5G/6G時代の高スペクトル・高エネルギー効率化のための全国移動体通信事業者におけるミリ波スペクトラム取引の利用について

On Exploiting Millimeter-Wave Spectrum Trading in Countrywide Mobile Network Operators for High Spectral and Energy Efficiencies in 5G/6G Era.

• Rony Kumer Saha

抄録

本論文では、ある国のすべての移動体通信事業者（MNO）のミリ波スペクトラム利用率を向上させるために、動的独占利用スペクトラムアクセス（DESA）方式を提案する。提案するDESA方式は、二次的なスペクトラム取引を利用することで、ある移動体通信事業者のミリ波スペクトラムを、ある契約期間の間、ダイナミックかつオンデマンドで他の移動体通信事業者に一部または独占的に共有するものである。提案するDESA方式は、ある国の任意の数の通信事業者を対象に定式化されている。次に、各通信事業者に最適な共有スペクトル量を求めるための反復アルゴリズムを提案し、契約期間ごとに更新する。さらに、全国の全キャリアについて、平均容量、スペクトル効率、エネルギー効率、コスト効率の性能指標を導出し、4つのキャリアが同量の28GHz帯ミリ波スペクトラムを静的に割り当てられた国のシナリオを例に、数値計算とシミュレーションの結果と分析を豊富に提示した。DESAを適用することで、データトラフィックに必要な最低ライセンス数が不足している通信事業者が、未利用・未利用の他の通信事業者から必要な追加のスペクトルを有料でリースすることが可能であることを示しました。さらに、全国の平均容量、スペクトル効率、エネルギー効率、コスト効率をそれぞれ 25％、25％、17.5％、20％向上させることが可能であることを示した。さらに、全国の全通信事業者に DESA を適用することで、第 6 世代（6G）移動体システムに必要とされるスペクトラム効率とエネルギー効率が、同じ mmWave スペクトルを再利用することで、20%少ないスモールセルのビル数で達成できることを示した。最後に、全キャリアの加入者統計を用いて、第5世代（5G）ネットワークを対象としたケーススタディを行い、提案するDESA手法を日本国内の全キャリアに適用することを実証した。

In this paper, we propose a dynamic exclusive-use spectrum access (DESA) method to improve the overall licensed millimeter-wave (mmWave) spectrum utilization of all mobile network operators (MNOs) in a country. By exploiting secondary spectrum trading, the proposed DESA method shares partly and exclusively the licensed mmWave spectrum of one MNO to another in a dynamic and on-demand basis for a certain agreement term. We formulate the proposed DESA method for an arbitrary number of MNOs in a country. We then present an iterative algorithm to find the optimal amount of shared spectrum for each MNO, which is updated at each agreement term. We derive average capacity, spectral efficiency, energy efficiency, and cost efficiency performance metrics for all MNOs countrywide and present extensive numerical and simulation results and analyses for an example scenario of a country with four MNOs each assigned statically with an equal amount of 28-GHz mmWave spectrum. By applying DESA, we show that MNOs with a lack of minimum licensed spectra to serve their data traffic can lease at the cost of payment of the required additional spectra from other MNOs having unused or under-utilized licensed spectra. Moreover, it is shown that the overall countrywide average capacity, spectral efficiency, energy efficiency, and cost efficiency can be improved, respectively, by 25%, 25%, 17.5%, and 20%. Furthermore, we show that, by applying DESA to all MNOs countrywide, the expected spectral efficiency and energy efficiency requirements for sixth-generation (6G) mobile systems can be achieved by reusing the same mmWave spectrum to 20% fewer buildings of small cells. Finally, using the statistics of subscribers of all MNOs, we present a case study for fifth-generation (5G) networks to demonstrate the application of the proposed DESA method to all MNOs in Japan.