能算法的标准化测试数据集在未来通信中部署AI的安全性和可靠性如何保障难以精准评估数据完整性和准确性对人工智能算法性能增益的影响AI算法的延迟控制问题难以实现可管控的QoS/用户体验（QualityofExperience）Q o E性能难以确定基于AI的通信系统的理论性能边界年6 G的重要课题。本章基于前文对频谱定价机制的演进分析，针对6 G网络的三个潜在技术（空天地海一体化网络、频谱区块链和语义通信）对频谱交易和定价带来的可能影响进行展望。4.1空天地海一体化网络实现ASGO-IN，是6 G的一大愿景。卫星、地面和海洋网络的通信条件和性能要求不同，因此具备不同的频谱资源需求。在长期的演进过程中，形成了相对独立的频谱资源分配机制4142 。与已有网络的接人呈现平面分布不同，ASGO-IN的频谱分配呈现立体化、空间化的特点。无线环境图（RadioEnvironmentMap，REM）在认知无线电系统中用来估计周围频谱使用情况，预测相关区域的频谱使用特征，已经获得了广泛认可和应用。6 G网络需要构建三维的REM，实现一体化的频谱管理机制。使用同样的思路，可以形成反映ASGO-IN中共享频谱实时价格分布的无线价格图（Ra d io Pr ic e M a p，RPM），并对相关区域的价格分布进行估计和预测，实现频谱价格一体化网络。当前大范围，高精度的REM仍处于建设阶段，可以通过经济价格手段推动三维REM的构建，同时为RPM的建设探索道路。一些研究使用动态定价手段，实时奖励为REM贡献合格频谱感知数据的移动用户43-4，加快了REM的更新速度并提升了精度。两种定价方案都设计了效用机制用以动态评估用户的贡献，使用价格手段进行奖励，同时较好地屏蔽了不同网络的差异。未来在ASGO-IN场景下的RPM构建，可以在该思路上继续拓展。4.2频谱区块链6G网络分布式的网络架构要求能够允许网络拓扑的动态变化，并保证通信网络的安全性。区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯、匿名性和透明性五大特征，被视为构建分布式安全可信交易环境的有效解决方案。文献【45 指出了区块链可以用于频谱共享和资源配置。在动态频谱共享中，区块链可以通过激励机制与主用户签订合同，使得主用户愿意共享频谱获得收益，文献31 提出了如图6 所示的基于区块链的频谱生态管理表4基于人工智能的频谱资源管理方法的挑战和展望3构建有效且可信的能够用于人工智能算法性能验证的标准化测试数据集基于区块链和Stigmergy学习的群体智能共识/信任机制算法通过认知引擎支持动态场景到目标以及人工智能算法的映射基于深度学习和广度学习的延迟控制机制基于可解释人工智能（XAI）的QoS/QoE性能管控基于认知信息理论的理论性能界展望方向2024年4月第4期119第48 卷1研究与探讨1总第52 4期系统。该系统支持不同类型的节点、不同垂直行业之间的频谱交易，提升了频谱