Análisis de Modelos de Negocio para Operadores de Redes 5G Soportados por Network Slicing

Abstract

[ES] La tesis doctoral se enmarca en la línea de investigación de Economía y Regulación de las Telecomunicaciones, dentro del programa de Doctorado en Telecomunicaciones por la Universitat Politècnica de València. A lo largo del desarrollo de la tesis, se participó en los siguientes proyectos de I+D: Slicing dinámico en redes de acceso radio 5G - ATLAS (PGC2018-094151B-I00) y Evolución de la red de acceso hacia 6G para servicios masivos y de baja latencia (PID2021-123168NB-I00). Asimismo, se realizó una estancia doctoral en el IMT Atlantique en Rennes, Francia. Los resultados obtenidos se publicaron en una revista científica de ámbito internacional. En esta tesis, se estudia dos modelos de negocios y dos modelos de red para la compartición de recursos en redes de quinta generación (5G), enfocándose en servicios como Comunicaciones Ultra Confiables de Baja Latencia (URLLC), Banda Ancha Móvil Mejorada (eMBB) y Comunicaciones Masivas de Tipo Máquina (mMTC), y utilizando Network Slicing (NS). Se proponen dos escenarios. El escenario Red Compartida (SN) es una red 5G sin NS y el escenario Segmentación de red (NS) es una red 5G con NS. El escenario SN es modelado por una cola M/M/1 sin prioridad de servicio y el escenario NS es modelado por una cola M/M/1 con dos prioridades de servicio, asignando una prioridad alta al servicio URLLC por sus características con relación a la Calidad de Servicio (QoS). Además, se investigan las métricas clave de QoS como tiempo de transmisión de paquetes, sensibilidad al retardo y prioridad de servicio. Asimismo, la tesis evalúa la viabilidad económica de los modelos de negocio para operadores de redes 5G, considerando los escenarios planteados. Los modelos de negocio planteado son: el Integrado, en el cual un único operador de red ofrece ambos servicios, y el Especializado, donde dos operadores distintos ofrecen un servicio cada uno. Por otro lado, se realiza el análisis de los modelos de negocio desde el enfoque del sistema y la económica. La decisión de suscripción de los usuarios al operador se basa en su percepción de QoS y el precio, mientras que el concepto del equilibrio de Wardrop es utilizado para realizar el análisis. Asimismo, la teoría de juegos es aplicado en cada modelo de negocio para la evaluación de su viabilidad económica. La evaluación consiste en un juego de dos etapas, donde el juego se resuelve a través de la inducción hacia atrás, de manera que, se optimizan las funciones de utilidad del usuario y los beneficios de los operadores en base a la resolución de las funciones de Mejor respuesta (BR) y a diferentes valores de parámetros, consiguiendo el equilibrio de Nash. Además, se ha planteado el óptimo social, que es una situación que incorpora la participación de una entidad reguladora de servicios 5G en el mercado, quien tiene el objetivo de maximizar el bienestar social. Los resultados del óptimo social se comparan con los resultados de los dos modelos de negocio en función del bienestar social. Asimismo, se emplea conceptos de microeconomía, teoría de juegos y teoría de colas para evaluar la viabilidad económica de los diferentes modelos planteados. Esto permite entender las decisiones en equilibrio tomadas por los operadores y los usuarios, y analizar el impacto de estas decisiones en los beneficios de todos los actores involucrados. Además, se identifican los requisitos mínimos para la viabilidad de cada modelo. Los resultados muestran que, una red 5G con NS, los servicios URLLC y eMBB/mMTC pueden compartir recursos sin afectar la QoS de URLLC. Mientras que, una red 5G sin NS, la QoS de URLLC se ve afectada. Además, los operadores pueden fijar un precio más alto para URLLC debido a su QoS. Concluyendo que, la mejor opción para ofrecer los servicios URLLC y eMBB/mMTC es sobre una red 5G con NS y por un único operador. En resumen, la incorporación de NS en una red 5G, junto con un modelo de negocio Integrado, es la opción más favorable en cuanto al bienestar social.

[CA] La tesi doctoral s'emmarca en la línia d'investigació d'Economia i Regulació de les Telecomunicacions, dins del programa de Doctorat en Telecomunicacions per la Universitat Politècnica de València. Al llarg del desenvolupament de la tesi, es va participar en els següents projectes d'I+D: Slicing dinàmic en xarxes d'accés radie 5G - ATLES (PGC2018-094151B-I00) i Evolució de la xarxa d'accés cap a 6G per a servicis massius i de baixa latència (PID2021-123168NB-I00). Així mateix, es va realitzar una estada doctoral en el IMT Atlantique en Rennes, França. Els resultats obtinguts es van publicar en una revista científica d'àmbit internacional. En esta tesi, s'estudia dos models de negocis i dos models de xarxa per a la compartició de recursos en xarxes de quinta generació (5G), enfocant-se en servicis com a Comunicacions Ultres De confiança de Baixa Latència (URLLC), Banda Ampla Mòbil Millorada (eMBB) i Comunicacions Massives de Tipus Màquina (mMTC), i utilitzant Network Slicing (NS). Es proposen dos escenaris. L'escenari Xarxa Compartida (SN) és una xarxa 5G sense NS i l'escenari Segmentació de xarxa (NS) és una xarxa 5G amb NS. L'escenari SN és modelat per una cua M/M/1 sense prioritat de servici i l'escenari NS és modelat per una cua M/M/1 amb dos prioritats de servici, assignant una prioritat alta al servici URLLC per les seues característiques en relació amb la Qualitat de Servici (QoS). A més, s'investiguen les mètriques clau de QoS com a temps de transmissió de paquets, sensibilitat al retard i prioritat de servici. Així mateix, la tesi avalua la viabilitat econòmica dels models de negoci per a operadors de xarxes 5G, considerant els escenaris plantejats. Els models de negoci plantejat són: l'Integrat, en el qual un únic operador de xarxa oferix tots dos servicis, i l'Especialitzat, on dos operadors diferents oferixen un servici cadascun. D'altra banda, es realitza l'anàlisi dels models de negoci des de l'enfocament del sistema i l'econòmica. La decisió de subscripció dels usuaris a l'operador es basa en la seua percepció de QoS i el preu, mentres que el concepte de l'equilibri de Wardrop és utilitzat per a realitzar l'anàlisi. Així mateix, la teoria de jocs és aplicat en cada model de negoci per a l'avaluació de la seua viabilitat econòmica. L'avaluació consistix en un joc de dos etapes, on el joc es resol a través de la inducció cap arrere, de manera que, s'optimitzen les funcions d'utilitat de l'usuari i els beneficis dels operadors sobre la base de la resolució de les funcions de Millor resposta (BR) i a diferents valors de paràmetres, aconseguint l'equilibri de Nash. A més, s'ha plantejat l'òptim social, que és una situació que incorpora la participació d'una entitat reguladora de servicis 5G en el mercat, qui té l'objectiu de maximitzar el benestar social. Els resultats de l'òptim social es comparen amb els resultats dels dos models de negoci en funció del benestar social. Així mateix, s'empra conceptes de microeconomia, teoria de jocs i teoria de cues per a avaluar la viabilitat econòmica dels diferents models plantejats. Això permet entendre les decisions en equilibri preses pels operadors i els usuaris, i analitzar l'impacte d'estes decisions en els beneficis de tots els actors involucrats. A més, s'identifiquen els requisits mínims per a la viabilitat de cada model. Els resultats mostren que, una xarxa 5G amb NS, els servicis URLLC i eMBB/mMTC poden compartir recursos sense afectar la QoS de URLLC. Mentres que, una xarxa 5G sense NS, la QoS de URLLC es veu afectada. A més, els operadors poden fixar un preu més alt per a URLLC a causa del seu QoS. Concloent que, la millor opció per a oferir els servicis URLLC i eMBB/mMTC és sobre una xarxa 5G amb NS i per un únic operador. En resum, la incorporació de NS en una xarxa 5G, juntament amb un model de negoci Integrat, és l'opció més favorable quant al benestar social.

[EN] The doctoral thesis is framed within the research line of Economics and Regulation of Telecommunications within the PhD program in Telecommunications at the Universitat Politècnica de València. Throughout the development of the thesis, we participated in the following R&D projects: Dynamic Slicing in 5G radio access networks - ATLAS (PGC2018-094151B-I00) and Evolution of the access network towards 6G for massive and low latency services (PID2021-123168NB-I00). A doctoral stay at the IMT Atlantique in Rennes, France, was also carried out. The results obtained were published in an international scientific journal. In this thesis, two business models and two network models for resource sharing in fifth-generation (5G) networks are studied, focusing on services such as Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC), Enhanced Mobile Broadband (eMBB), and Massive Machine Type Communications (mMTC), and using Network Slicing (NS). Two scenarios are proposed. The Network Sharing (SN) scenario is a 5G network without NS, and the Network Slicing (NS) scenario is a 5G network with NS. The SN scenario is modeled by an M/M/1 queue with no service priority, and the NS scenario is modeled by an M/M/1 queue with two service priorities, assigning a high priority to the URLLC service for its Quality of Service (QoS) characteristics. Furthermore, key QoS metrics such as packet transmission time, delay sensitivity, and service priority are investigated. Furthermore, the thesis evaluates the economic viability of business models for 5G network operators, considering the scenarios proposed. The business models proposed are Integrated, in which a single network operator offers both services and Specialised, where two different operators offer one service each. On the other hand, the business models are analyzed from a system and economic perspective. The users' subscription decision to the operator is based on their perception of QoS and price, while the Wardrop equilibrium concept is used to perform the analysis. Furthermore, game theory is applied to each business model for the evaluation of its economic viability. The evaluation consists of a two-stage game, where the game is solved through backward induction so that the user's utility functions and the operators' profits are optimized based on the resolution of the Best Response (BR) functions and different parameter values, achieving the Nash equilibrium. In addition, the social optimum has been considered, which is a situation that incorporates the participation of a 5G service regulator in the market, who has the objective of maximizing social welfare. The results of the social optimum are compared with the results of the two business models in terms of social welfare. Furthermore, concepts from microeconomics, game theory, and queueing theory are used to assess the economic viability of the different models proposed. This allows us to understand the equilibrium decisions made by operators and users and to analyze the impact of these decisions on the benefits of all the actors involved. In addition, the minimum requirements for the viability of each model are identified. The results show that a 5G network with NS, URLLC, and eMBB/mMTC services can share resources without affecting URLLC QoS. On the other hand, in a 5G network without NS, the QoS of URLLC is affected. In addition, operators can set a higher price for URLLC due to its QoS. Conclusion: The best option to offer URLLC and eMBB/mMTC services is over a 5G network with NS and by a single operator. In summary, the incorporation of NS in a 5G network, together with an Integrated business model, is the most favorable option in terms of social welfare.