通过无线网络竞争的垄断mvno物联网应用程序虚拟化

文摘

网络性能是非常重要的处理物联网(物联网)应用程序的第五代(5克)通信系统。越来越多的设备,应该如何提供更好的网络服务性能成为一个不容忽视的问题。静态资源分配的无线网络正在成为一个新兴的物联网应用程序的瓶颈。作为一个潜在的解决方案,网络虚拟化是一种很有前途的方法来提高网络性能和解决瓶颈问题。摘要无线网络虚拟化的问题是调查一个无线基础设施提供者(在制品)、移动虚拟网络运营商(mvno)和物联网设备共存。在考虑中的系统模型,借助软件定义网络(SDN)控制器,WIP可以分裂和重新配置它的无线电频段无线电频率片。然后,两个MVNO MVNO₁和MVNO₂可以租赁这些频率片从WIP,然后为物联网提供物联网网络服务用户下竞争。我们应用两级Stackelberg博弈来调查和分析之间的关系两个MVNO和物联网用户,MVNO₁和MVNO₂首先试图最大化其利润通过设置最优网络服务价格。然后,物联网用户决定哪些网络服务他们应该选择根据网络服务的性能和价格。两个之间的竞争情况下MVNO₁和MVNO₂被认为是,即Stackelberg博弈(SG) MVNO哪里₁是网络服务的领导者,其价格将首先和MVNO吗₂是网络服务价格的追随者组后,非合作的战略游戏(NSG)下MVNO的服务价格吗₁和MVNO₂同时集。每一个物联网用户决定是否和MVNO选择的基础上,网络服务的价格和品质。数值结果提供给我们的博弈模型和解决方案的有效性的方法。

1。介绍

物联网的技术(物联网)快速增长,越来越多的物联网设备将连接在第五代(5克)通信网络。这是预测,智能对象和数量将达到500亿到2020年1]。近年来,我们见证了一个物联网的广泛使用在许多领域,如医疗、滑坡检测和环境监测(2- - - - - -4]。如图1,通过互联网连接东西的数量已经超过人们的人口到2008年底(5]。无线电频率(RF)频谱变得拥挤,由于物联网设备的数量迅速增加7]。此外,无线数据服务的物联网设备的需求是近年来呈指数级增长。从思科公布的最近的一份报告,在2021年,全球移动数据流量将达到每月49 eb (8,9],这些数据流量的一部分可能是由无人机(UAV) (10]。无线频谱是稀缺和宝贵的无线电资源的5 g通信网络(11]。一般来说,政府静态分配授权频谱资源。最近的研究表明,静态频谱分配方案不能处理这些智能设备所产生的数据12,13]。物联网设备的悖论,一个伟大的需要无线网络服务和没有充分利用频谱显示当前的静态频谱资源分配策略有一些缺点。

传统上,造成采用的互联网服务提供商为用户提供网络服务,不灵活,导致较高的资本支出(资本支出)和营业费用(OPEX) [14]。幸运的是,SDN虚拟化和网络功能(NFV)似乎解决这些问题。通过使用NFV技术,虚拟网络功能(VNFs)可以取代传统造成的网络。SDN是最重要的一个技术5 g换向系统,它被认为是一个新兴的模式应用在物联网15- - - - - -18]。SDN,借助一个OpenFlow协议和SDN控制器、无线基础设施提供者(在制品)可以以编程方式划分和重新配置他们的无线电频段频率切片,和移动虚拟网络运营商(mvno)可以租赁这些频率片从wip为了提供虚拟网络服务在一个细粒度的方法(12,16]。应该指出,WIP也可以采用NFV提供虚拟网络服务。

今天,mvno收到成功的业务在许多国家,如Google-Fi项目。在日本,IIJmio和行移动两个mvno。他们从DOCOMO租赁无线电频率切片,在日本的三个在制品,提供网络服务。全球虚拟运营商的市场预计增长年率为7.4%,到2023年将达到752.5亿美元(19]。尽管很多现有的作品研究网络提供mvno,他们中的许多人将更多关注技术方面,像节能为最终用户频谱分配协议20.]。在本文中,我们从经济的角度研究无线网络的网络服务提供。此外,不同于之前的工作,简单的分析均质物联网用户,所有的物联网用户在同样的估值为无线网络服务,在我们的研究中,物联网用户分为不同类型根据他们不同的口味为无线网络服务质量,这是比以前更现实的作品。例如,物联网用户可能的延迟有严格要求的应用车载通信(17,21][22]。

本研究探讨物联网网络服务选择从两个mvno租赁无线电频率片从WIP和争夺用户的物联网设备,旨在最大化利润。MVNO和物联网用户的交互建模为Stackelberg博弈两个阶段,两MVNO网络服务定价策略首先旨在获取最大化利润,和每一个物联网用户将决定哪个MVNO从根据选择服务网络服务价格和品质,如图2说明了。至于两个MVNO之间的竞争被认为是,我们分析两种情况:(1)Stackelberg博弈(SG)情况MVNO₁徒首先设置网络服务价格,然后,MVNO₂设置网络服务价格,(2)非合作的战略游戏(NSG),也称为simultaneous-play游戏,两个mvno设置网络服务价格在同一时间。SG的情况意味着一个MVNO将进入一个物联网网络服务市场的现任MVNO有更好的服务质量,NSG的情况是两个MVNO不同品质的服务同时提供网络服务。

本研究主要做的贡献总结如下:(我)我们研究网络服务选择从两个mvno,租赁无线电频率片从WIP和最大化利润,提供网络服务竞争。物联网用户选择购买服务的两个mvno根据他们提供的物联网网络服务价格和品质(2)交互的两个mvno和物联网用户建模采用Stackelberg博弈两个阶段,这可以通过利用逆向归纳分析和解决方法(3)我们研究和分析两两mvno之间的竞争情况下,分别被称为SG和核供应国集团。为每个案件被证明是一个独特的平衡(iv)数值结果验证提供分析本文提出的系统模型。具体来说,几个参数被认为是展示他们对利润的影响,价格和服务要求MVNO₁和MVNO₂

本文的其余部分的结构如下。相关工作回顾和讨论部分2。介绍了系统模型部分3。分析了服务选择部分3.1。我们进行数值结果和现在分析结果部分3.2。部分4给出了本文的结论和展示了几个未来的研究方向。

2。相关工作

游戏基于理论的技术已经广泛采用无线通信网络和云计算资源管理系统。毫微微蜂窝通信系统中有两个服务提供商,作者探讨了频谱共享方案决策的问题从一个竞争者的服务提供者的角度(23]。作为物联网的物联网用户展示不同的估值数据服务、李等人研究了在物联网数据服务市场价格和服务选择,两个服务提供商购买原始数据从数据所有者向最终用户提供数据服务(24]。移动数据流量的增加可能会导致服务质量、混合定价模型结合基于使用和固定自由定价提出了(25)来解决这个问题。在[26),作者研究了机会计算卸载的应用云计算的提出了一个方案基于IOV Stackelberg博弈分为两个阶段。在[27),李等人研究了定价和服务选择在移动云计算体系结构中,下边缘云和公共云共存。他们还提出了一个两级Stackelberg基于游戏的方法来分析服务提供商和移动用户的交互。在[28),作者分析了优先MVNO和多个MNOs之间共享一个值。在[29日),王等人研究了虚拟资源管理虚拟网络与超密度小的细胞通过使用分层的游戏。

频谱资源分配的研究物联网,物联网服务的定价已经收到了大量的注意力在过去的几年里。在[30.),埃贾兹·和正在Ibnkahla提出了频谱资源分配方案下物联网认知5 g通信系统。制定一个优化问题是解决频谱感知和分配问题。在[31日),Ansere等人研究了节能的认知无线电网络中频谱分配系统。他们提出了两个动态频谱算法提高网络系统的效率。在[1),一个商业模式包括网络、多个服务提供者,终端用户提出和分析了Guijarro等。服务提供商购买无线传感器网络的感知数据所有者(轮)和向最终用户提供服务在竞争激烈的寡头垄断物联网数据服务市场。在[32],Ghosh和Sarkar研究物联网服务的提供物联网市场由垄断的物联网服务提供商(IoTSP),无线服务提供商(WSP)和云服务提供商(CSP)。这些供应商之间的三种相互作用进行了分析。作者在33]研究mvno应该如何定价决策是已知还是未知,当别人的库存信息。为已知的情况下,他们提出了一个最优定价方案的收入最大化。对未知的情况下,开发分布式联合形成算法每个MVNO的收入最大化。在[34),提出了一种以市场为导向的模型物联网服务。提出了一个多引线multifollower Stackelberg基于游戏的方法来研究和分析物联网服务提供者和用户之间的关系。在[35),作者研究了两个服务提供者配置WSN-based服务竞争。

在认知无线电网络中频谱资源管理(crn)已经被广泛利用博弈理论研究。crn的相关作品价格竞争可以分为两类。第一类包括主要的网络运营商之间的竞争是谁授权频谱所有者和二级网络运营商没有频谱许可证。第二类是二级运营商之间的竞争租赁的频谱频谱持有者向二级用户提供网络服务。提出了一种频谱sharing-method设置适当的价格(36)用户的吞吐量和运营商的利润最大化。段等人研究了价格竞争和频谱两mvno二级光谱之间的租赁市场13]。他们认为,这两个二级运营商定价同时为SUs的数量。Tran等人首次研究了频谱CRN接入控制的价格,两个二级运营商使用公用和专用DSA范式,分别设置价格同时提供服务,对延迟敏感SUs通过定价策略(37]。然而,频谱租赁的成本被忽视和信道质量不是彻底分析了这些作品。在[38],作者研究了双头垄断服务定价二次频谱市场的竞争,在这两个mvno SUs竞争环境下提供网络服务。然而,他们只考虑一个竞争情况。

基于上述分析以前作品提供网络服务在竞争下,可以明显的发现,他们中的许多人只考虑一个竞争场景或mvno忽略了运营成本的收入,如射频部分的租赁成本。虽然[39研究两个竞争场景,频谱租赁成本和用户的不同的估值不考虑网络服务。

系统模型,分析了主要是出于[12,40,41]。在[12),作者研究了无线网络的虚拟化创建mvno提供物联网网络服务使用租赁物联网用户从wip频率切片。他们制定了一个三层的游戏在制品之间的交互,mvno,物联网用户调查。在[40],作者提出了一种频谱接入方案根据价格来解决这个问题二级光谱的双头垄断竞争市场,两个mvno租赁空闲频谱的信道特性不同于频谱所有者。在[41),赵等人还研究了双头垄断竞争市场二级光谱,分析了选择动态SUs利用进化博弈理论。我们的研究不同于前两个在以下几方面工作。首先,上述工作只考虑一个竞争的情况下,即simultaneous-play游戏场景。第二,(40)认为,二级用户必须选择网络服务运营商之一,这不是有效的在实践中,作为物联网用户可能拒绝从他们如果他们获得订阅服务实用程序是消极的(37,42]。虽然[41考虑实际情况,一些用户可能会拒绝使用网络服务,运营成本的两个mvno没有考虑。此外,不同于(12),被认为是“诱导多能性”之间的一个三层的游戏,mvno,物联网用户,我们主要关注两层两个mvno和物联网用户之间的游戏。具体地说,我们分析了两个实用的两者之间的竞争情况下mvno。

3所示。系统模型

在本节中,给出了系统模型组成的在制品,两个mvno,以及物联网用户,如图3。的帮助下SDN控制器(12,15- - - - - -18],WIP可以和重新配置它的无线电频段划分为片。这些无线电频率片引起的不同的品质不同的干扰水平,可以显示在图4。两个MVNO,用MVNO₁和MVNO₂分别租赁无线电频率片从一个在制品的数量,并提供网络服务,绝不认输。我们假设每个物联网的用户有一个设备。因此,我们使用物联网用户在整个论文和物联网设备互换。本文的系统模型主要是受[12但竞争扩展到考虑两个场景。不同于(12),研究了三层游戏之间的在制品、mvno和物联网用户,唯一的两层之间的游戏mvno和物联网用户被认为是在这个研究。我们假设每一个物联网用户购买一片和有其偏好在选择网络服务。我们假设网络质量较高的切片表示是租用MVNO₁和一个较低的质量表示是租用MVNO₂。信道质量表示为 在哪里 , ,和 ,分别表示带宽,苏的接收功率,信道干扰。

3.1。物联网用户的模型

代表物联网用户的网络服务的不同的估价,这些用户分为不同类型根据他们的口味的网络服务质量。认为物联网用户的类型用使用的参数 ,其值均匀分布在区间[0,1]的概率分布函数(PDF)是什么和累积分布函数(CDF) 。的一个主要原因为均匀分布的假设只是为了方便。应该注意,也可以采用其他形式的分布没有影响我们的分析结果。的参数反映了这种物联网用户对网络服务质量的偏好,和更高的价值意味着这个物联网用户对网络服务质量更高的偏好。为一个类型物联网用户选择服务MVNO_我,其效用函数给出12,40,41] 在哪里和分别表示网络服务质量和价格。

3.2。mvno”模式

假设有两个网络服务运营商,指示为MVNO₁和MVNO₂,争相吸引物联网的标准数量的用户。mvno的目的是设置最优网络服务价格和 ,分别,他们的利润最大化。对于一个MVNO_我, ,其收入的利润是表示它可以获得-租赁成本的无线电频率片从WIP,给出 在哪里和操作成本包括无线电频率切片MVNO租赁成本和用户需求_我,分别。

为了便于分析,我们总结本文的符号表1。

4所示。价格和服务选择

在本节中,我们分析价格和服务选择无线网络服务市场,两个mvno争夺物联网用户通过设置最优价格的网络服务来最大化利润。MOVNOs之间的关系和物联网用户可以使用Stackelberg博弈的特征有两个阶段,并解决了利用逆向归纳技术(43,44]。我们首先分析物联网用户的网络服务选择在第二阶段,然后分析网络服务价格是如何决定的阶段。

服务的选择和价格的两个MVNO,我们考虑两种情况:(1)Stackelberg博弈(SG)情况MVNO集网络服务价格首先和另一个集之后,(2)非合作的战略游戏(NSG) (43,45),也称为simultaneous-play游戏,网络服务价格同时设定的两个mvno。SG的情况意味着一位竞争者MVNO计划提供网络服务与现任MVNO竞争的网络服务质量更好,NSG的情况意味着两个MVNO的同时网络服务价格和品质是不同的竞争。

4.1。物联网用户的需求决定

基于价格和服务质量的两个mvno,每一个物联网的用户将网络服务需求决定购买网络服务的两个mvno或没有。我们表示物联网用户对网络服务的要求从MVNO₁和MVNO₂作为 和 ,分别。两个关键类型的物联网用户表示和被认为是这样吗

从方程(4)和(5),我们得到

我们也表示一个物联网用户的漠不关心 这样 ;也就是说,

然后,从方程(8),是计算

物联网用户认为是自私自利的,这意味着他们从MVNO选择服务访问_我( )如果他们的事业不仅是积极的,而且也高于另一个。因此,可以得到以下结果。

命题1。一个物联网的用户类型会选择网络服务根据下列条件:(我)它选择服务MVNO₁如果 和 ,要求 和α_k<α₁(2)它选择服务MVNO₂如果U_2,k(α_k,p₂)>U_1,k(α_k,p₁),U_2,k(α_k,p₂)> 0,要求 (3)如果没有选择服务 和 ,要求 和

根据命题的结果1物联网用户的服务需求决策MVNO₁和MVNO₂分别给出

从方程(10)和(11),可以获得以下的命题。

命题2。网络服务价格( ),一双独特的平衡要求和存在MVNO₁和MVNO₂分别为:(1)如果 ,然后 和 。我们有 和 (2)如果 ,然后 和 。我们有 和 (3)对应于这种情况,MVNO₁和MVNO₂共存提供网络服务。因此,要求网络服务从MVNO₁和MVNO₂处于平衡状态,分别给出

4.2。两个竞争情况下

物联网用户的网络服务要求后,两mvno将竞争通过设置最优网络服务获取最大化利润的价格。因此,利润的两个mvno可以分别表示为

两个mvno可以模仿的竞争和分析通过使用一次性游戏,这是制定如下:

玩家:MVNO₁和MVNO₂

价格策略: ,

回报:利润

4.3。Stackelberg博弈(SG)的情况

在这种情况下,竞争的两个MVNO建模和分析采用Stackelberg博弈(SG) MVNO₁是领导者,而MVNO吗₂是追随者。MVNO₁行动首先设置最优网络服务价格获取最大化利润的预期选择的MVNO₂。

MVNO的利润最大化的问题₁表示如下。

问题3。 在哪里 由方程(10)。

在得到MVNO₁的价格 ,MVNO₂试图解决以下利润优化问题得到它的价格 。

问题4。 在哪里 在方程(11)。

从解决问题3和问题4按顺序,命题5获得,证明附件所示一个。

命题5。一双独特的价格( )获得在SG的平衡情况。

根据命题的结果5,推论6可以获得。

推论6。SG的情况下,利润MVNO₁和MVONO₂分别得到表达

4.4。非合作的战略游戏(NSG)情况

非合作的战略游戏(NSG),也被称为simultaneous-play游戏(46),是MVNO₁和MVNO₂同时设置他们的服务价格以获取最大化利润。

最大化利润的问题,试图解决MVNO₁表示如下。

问题7。 在哪里 方程所示(10)。

最大化利润的问题,试图解决MVNO₂表示如下。

问题8。 在哪里 方程所示(11)。

从解决问题7和问题8联合,获得以下结果;附录中给出了证明B。

9号提案。在核供应国集团的情况下,一双独特的价格( )存在于平衡。

根据命题9,推论10是获得。

推论10。在SG情况下,利润MVNO₁和MVONO₂分别得到表达

5。数值结果

本节提供数值结果来验证分析了前部分。我们考虑一个物联网的环境,有两位mvno租赁无线电频率片从WIP和提供网络服务的物联网用户在两个竞争的情况下。具体来说,我们分析网络服务价格和利润的敏感性在平衡不同的参数,如切片的质量和成本系数。我们假设 ,为 ,在哪里成本系数。除非另有规定,参数值的设置主要是指(12,40] (bps)。我们使用的工具MATLAB开发仿真环境。

5.1。片质量的影响

首先,我们分析无线电频率切片的质量如何影响网络服务价格,物联网用户需求和利润的两个mvno两种竞争情况下处于平衡状态。

图5显示出片质量的影响网络上的价格MVNO₁在平衡两种竞争情况下,固定为0.3。图6显示出片质量的影响在网络的价格MVNO₂在平衡两个竞争情况下,固定为3。成本有效的在这两个数字是设置为0.2。从数据5和6,它可以观察到,在平衡中,网络服务价格MVNO₁和MVNO₂得到更高的NSG竞争情况比SG竞争情况。数据5和6表明mvno可以实现网络服务价格上涨对他们租用频率切片质量增加。从这两个数字,也可以观察到MVNO₁可以得到更高的网络比MVNO价格吗₂在平衡这两个竞争情况下由于其租用的频率切片质量较高。

数据7和8分别显示的利润MVNO₁和MVNO₂与切片的品质和SG的场景。我们设置0.2在两个数据, 在图7和 在图8。从图7,它可以发现的利润MVNO₁和MVNO₂将会增加,如果片MVNO质量更好₁ 从WIP租赁。从这个图可以发现,获得的利润MVNO₂比MVNO吗₁。这是因为MVNO₁有一个更高的运营成本。从图8,它可以观察到的利润MVNO₁增加的利润MVNO₂先增加然后减少对无线电频率的增加质量增加。

数据9和10分别显示的利润MVNO₁和MVNO₂获得与切片的品质和在核供应国集团的情况。我们设置0.2在两个数据, 在图9和 在图10。图9显示的利润MVNO₁和MVNO₂片质量的减少MVNO₁增加。尽管MVNO的切片质量₁本MVNO增加,利润减少,由于物联网用户选择MVNO。少的原因₁价格更高的网络,可以看到从图5。从图10,它可以观察到的利润MVNO₂增加如果租赁更好的切片质量从WIP,随着越来越多的物联网用户将从MVNO选择服务₂,可以在图中找到6。

5.2。运营成本的影响

这部分分析操作成本如何影响网络服务价格和利润的MVNO₁和MVNO₂在平衡这两个竞争的情况下。数据11和12显示两个mvno的利润和成本系数 ,分别在SG和NSG病例 和 。图11说明成本系数增加,与MVNO₂的利润增加,MVNO的利润吗₁SG的情况下减少表明MVNO₂好处更多从这个竞争情况下的成本系数增加。MVNO的利润₂会比MVNO吗₁的增加 。图12表明,在核供应国集团的情况下,利润的MVNO₁和MVNO₂降低对增加成本系数 。成本系数的值越大意味着两mvno应负担更多的运营成本。

6。结论和未来的工作

本文研究了一个两层的游戏在一个物联网网络服务环境目标的最大化mvno的利润通过物联网用户的服务质量考虑异构的味道。我们研究和分析网络服务定价竞争MVNO₁和MVNO₂分别利用NSG和SG,在每个游戏情况下获得一个独特的平衡。数值结果表明,在平衡,MVNO₁和MVNO₂可以收取他们的网络服务与更高的价格如果他们租用更好的从WIP片品质,他们收取更高的网络服务价格SG比NSG的案件。数值结果还表明,物联网用户不容易支付使用网络服务,即使两个mvno为网络服务提供更好的品质。我们得到的结论是,运营成本的增加,利润的MVNO₁在两个竞争情况下的利润减少MVNO₂增加在SG的情况下,减少在NSG的情况下。

几个研究方向仍待进一步研究未来的工作。首先,双头垄断竞争场景中可以扩展到寡头垄断存在多个mvno提供网络服务。寡头垄断的情况有两个以上mvno,我们可以应用的模型47]。第二,我们可以通过将调查和分析三层游戏之间的交互WIP和两个mvno。第三,通过价格差异化mvno可以提高他们的利润,即。,charging network service with different prices according to the different types of IoT users.

附录

答:命题的证明5

鉴于网络服务的价格MVNO₁通过设置的一阶导数有关为零,

从方程(. 1),是计算

后用方程(. 1)方程(14),是计算

方程(a .)是凸;因此,通过设置的导数关于为零,

从方程(各),最好的回应MVNO₁是

用方程(本)方程(a .),最好的回应MVNO₂是

因此,通过分别用方程(本)和(要求寄出)到方程(12)和(13),服务要求MVNO₁和MVNO₂在SG的情况下分别表示,

b .命题的证明9

问题的目标函数3很容易证明凸;因此,通过设置的导数关于为零,

从方程(责任),是计算

同样,通过设置的导数关于为零,

从方程(B.2),是计算

通过求解方程(B.2)和(B.4),最优服务的价格MVNO₁和MVNO₂分别表示为

因此,通过分别用方程(B.5)和(B.6)到方程(12)和(13),服务要求MVNO₁和MVNO₂在核供应国集团的情况下,分别表示

数据可用性

本研究的数据和计划可以从相应的作者可以在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是支持第三批储备候选人学术和技术负责人(2018 xjhb07),苏州科技项目(SZ2018GG01 SZ2018GG01xp),苏州大学的杰出的学术和技术骨干(2016 xjgg12),新的工程研究和实践项目(2017 xgkxm54),苏州大学的迷乱学者项目(2018 szxydzxz01),和中青年科技创新人才支持计划,沈阳(RC190026)。

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