李文祺，王首峰，張冬晨（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

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頻譜授權(quán)管理新模式標(biāo)準(zhǔn)化研究及我國應(yīng)用的思考

李文祺，王首峰，張冬晨
（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

摘要頻譜資源作為支撐現(xiàn)代信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，它的科學(xué)規(guī)劃、合理利用、有效管理才能使之發(fā)揮巨大的價(jià)值。我國目前采用政府審批的方式進(jìn)行頻譜資源管理，面臨頻譜資源愈來愈緊張的局面，國內(nèi)外提出了一種新的頻譜管理方式，即授權(quán)頻譜共享接入方式，在該管理方式下，可以有效的提升頻譜資源的利用率，本文在研究這種新的頻譜授權(quán)管理模式的基礎(chǔ)上還對其在我國的應(yīng)用提出了思考。

關(guān)鍵詞頻譜資源；移動通信；授權(quán)頻譜共享技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)化

1　引言

當(dāng)前，各國尤其是發(fā)達(dá)國家對無線電頻譜資源重要性的認(rèn)識不斷提高，國際間的頻譜資源競爭日趨激烈。傳統(tǒng)意義上，頻譜管理是排他性的，頻譜使用者從管理機(jī)構(gòu)獲得排他性的頻譜使用許可，并且在得到授權(quán)的頻段上提供滿足服務(wù)質(zhì)量需求的服務(wù)。然而，隨著近年來各類無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，以及各類用戶對無線接入的需求持續(xù)增加，無線頻譜資源短缺的問題日益突出。根據(jù)IMT-2020(5G)推進(jìn)組的預(yù)測，中國2020年就將面臨1.8 GHz的頻譜缺口。無線頻譜資源無法增加，因此更有效地利用頻譜成為了解決頻譜短缺問題的重要手段。

在我國頻譜管理面臨以下問題：6 GHz以下的頻譜已經(jīng)被各種無線電業(yè)務(wù)所使用；頻譜的全球融合是移動通信發(fā)展的關(guān)鍵；WRC的建議需要反映在國家和地區(qū)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的頻譜分配決定中；移動通信頻譜需求與日劇增。

面對上述問題，近年來，隨著無線接入技術(shù)的進(jìn)步，不同的用戶，在同一時刻，通過不同的無線技術(shù)，在同一特定頻段提供服務(wù)逐漸成為了可能，而這種頻譜使用方式，就是LSA（Licensed Shared Access， 頻譜共享接入）。通過這種方式，可以有效提升頻譜使用效率。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國際研究現(xiàn)狀

國際有兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織都針對LSA積極建立了相關(guān)的研究工作組，完成了相關(guān)的技術(shù)報(bào)告和技術(shù)規(guī)范。ETSI在2013年發(fā)布了名為《在2 00～2 400 MHz的頻段LSA制度下的移動寬帶服務(wù)》（TR103 113）的LSA系統(tǒng)參考文檔技術(shù)報(bào)告，隨后，在2014年發(fā)布了名為《在2 300～2 400 MHz頻帶基于LSA制度下運(yùn)行移動寬帶系統(tǒng)的系統(tǒng)要求》（TS103154）的技術(shù)規(guī)范。當(dāng)前ETSI技術(shù)委員會可重構(gòu)無線電系統(tǒng)（TC RRS）正在制定相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。國際另一標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在網(wǎng)絡(luò)管理和RAN側(cè)開展了相關(guān)研究課題建議(SI proposal)的討論。

在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織積極制定技術(shù)報(bào)告和技術(shù)規(guī)范的同時，歐洲和美洲作為LSA先行研究者都積極展開了研究工作。歐盟為了推動LSA的研究，成立了相關(guān)的工作組：由歐盟和ECPT（European Conference of Postal and Telecommunications Administrations）在2013年1月成立了FM52工作小組研究2.3 GHz頻譜共享問題； ETSI（European Telecommunications Standards Institute)提出了2.3 GHz下LSA移動服務(wù)相關(guān)系統(tǒng)的參考文檔；Radio Spectrum Policy Group研究小組在2011年的頻譜使用問題的報(bào)告中也研究了LSA這一技術(shù)的分支。

在美洲，PCAST (President’s Council of Advisors on Science and Technology)， NTIA(National Telecommunications and Information Administration)，F(xiàn)CC（Federal Communications Commission）都對授權(quán)頻譜共享展開了研究，研究一致考慮將3.5 GHz運(yùn)用為頻譜共享頻段。2012年2月PCAST報(bào)告中建議頻譜共享方式為是頻譜利用率翻倍的一種途徑，通過在新的聯(lián)邦SAS（Federal Spectrum Access System， 頻譜接入系統(tǒng)）共享聯(lián)邦1 000 MHz帶寬頻譜，可以通過這個系統(tǒng)使非聯(lián)邦用戶通過一定規(guī)則接入使用這些頻段。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

CCSA（China Communications Standards Association，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）是有國內(nèi)企、事業(yè)單位資源聯(lián)合組織，經(jīng)業(yè)務(wù)主管部門批準(zhǔn)，國家相關(guān)機(jī)關(guān)登記，開展通信技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化活動的非盈利性法人社會團(tuán)體，該協(xié)會的TC5WG8工作組是頻率工作組，該工作組在2015年3月份立項(xiàng)，研究課題“授權(quán)頻譜共享管理方式研究”，由中國移動和中興公司牽頭進(jìn)行研究，目的在于研究LSA的原理框架，實(shí)施規(guī)則及在我國實(shí)現(xiàn)的可行性。

3　LSA當(dāng)前研究態(tài)勢下重點(diǎn)問題研究

3.1LSA定義

RSPG成立了一個工作小組來制定一個對歐盟委員會要求的應(yīng)答，涉及LSA頻譜相關(guān)事宜的觀點(diǎn)。RSPG 對LSA的觀點(diǎn)在2013年11月提出如下定義。

LSA是一種監(jiān)管方法，目的在于：在某個已經(jīng)分配給或者期望分配給某一個或多個現(xiàn)有用戶的頻段引入有限數(shù)目的持有共享牌照的附加用戶；在LSA方法中，這些“附加的”用戶依據(jù)包含在其頻譜使用權(quán)中的共享規(guī)則被授權(quán)使用該頻譜（或部分頻譜），因此，這種方式允許包括現(xiàn)有用戶在內(nèi)的所有授權(quán)用戶，獲得可靠的服務(wù)質(zhì)量[1]。

3.2LSA利益相關(guān)方

授權(quán)共享接入（Licensed Shared Access）模式是主系統(tǒng)授權(quán)一個或多個其他用戶接入頻譜，但是要在一定的約束條件下進(jìn)行使用。頻譜使用細(xì)節(jié)要體現(xiàn)在彼此達(dá)成的Agreement里，并且需要獲得NRA的允許。

圖1　LSA框架下的相關(guān)利益方

LSA框架下的利益方如圖1所示，包括：

Incumbent(現(xiàn)任使用者)：現(xiàn)任使用者提供空閑頻譜給LSA牌照持有者使用?，F(xiàn)任使用者可以與LSA牌照持有者協(xié)商頻譜的使用，但是要遵循監(jiān)管部門的條例。

Prospective LSA licensee（潛在LSA牌照持有者）：成為LSA牌照持有者的先決條件是得到監(jiān)管部門的授權(quán)，使用條件是與現(xiàn)任使用者達(dá)成頻譜共享協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定了共享?xiàng)l件。

Administration/NRA（監(jiān)管機(jī)構(gòu)/政府管理部門）：授權(quán)、制定規(guī)則和框架。

3.3LSA主要特征

根據(jù)上一節(jié)中給出的定義，LSA方法具有如下關(guān)鍵監(jiān)管特征：

（1）針對給定頻段的“共享架構(gòu)”，將定義出有對應(yīng)的技術(shù)和運(yùn)行條件的頻譜資源，相關(guān)系統(tǒng)可以在LSA架構(gòu)下交替使用。

（2）建立“共享架構(gòu)”是監(jiān)管機(jī)構(gòu)的職責(zé)，并需要所有相關(guān)方的參與。

（3）監(jiān)管機(jī)構(gòu)基于“共享架構(gòu)”設(shè)置適當(dāng)?shù)牧鞒虂愍?dú)立授權(quán)LSA用戶。

LSA在頻譜管理方面特征：

LSA是一種的輔助頻譜管理工具，隸屬于私有授權(quán)范疇，與免授權(quán)監(jiān)管方式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更為精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)部署管理以及更高效的共享協(xié)議控制。

LSA旨在為授權(quán)用戶及LSA共享用戶在頻譜接入機(jī)會及有害干擾抑制方面提供一定級別的保障，因此，允許它們提供一個可預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量。在某一給定區(qū)域、某一個定時間內(nèi)，授權(quán)用戶和LSA共享用戶都具有排他接入頻譜的權(quán)利。

像“機(jī)會頻譜接入”，“次級使用”，或“次級業(yè)務(wù)”這類應(yīng)用不能受到授權(quán)用戶的保護(hù)，LSA并不包含這類應(yīng)用的概念。

LSA在授權(quán)管理方面特征：

依照事先制定好的共享架構(gòu)，國家監(jiān)管機(jī)構(gòu)將以公平、透明、非歧視的方式，設(shè)置授權(quán)過程，并頒布將頻譜的使用權(quán)頒布給LSA共享用戶?？紤]到國情和市場需求，LSA并不預(yù)先判斷國家監(jiān)管機(jī)構(gòu)授權(quán)過程的形式。

3.4LSA共享框架

“共享框架”在監(jiān)管機(jī)構(gòu)的管理下建立，可以被理解為一系列的“共享規(guī)則”或者“共享情況”。這是在國家水平上實(shí)現(xiàn)LSA的核心點(diǎn)。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)決定哪些現(xiàn)有的應(yīng)用需要被考慮在共享框架中的現(xiàn)有用戶并且被長期維護(hù)。這樣的決定將根據(jù)國家政策目標(biāo)和考慮到國際義務(wù)和歐盟成員國社區(qū)法律來決定。LSA許可要求一定程度的頻譜接入保證為了保證和激勵網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備上的投資。足夠水平的保證是由國家基礎(chǔ)確定的并考慮到用戶需求和共享限制。

在國家基礎(chǔ)上建立有效的“共享框架”需要復(fù)查和談判過程，這將在不同的國家有顯著的差異。這需要涉及到所有的利益相關(guān)者并且將考慮到現(xiàn)任用戶的頻譜需求和替代使用的需求。

其概念在下圖中有描述。在該圖中，頻譜可用性是基于地理隔離的。在標(biāo)記為綠色的區(qū)域中，“共享框架”定義了LSA用戶的頻譜可用性。應(yīng)該注意到，LSA共享將在3個維度中被完成，即時間、頻譜和地域。共享框架還需要為現(xiàn)任用戶未來的需求負(fù)責(zé)，正如圖2中灰色站點(diǎn)描述的一樣：“共享框架”嚴(yán)格的指出了LSA頻譜接入的情形來保障現(xiàn)存服務(wù)。

圖2　共享框架

“共享框架”概念也意味著LSA不應(yīng)該與傳統(tǒng)的共享整理混合，這也應(yīng)用于FS（微波鏈接）或者PMR-like服務(wù)。在這種情況下，這沒有現(xiàn)任使用者擁有優(yōu)先級或者獨(dú)占頻譜接入在領(lǐng)土和新系統(tǒng)中可以按照先接入先服務(wù)的基礎(chǔ)，通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)念l譜間隔的管理。

使用共享頻譜的框架中有4個主要的參與方：頻譜持有方、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、政策制定者、移動運(yùn)營商及其它鄰近的移動通信系統(tǒng)以及移動的最終用戶。每一方都為成功的實(shí)現(xiàn)頻譜共享及行業(yè)發(fā)展發(fā)揮著極其重要的作用。

頻譜持有方：為移動產(chǎn)業(yè)和移動運(yùn)營商提供共享頻譜資源，并遵循共享承諾。

移動運(yùn)營商和其它鄰近的移動通信系統(tǒng)：購買共享頻譜的使用牌照，提供基礎(chǔ)設(shè)施，遵守共享?xiàng)l款，有效地利用頻譜資源。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)：確保足夠的可用頻譜共享資源，并制定合理的競爭機(jī)制。

移動終端用戶：手機(jī)購買者及移動運(yùn)營商產(chǎn)品的服務(wù)對象。

成功實(shí)現(xiàn)頻譜共享的必要條件是，所有參與者共同關(guān)注頻譜共享所帶給他們的效益，本質(zhì)上就是權(quán)衡預(yù)期效益與實(shí)際的成本和風(fēng)險(xiǎn)。因此，想成功實(shí)現(xiàn)共享就需要探索各方者的動機(jī)及潛在成本和風(fēng)險(xiǎn)并加以管理。圖3顯示了共享頻譜中關(guān)鍵參與方的角色、動機(jī)及成本。

3.5LSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

監(jiān)管機(jī)構(gòu)、現(xiàn)有用戶、LSA用戶三方協(xié)商確定共享框架后，一方面監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要監(jiān)管現(xiàn)有用戶與LSA用戶遵循既定的共享框架實(shí)現(xiàn)頻譜共享；另一方面需要一些技術(shù)手段來約束LSA用戶的發(fā)射參數(shù)，以確?，F(xiàn)有用戶所受干擾在容忍范圍內(nèi)，同時， LSA用戶本身的QoS也可以得到保障。

圖4所示LSA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中引入了兩個邏輯實(shí)體。

LSA數(shù)據(jù)庫：負(fù)責(zé)現(xiàn)有用戶保護(hù)，存儲并維護(hù)現(xiàn)有用戶的頻譜使用信息，及相關(guān)干擾保護(hù)準(zhǔn)則信息，該信息反映了共享頻譜的可用性狀態(tài)，LSA數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)將相關(guān)共享頻譜可用性信息發(fā)送給對應(yīng)的LSA控制器，并監(jiān)控現(xiàn)有用戶及LSA用戶在事先協(xié)商達(dá)成的共享框架下運(yùn)行各自的系統(tǒng)；LSA數(shù)據(jù)庫傾向于由監(jiān)管域授權(quán)的第三方來運(yùn)營。

圖3　共享頻譜中關(guān)鍵參與方的角色、動機(jī)及成本

圖4　LSA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LSA控制器：接收LSA數(shù)據(jù)庫提供的共享頻譜可用性信息，結(jié)合無線傳播信息并通過計(jì)算確定LSA用戶設(shè)備的發(fā)射參數(shù)，使得LSA用戶設(shè)備的運(yùn)行對現(xiàn)有用戶的干擾符合干擾保護(hù)準(zhǔn)則的要求；LSA控制器傾向于由LSA用戶運(yùn)營。

4　LSA發(fā)展過程中的考慮

4.1現(xiàn)有頻譜管理政策壁壘

我國原有的頻譜授權(quán)方式為私有授權(quán)，由國家相關(guān)管理部門協(xié)調(diào)發(fā)放給使用者，規(guī)定其在一定區(qū)域內(nèi)有頻譜使用權(quán)，如果推行LSA勢必對原有的頻譜管理政策有沖突，相關(guān)的管理部門需要重新規(guī)劃協(xié)調(diào)，成為LSA技術(shù)推行的顧慮。

4.2各方利益協(xié)調(diào)艱難

協(xié)調(diào)授權(quán)的頻譜共享中的各方利益，需要提供一個對原頻譜所有者合理的并且有吸引力的共享?xiàng)l件（如可控和可預(yù)測的干擾水平、必要的頻譜使用能力和優(yōu)先級等），還需要使這種共享對其他用戶產(chǎn)生足夠的吸引力，使其能成為授權(quán)的頻譜共享用戶。對授權(quán)的頻譜共享用戶發(fā)放許可前，頻譜管理機(jī)構(gòu)需要對其進(jìn)行認(rèn)證，保證其不干擾原頻譜所有者的服務(wù)，也使原頻譜所有者確信這種共享不會干擾其正常業(yè)務(wù)。而通過開放更多頻譜資源供授權(quán)的頻譜共享使用，并且獲得這些頻譜共享許可的花費(fèi)較低，可以對需要更多頻譜資源的用戶產(chǎn)生很大的吸引力。在與歐洲、美洲等專家的交流過程中，均反饋到在LSA具體實(shí)施規(guī)則，利益分配等方面存在很多考慮，導(dǎo)致現(xiàn)階段LSA還停留在理論研究階段，與實(shí)際實(shí)施應(yīng)用之間有一定的距離。

4.3LSA應(yīng)用的共享頻率無法確定

我國目前頻譜資源緊張，很難有運(yùn)營商或其他頻譜資源使用方愿意將自己已獲得牌照的頻段作為LSA適用頻段，國家相關(guān)管理部門對各個頻段使用情況缺乏梳理，在短時間內(nèi)很難確定使用LSA技術(shù)的共享頻段，這一點(diǎn)會影響LSA技術(shù)的后續(xù)研究。

4.4國內(nèi)行業(yè)主動上報(bào)可用LSA頻段可行性較低

國際上的LSA研究，出發(fā)點(diǎn)是頻譜資源的提供方出于商業(yè)利益最大化的考慮，將自身一部分閑置的頻譜上報(bào)給主管部門供于LSA使用，以便通過這部分頻譜獲得一定商業(yè)收入。但是在我國，其他行業(yè)通過出讓一部分頻譜資源來提高其營業(yè)收入的推動力很弱，因此就目前我國各行業(yè)頻譜分配格局來講，通過其他行業(yè)自主提供LSA使用頻譜的可能性較低。

同時，運(yùn)營商需要評估自己的頻譜和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，確定在哪些區(qū)域、哪些時段存在使用LSA頻段的需求。這也需要對運(yùn)營商自己頻率使用的情況進(jìn)行評估。

因此，在國內(nèi)的形勢下，未來可能出現(xiàn)的一種解決方案是由國家委派的第三方監(jiān)管機(jī)構(gòu)，對各行業(yè)實(shí)際用頻情況進(jìn)行監(jiān)管和評估。由第三方評估方式，判定哪些行業(yè)哪些頻段，在哪些區(qū)域及何時段存在可以加以利用的頻譜，及相應(yīng)的時空內(nèi)哪些行業(yè)需要這些頻譜資源，從而實(shí)現(xiàn)初步的LSA頻譜的供需定位。

4.5移動通信設(shè)備支持度難以控制

若按照各用頻行業(yè)的頻譜均存在LSA使用可能，或者即使將范圍縮小至有限幾個行業(yè)，推動移動通信廠商研發(fā)支持LSA頻段的網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)設(shè)備難度也將非常大。首先，LSA應(yīng)用頻段的范圍不確定性大。無論從頻譜的位置、帶寬，還是LSA授權(quán)有效的時段來講，廠商無法有效確定生產(chǎn)相應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用面，更難以評估投入研發(fā)和生產(chǎn)的成本如何回收。其次，LSA授權(quán)過程周期與產(chǎn)品研發(fā)周期匹配度難以協(xié)調(diào)。脫離了廠商的支持，運(yùn)營商無法應(yīng)用LSA頻率為其用戶服務(wù)。

4.6LSA頻譜可考慮用以緩解小站回傳的頻譜壓力

考慮到LSA頻譜可用的時空不確定性，以及處于對應(yīng)時空的終端用戶設(shè)備支持對應(yīng)LSA頻段的比例提升所需要的巨大成本（提升某一種特殊功能的終端在全市場中的滲透率所需成本），未來LSA頻譜用于基站與用戶終端直接通信的可行性較低。但是，基于目前移動通信網(wǎng)絡(luò)向5G系統(tǒng)演進(jìn)的研究趨勢，未來宏站與小站之前的信令及業(yè)務(wù)信息的下發(fā)和回傳頻率存在利用LSA頻段的可能性。目前宏站與小站回傳的研究中，主要依靠復(fù)用運(yùn)營商現(xiàn)有頻譜方式進(jìn)行，一定程度上減弱了現(xiàn)有頻譜為用戶提供流量的能力。但是，即使用于回傳的應(yīng)用，對LSA頻譜的時空可用性要求仍然較高，特別是對于其時空可用的穩(wěn)定性要求最為關(guān)切。

4.7第三方的監(jiān)管者應(yīng)加強(qiáng)對頻譜原有者的約束

在簽訂LSA許可中應(yīng)加強(qiáng)對原有者出讓頻譜的時空內(nèi)不再使用。

5　總結(jié)

本文在頻譜資源愈來愈緊張的國際形勢下，研究一種新的頻譜授權(quán)管理模式，介紹了LSA的定義，利益相關(guān)方，主要特征，共享框架和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在這種新的模式下，頻譜資源利用率將會得到有效的提升，但LSA技術(shù)并未在歐洲和美洲進(jìn)行應(yīng)用，目前都處于研究階段，本文也提出了在我國國情下LSA技術(shù)發(fā)展過程中的考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]European Commission Electronic Communications Networks & Services Radio Spectrum Policy Group.RSPG Opinion on Licensed Shared Access, RSPG13-538[R].Brussels:Radio Spectrum Policy Group, 2013.

[2]European Commission.Licensed Shared Access (LSA), ECC Report205 [R].Denmark:ECC, 2014.

[3]President's Council of Advisors on Science and Technology.Realizing the Full Potential of Government-Held Spectrum to Spur Economic Growth[R].Washington, DC:President's Council of Advisors on Science and Technology, 2012.

[4]U.S.Department of Commerce.National Telecommunications and Information Administration.An Assessment of the Near-Term Viability of Accommodating Wireless Broadband Systems in the 1675-1710MHz, 1755-1780MHz, 3500-3650MHz and 4200-4220MHz, 4380-4400MHz Bands[R].Washington, DC:Communications and Information, 2010.

[5]Federal Communications Commission.FCC Notice of Proposed Rulemaking.Enabling Innovative Small Cell Use In 3.5GHz Band NPRM & Order[R].Washington, DC:FCC, 2012.

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

[7]European Telecommunications Standards Institute, Mobile broadband services in the 2300 2400MHz frequency band under Licensed Shared Access Regime, TR 103 113 [S].France:ETSI,2013.

[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

中圖分類號TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2016）03-0033-06