A multi-layer game-theoretical framework for modeling wireless access and spectrum markets

Abstract

Advances in networking and regulatory changes on access and competition rules enable new network architectures, service paradigms, and partnerships. Unlike traditional spectrum and wireless access markets, new types of markets are formed that have larger sizes, are more diverse, and can offer an improved set of services. The analysis of such markets is challenging due to a plethora of phenomena that manifest in different spatio-temporal scales. The main contribution of this thesis is the development of a modular multi-layer modeling framework for analysing wireless access and spectrum markets. This framework employs game theory, queueing-theoretical models, network economics, and clustering algorithms to instantiate a market at multiple levels of detail. It allows providers to distinguish user sub-populations with different profiles that depend on various parameters, such as, the willingness-to-pay, quality of service requirements, and traffic demand and model their decision making separately. As the number of user sub-populations that providers consider increases, the level of detail in the analysis also increases but so does the computational complexity. The goal of a provider is to select the appropriate level of detail that results in high revenue benefits and requires a low computational cost. The framework considers several providers, each potentially offering multiple dataplans. It also models the user decision making in a realistic manner assuming that they do not always make the optimal decisions in terms of the offered prices and quality of service. To reduce the computational complexity even further, it also develops a network decomposition methodology and algorithm based on the theorem of Norton. This algorithm computes equivalent queueing network models for a specific region of interest omitting the details of the entire networks of providers. Based on the modeling framework, various market cases with strong commercial interest have been analysed, e.g., WiFi offloading, secondary spectrum markets for capacity enhancement, pricing via market segmentation, and the flex service, a novel paradigm that allows users to dynamically select their provider. The analysis indicates that when there is a strong correlation between the user willingness-to-pay and quality of service requirements, providers achieve revenue benefits when they model users with a larger number of sub-populations. When those parameters are independent, in some cases, providers may lose revenue when they model users in the same level of detail. This framework can be the basis of a software tool that enables providers to perform a detailed cost-benefit analysis of different market cases.

Η πρόοδος στα ασύρματα δίκτυα σε συνδυασμό με αλλαγές στους ρυθμιστικούς κανόνες για την πρόσβαση στο φάσμα και τον ανταγωνισμό παρέχουν νέες δυνατότητες για δικτυακές αρχιτεκτονικές, υπηρεσίες και συνεργασίες μεταξύ των παρόχων. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές αγορές ασύρματης πρόσβασης και φάσματος, εμφανίζονται νέες αγορές που είναι μεγαλύτερες, πιο ετερογενείς, και παρέχουν νέες και βελτιωμένες υπηρεσίες. Η ανάλυση αυτών των αγορών είναι δύσκολη λόγω μίας πληθώρας φαινομένων που διαδραματίζονται σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες. Η κύρια συνεισφορά αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός αρθρωτού πλαισίου μοντελοποίησης για την ανάλυση των αγορών ασύρματης πρόσβασης και φάσματος. Το πλαίσιο μοντελοποίησης χρησιμοποιεί εργαλεία από τη θεωρία παιγνίων, τη θεωρία ουρών, τα οικονομικά δικτύων, καθώς και αλγορίθμους ομαδοποίησης για να μοντελοποιήσει αγορές σε διάφορα επίπεδα λεπτομέρειας. Συγκεκριμένα, επιτρέπει στους παρόχους να διακρίνουν υποπληθυσμούς χρηστών με διαφορετικό προφίλ το οποίο εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους, όπως την προθυμία πληρωμής, τις απαιτήσεις σε ποιότητα υπηρεσίας και τη ζήτηση και να μοντελοποιούν τις αποφάσεις τους ξεχωριστά. Καθώς ο αριθμός των υποπληθυσμών αυξάνει, το επίπεδο λεπτομέρειας της ανάλυσης αυξάνεται όπως επίσης και η υπολογιστική πολυπλοκότητα. Ο στόχος ενός παρόχου είναι να επιλέξει το κατάλληλο επίπεδο λεπτομέρειας που οδηγεί σε σημαντικά οφέλη στο κέρδος απαιτώντας μικρό υπολογιστικό κόστος. Το πλαίσιο μοντελοποίησης θεωρεί πολλαπλούς παρόχους, καθένας από τους οποίους μπορεί να παρέχει πολλαπλά πακέτα χρέωσης. Επίσης, μοντελοποιεί τη συμπεριφορά των χρηστών με ένα ρεαλιστικό τρόπο θεωρώντας ότι δεν κάνουν πάντα τη βέλτιστη επιλογή με κριτήριο τις προσφερόμενες τιμές και την ποιότητα υπηρεσίας. Για να περιορίσει ακόμα περισσότερο την υπολογιστική πολυπλοκότητα, αναπτύσσει μία μεθοδολογία και ένα αλγόριθμο αποσύνθεσης δικτύων με βάση το θεώρημα του Norton. Αυτός ο αλγόριθμος υπολογίζει ισοδύναμα μοντέλα ουρών για τα δίκτυα μίας περιοχής ενδιαφέροντος, εξαλείφοντας τη λεπτομέρεια ολόκληρων των δικτύων των παρόχων. Με βάση το πλαίσιο μοντελοποίησης, μελετήθηκαν διάφορες τάσεις με ισχυρό εμπορικό ενδιαφέρον στις τηλεπικοινωνιακές αγορές όπως η αποφόρτιση (offloading) των κυψελωτών δικτύων μέσω WiFi, η συμμετοχή των παρόχων σε δευτερεύουσες αγορές φάσματος για την αύξηση της χωρητικότητας των δικτύων τους, η τιμολόγηση με βάση την τμηματοποίηση της αγοράς και το flex service, μία νέα υπηρεσία που παρέχει τη δυνατότητα στους χρήστες να επιλέγουν τον πάροχο τους δυναμικά. Η ανάλυση αναδεικνύει ότι στις περιπτώσεις όπου υπάρχει ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της προθυμίας πληρωμής των χρηστών και των απαιτήσεων τους σε ποιότητα υπηρεσίας, οι πάροχοι επιτυγχάνουν σημαντικά οφέλη όταν μοντελοποιούν τους χρήστες με μεγάλο αριθμό υποπληθυσμών. Όταν όμως αυτές οι παράμετροι είναι ανεξάρτητες, σε κάποιες περιπτώσεις, οι πάροχοι μπορεί να καταγράψουν απώλειες κέρδους όταν μοντελοποιούν τους χρήστες στο ίδιο επίπεδο λεπτομέρειας. Το πλαίσιο μοντελοποίησης μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την ανάπτυξη ενός λογισμικού που θα πραγματοποιεί μία λεπτομερή ανάλυση κόστους-οφέλους για την υιοθέτηση νέων τεχνολογικών τάσεων στις τηλεπικοινωνιακές αγορές.