Wireless Communications*
by
Joshua S. Gans, Stephen P. King and Julian Wright
1. Introduction
In 1895, Guglielmo Marconi opened the way for modern wireless communications by transmitting the three-dot Morse code for the letter lsquo;Srsquo; over a distance of three kilometers using electromagnetic waves. From this beginning, wireless communications has developed into a key element of modern society. From satellite transmission, radio and television broadcasting to the now ubiquitous mobile telephone, wireless communications has revolutionized the way societies function.
This chapter surveys the economics literature on wireless communications. Wireless communications and the economic goods and services that utilise it have some special characteristics that have motivated specialised studies. First, wireless communications relies on a scarce resource – namely, radio spectrum – the property rights for which were traditionally vested with the state. In order to foster the development of wireless communications (including telephony and broadcasting) those assets were privatised. Second, use of spectrum for wireless communications required the development of key complementary technologies; especially those that allowed higher frequencies to be utilised more efficiently. Finally, because of its special nature, the efficient use of spectrum required the coordinated development of standards. Those standards in turn played a critical role in the diffusion of technologies that relied on spectrum use.
In large part our chapter focuses on wireless telephony rather than broadcasting and other uses of spectrum (e.g., telemetry and biomedical services). Specifically, the economics literature on that industry has focused on factors driving the diffusion of wireless telecommunication technologies and on the nature of network pricing regulation and competition in the industry. By focusing on the economic literature, this chapter complements other surveys in this Handbook. Hausman (2002) focuses on technological and policy developments in mobile telephony rather than economic research per se. Cramton (2002) provides a survey of the theory and practice of spectrum auctions used for privatisation. Armstrong (2002a) and Noam (2002) consider general issues regarding network interconnection and access pricing while Woroch (2002) investigates the potential for wireless technologies as a substitute for local fixed line telephony. Finally, Liebowitz and Margolis (2002) provide a general survey of the economics literature on network effects. In contrast, we focus here solely on the economic literature on the mobile telephony industry.
The outline for this chapter is as follows. The next section provides background information regarding the adoption of wireless communication technologies. Section 3 then considers the economic issues associated with mobile telephony including spectrum allocation and standards. Section 4 surveys recent economic studies of the diffusion of mobile telephony. Finally, section 5 reviews issues of regulation and competition; in particular, the need for and principles behind access pricing for mobile phone networks.
2. Background
Marconirsquo;s pioneering work quickly led to variety of commercial and government (particularly military) developments and innovations. In the early 1900s, voice and then music was transmitted and modern radio was born. By 1920, commercial radio had been established with Detroit station WWJ and KDKA in Pittsburgh. Wireless telegraphy was
first used by the British military in South Africa in 1900 during the Anglo-Boer war. The British navy used equipment supplied by Marconi to communicate between ships in Delagoa Bay. Shipping was a major early client for wireless telegraphy and wireless was standard for shipping by the time the Titanic issued its radio distress calls in 1912.1
Early on, it was quickly recognized that international coordination was required for wireless communication to be effective. This coordination involved two features. First, the potential for interference in radio transmissions meant that at least local coordination was needed to avoid the transmission of conflicting signals. Secondly, with spectrum to be used for international communications and areas such as maritime safety and navigation, coordination was necessary between countries to guarantee consistency in approach to these services. This drove government intervention to ensure the coordinated allocation of radio spectrum.
2.1 Spectrum Allocation
Radio transmission involves the use of part of the electromagnetic spectrum. Electromagnetic energy is transmitted in different frequencies and the properties of the energy depend on the frequency. For example, visible light has a frequency between 4times;1014 and 7.5times;1014 Hz.2 Ultra violet radiation, X-rays and gamma rays have higher frequencies (or equivalently a shorter wave length) while infrared radiation, microwaves and radio waves have lower frequencies (longer wavelengths). The radio frequency spectrum involves electromagnetic radiation with frequencies between 3000 Hz and 300 GHz.3
Even within the radio spectrum, different frequencies have different properties. As Cave (2001) notes, the higher the frequency, the shorter the distance the signal will travel, but the greater the capacity of the signal to carry data. The tasks of internationally coordinating the use of radio spectrum, managing interference and setting global standards are undertaken by the International Telecommunication Union (ITU). The ITU was created by the International Telecommunications Convention in 1947 but has predecessors dating back to approximately 1865.4 It is a specialist agency of the United Nations with over 180 members. 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
无线通信
约书亚圣甘斯，斯蒂芬.金和朱利安赖特著
1. Introduction 概述
1895年，Guglielmo Marconi 利用电磁波把3位摩尔斯电码编码的字母S传递到3公里以外的地方，为现代无线通信指明了道路。至此，无线通信就慢慢成为了现代社会的重要组成部分。从卫星传输，广播电视，到现在无处不在的移动电话，无线通信已经使社会发生了革命性的变化。
这一章主要是概述经济文献对无线通信的研究现状。
无线通信为了支持无线通信的发展（包括电话和广播），私有化应运而生。其次，基于无线通信的频谱使用要求互补性技术的发展，尤其是及其在经济活动应用中的一些特点刺激了关于无线通信的专门研究。首先，无线通信是建立在一种稀有资源之上的，即，无线电频谱，而它往往为国家所掌控。要能使那些高频率的频谱得到更有效的利用。最后，因为其本身的特性，高效率的频谱使用又要求标准的协调发展。这些标准反过来又大大推动了基于频谱使用的技术的扩散。这一章，我们的重点是无线电话，而不是广播或其他种类的频谱使用技术（例如，遥测和生物医学服务）而且，这些文献主要关注的是，在这个产业内，推动无线通信技术扩散的因素和网络定价的规则及其竞争力。
通过关注这些经济文献，本章补充说明了整个手册中其他调查中的一些问题。Hausman主要研究的是移动电话技术和政策的发展而不是经济研究本身。Cramton侧重于，在频谱私有化过程中，频谱拍卖的一些理论与实践。Armstrong 和Noam 主要研究网络互连和接入定价的有关问题，与此同时Woroch关注的则是无线技术取代本地固定电话的可能性。而Liebowitz and Margolis则侧重于网络效应。而我们主要是侧重于研究移动电话产业的一些经济文献。
本章的结构如下：
第二部分主要是采用无线通信技术的背景信息。
第三部分讨论的是与移动电话有关的一些经济问题，包括频谱分配和标准。
第四部分是最近关于移动电话普及的经济学研究。
最后，第五部分关注的是规则和竞争力的问题，尤其是，移动电话网络接入定价的需求和原则。
2. Background 背景
Marconi 开创性的工作很快就引起了一系列商业和政府部门（尤其是军事）的发展和变革。20世纪初，声音和音乐先后开始能够通过电磁波传递，而且现代收音机诞生。1920年，商用无线电站，底特律WWJ和匹兹堡KDKA建立。无限电报也于1900在盎格鲁-布尔战争中由在南非的英国军队首先使用。英国海军在迪拉果阿湾的船只上使用由Marconi提供的设备相互联系。船只是无线电报早期最重要的客户。到1912年，当铁达尼号使用无线电发出求救信号的时候，船只的无线电标准已经形成。在此之前，人们已经认识到了，要发挥无线通信的作用必须加强国际合作。合作包括两个方面。首先是无线电传输中可能的干扰，也就是说至少人们要通过协调以避免信号冲突。其次，由于频谱在诸如海上安全和导航等领域的应用牵扯到不同国家，因此必须通过国际协调来保证这些服务的畅通。这就要求政府干预来协调无线电频谱的合理分配。
2.1 频谱分配
无线电传输涉及电磁频谱的使用。电磁能量通过不同的频率传输，而且能量的特点也取决于频率。例如，可见光的频率在4times;1014 到7.5times;1014 Hz之间。2 Ultra紫外射线，X—射线和伽玛射线频率较高（或波长教短） ，而红外辐射，微波和无线电波频率教低（波长较长）。无线电频谱中的电磁射线的频率在3000 Hz —300 GHz 之间。即使在同一无线电频谱中，不同的频率也具有不同的性能。Cave曾经说过，频率越高，信号传播的距离越短，容纳的数据越多。
国际间协调无线电频谱使用，防止干扰和制定全球标准的任务是由国际电信联盟承担的，它成立于1947年，前身可以追述到1865年左右，是联合国下属的一个特殊机构，由180多个成员国组成。 其中的无线电通信部按照无线电规则协调全球的频谱使用。这些规则是在1906年的柏林国际无线电报会议上第一次设立的。无线电频谱的分配需要考虑三方面的因素——频率，地理位置和用户优先权（为了防止干扰，先到先得）。无线电频谱被分为八个频段，从最低(3 —30 kHz)到最高(30 —300 GHz)。整个世界被分为三个地区。ITU就在全球或地区性的基础上分配一定的频段。然后，不同国家在ITU分配的基础之上进一步分配本国的频段。例如，在美国，联邦通信委员会频率分配表就是基于国际和美国国内的频率分配表共同形成的。用户被分为主要和次要两个部分，主要部分的用户免受次要用户的干扰，反之不成立。例如，2003年，9 kHz以下的波段在国际上和美国都没有被分配。无论国际的还是美国的分配表，抑或者是国际上所有地区，9 — 14 kHz都被用于无线电导航，而14 — 70 kHz则用于海上通信和固定无线通信，且为主要用户。虽然国际上已经有了一个时间信号，为20kHz。但美国又增加了一个额外时间频率，60 kHz。从70 —90 kHz波段，国际上地区间的差异开始出现。在无线电导航，无线电定位和水上移动用途中用途和优先权都不相同。依此类推，频谱分配一直到300GHz，300GHz以上的频段在美国没有被分配，而国际上没有被分配的则是275 GHz。ITU为预防相互干扰要求各成员国在采用某一频率工作时，例如无线电基站或新的卫星，必须遵守公示和登记程序。
2.2 无线服务的应用范围
无线电频谱有着广泛的用途，可以分为以下几个方面：
广播服务：包括短波， AM和FM电台以及地面电视语音和数据的移动通信：包括用于船舶和飞行器上的海上和航空移动通信，陆上固定基站与类似出租车无线电和寻呼机等不定点之间的移动通信，移动用户与固网或移动用户之间的移动通信，例如移动电话。
固定服务：点对点或一点对多点服务
卫星：用于广播，电信和因特网，特别是长距离通信业余无线电
其他用途：包括军事，射电天文，气象和科学用途
实现以上功能所使用频谱数量因为国家和波段的不同而有所不同。例如，在英国从88MHz 到1GHz之间这一波段，其中40%用于电视广播，22%用于国防，10%用于GSM移动通信，1%用于海上通信。相反，从1GHz 到3 GHz这一波段，没有安排电视通信，19%用于GSM通信和3G移动电话，17%用于国防，23%用于航空雷达。
不同种类的无线通信设备的数量正在急剧增加。传感器和嵌入式无线控制器越来越多地用于一系列电器和应用工具上。PDA和笔记本电脑也越来越多的通过无线通信收发邮件和接入因特网，象机场贵宾休息室这样可供电脑无线上网的地方也不在希奇。尽管如此，在过去二十年中，无线通信最重要也是最剧烈的变化还是移动电话的出现。
2.3 移动电话的出现和普及
移动电话的历史可以分为四个时期。第一个（前蜂窝）时期移动电话只能在特定地区使用特定的频率。电话经常占线，通话质量也不好。如果用户在某一地区使用了某一频率，那么其他人就无法使用这一频率。而且，美国FCC分配给移动电话使用的频率数量也比较少，限制了同时通话的数量。德国也建立了类似的系统，有名的如A-Netz 和B-Netz。蜂窝技术的使用极大的提高了移动电话频率的使用效率。相对于在一个很大的区域一个电话单独使用一个频率，蜂窝技术把一个移动电话的通信分成了几个小的区域或单元。不同的用户在不同的（不相邻）的单元可以使用同一频率进行通话而不会受到干扰。第一代蜂窝移动电话在不同的国家采用了相互不兼容的模拟技术。例如，20世纪80年代，美国采用了AMPS系统，英国采用了TACS, 德国采用的是C-Netz，而斯堪的纳维亚半岛国家使用了NMT系统。这就导致了彼此间的不兼容，尤其是在欧洲，尽管整个美国使用的是统一的AMPS系统。
二代移动电话则使用了数字技术。虽然改进了早期模拟技术的一些问题，但二代技术的使用在美国和欧洲还是有很大的不同。因为政府干预，欧洲采用了统一的技术标准。第一个二代系统GSM在20世纪80年代建立。可直到90年代，在ETSI的主持下，GSM才得以标准化。标准化GSM能完成国际漫游，自动定位服务，常见的加密和传输相对高品质音频的功能。GSM是目前在全球使用最广泛的第二代系统，应用于130多个国家，使用900兆赫的频率范围。同时，在美国却出现了一系列不兼容的二代标准。包括TDMA,（GSM的近亲）和CDMA，即Time and Code Division Multiple Access respectively.
在一个单元内，如何分流电话从而有效使用频谱，这些系统采用了不同的技术。由于美国人没有采用统一的2G标准，所以哪个系统最好的争论一直存在，又加上手机漫游和升级的相关利益问题，因此，整个90年代 AMPS依然是美国通用移动技术的主流。移动电话最新的发展趋势是3G，其最大特点在于通信的高速率和数字服务。例如，3G电话收发电子邮件将会更加快捷，而且能从网上下载音乐和视频等内容。类似拍照手机等设备拍摄的图片也会传输的更快。
在 IMT-2000计划下，ITU正试图协调建立一个统一的国际3G标准。IMT-2000计划决定3G技术本应采用CDMA系统，可CDMA却有至少两个以上的竞争对手，因此最后折中，采用了一套办法，而不是单独的一个系统。在ITU2000年全球无线通信大会上，世界范围内IMT-2000系统使用的频率确定下来。尽管有很多公司都宣布了在接下来几年进军3G的计划，但只有日本在2002年开始了3G营运。
移动电话数量一直保持很好的增长势头。80年代几乎没有人知道移动电话是什么，可到了2002年，据估计，全世界平均每一百人就拥有15.57部移动电话。当然，国与国之间的普及水平有很大的不同。在美国，每一百人拥有44.2部移动电话，而法国是60.53部，德国68.29，芬兰77.84，英国78.28。因此，美国的电话拥有率是低于欧洲的一些富裕国家的。在欧洲和美国之外，澳大利亚的拥有率是57.75%，新西兰是62.13%，日本是58.76%。
毫无疑问，普及率与经济发展水平密切相关，所以意大利2002每一百人只拥有0.63部移动电话，肯尼亚为1.60部，中国11.17，马来西亚29.95。在一些国家移动电话的数量甚至超过了固定电话，例如，德国，法国，英国，希腊，意大利和比利时。但在美国，加拿大和阿根廷固定电话依然超过移动电话。2001年，日本两者的普及率相当。但整体来看，移动电话的普及速度远远高于固定电话。
不同国家间移动电话服务的资费难以比较。部分是因为汇率的变化，但主要是因为不同国家的价格套餐和定价形式不同。最明显的是，不同的国家有不同的收费制度，美国以外的国家主要采取打电话的一方付费。但在美国和加拿大，移动电话采用接电话乙方付费的计费方式。不同的套餐，绑定服务和通话资费也似的比较难于进行。90年代后期，最重要的变革之一就是移动电话收费采用了预付卡。
这种消费者在打电话之前就付费而不是在之后再付帐单的方式在很多国家取得了成功。例如，在瑞典，预付卡采用两年以后就占领了25%的市场分额。
尽管定价方式不同，但OECD估计，从92年到98年，平均个成员国移动电话的主要绑定服务成本下降了25%。
3 . 无线通信的经济问题
3.1 稀缺的频谱资源
无线电频谱是一种具有特殊用途的自然资源。就象上文提到的，它的性能不是均匀的，特定的部分最好用于特定用途。频谱也是有限的，因为只有部分电磁频谱能用于无线通信，尽管频率是否合适和传输系统的容量取决于技术。无线电频谱又是无限的，不是说今天使用的频段以后就不能用了，可它无法储存。在ITU的指导下，频谱按不同用途分配，然后又根据合适的用途分配给特定用户。
以前，用户分配都是靠政府法令。而且用户一般也是政府所有。80和90年代的私有化以及一些国家移动电话产业内竞争的成功促进了90年代频谱分配更加公平。
从90年代早期开始，无线电频谱的用户，尤其是2G和3G移动电话频谱的用户一直都是由两种主要的方法之一选出来的，“选美比赛”或是拍卖。“选美比赛”需要用户向政府或政府任命的委员会提交商业计划。胜利者就在这些提交了计划的用户中产生。胜利者可能付政府一笔费用，尽管可能最想购买频谱的潜在用户不一定在胜利者中。例如，90年代英国就使用“选美比赛”的方法颁发了2G牌照。瑞典和西班牙也用这种方法颁发了3G牌照。法国用同样的方法颁发了四个3G牌照。国家电信的管理者要求公司必须于2001年一月低之前提交申请。这些申请将会被根据事先定好的标准评级，并打分，总分为500。这些标准包括就业率（25分）、服务（多达50分）以及部署速度（多达100分）胜出的公司必须支付政府设定的高额牌照使用费。最后，只有两家公司提出了申请。它们2001年六月拿到了牌照，剩下的两个无人问津。利用市场机制来配置频谱使用劝和预防电磁干扰的概念可以最少追述到50年代，先后由Herzel (1951) 和Coase (1959)提出。但当频谱拍卖普及的时候，已经过去三十多年了。新西兰1989年修改了法律允许拍卖频谱，到了90年代早期，与移动电话，电视，无线电广播以及其他私人无线服务有关的频谱分配也开始采用拍卖的方式。1993年八月分，美国修改法律允许FCC通过拍卖颁发无线频谱牌照，到96年七月分FCC已经举行了七次拍卖，颁发了2100张牌照，包括通过两次拍卖颁发的两张全美范围的2G牌照。2000年，英国拍卖了5张3G牌照，共计大约$34b。拍卖有一系列不同的形式，有新西兰的 第二价格密封出价， 美国
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