[논문 리뷰] The Impact of Unlicensed Access on Small-Cell Resource Allocation

Cheng Chen, Randall Berry외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 21.

ICT Impact and Policies참고 문헌 19인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 라이선스가 부여된 소셀과 비라이선스 WiFi 액세스를 포함하는 이질적 네트워크를 모델링하여, 수익 극대화를 추구하는 독점 조건에서 비라이선스 스펙트럼이 사용자 수요의 동적 변화로 인해 오히려 소셀 대역폭 할당을 증가시킬 수 있음을 보여준다. 그러나 사회적 복지 극대화 조건에서는 비라이선스 스펙트럼이 항상 소셀 할당을 감소시키며, 스펙트럼이 최적으로 할당되지 않는 한 경쟁 조건에서의 균형은 비효율적이다.

ABSTRACT

Small cells deployed in licensed spectrum and unlicensed access via WiFi provide different ways of expanding wireless services to low mobility users. That reduces the demand for conventional macro-cellular networks, which are better suited for wide-area mobile coverage. The mix of these technologies seen in practice depends in part on the decisions made by wireless service providers that seek to maximize revenue, and allocations of licensed and unlicensed spectrum by regulators. To understand these interactions we present a model in which a service provider allocates available licensed spectrum across two separate bands, one for macro- and one for small-cells, in order to serve two types of users: mobile and fixed. We assume a service model in which the providers can charge a (different) price per unit rate for each type of service (macro- or small-cell); unlicensed access is free. With this setup we study how the addition of unlicensed spectrum affects prices and the optimal allocation of bandwidth across macro-/small-cells. We also characterize the optimal fraction of unlicensed spectrum when new bandwidth becomes available.

연구 동기 및 목표

• 다양한 시장 구조 하에서 라이선스가 부여된 소셀과 비라이선스 WiFi 간의 전략적 상호작용을 모델링하기 위해.
• 수익 또는 사회적 복지를 극대화하는 서비스 공급자가 수립하는 가격 결정 및 대역폭 할당에 비라이선스 스펙트럼이 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 특히 사용자 연동 및 스펙트럼 공유 관점에서 독점 및 경쟁적 서비스 공급자(SPs) 시나리오에서의 균형 결과를 특성화하기 위해.
• 다양한 유틸리티 함수 및 시스템 파라미터 조건에서 비라이선스 스펙트럼의 효율성과 라이선스 스펙트럼을 비교하여 정량화하기 위해.

제안 방법

• 서비스 공급자가 먼저 매크로셀과 소셀 간에 라이선스 스펙트럼을 할당한 후, 이동 사용자 및 고정 사용자에게 가격을 설정하는 이중 단계 게임을 모델링한다.
• 고정 사용자는 가격과 속도를 기준으로 매크로셀, 소셀 또는 비라이선스 WiFi 중 하나를 선택하며, 이동 사용자는 매크로셀에 제한된다.
• 사용자 만족도를 모델링하기 위해 α-공정 유틸리티 함수를 사용하고, 사용자 연동 및 대역폭 할당에 대한 균형 조건을 유도한다.
• 단일 서비스 공급자(SP)의 수익 극대화 및 사회적 복지 극대화 목표 하에서 부분 게임 완전 균형(subgame perfect equilibrium)을 분석한다.
• 여러 경쟁하는 SP로의 분석을 확장하여, 특정 조건 하에서 균형의 존재성과 유일성을 증명한다.
• 다양한 시장 구조와 비라이선스 대역폭 수준에서의 사회적 복지 결과를 비교하여 효율성 임계값을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소셀이 있는 헤테로제너이스 네트워크에서 비라이선스 스펙트럼의 가용성이 수익 극대화를 추구하는 서비스 공급자의 소셀 대역폭 할당 결정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비라이선스 스펙트럼이 무료 대안임에도 불구하고 언제 소셀 대역폭 할당이 증가하는가?
• RQ3 비라이선스 스펙트럼의 존재가 헤테로제너이스 네트워크에서 사회적 복지를 향상시키는가, 아니면 악화시키는가? 이는 스펙트럼 효율성과 시장 구조에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 독점 서비스 공급자와 다수의 서비스 공급자가 경쟁하는 시장 간의 균형 결과는 어떻게 다를까?
• RQ5 비라이선스 스펙트럼이 도입되었을 때, 특히 경쟁하는 서비스 공급자의 수가 증가함에 따라 균형 할당이 효율적인가?

주요 결과

• 수익 극대화 독점 조건에서는 비라이선스 스펙트럼이 소량 존재할 경우, 수요-가격 민감도의 변화로 인해 오히려 소셀에 더 많은 대역폭이 할당될 수 있으며, 이는 직관에 어긋난다.
• 사회적 복지 극대화 조건에서는 비라이선스 스펙트럼이 가용할 경우, 비라이선스 대역폭 크기에 관계없이 항상 소셀에 할당되는 대역폭이 감소한다.
• 여러 경쟁하는 서비스 공급자가 존재할 경우, 유일한 부분 게임 완전 균형이 존재하지만, 공급자의 수가 무한히 증가함에 따라 비효율적일 수 있다.
• 소셀을 사용하지 않을 경우, 사회적 복지 함수는 비라이선스 대역폭에 대해 엄격하게 오목하며, 이 함수는 비라이선스 및 라이선스 스펙트럼의 최적 조합을 결정한다.
• 소셀의 스펙트럼 효율성이 비라이선스 스펙트럼보다 높을 경우, 모든 스펙트럼을 라이선스로 할당하는 것이 사회적 복지를 극대화하며, 그렇지 않으면 최적의 혼합 비율이 존재하지만, 이는 수익 극대화 조건에서는 항상 효율적이지 않다.
• 비라이선스 대역폭이 증가함에 따라 사용자 연동 방식이 혼합(매크로, 소셀, 비라이선스)에서 매크로 전용으로 전환되며, 이는 사회적 복지 곡선의 꺾임(kink)으로 나타난다.