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Diploma and Master Theses (authored and supervised):

R. Nissel:
"Dynamic Spectrum Allocation in Mobile Communication";
Supervisor: M. Janssen; Department of Economics, University of Vienna, 2015; final examination: 10-29-2015.



English abstract:
The spectrum of a mobile network operator is currently fixed and assigned by a regulatory authority based on an auction. By allowing a more dynamic allocation of the spectrum, as proposed in cognitive radio, it is possible to improve the performance in terms of user throughput. In this thesis, I derive a novel closed-form solution for the user throughput in the context of dynamic spectrum allocation, by reinterpreting and reformulating well-known results from queueing theory. I assume two specific access schemes: Firstly, egalitarian access, where all active users share the spectrum equally. Secondly, discriminatory access, where primary users have priority over secondary users who can only access the channel if no primary user is active. I also extend my throughput equations so that they describe spectrum sharing among different network operators. In particular, discriminatory spectrum sharing is analyzed using game theory for which I derive a Nash equilibrium which determines the distribution of data packets between primary channel and secondary channel.

By assuming a linear demand function that depends not only on the price but also on the quality (throughput), I am able to describe the behavior of firms in case of a monopoly and a duopoly. My model predicts the number of base stations and the price subscribers have to pay. These outcomes are then compared to the socially optimal solutions whereas I propose three different social optimality criteria.

The basic elements discussed so far are combined in order to answer the question whether a monopolistic network operator has an inventive to share his spectrum and infrastructure with a mobile virtual network operator. I answer this question by assuming a sequential game which resembles the classical Stackelberg leadership model. The outcome then depends strongly on the underlying demand functions.

Finally, I consider the case of a duopoly and answer the question whether the firms want to share their spectrum. In most cases, they have an incentive to share their spectrum because the additional throughput generates a large additional demand which increases the profit for both firms. However, for the case of egalitarian sharing and an unsymmetrical spectrum endowment, the additional traffic load could be so high that one firm refuses to share the spectrum.

German abstract:
Das Spektrum eines Mobilfunkbetreibers wird derzeit statisch zugewiesen wobei hierfür die Regulierungsbehörde eine Auktion durchführt. Durch eine dynamische Allokation des Spektrums, wie beispielsweise in Cogentive Radio vorgeschlagen, kann der Datendurchsatz für Benutzer erhöht werden. In dieser Magisterarbeit wird eine neuartige Gleichung hergeleitet, die den Datendurchsatz für so eine dynamische Zuweisung des Spektrums beschreibt. Hierzu werden bekannte Resultate der Warteschlangentheorie umgeformt und uminterpretiert. Ich nehme an, dass der Zugriff auf das Spektrum auf zwei mögliche Arten erfolgen kann: Erstens, egalitärer Zugriff, bei dem alle aktiven Benutzer den gleichen Anteil am Spektrum erhalten. Zweitens, diskriminierender Zugriff, bei dem primäre Benutzer Priorität gegenüber sekundären Benutzern haben, die auf das Spektrum nur zugreifen können, wenn kein primärer Benutzer aktiv ist. Die Gleichungen werden erweitert, sodass sie auch das dynamische Mitbenützen des Spektrums von unterschiedlichen Netzbetreibern beschreiben. Insbesondere wird diskriminierender Zugriff anhand der Spieltheorie analysiert wobei das resultierende Nash Gleichgewicht angibt, wie Datenpakete zwischen primären und sekundären Kanal aufgeteilt werden müssen.

Die Annahme einer linearen Nachfragefunktion, die nicht nur vom Preis sondern auch von der Qualität (dem Datendurchsatz) abhängt, ermöglicht es mir das Verhalten von Firmen im Falle eines Monopols und eines Duopols zu beschreiben. Mein Modell prognostiziert die Anzahl der Basisstationen sowie den Preis den Mobilfunkkunden bezahlen müssen. Dieses Ergebnis wird dann mit dem sozialen Optimum verglichen, wobei ich drei unterschiedliche Optimalitätskriterien vorschlage.

Die bisher vorgestellten Elemente werden dann verwendet um eine Antwort auf die Frage zu finden, ob ein monopolistischer Netzbetreiber sein Spektrum und seine Infrastruktur einem mobilen virtuellen Netzbetreiber zur Verfügung stellen wird. Ich nehme hierzu ein sequentielles Spiel an, welches Ähnlichkeiten zum klassischen Stackelbergmodell aufweist. Das Ergebnis hängt dann stark von der zugrundeliegenden Nachfragefunktion ab.

Abschließend nehme ich wieder ein Duopol an und beantworte die Frage, ob Netzbetreiber ihr Spektrum gegenseitig mitbenutzen wollen. In den meisten Fällen haben Netzbetreiber einen Anreiz ihr Spektrum gegenseitig mitzubenutzen, da der zusätzliche Datendurchsatz eine zusätzliche Nachfrage generiert wodurch beide Netzbetreiber ihren Gewinn erhöhen können. Wenn jedoch ein egalitärer Zugriff verwendet wird und die Bandbreite der Netzbetreiber unsymmetrisch ist, könnte die zusätzliche Belastung des Spektrums so hoch sein, dass ein Netzbetreiber das Mitbenützen seines Spektrums verweigert.


Electronic version of the publication:
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_242255.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.