A generalized nash equilibrium approach for a 5G infrastructure and spectrum sharing problem

The increasing data demand due to the extensive use of internet based applications, together with the new business opportunities related to future development of data-intensive services, has brought, year by year, the need for smarter and efficient way to handle the limited amount of bandwidth resources of the telecommunication operators. This has led to the development of new technologies in order to support the different services' requirement of customers. With the near introduction of 5G, the telecommunication providers will earn money from sources other than classic mobile telephony. However, the high development costs create doubts about whether facing such an investment or not. This is the reason sharing has become, in a sense, mandatory, to preserve providers' competitiveness. In this thesis, we present a game-theoretical approach for the modeling of the infrastructure and spectrum sharing problem in case of 5G small cells densification. We consider the deployment of 5G pico cells in a dense urban area in the sub-6GHz bands according to the specifications reported in the guidelines established in the "International Mobile Telecommunication (IMT) for 2020 and beyond". To overcome the limitations given by considering operators' user share as fixed, we modelled the customers' behavior in terms of preferences, based on parameters such as prices and technology. Customers' preferences directly affect the operators' choices and, consequentially, the equilibria of the game. It is concluded that, independently from the inputs, the sharing option is almost always the rational outcome of the game.

L'aumento del traffico di dati dovuto al crescente utilizzo di applicazioni basate sulla rete e le nuove opportunità economiche permesse dallo sviluppo di tali applicativi, hanno portato, anno dopo anno, allo sviluppo di nuovi e più efficaci metodi per la gestione delle limitate risorse dei provider di rete. Questo ha portato alla creazione di nuove tecnologie, finalizzate a supportare le nuove specifiche di servizio per i clienti. Con la prossima adozione del 5G, i provider di rete avranno la possibilità di trarre ricavi da settori diversi da quelli della classica telefonia mobile. L'elevato costo dell'infrastruttura pone dei limiti in ermini di sostenibilità dell'investimento. Per questo motivo, l'alternativa della condivisione è diventata, in un certo senso, una scelta obbligata al fine di mantenere la propria competitività all'interno del mercato. Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un modello di gioco per il problema della condivisione dell'infrastruttura nel caso di densificazione della copertura mediante l'utilizzo di small cells in ottica 5G. Si considera la creazione di pico celle in ambiente \urbano densamente popolato, nella banda di frequenze sotto i 6GHz, facendo riferimento a "International Mobile Telecommunication (IMT) for 2020 and beyond". Per considerare una dinamica più realistica, è stato modellizzato il comportamento dell'utente in termini di preferenza del particolare operatore, in base a parametri quali prezzo e tecnologia. Il comportamento degi utenti ha delle dirette conseguenze sulla strategia degli operatori stessi. In generale, possiamo concludere che, indipendentemente dai valori dei parametri del modello considerati, la scelta di condividere i costi e trarre vantaggio dall'unione delle bande di frequenza è quasi sempre l'esito razionale del gioco.