スペクトル管理

スペクトル管理とは、無線周波数の使用を規制して効率的な使用を促進し、社会全体の利益を得るプロセスです。^[1]無線スペクトルという用語は通常、無線通信に使用できる 1 Hzから3000  GHz (3 THz )の全周波数範囲を指します 。携帯電話などのサービスの需要の増加により、スペクトル管理の考え方を変える必要がありました。3Gや 4G モバイル サービスなどの技術革新や、無線インターネット サービスの急速な拡大により、無線ブロードバンドの需要が急増しました。 ^[2]

1930 年代以降、スペクトルは行政ライセンスを通じて割り当てられてきました。技術の制約により、信号干渉はかつてスペクトル使用の大きな問題と考えられていました。そのため、ライセンシーの信号を保護するために、独占ライセンスが確立されました。類似のサービスのグループに個別の帯域をライセンスするという以前の慣行は、多くの国で、技術革新を加速し、スペクトル使用の効率を向上させることを目的とした「スペクトル オークション」モデルに取って代わられています。スペクトル割り当ての実験的プロセスでは、抽選、無許可アクセス、スペクトルの民営化など 、他のアプローチも実行されました。

最近では、アメリカが共有スペクトル政策へと向かっているのに対し、ヨーロッパは認可共有アクセス（ASA）ライセンスモデルを追求している。オバマ大統領は、大統領科学技術諮問委員会（PCAST​​）の勧告に従い、2013年6月14日に共有スペクトルを米国の政策とした^[3] 。PCAST​​は、過度のリスクをもたらさないことを条件に、特定の場所と時間に使用されていない（未承認の）連邦無線スペクトルの共有を提唱した。この指針に沿って、2014年12月現在、FCCはテレビ帯域スペクトル共有（TVホワイトスペース）の限定的な成功を他の帯域に拡大し、3層ライセンスモデル（既存、優先、一般アクセス）を介して3550～3700MHzの米海軍レーダー帯域に大きく拡大した。

ほとんどの国では、RFスペクトルは国家の独占的財産であると考えています。RFスペクトルは、水、土地、ガス、鉱物と同様に国家資源です。しかし、これらとは異なり、RFは再利用可能です。^[4]スペクトル管理の目的は、無線スペクトルの汚染を軽減し、使用可能な無線スペクトルの利点を最大化することです。^[5]

国際電気通信連合(ITU) 憲章の最初の文では、「各国の電気通信を規制する主権的権利」が完全に認められています。効果的なスペクトル管理には、国家、地域、世界レベルでの規制が必要です。^[要出典]

スペクトル管理の目標には、RFスペクトルの使用を合理化および最適化すること、干渉を回避および解決すること、短距離および長距離の周波数割り当てを設計すること、新しい無線技術の導入を促進すること、近隣諸国および他の行政機関との無線通信を調整することなどが含まれます。国家的に規制する必要がある無線スペクトル項目: さまざまな無線サービスへの周波数割り当て、送信局へのライセンスとRFの割り当て、機器の型式承認(欧州連合以外の国の場合)、料金徴収、国際周波数マスターレジスタ(MIFR)のITUへの通知、近隣諸国との調整(電波には国境がないため)、地域委員会(ヨーロッパのCEPT、アメリカのCITELなど)およびITUに対する対外関係。 ^[要出典]

スペクトル管理は、スペクトルの用途の増加により、ますます大きな問題となっています。^[6]用途としては、無線放送（ 1920年に開始）、政府および研究用途（防衛、公共の安全（海上、航空、警察）、資源管理、輸送、電波天文学など）、一般向け商用サービス（音声、データ、ホームネットワーキングなど）、産業、科学、医療サービス（遠隔医療、リモートコントロールなど）などがあります。

1980年代には、ラジオとテレビ放送だけが関心事でしたが、今日では携帯電話と無線コンピュータネットワークがますます重要になってきており、米国の世帯の15％未満がテレビ信号の受信に地上波放送に依存しています。^[7]

米国の周波数帯は、非政府アプリケーションの場合は連邦通信委員会(FCC) によって、政府アプリケーションの場合は国家電気通信情報局(NTIA) によって管理されています。共有アプリケーションの場合は、両方の組織が同意する必要があります。

スペクトルは、それぞれ特定の用途を持つ異なる周波数帯域に分割されています。たとえば、300 kHz から 535 kHz をカバーする周波数帯域は航空および海上通信用に予約されており、520 kHz から 1700 kHz のスペクトルはAM ラジオ用に予約されています。このプロセスは「割り当て」 と呼ばれます。

次のステップは、特定のユーザーまたはユーザー クラスに周波数を割り当てることです。各周波数帯域には、アプリケーションの性質とユーザー数に応じて特定の割り当てがあります。実際、一部のアプリケーションでは他のアプリケーションよりも広い帯域が必要です (AM ラジオでは 10 kHz のブロックを使用し、FM ラジオでは200 kHz のブロックを使用します)。さらに、アプリケーション間の干渉を最小限に抑えるために「ガード バンド」が必要です。^[8]

コマンドアンド コントロール管理アプローチは、現在世界中のほとんどの規制当局が採用しているアプローチです。このアプローチでは、規制当局がスペクトルの割り当てと使用に関する決定を一元的に行う権限を持つべきだと主張しています。米国の例では、規制当局 (FCC) が特定のスペクトル部分の使用例と、それらにアクセスできる当事者を決定します。連邦通信委員会(FCC) は、採用される物理層技術も規制しています。^[9]

割り当ての決定は、時間的および空間的な次元で静的であることが多く、つまり、長期間 (通常は数十年) および広大な地理的領域 (国全体) にわたって有効です。使用は排他的に設定されることが多く、各バンドは単一のプロバイダー専用であるため、干渉のない通信が維持されます。コマンド アンド コントロール管理モデルは、無線通信の初期の時代にまで遡ります。当時、採用されたテクノロジでは、許容できる品質を実現するために干渉のない媒体が必要でした。そのため、コマンド アンド コントロール アプローチの排他性は、時代遅れのテクノロジの産物であるとよく言われます。^{[引用が必要]}

このモデルの明らかな利点は、公共の利益に関連するサービスが維持できることである。収益性という点では、公共の利益プログラム、たとえば地上波テレビは、プロバイダーの観点からは商業プログラムほど魅力的ではないかもしれないが、それでも社会にとっては有益である。したがって、これらのサービスは、ライセンス契約を通じて規制当局によって暗黙的に強制されることが多い。もう 1 つの利点は、このような集中型アプローチから生じる標準化である。このような標準化はネットワーク化された業界では重要であり、電気通信業界はその典型的な例である。^[10]ある学者は、新しいテクノロジーの開発によって、一般の人々にかなり多くのスペクトルがもたらされるが、社会がスペクトル使用の新しいパラダイムを受け入れる必要があることを示す論文を発表した。^[11]

抜粋：

米国における現在のスペクトル使用の構造と管理は、一部のスペクトル効率の高い技術の開発と使用を促進していません。スペクトル割り当てフレームワークは、サービスの種類 (航空無線ナビゲーションなど) とユーザー (連邦、非連邦、共有) によってスペクトルを大まかに区分しているため、スペクトルをさまざまな方法で使用するように設計された新興技術の能力は低下することがよくあります。たとえば、ソフトウェア定義のコグニティブ無線 (動作環境のリアルタイム条件に合わせてスペクトルの使用を適応させる無線) を使用すると、未使用の周波数、つまり「ホワイト スペース」を感知し、それらの周波数を自動的に使用できます。また、ソフトウェア定義のコグニティブ無線を使用して、スペクトル内の「グレー スペース」 (放射は存在するが、既存のユーザーが許容できないレベルの干渉を発生させることなく、追加のユーザーを収容できる領域) を活用してスペクトル効率を高めることも可能です。ただし、現在のスペクトル割り当てシステムでは、これらの技術が既存のスペクトル指定全体で動作するために必要な自由が提供されない可能性があり、新しいルールを定義するには、スペクトル リーダーが持っていないスペクトルに関する知識が必要です。同時に、スペクトルをより効率的に使用するための連邦規制要件やインセンティブはほとんどない。国家電気通信情報局(NTIA) は連邦政府のスペクトルの使用を管理し、スペクトル効率を確保する責任を負っているが、NTIA は主に各機関が開発するシステムが可能な限りスペクトル効率が高いことを保証することに依存している。しかし、各機関のガイダンスやポリシーでは、調達においてスペクトル効率を体系的に考慮することを要求していない。スペクトルの使用方法に関連する経済的影響がないため、政府全体でスペクトル効率を向上させる技術を開発して使用する機会を積極的に追求するインセンティブもほとんどない。^[12]

デジタル移行により、スペクトル管理は新たな時代に入りました。2009 年 2 月 17 日までにデジタル TV に完全移行することで ( 2005 年のデジタル移行および公共安全法)、放送局はスペクトルをより効率的に使用し、スペクトルを共有する可能性のためにスペースを節約できます。

スペクトル共有は白熱した議論の的となっている。商用ワイヤレスの急激な成長により、より多くのトラフィックを収容するために追加のスペクトルが必要となる。規制当局として、FCC はより多くのスペクトルを利用できるようにすることでこれらのニーズに応えた。二次市場の出現が認められ、免許保有者はスペクトルの使用を第三者に一時的にリースすることが奨励されている。免許を譲渡可能にすることは、放送局が未使用のスペクトルを共有するインセンティブを生み出すための FCC の重要な試みである。スペクトル不足の問題に対する別の提案された解決策は、通信システムが、以前はレーダー用に割り当てられたスペクトルを占有し、協力してスペクトルを共有できるようにすることである。このアプローチは最近、 DARPAプロジェクトを含むいくつかの研究プログラムで注目が高まっており^[13]、協力的なレーダー通信スペクトル共有のいくつかの方法を調査している。携帯電話ネットワークでのスペクトル共有など、より多くの代替案が進行中である。^[14]

スペクトル不足は、新しいワイヤレス サービスを開始しようとするときに直面する主な問題として浮上しています。この不足の影響は、利用可能なスペクトルの特定のバンドへのアクセスを確保するために事業者が数十億ドルを投資する必要があるスペクトル オークションで最も顕著です。この不足にもかかわらず、最近のスペクトル利用測定では、利用可能なスペクトルの機会が著しく活用されていない、つまり未使用のままになっていることが示されています。この人為的な「アクセス制限」に基づく不足は、コマンド アンド コントロール ガバナンス体制の静的で硬直した性質に起因するとよく考えられています。関係者は、スペクトル アクセスの制約を緩和することでガバナンス体制を改善できるかどうか検討し始めています。2 つの一般的なモデルは、「スペクトル コモンズ」アプローチと「スペクトル所有権」アプローチです。

米国の法律では、「政府」という用語が「国民」と同義語として使用されている場合を除き、周波数帯は民間部門や政府の所有物とはみなされない。^[要出典]

「コモンズ」という用語の本来の使用法は、一般大衆がコモンズを使用する限定的な権利を持つという慣習でした。当時、各人は自分の使用権に関心を持っていましたが、コモンズ自体は財産ではなく、権利は取引できないため「財産」ではありませんでした。「コモンズの悲劇」という用語は、1968 年にScienceに掲載されたギャレット ハーディンの記事で広く知られるようになりました。コモンズの悲劇は、個人にとっての最善の戦略が「公益」と衝突すると、私利私欲による公共の留保 (「コモンズ」) の破壊的な使用につながる可能性があるという考え方を示しています。このようなシナリオでは、各「悪役」の貢献はわずかであっても、これらの行動の結果が組み合わさると、リソースが役に立たないレベルまで劣化する可能性があると主張しています。この懸念から、スペクトルの規制が行われました。^{[引用が必要]}

スペクトル所有権モデルは、スペクトル資源を土地のように扱うべき、つまりスペクトル部分の私有を認めるべきであると主張しています。これらの部分の割り当ては、市場原理によって実施されるべきです。スペクトル所有者は、これらの部分を二次市場で取引できる必要があります。あるいは、スペクトル所有者は、好みの技術を使用して、好きな方法でバンドを使用することができます (サービスと技術の中立性)。スペクトル所有権モデルは送信権の排他的割り当てを主張していますが、ライセンス制度と同じではありません。主な違いは、スペクトル所有権アプローチで主張されているサービスと技術の中立性であり、ライセンス管理制度に固有のサービスと通信技術に対する厳格な要件とは対照的です。

周波数所有権の基本的な考え方は、1951年にレオ・ヘルツェル^[15]によって初めて提案された。ヘルツェルは当時法学部の学生であり、周波数管理に関する米国FCCの政策に対する批判を準備していた。ノーベル賞を受賞した経済学者のロナルド・コースは、1959年に周波数所有権をオークションにかけるという考え方を現状よりも優れた代替案として支持した。^[16]コースは、初期の分配が問題に影響を与えるかもしれないが、周波数に対する所有権がその最も効率的な使用につながると主張した。彼がFCCに初めて自分のビジョンを提示したとき、彼は冗談を言っているのかと尋ねられた。

スペクトル所有権モデルの支持者は、スペクトル所有者が潜在的に資源を節約したいと考えるため、このような管理スキームはイノベーションとスペクトル資源のより効率的な利用を促進する可能性があると主張している。^{[17] [18]}

スペクトル所有権モデルは、人為的な希少性とホールドアップ問題につながる可能性があるとしてしばしば批判されている。ホールドアップ問題とは、スペクトルリソース（高帯域幅アプリケーションに必要）の集約が困難になることを指し、個々のスペクトル所有者が貢献に対して非常に高い報酬を要求する可能性がある。^{[19]スペクトルは希少な有限財であるため、まったく使用しないという}逆のインセンティブがある。スペクトル市場の参加者と既存のスペクトル所有者は、スペクトルを事前に購入し、それを倉庫に保管して、既存または新規の競合他社が使用できないようにすることができる。既存のスペクトル所有者のこの倉庫に保管されたスペクトルに関する公式の計画は、未知の将来の使用のために保存することであり、したがって、予見可能な将来にわたってまったく使用しないことである。

部分的または不完全な「スペクトルを財産とする」規制体制では、古い理由とメリットのポリシーの下でスペクトルを取得した現所有者と祖父条項所有者は、以前の規制体制の下で無償で取得したスペクトルを販売することで思いがけない利益を得ることができます。規制体制が財産モデルに変更されると、現ユーザーと祖父条項ユーザーに対する元のメリットと理由のガイドラインは削除されることがよくあります。メリットのガイドラインがまだ遵守されているかどうかを確認し、遵守されていない場合は、現スペクトル所有者からスペクトル ライセンスを取り消して、古いメリットのガイドラインの下で新しいユーザーにスペクトルを再発行するか、新しい「スペクトルを財産とする」ポリシーに沿ってスペクトルを販売するための規制レビュー メカニズムは存在しません。

1934 年通信法は、すべての連邦使用に対するスペクトル管理の権限を大統領に付与しています (47 USC 305)。国立電気通信情報局(NTIA) は連邦政府のスペクトルを管理しています。その規則は、NTIA の「連邦無線周波数管理に関する規則および手順のマニュアル」に記載されています。

連邦通信委員会（FCC）は、国内の非連邦周波数帯の使用すべてを管理し、規制している（47 USC 301）。^[20]

背景：

• 1927年ラジオ法
• 1934年通信法
• 1947年行政手続法
• 1962年通信衛星法
• 国家電気通信情報局
• 1990 年の交渉による規則制定法
• 1992 年ケーブルテレビ消費者保護および競争法
• 1993年包括予算調整法
• 1996年電気通信法

国際電気通信連合（ITU）は、国連（UN）の一部門であり、国民国家間の無線周波数スペクトルと宇宙衛星の両方の使用を管理しています。全権大使会議はITUの最高の政策立案機関であり、連合の一般的な政策を設定するために4年ごとに会合します。ITUは3つのセクターに分かれています。無線通信セクター（ITU-R）^[21]は、無線サービスの技術的特徴と運用手順を決定し、無線周波数のスペクトル管理において重要な役割を果たしています。ITU-R研究グループ1 ^[22]はスペクトル管理の研究グループです。電気通信標準化セクター（ITU-T）は、国際的に合意された技術および運用標準を開発しています。電気通信開発セクター（ITU-D）は、ITUの191の加盟国の3分の2を占める世界中の開発途上国での電気通信インフラストラクチャの拡張を促進しています。 ITU 無線規則は、約 40 の異なるサービスによる無線スペクトルの使用を規制する拘束力のある国際条約を定めています。^{[引用が必要]}

電気通信において、周波数割り当て権限とは、無線通信サービス、無線局、またはISMアプリケーションで使用するために、電磁スペクトル内の周波数、周波数チャネル、または周波数帯域を指定するために、条約または法律を介して機関または管理者に管理、指定、または委任するために付与される権限です。

周波数管理は、国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則（RR）^[23]の第1.2条によれば、 「国際電気通信連合憲章、国際電気通信連合条約、および行政規則（CS 1002）で負う義務を履行する責任を負う政府部門またはサービス」と定義されています。国際電気通信連合憲章の付属書または国際電気通信連合条約（ジュネーブ、1992年）の付属書に含まれる定義と同一の定義には、それぞれ「（CS）」または「（CV）」とマークされています。

国際的な周波数割り当て権限は、国際電気通信連合 (ITU) の 無線通信局に与えられています。

• 欧州では、各国がそれぞれの周波数管理を通じて、これらの分野を統制する欧州および国際的な政策、基準、法律の進展に規制上の意見を表明しています。
• 欧州の周波数管理機関は、適切な国立無線周波数機関(NRFA)から軍事に関する助言を受ける場合があります。NATO ヨーロッパに関しては、この専門知識はスペクトル協議指揮統制およびインフラストラクチャ部門(SC3IB) 内にあります。ただし、無線周波数スペクトルへの軍事アクセスに関する意思決定機関は、NATO諮問指揮統制委員会(C3B)の代理であるNATO民軍スペクトル能力パネル 3 (CaP3) であり、各国の周波数管理機関の有能で権限を与えられた、委任された代表者が参加します。
• ヨーロッパの民間周波数管理は、いくつかの組織によって推進されています。これには次の組織が含まれます。
  • 欧州連合（EU）
  • 独立規制当局グループ (IRG)
  • 欧州郵政電気通信行政会議（CEPT）^[24]
  • 欧州無線通信局（ERO）^[25]

2002 年 7 月、欧州委員会は電子通信ネットワークおよびサービスに関する欧州規制当局グループも設立し、欧州委員会とすべての EU 加盟国の規制当局間の交流と調整のための正式な体制を初めて構築し、欧州法の一貫した適用を確保しました。

米国では、主な周波数割り当て権限は、連邦政府の場合は国家電気通信情報局 (NTIA) が、連邦政府以外の組織の場合は連邦通信委員会 (FCC) が行使します。

• 周波数割り当て
• 軍事スペクトル管理
• 放送免許
• 免許不要帯域でのLTE
• 効果的なスペクトル管理のための課題と戦略