Abstract Radio spectrum is a scarce natural resource whose efficient management has been the source of contentious debate for over a century. The mobile communication ecosystem has created a tremendous business that is reliant on the availability of spectrum for wireless networks. The growth of mobile communications has increased the rivalry between the different wireless ecosystems that compete over gaining access rights to radio spectrum. Due to the scarcity of unallocated spectrum bands without incumbent users, sharing-based governance models for spectrum management have gained increasing attention in regulation, industry and academia. Spectrum sharing allows two or more wireless systems to operate in the same spectrum band. These systems often come from different wireless ecosystems that have conflicting goals. Spectrum sharing, and specifically the development of new sharing-based governance models for more efficient management of the scarce resource, is a strategic management topic that calls for the development of rules and conditions by regulators that are agreeable to all involved stakeholders. This thesis presents a novel framework for the development of upcoming sharing-based spectrum governance models that bring together stakeholders from different wireless business ecosystems with conflicting goals. The framework is built upon the theoretical basis of governance models, stakeholder analysis, and business ecosystems. Spectrum management is here seen as governance of common pool resources, and the tool of stakeholder analysis from strategic management is formally introduced into the development of new sharing-based spectrum governance models where different business ecosystems collide. The developed three-step stakeholder analysis is applied to two case studies for mobile communications including the future use of the ultra-high frequency (UHF) band, and the licensed shared access (LSA) concept. For the UHF band case study, the thesis identifies the stakeholders, analyses their relations and saliences to reach long-term compromises between broadcasting and mobile communication ecosystems. For the LSA case study, the thesis identifies the stakeholders and their relations, and develops management actions through a work flow for the main phases and stakeholders’ tasks. It then presents the world’s first live field trial with mobile communication systems, where the conflicting requirements of all stakeholders were considered. The developed stakeholder analysis model formally introduces the strategic management of stakeholders into the spectrum management domain, and it provides regulators, industry and academia a new tool for reaching long-term compromises in spectrum management through sharing. / Tiivistelmä Radiotaajuudet muodostavat rajallisen luonnonvaran, jonka tehokas hallinta on ollut vuosikymmenten ajan kiistanalainen keskustelunaihe. Matkaviestinnän ekosysteemi on luonut suurta liiketoimintaa saamalla käyttöönsä radiotaajuuksia, joilla matkaviestinverkot voivat toimia. Matkaviestinnän kasvu on lisännyt eri langattomien järjestelmien ekosysteemien välistä kilpailua radiotaajuuksien saatavuudesta. Taajuuksien yhteiskäyttöön perustuvat hallintamallit ovat herättäneet kasvavaa kiinnostusta taajuushallinnoissa, teollisuudessa ja tutkimusmaailmassa, koska lähes kaikki radiotaajuudet on jo annettu erilaisten langattomien järjestelmien käyttöön. Taajuuksien yhteiskäyttö mahdollistaa kahden tai useamman radiojärjestelmän toiminnan samalla taajuusalueella. Usein nämä järjestelmät edustavat erilaisia langattomia ekosysteemejä, joilla on ristiriitaiset tavoitteet. Taajuuksien yhteiskäyttö ja siihen liittyvien hallintamallien kehittäminen rajallisen luonnonvaran tehokkaamman käytön mahdollistamiseksi on strategisen johtamisen aihealue, joka edellyttää, että taajuushallinnot kehittävät säännöt ja ehdot, jotka ovat hyväksyttäviä sidosryhmille. Tämä väitöskirja esittelee uuden viitekehityksen taajuuksien yhteiskäyttöön perustuvien taajuuksien hallintamallien kehittämiselle tuomalla yhteen eri sidosryhmät, jotka edustavat erilaisia langattomia liiketoimintaekosysteemejä, joilla on ristiriitaiset tavoitteet. Kehitetyn viitekehyksen teoriapohja koostuu hallintomalleista, sidosryhmäanalyysistä sekä liiketoiminnan ekosysteemeistä. Tässä työssä taajuuksien hallinta nähdään yhteisresurssien (common pool resource, CPR) hallintana, ja strategisen johtamisen työkaluista sidosryhmäanalyysi on valittu taajuuksien yhteiskäyttömallien kehittämiseen erilaisten liiketoiminta-ekosysteemien kohtauspisteessä. Työssä kehitettyä kolmiaskelista sidosryhmäanalyysiä sovelletaan kahteen matkaviestinnän tapaustutkimukseen sisältäen UHF-taajuuden tulevaisuuden käytön sekä taajuuksien lisensioidun yhteiskäytön (licensed shared access, LSA). UHF-taajuuden tapaustutkimuksessa väitöskirjassa tunnistetaan sidosryhmät ja analysoidaan niiden riippuvuuksia ja painoarvoja pitkän tähtäimen kompromissin löytämiseksi yleisradioliikenteen ja matkaviestinnän ekosysteemien välille. LSA-tapaustutkimukselle väitöskirjassa tunnistetaan sidosryhmät ja niiden riippuvuudet sekä kehitetään johtamismalleja työnkulkukaavion avulla. Lisäksi työssä esitellään maailman ensimmäinen todellisella matkaviestinjärjestelmällä tehty kokeilu, joka ottaa huomioon eri sidosryhmien ristiriitaiset vaatimukset. Työssä kehitetty malli on ensimmäinen strategisen johtamisen sidosryhmäanalyysin sovellus taajuuksien hallintaan ja tuo taajuushallinnoille, teollisuudelle ja tutkimusmaailmalle uuden työkalun pitkän tähtäimen kompromissien löytämiseen taajuuksien hallinnalle yhteiskäytön avulla.

Abstract Sharing is emerging as one of the megatrends influencing future business opportunities, and wireless communications is no exception to this development. Future mobile broadband networks will operate on different types of spectrum bands including shared spectrum, which calls for changes in the operation and management of the networks. The creation and capture of value by the different players in the mobile broadband ecosystem is expected to change due to regulation, technology, and business landscape related drivers that concern not only spectrum sharing, but also sharing of other resources such as infrastructure, technologies, or data. This thesis examines the key business and technology enablers needed to exploit spectrum sharing in mobile broadband networks, and presents the business model characteristics and strategic choices that spectrum sharing concepts support. Action research and integral scenarios methodologies were applied for strategic and business analysis utilizing the capacity and expertise of the policy, business and technology research communities. The thesis introduces a new approach to analyze the scalability of the spectrum sharing concepts and their business model elements utilizing sharing economy antecedent factors. The results indicate that all analyzed sharing concepts meet basic requirements to scale. The Licensed Shared Access (LSA) leverages existing assets and capabilities of the mobile network operator domain, the Citizens Broadband Radio Service (CBRS) extends the business model dynamics from connectivity to content, context and commerce, and the hybrid usage of Ultra High Frequency (UHF) band by Digital Terrestrial TV (DTT) and downlink Long Term Evolution (LTE) (HUHF) enables new collaborative opportunities between converging communication, Internet and media domains. The thesis validates the feasibility of spectrum sharing between mobile broadband networks and other types of incumbent spectrum users utilizing Finnish cognitive radio field trial environment (CORE), and expands the notion of spectrum sharing beyond the mobile broadband domain to be applied to other wireless systems including the media and broadcasting. The presented results can be used in developing the future mobile broadband systems enhanced with innovative spectrum sharing enabled business models to cope with the growing demand for capacity and new services by humans and machines. / Tiivistelmä Jakamistalous on yksi suurista tulevaisuuden liiketoimintamahdollisuuksiin vaikuttavista trendeistä, eikä langaton tietoliikenne ole tässä poikkeus. Tulevaisuuden laajakaistaiset matkapuhelinverkot tulevat hyödyntämään erityyppisiä radiotaajuuksia, kuten jaettuja taajuuskaistoja, mikä vaatii muutoksia verkkojen toimintoihin ja hallintaan. Eri toimijoiden arvonluonti- ja ansaintamahdollisuuksien odotetaan muuttuvan näissä liikkuvan laajakaistan ekosysteemeissä regulaation, teknologian ja liiketoimintaympäristön kehittyessä, ei vain taajuuksien jakamisessa, vaan myös kun kyseessä on muiden resurssien kuten infrastruktuurin, teknologioiden tai tiedon jakaminen. Väitöskirja tutkii teknologia- ja liiketoimintaedellytyksiä taajuusjakomenetelmille matkapuhelinverkoissa, sekä esittelee ja analysoi menetelmien mahdollistamia liiketoimintamalleja ja strategisia valintoja. Strategia- ja liiketoiminta-analyyseissä käytettiin toimintatutkimus- ja skenaariomenetelmiä poikkitieteellisissä tutkimusprojekteissa yhteistyössä reguloinnin, liiketoiminnan ja tekniikan tutkimusyhteisöjen kanssa. Tutkimus esittelee uuden lähestymistavan taajuusjakotekniikoiden liiketoimintamallien skaalautuvuuden analysointiin jakamistalouden määritelmiä hyödyntäen. Tulokset osoittavat, että kaikki tutkitut tekniikat täyttävät perusedellytykset skaalautuvuudelle; Licensed Shared Access (LSA) hyödyntäen matkapuhelinoperaattorin olemassa olevia resursseja ja kyvykkyyksiä, Citizens Broadband Radio Service (CBRS) laajentaen liiketoimintamalleja tietoliikenteestä sisältöön, kontekstiin ja kaupankäyntialustoihin, sekä digitaalitelevision ja langattoman LTE-tekniikan hybridikäyttö UHF-taajuuskaistalla (HUHF) mahdollistaen uusia liiketoimintamahdollisuuksia lähentyvien tietoliikenne-, Internet- ja mediaekosysteemien välillä. Väitöskirja tulokset vahvistivat taajuuden jakamisen soveltuvuuden liikkuvan laajakaistaverkon ja saman taajuusalueen eri teollisuudenalan haltijan välillä suomalaisessa CORE kenttätestausympäristössä, ja laajensivat taajuusjakotekniikan sovellettavuutta myös muihin langattomiin järjestelmiin sisältö- ja mediajakelussa. Esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää tulevaisuuden langattomien laajakaistaverkkojen kehitystyössä vastaamaan ihmisten ja koneiden kasvaviin tietoliikennepalveluiden ja -kapasiteetin tarpeisiin hyödyntäen tehokkaita taajuusjakotekniikoita ja niiden mahdollistamia innovatiivisia liiketoimintamalleja.