ECONOMIC APPROACHES AND MARKET STRUCTURES FOR TEMPORAL-SPATIAL SPECTRUM SHARING

In wireless communication systems, economic approaches can be applied to spectrum sharing and enhance spectrum utilization. In this research, we develop a model where geographic information, including licensed areas of primary users (PUs) and locations of secondary users (SUs), plays an important role in the spectrum sharing system. We consider a multi-price policy and the pricing power of noncooperative PUs in multiple geographic areas. Meanwhile, the value assessment of a channel is price-related and the demand from the SUs is price-elastic. By applying an evolutionary procedure, we prove the existence and uniqueness of the optimal payoff for each PU selling channels without reserve. In the scenario of selling channels with reserve, we predict the channel prices for the PUs leading to the optimal supplies of the PUs and hence the optimal payoffs. To increase spectrum utilization, the scenario of spatial spectrum reuse is considered. We consider maximizing social welfare via on-demand channel allocation, which describes the overall satisfaction of the SUs when we involve the supply and demand relationship. We design a receiver-centric spectrum reuse mechanism, in which the optimal channel allocation that maximizes social welfare can be achieved by the Vickrey-Clarke-Groves (VCG) auction for maximal independent groups (MIGs). We prove that truthful bidding is the optimal strategy for the SUs, even though the SUs do not participate in the VCG auction for MIGs directly. Therefore, the MIGs are bidding truthfully and the requirement for social welfare maximization is satisfied. To further improve user satisfaction, user characteristics that enable heterogeneous channel valuations need to be considered in spatial spectrum reuse. We design a channel transaction mechanism for non-symmetric networks and maximize user satisfaction in consideration of multi-level flexible channel valuations of the SUs. Specifically, we introduce a constrained VCG auction. To facilitate the bid formation, we transform the constrained VCG auction to a step-by-step decision process. Meanwhile, the SUs in a coalition play a coalitional game with transferable utilities. We use the Shapley value to realize fair payoff distribution among the SUs in a coalition

DR9.3 Final report of the JRRM and ASM activities

Deliverable del projecte europeu NEWCOM++This deliverable provides the final report with the summary of the activities carried out in NEWCOM++ WPR9, with a particular focus on those obtained during the last year. They address on the one hand RRM and JRRM strategies in heterogeneous scenarios and, on the other hand, spectrum management and opportunistic spectrum access to achieve an efficient spectrum usage. Main outcomes of the workpackage as well as integration indicators are also summarised.Postprint (published version

Traffic offloading in future, heterogeneous mobile networks

The rise of third-party content providers and the introduction of numerous applications has been driving the growth of mobile data traffic in the past few years. In order to tackle this challenge, Mobile Network Operators (MNOs) aim to increase their networks' capacity by expanding their infrastructure, deploying more Base Stations (BSs). Particularly, the creation of Heterogeneous Networks (HetNets) and the application of traffic offloading through the dense deployment of low-power BSs, the small cells (SCs), is one promising solution to address the aforementioned explosive data traffic increase. Due to their financial implementation requirements, which could not be met by the MNOs, the emergence of third parties that deploy small cell networks creates new business opportunities. Thus, the investigation of frameworks that facilitate the implementation of outsourced traffic offloading, the collaboration and the transactions among MNOs and third-party small cell owners, as well as the provision of participation incentives for all stakeholders is essential for the deployment of the necessary new infrastructure and capacity expansion. The aforementioned emergence of third-party content providers and their applications not only drives the increase in mobile data traffic, but also create new Quality of Service (QoS) as well as Quality of Experience (QoE) requirements that the MNOs need to guarantee for the satisfaction of their subscribers. Moreover, even though the MNOs accommodate this traffic, they do not get any monetary compensation or subsidization for the required capacity expansion. On the contrary, their revenues reduce continuously. To that end, it is necessary to research and design network and economic functionalities adapted to the new requirements, such as QoE-aware Radio Resource Management and Dynamic Pricing (DP) strategies, which both guarantee the subscriber satisfaction and maximization the MNO profit (to compensate the diminished MNOs' revenues and the increasing deployment investment). Following a thorough investigation of the state-of-the-art, a set of research directions were identified. This dissertation consists of contributions on network sharing and outsourced traffic offloading for the capacity enhancement of MNO networks, and the design of network and economic functions for the sustainable deployment and use of the densely constructed HetNets. The contributions of this thesis are divided into two main parts, as described in the following. The first part of the thesis introduces an innovative approach on outsourced traffic offloading, where we present a framework for the Multi-Operator Radio Access Network (MORAN) sharing. The proposed framework is based on an auction scheme used by a monopolistic Small Cell Operator (SCO), through which he leases his SC infrastructure to MNOs. As the lack of information on the future offered load and the auction strategies creates uncertainty for the MNOs, we designed a learning mechanism that assists the MNOs in their bid-placing decisions. Our simulations show that our proposal almost maximizes the social welfare, satisfying the involved stakeholders and providing them with participation incentives. The second part of the thesis researches the use of network and economic functions for MNO profit maximization, while guaranteeing the users' satisfaction. Particularly, we designed a model that accommodates a plethora of services with various QoS and QoE requirements, as well as diverse pricing, that is, various service prices and different charging schemes. In this model, we proposed QoE-aware user association, resource allocation and joint resource allocation and dynamic pricing algorithms, which exploit the QoE-awareness and the network's economic aspects, such as the profit. Our simulations have shown that our proposals gain substantial more profit compared to traditional and state-of-the-art solutions, while providing a similar or even better network performance.El aumento de los proveedores de contenido de terceros y la introducción de numerosas aplicaciones ha impulsado el crecimiento del tráfico de datos en redes móviles en los últimos años. Para hacer frente a este desafío, los operadores de redes móviles (Mobile Network Operators, MNOs) apuntan a aumentar la capacidad de sus redes mediante la expansión de su infraestructura y el despliegue de más estaciones base (BS). Particularmente, la creación de Redes Heterogéneas (Heterogenous Networks, HetNets) y la aplicación de descarga de tráfico a través del despliegue denso de BSs de baja potencia, las células pequeñas (small cells, SCs), es una solución prometedora para abordar el aumento del tráfico de datos explosivos antes mencionado. Debido a sus requisitos de implementación financiera, que los MNO no pudieron cumplir, la aparición de terceros que implementan redes de células pequeñas crea nuevas oportunidades comerciales. Por lo tanto, la investigación de marcos que faciliten la implementación de la descarga tercerizada de tráfico, la colaboración y las transacciones entre MNOs y terceros propietarios de células pequeñas, así como la provisión de incentivos de participación para todas las partes interesadas esencial para el despliegue de la nueva infraestructura necesaria y la expansión de la capacidad. La aparición antes mencionada de proveedores de contenido de terceros y sus aplicaciones no solo impulsa el aumento del tráfico de datos móviles, sino también crea nuevos requisitos de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y calidad de la experiencia (Quality of Experience, QoE) que los operadores de redes móviles deben garantizar para la satisfacción de sus suscriptores. Además, a pesar de que los operadores de redes móviles adaptan este tráfico, no obtienen ninguna compensación monetaria o subsidio por la expansión de capacidad requerida. Por el contrario, sus ingresos se reducen continuamente. Para ello, es necesario investigar y diseñar funcionalidades económicas y de red adaptadas a los nuevos requisitos, tales como las estrategias QoE-conscientes de gestión de recursos de radio y de precios dinámicos (Dynamic Pricing, DP), que garantizan la satisfacción del abonado y la maximización de la ganancia de operador móvil (para compensar los ingresos de los MNOs disminuidos y la creciente inversión de implementación). Después de una investigación exhaustiva del estado del arte, se identificaron un conjunto de direcciones de investigación. Esta disertación consiste en contribuciones sobre el uso compartido de redes y la descarga tercerizada de tráfico para la mejora de la capacidad de redes MNO, y el diseño de funciones económicas y de red para el despliegue y uso sostenible de las HetNets densamente construidas. Las contribuciones de esta tesis se dividen en dos partes principales, como se describe a continuación. La primera parte de la tesis presenta un enfoque innovador sobre la descarga subcontratada de tráfico, en el que presentamos un marco para el uso compartido de la red de acceso de radio de múltiples operadores (Multi-Operator RAN, MORAN). El marco propuesto se basa en un esquema de subasta utilizado por un operador monopólico de celda pequeña (Small Cell Operator, SCO), a través del cual arrienda su infraestructura SC a MNOs. Como la falta de información sobre la futura carga de red y las estrategias de subasta creaban incertidumbre para los MNO, diseñamos un mecanismo de aprendizaje que asiste a los MNO en sus decisiones de colocación de pujas. Nuestras simulaciones muestran que nuestra propuesta casi maximiza el bienestar social, satisfaciendo a las partes interesadas involucradas y proporcionándoles incentivos de participación. La segunda parte de la tesis investiga el uso de las funciones económicas y de red para la maximización de los beneficios de los MNOs, al tiempo que garantiza la satisfacción de los usuarios. Particularmente, diseñamos un modelo que acomoda una gran cantidad de servicios con diversos requisitos de QoS y QoE, tanto como diversos precios, es decir, varios precios de servicio y diferentes esquemas de cobro. En este modelo, propusimos algoritmos QoE-conscientes para asociación de usuarios, asignación de recursos y conjunta asignación de recursos y de fijación dinámica de precios, que explotan la conciencia de QoE y los aspectos económicos de la red, como la ganancia. Nuestras simulaciones han demostrado que nuestras propuestas obtienen un beneficio sustancial en comparación con las soluciones tradicionales y del estado del arte, a la vez que proporcionan un rendimiento de red similar o incluso mejor.Postprint (published version

Traffic offloading in future, heterogeneous mobile networks

The rise of third-party content providers and the introduction of numerous applications has been driving the growth of mobile data traffic in the past few years. In order to tackle this challenge, Mobile Network Operators (MNOs) aim to increase their networks' capacity by expanding their infrastructure, deploying more Base Stations (BSs). Particularly, the creation of Heterogeneous Networks (HetNets) and the application of traffic offloading through the dense deployment of low-power BSs, the small cells (SCs), is one promising solution to address the aforementioned explosive data traffic increase. Due to their financial implementation requirements, which could not be met by the MNOs, the emergence of third parties that deploy small cell networks creates new business opportunities. Thus, the investigation of frameworks that facilitate the implementation of outsourced traffic offloading, the collaboration and the transactions among MNOs and third-party small cell owners, as well as the provision of participation incentives for all stakeholders is essential for the deployment of the necessary new infrastructure and capacity expansion. The aforementioned emergence of third-party content providers and their applications not only drives the increase in mobile data traffic, but also create new Quality of Service (QoS) as well as Quality of Experience (QoE) requirements that the MNOs need to guarantee for the satisfaction of their subscribers. Moreover, even though the MNOs accommodate this traffic, they do not get any monetary compensation or subsidization for the required capacity expansion. On the contrary, their revenues reduce continuously. To that end, it is necessary to research and design network and economic functionalities adapted to the new requirements, such as QoE-aware Radio Resource Management and Dynamic Pricing (DP) strategies, which both guarantee the subscriber satisfaction and maximization the MNO profit (to compensate the diminished MNOs' revenues and the increasing deployment investment). Following a thorough investigation of the state-of-the-art, a set of research directions were identified. This dissertation consists of contributions on network sharing and outsourced traffic offloading for the capacity enhancement of MNO networks, and the design of network and economic functions for the sustainable deployment and use of the densely constructed HetNets. The contributions of this thesis are divided into two main parts, as described in the following. The first part of the thesis introduces an innovative approach on outsourced traffic offloading, where we present a framework for the Multi-Operator Radio Access Network (MORAN) sharing. The proposed framework is based on an auction scheme used by a monopolistic Small Cell Operator (SCO), through which he leases his SC infrastructure to MNOs. As the lack of information on the future offered load and the auction strategies creates uncertainty for the MNOs, we designed a learning mechanism that assists the MNOs in their bid-placing decisions. Our simulations show that our proposal almost maximizes the social welfare, satisfying the involved stakeholders and providing them with participation incentives. The second part of the thesis researches the use of network and economic functions for MNO profit maximization, while guaranteeing the users' satisfaction. Particularly, we designed a model that accommodates a plethora of services with various QoS and QoE requirements, as well as diverse pricing, that is, various service prices and different charging schemes. In this model, we proposed QoE-aware user association, resource allocation and joint resource allocation and dynamic pricing algorithms, which exploit the QoE-awareness and the network's economic aspects, such as the profit. Our simulations have shown that our proposals gain substantial more profit compared to traditional and state-of-the-art solutions, while providing a similar or even better network performance.El aumento de los proveedores de contenido de terceros y la introducción de numerosas aplicaciones ha impulsado el crecimiento del tráfico de datos en redes móviles en los últimos años. Para hacer frente a este desafío, los operadores de redes móviles (Mobile Network Operators, MNOs) apuntan a aumentar la capacidad de sus redes mediante la expansión de su infraestructura y el despliegue de más estaciones base (BS). Particularmente, la creación de Redes Heterogéneas (Heterogenous Networks, HetNets) y la aplicación de descarga de tráfico a través del despliegue denso de BSs de baja potencia, las células pequeñas (small cells, SCs), es una solución prometedora para abordar el aumento del tráfico de datos explosivos antes mencionado. Debido a sus requisitos de implementación financiera, que los MNO no pudieron cumplir, la aparición de terceros que implementan redes de células pequeñas crea nuevas oportunidades comerciales. Por lo tanto, la investigación de marcos que faciliten la implementación de la descarga tercerizada de tráfico, la colaboración y las transacciones entre MNOs y terceros propietarios de células pequeñas, así como la provisión de incentivos de participación para todas las partes interesadas esencial para el despliegue de la nueva infraestructura necesaria y la expansión de la capacidad. La aparición antes mencionada de proveedores de contenido de terceros y sus aplicaciones no solo impulsa el aumento del tráfico de datos móviles, sino también crea nuevos requisitos de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y calidad de la experiencia (Quality of Experience, QoE) que los operadores de redes móviles deben garantizar para la satisfacción de sus suscriptores. Además, a pesar de que los operadores de redes móviles adaptan este tráfico, no obtienen ninguna compensación monetaria o subsidio por la expansión de capacidad requerida. Por el contrario, sus ingresos se reducen continuamente. Para ello, es necesario investigar y diseñar funcionalidades económicas y de red adaptadas a los nuevos requisitos, tales como las estrategias QoE-conscientes de gestión de recursos de radio y de precios dinámicos (Dynamic Pricing, DP), que garantizan la satisfacción del abonado y la maximización de la ganancia de operador móvil (para compensar los ingresos de los MNOs disminuidos y la creciente inversión de implementación). Después de una investigación exhaustiva del estado del arte, se identificaron un conjunto de direcciones de investigación. Esta disertación consiste en contribuciones sobre el uso compartido de redes y la descarga tercerizada de tráfico para la mejora de la capacidad de redes MNO, y el diseño de funciones económicas y de red para el despliegue y uso sostenible de las HetNets densamente construidas. Las contribuciones de esta tesis se dividen en dos partes principales, como se describe a continuación. La primera parte de la tesis presenta un enfoque innovador sobre la descarga subcontratada de tráfico, en el que presentamos un marco para el uso compartido de la red de acceso de radio de múltiples operadores (Multi-Operator RAN, MORAN). El marco propuesto se basa en un esquema de subasta utilizado por un operador monopólico de celda pequeña (Small Cell Operator, SCO), a través del cual arrienda su infraestructura SC a MNOs. Como la falta de información sobre la futura carga de red y las estrategias de subasta creaban incertidumbre para los MNO, diseñamos un mecanismo de aprendizaje que asiste a los MNO en sus decisiones de colocación de pujas. Nuestras simulaciones muestran que nuestra propuesta casi maximiza el bienestar social, satisfaciendo a las partes interesadas involucradas y proporcionándoles incentivos de participación. La segunda parte de la tesis investiga el uso de las funciones económicas y de red para la maximización de los beneficios de los MNOs, al tiempo que garantiza la satisfacción de los usuarios. Particularmente, diseñamos un modelo que acomoda una gran cantidad de servicios con diversos requisitos de QoS y QoE, tanto como diversos precios, es decir, varios precios de servicio y diferentes esquemas de cobro. En este modelo, propusimos algoritmos QoE-conscientes para asociación de usuarios, asignación de recursos y conjunta asignación de recursos y de fijación dinámica de precios, que explotan la conciencia de QoE y los aspectos económicos de la red, como la ganancia. Nuestras simulaciones han demostrado que nuestras propuestas obtienen un beneficio sustancial en comparación con las soluciones tradicionales y del estado del arte, a la vez que proporcionan un rendimiento de red similar o incluso mejor

Distribution efficace des contenus dans les réseaux : partage de ressources sans fil, planification et sécurité

In recent years, the amount of traffic requests that Internet users generate on a daily basis has increased exponentially, mostly due to the worldwide success of video streaming services, such as Netflix and YouTube. While Content-Delivery Networks (CDNs) are the de-facto standard used nowadays to serve the ever increasing users’ demands, the scientific community has formulated proposals known under the name of Content-Centric Networks (CCN) to change the network protocol stack in order to turn the network into a content distribution infrastructure. In this context this Ph.D. thesis studies efficient techniques to foster content distribution taking into account three complementary problems:1) We consider the scenario of a wireless heterogeneous network, and we formulate a novel mechanism to motivate wireless access point owners to lease their unexploited bandwidth and cache storage, in exchange for an economic incentive.2) We study the centralized network planning problem and (I) we analyze the migration to CCN; (II) we compare the performance bounds for a CDN with those of a CCN, and (III) we take into account a virtualized CDN and study the stochastic planning problem for one such architecture.3) We investigate the security properties on access control and trackability and formulate ConfTrack-CCN: a CCN extension to enforce confidentiality, trackability and access policy evolution in the presence of distributed caches.Au cours de ces dernières années, la quantité de trafic que les utilisateurs Internet produisent sur une base quotidienne a augmenté de façon exponentielle, principalement en raison du succès des services de streaming vidéo, tels que Netflix et YouTube. Alors que les réseaux de diffusion de contenu (Content-Delivery Networks, CDN) sont la technique standard utilisée actuellement pour servir les demandes des utilisateurs, la communauté scientifique a formulé des propositions connues sous le nom de Content-Centric Networks (CCN) pour changer la pile de protocoles réseau afin de transformer Internet en une infrastructure de distribution de contenu. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat étudie des techniques efficaces pour la distribution de contenu numérique en tenant compte de trois problèmes complémentaires : 1) Nous considérons le scénario d’un réseau hétérogène sans fil, et nous formulons un mécanisme pour motiver les propriétaires des points d’accès à partager leur capacité WiFi et stockage cache inutilisés, en échange d’une contribution économique.2) Nous étudions le problème centralisé de planification du réseau en présence de caches distribuées et (I) nous analysons la migration optimale du réseau à CCN; (II) nous comparons les bornes de performance d’un réseau CDN avec ceux d’un CCN, et (III) nous considérons un réseau CDN virtualisé et étudions le problème stochastique de planification d’une telle infrastructure.3) Nous considérons les implications de sécurité sur le contrôle d’accès et la traçabilité, et nous formulons ConfTrack-CCN, une extension deCCN utilisée pour garantir la confidentialité, traçabilité et l’évolution de la politique d’accès, en présence de caches distribuées

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2011, nr 3

kwartalni

Combining SOA and BPM Technologies for Cross-System Process Automation

This paper summarizes the results of an industry case study that introduced a cross-system business process automation solution based on a combination of SOA and BPM standard technologies (i.e., BPMN, BPEL, WSDL). Besides discussing major weaknesses of the existing, custom-built, solution and comparing them against experiences with the developed prototype, the paper presents a course of action for transforming the current solution into the proposed solution. This includes a general approach, consisting of four distinct steps, as well as specific action items that are to be performed for every step. The discussion also covers language and tool support and challenges arising from the transformation