[论文解读] The Impact of Unlicensed Access on Small-Cell Resource Allocation

Cheng Chen, Randall Berry+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

ICT Impact and Policies参考文献 19被引用 6

一句话总结

本文建立了一个包含授权小细胞和非授权WiFi接入的异构网络模型，表明在以收益最大化为目标的垄断条件下，由于用户需求动态的变化，非授权频谱反而可能 paradoxically 增加小细胞的带宽分配。然而，在社会福利最大化条件下，非授权频谱始终会减少小细胞的带宽分配，且在竞争条件下，除非频谱分配达到最优，否则均衡状态总是低效的。

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.

研究动机与目标

• 在不同市场结构下，对授权小细胞与非授权WiFi在异构网络中的战略互动进行建模。
• 分析非授权频谱如何影响以收益或社会福利最大化为目标的服务提供商的带宽分配与定价决策。
• 在垄断与竞争服务提供商场景下，对均衡结果进行表征，尤其关注用户关联与频谱共享问题。
• 量化在不同效用函数与系统参数下，非授权频谱相对于授权频谱的效率。

提出的方法

• 建立一个两阶段博弈模型，服务提供商首先在宏站与小站之间分配授权频谱，然后为移动用户和固定用户设定价格。
• 假设固定用户根据价格与速率在宏站、小站或非授权WiFi之间进行选择，而移动用户则被限制在宏站。
• 使用 α-公平效用函数来建模用户满意度，并推导用户关联与带宽分配的均衡条件。
• 针对单一服务提供商，在收益最大化与社会福利最大化目标下分析子博弈完美均衡。
• 将分析扩展至多个竞争服务提供商，证明在特定条件下均衡存在且唯一。
• 比较不同市场结构与非授权带宽水平下的社会福利结果，识别效率阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在含有小细胞的异构网络中，非授权频谱的可用性如何影响以收益最大化为目标的服务提供商的小细胞带宽分配决策？
• RQ2 在非授权频谱作为免费替代方案的情况下，何种条件下会导致小细胞带宽分配增加，尽管这与直觉相悖？
• RQ3 非授权频谱的存在是否改善或降低异构网络中的社会福利？这种影响如何依赖于频谱效率与市场结构？
• RQ4 垄断服务提供商与多服务提供商竞争市场下的均衡结果有何不同？
• RQ5 在引入非授权频谱后，均衡分配是否高效，尤其是在竞争服务提供商数量增加时？

主要发现

• 在以收益最大化为目标的垄断情形下，少量非授权频谱的存在可能导致小细胞带宽分配增加，这与直觉相反，原因在于需求-价格敏感度发生了变化。
• 在社会福利最大化情形下，无论非授权带宽大小如何，服务提供商在非授权频谱可用时总会减少对小细胞的带宽分配。
• 在多个竞争服务提供商的情形下，存在唯一的子博弈完美均衡，但即使当服务提供商数量趋于无穷大，该均衡也可能无法实现高效分配。
• 当不使用小站时，社会福利函数在非授权带宽上是严格拟凹的，该函数决定了非授权与授权频谱的最佳组合。
• 当小站频谱效率高于非授权频段时，将所有频谱设为授权可最大化社会福利；否则，存在一个最佳混合配置，但在收益最大化下可能无法实现高效。
• 随着非授权带宽增加，均衡从混合用户关联（宏站、小站、非授权）转变为仅使用宏站，这一转变在社会福利曲线上表现为一个拐点。