Infrastructure sharing problem in future generation networks : a MILP based analysis

The ever increasing use of mobile-connected devices has caused a dramatic increase in data traffic. By 2018 there will be nearly 1.4 of such devices per capita, while global mobile data traffic is expected to increase 11-fold with respect to 2013. Mobile Network Operators (MNOs) can deal with such demand only by investing in new and costly infrastructure. On the one hand, they have to face high capital and operational costs to run their network. On the other hand, the current earning releases of leading MNOs show a decoupled traffic growth from their revenues. However, if MNOs decide to share their network infrastructure, they will also share its costs, which in turn improves the return on investment, giving them an incentive to upgrade. While network sharing is a commercial reality for 3G mobile networks, there is only limited research regarding 4G. In this thesis we propose a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model to address the problem of sharing the Radio Access Network (RAN) infrastructure of Heterogeneous Networks (HetNet) among MNOs that want to deploy small cell LTE base stations in dense urban areas. The proposed model binds technical issues related to the radio communication at the access interface (area coverage, transmission rate, user density and quality observed by users) with economic issues (deployment costs and revenues), allowing us to investigate the decision of a MNO on whether to share infrastructure with other MNOs when either the quality offered to users or the return on investment is prioritized. The quality observed by users is obtained by simulating the deployment of picocell base stations in the considered areas. Our problem formulation allows to solve to optimality real-size instances in negligible time. Numerical results are obtained both for shared investment in a single area and simultaneously over multiple areas. It is concluded that independently of the operator's objective, that is, maximizing user quality or the return on investment, it is almost always in its best interest to share the infrastructure with other operators.

L'ampio utilizzo di dispositivi mobili ha causato un significativo aumento del traffico dati nelle reti cellulari. Entro il 2018 ci saranno 1.4 dispositivi mobili pro capite, mentre il traffico dati dovrebbe aumentare di 11 volte rispetto al 2013. Tale domanda può essere sostenuta solo se gli operatori di rete mobile investono in infrastrutture nuove e costose. Da un lato gli operatori devono affrontare elevati costi iniziali per costruire l’infrastruttura e costi operativi per gestire la propria rete. Dall'altro, gli attuali ritorni in guadagno degli operatori leader del settore mostrano che la crescita del traffico e quella dei ricavi sono disaccoppiate. Tuttavia, se gli operatori decidono di condividere le infrastrutture di rete, condividono anche i costi, cosa che a sua volta migliora il ritorno sugli investimenti, dando loro un incentivo per migliorare la rete. Mentre la rete condivisa è una realtà commerciale per le reti mobili 3G, per quanto riguarda 4G, ci sono solo pochi studi nell’ambito della ricerca scientifica. In questo lavoro di tesi si propone un modello matematico di Programmazione Lineare Mista Intera (MILP) per affrontare il problema della condivisione dell’infrastruttura di rete di accesso per reti eterogenee (HetNet) tra operatori che intendono attivare picocelle LTE in aree urbane densamente popolate. Il modello proposto mette in relazione questioni tecniche relative alla comunicazione radio a livello di interfaccia di accesso (copertura, velocità di trasmissione, densità degli utenti e qualità percepita dagli utenti) con questioni economiche (costi di implementazione e ricavi), e permette di indagare la decisione di un operatore di condividere o meno l'infrastruttura di rete con altri operatori sia quando l'operatore dà priorità alla qualità offerta agli utenti, che quando il suo interesse principale è il ritorno sugli investimenti. La qualità osservata dagli utenti è calcolata simulando l'attivazione delle picocelle nelle aree considerate. La nostra formulazione del problema permette di ottenere la soluzione ottima per istanze di dimensioni reali in tempo trascurabile. I risultati numerici sono ottenuti sia considerando un’unica area che simultaneamente più aree in cui gli operatori possono cooperare. Essi mostrano che indipendentemente dall’obbiettivo dell’operatore, ovvero massimizzare la qualità osservata dall’utente oppure il ritorno sugli investimenti, è quasi sempre nel suo interesse condividere la rete con altri operatori.