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Axiomatic Analysis of Resource Allocation Strategies and Certain Impossibility Results Beyond Pure Exchange Economies: Interference Coupled Systems
Naik, Siddharth
Die technischen und ökonomischen Aspekte drahtloser Kommunikationssysteme wurden in der Forschung meist getrennt betrachtet. In dieser Arbeit wird ein axiomatischer Ansatz für die Gewährleistung bestimmter erwünschter Systemeigenschaften von interferenzgekoppelten drahtlosen Systemen vorgestellt. Dieser stellt einen ersten Schritt in Richtung einer einfachen, aber umfassenden Modellierung bestimmter ökonomischer Aspekte dar, basierend auf Eigenschaften der physikalischen Schicht (wie beispielsweise dem Signal–zu–Rausch–Abstand). Unter Benutzung des axiomatischen Ansatzes werden Ergebnisse aus den folgenden drei Bereichen vorgestellt. 1. Ergebnisse zur der Nichtrealisierbarkeit bestimmter Ressourcenzuweisungsstrategien in interferenzgekoppelten Systemen, sowie deren Auswirkungen im Hinblick auf Fairness, Schicht- abstraktion, Robustheit bezüglich der Kanalschätzung und die Stabilität des Arbeitspunktes unter einer variierenden Anzahl an Nutzern. 2. Betrachtung eine allgemeine Nutzenfunktionsmodellierung für interferenzgekoppelte Systeme und ihre Implikationen auf Konvexitäts- und Konkavitätseigenschaften. Für die größtmögliche Klasse von Nutzenfunktionen und interferenzgekoppelten Systemen wird eine konvexitäts- und konkavitätserhaltende Transformation des Problems auf einen angemessenen Arbeitsbereich untersucht. 3. Eine Betrachtung interferenzgekoppelter Systeme im Hinblick auf Implementierungsaspekte und “Mechanism Design”, wobei die Nutzer über die Möglichkeit und auch die Absicht verfügen, der Basisstation bzw. dem Serviceprovider falsche Angaben über ihre Nutzenfunktionswerte zu übermitteln. Diese Ergebnisse haben Einfluß auf die Stetigkeit, die Fairness, die Effizienz und die Manipulationssicherheit von Ressourcenallokationsstrategien. Desweiteren werden Resultate über universelles “Pricing” dargestellt. “Pricing” stellt beim Systementwurf ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem ein erwünschter Arbeitspunkt des Systems erreicht werden kann. Es kann auch für die Implementierung einer bestimmten Kostenfunktion für den Verbrauch einer Systemressource verwendet werden, die zum Beispiel die Einhaltung von Leistungsbeschränkungen, die Energieeffizienz sicher stellen oder der Interferenzkoordination zu ermglichen. Bei der Betrachtung drahtloser Netzwerke spielen viele Aspekte eine Rolle. Dazu gehören Fragen der Frequenzbandzuweisungen, neuer regulatorischer Bestimmungen und der zunehmenden Bereitstellung drahtloser Zugänge anstelle von Festnetzzugängen. Dienstanbieter werden zunehmend zu Entwicklern von Anwendungen und neuen Technologien; Medien, Dienste und Marktteilnehmer kommen beständig hinzu. Zunehmend, insbesondere im Hinblick auf den Klimawandel, spielt die Energieeffozienz eine wichtige Rolle. Darüber hinaus sind viele informationstheoretische Fragen bezüglich der effizienten Ausnutzung der Systemressourcen (Kapazitätsregionen) noch ungelöst, ganz abgesehen von bestimmten vorgenommen Vereinfachungen der zugrundeliegenden elektromagnetischen Gesetzmäßigkeiten. Angesichts einer derartigen Komplexität der Zusammenhänge zwischen physikalischen und ökonomischen Fragestellungen können diese hier nicht abschließend geklärt werden. Diese Arbeit soll jedoch einen Anstoß für weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet geben.
Investigating the engineering and economic aspects of wireless systems have often been considered two disparate themes in the research community. We utilize an axiomatic framework to represent certain desirable properties of resource allocation strategies in interference coupled wireless systems. Our approach is an initial attempt towards a simplistic, however unified modeling of certain economic aspects of interference coupled wireless systems based on a signal–to–interference (plus noise) based physical layer modeling of wireless systems. Via the utilization of an axiomatic framework we shall be presenting results in the following three directions. 1. Impossibility results for resource allocation strategies in interference coupled wireless systems with implications to fairness issues, layer abstraction, robustness to channel estimation and prediction errors and stability of operating point of the resource allocation strategy to varying number of users in the system. 2. General utility modeling for interference coupled wireless systems with implications on convexity and concavity properties, transformation of the problem to a suitable domain to preserve convexity and concavity properties for the largest class of utility functions frequently encountered in wireless systems and the largest class of the corresponding interference coupled systems. 3. A mechanism design and implementation theoretic perspective of interference coupled wireless systems, where the users (end user equipment) have the ability and incentive to misrepresent their utilities to the base station or the wireless service provider (wireless operator). These results have implications on the continuity, fairness, efficiency and nonmanipulation properties of the operating point of resource allocation strategies. Furthermore, certain results on universal pricing mechanisms will be presented. Pricing can be one possible tool for a system designer to shift the operating point of a wireless communication system to a desired region/point. Pricing could also be utilized for implementing a certain cost function for utilizing a resource, e.g. enforcing power constraints, energy efficiency, interference coordination and management etc. In the wide gamut of spectrum allocation issues, new regulatory frameworks, cable operators turned wireless service providers, service providers turned application developers, vendors continuously attempting to maintain heterogeneous networks, arrival of new media, services, players and interest groups and an ever expanding and flux in the market, along with new constraints added from a climate change perspective, i.e. energy efficiency and green technology, let alone the hitherto unsolved problem of finding certain capacity regions and attaining certain better rates in these capacity regions, despite certain inconsistencies with certain electromagnetic theories – this thesis, if anything provides certain food for thought and by far is neither a panacea nor a step towards a so called “grand unified theory” for wireless communications for economic and physical layer modeling.
