[论文解读] Competition Between Wireless Service Providers: Pricing, Equilibrium and Efficiency

Feng Zhang, Wenyi Zhang|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2013

ICT Impact and Policies参考文献 13被引用 24

一句话总结

本文通过斯塔克尔伯格博弈建模无线服务提供商（SPs）之间的竞争，其中SPs作为领导者设定价格，用户根据成本和拥塞情况选择接入点。在对称跨接入点（AP）干扰条件下，证明了在垄断情况下的社会福利至少为双头垄断情况的75%（PoCS ≥ 3/4），且垄断时SP利润至少等于双头垄断时的总和（PoCP ≥ 1），在强干扰条件下，两项指标均无上界。

ABSTRACT

As the communication network is in transition towards a commercial one controlled by service providers (SP), the present paper considers a pricing game in a communication market covered by several wireless access points sharing the same spectrum and analyzes two business models: monopoly (APs controlled by one SP) and oligopoly (APs controlled by different SPs). We use a Stackelberg game to model the problem: SPs are the leader(s) and end users are the followers. We prove, under certain conditions, the existence and uniqueness of Nash equilibrium for both models and derive their expressions. In order to compare the impact of different business models on social welfare and SPs' profits, we define two metrics: PoCS (price of competition on social welfare) and PoCP (price of competition on profits). For symmetric cross-AP interferences, the tight lower bound of PoCS is 3/4, and that of PoCP is 1.

研究动机与目标

• 开发一种考虑接入点间干扰的无线接入网络通用定价框架。
• 比较垄断与双头垄断商业模式对社会福利和SP利润的影响。
• 分析共享频谱环境下用户驱动服务选择的无线网络均衡行为。
• 通过新指标PoCS和PoCP量化竞争导致的效率损失。
• 在对称和弱干扰条件下，建立PoCS和PoCP的解析边界。

提出的方法

• 将无线接入市场建模为斯塔克尔伯格博弈，SPs作为领导者，用户作为追随者。
• 应用沃波尔原则，基于效用损失（价格+拥塞）建模用户在AP间的均衡分布。
• 采用线性需求函数和对称跨AP干扰模型，刻画均衡流量与价格。
• 推导垄断与双头垄断下用户均衡流量和SP均衡价格的解析表达式。
• 引入PoCS（社会福利竞争价格）和PoCP（利润竞争价格）作为比较指标。
• 采用凸优化与博弈论分析，证明在LC1和LC2假设下纳什均衡的存在性与唯一性。

实验结果

研究问题

• RQ1 接入点间干扰如何影响无线服务提供商之间竞争的效率？
• RQ2 在何种条件下，垄断市场结构的社会福利优于双头垄断？
• RQ3 在对称干扰条件下，社会福利竞争价格（PoCS）的下限是多少？
• RQ4 在对称干扰条件下，利润竞争价格（PoCP）的下限是多少？
• RQ5 市场弹性与干扰水平如何影响垄断与双头垄断的相对表现？

主要发现

• 在对称且弱的跨AP干扰条件下，社会福利竞争价格（PoCS）的下限为3/4，且当市场需求弹性趋近于零时该边界为紧致。
• 利润竞争价格（PoCP）的下限为1，表明垄断利润永远不会低于双头垄断利润之和，且当需求弹性较高且干扰较低时该边界为紧致。
• 当市场需求弹性较高且干扰较强时，PoCS可能无上界，表明竞争会导致严重的社会福利损失。
• 在强干扰和高需求弹性条件下，PoCP也可能无上界，表明竞争可能大幅降低SP利润。
• 数值结果证实，在强干扰条件下，垄断在社会福利和利润指标上均优于双头垄断。
• 在对称干扰场景中，仅当干扰较低（例如低于0.7）且需求弹性适中（例如s = 1）时，双头垄断在社会福利上才优于垄断。