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1 國立臺灣大學電機資訊學院電機工程學系碩士論文 Department of Electrical Engineering College of Electrical Engineering and Computer Science National Taiwan University Master Thesis 短時段同質性頻道拍賣機制與平台設計 Short-interval Mechanism and Platform Design for Auctioning Homogeneous Channel 詹舜丞 Shun-Cheng Zhan 指導教授 : 張時中博士 Advisor: Shi-Chung Chang, Ph.D. 中華民國 99 年 6 月 June, 2010

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3 誌謝 首先要感謝台灣大學電機工程研究所的栽培, 提供我進修的機會, 以及感謝我的指導教授張時中博士在研究期間的諄諄教誨, 使我無論在研究工作或是待人處事上都受惠良多, 也使得本論文能夠順利的完成 本論文部分係由國科會計畫 ( 編號 NSC E , NSC E ) 的部分支持下完成, 特此致謝 在此, 更要感謝學位考試委員台灣大學張時中教授 蔡志宏教授 孫雅麗教授 東吳大學樊沁萍教授以及遠傳電信黃天立顧問給予我論文的指正與建議, 讓我的碩士研究及論文寫作更臻完美 也特別感謝美國康乃狄克大學陸寶森教授及美國春堤大學甯太康教授擔任客座教授期間給予我研究上的建議, 是一個很難得的機會 同時也要感謝助理 Cindy 一年多來的幫忙, 辛苦了! 新助理亦嘉未來還請多多關照 ; 感謝方翔大當研究助理期間大力贊助的 SISA 平台 短短半年內陪我玩樂的信旭學長 口試當天幫我跟佳慶送午餐的文彥學長 研究成果為本論文重要素材的 Mika 跟柳排 有 3 隻貴賓的輝哥 看起來永遠活力十足的如因 難兄難弟但是劇本比翰翰吸引人的佳慶 持續努力中的柏伸 未來可能還要一起做研究的小高 庫存無限的 bartender 小強 愛嗆學長無法無天的憨憨 提供我很多研究 idea 的佳穎 怎麼吃都吃不飽的墨西哥 同為成大出身的庭育 辛苦脫逃中路加入的 NoNo 半途落跑的馨平; 以及隔壁實驗室的佑政學長 弘唯學長 逸群學長 書瑋 秀秀 ; 有了大家的陪伴, 這兩年過得非常的充實且快樂 最後要感謝父親 母親從小到大對我的支持與付出, 三不五時來台北找我吃飯的弟弟 因為有了你們的支持與鼓勵, 讓我可以全心投入研究工作, 並且順利的拿到碩士學位 僅以此論文, 獻給我親愛的家人以及關心我的人, 希望大家可以跟我一起分享這份喜悅

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5 摘要 本論文研究主題是短時段次級頻譜市場 (Secondary Spectrum Market) 拍賣機制與平台設計 研究首先探討未來對短時段次級頻譜市場的需求性, 包括哪些新興應用服務可能應用短時段頻譜空檔 低使用率頻帶空檔是否存在及特性及 MNO 有何動機出租頻道給 MVNO 使用 市場中參與的成員包括有行動營運商 (Mobile Network Operator,MNO) 行動虛擬營運商 (Mobile Virtual Network Operator,MVNO) 及頻譜仲介者 現存 VoIP 的頻寬交易市場並沒有頻譜仲介者的需求, 本研究增設了頻譜仲介者作為公正第三者的角色, 以 Williamson,1986, 所提出的市場有效管理概念佐證需設置頻譜仲介者的需求, 以促進市場交易有效進行 針對短時段次級頻譜市場的特性, 本研究選定單一回合密封標拍賣作為市場交易的機制, 除了可以有效率分配頻道資源, 又能依 MVNO 對頻道的需求程度來反映頻道價格 頻譜仲介者則為拍賣進行流程的主持人, 其選標 (Bid Selection) 模型為求解最大標金總額的背包問題 (Knapsack Problem) 贏家支付標金規則採用支付次高價 (Pay second price) 模式 因此在 MVNO 決策數學模型設計上, MVNO 以使用者服務需求估算所需競標的頻道數, 再經由營收 營運成本 期望獲利及客戶服務不滿意指標等來估算頻道對 MVNO 的價值, 以計算欲投標的金額 分析所建立的拍賣模型在不同的投標策略下可得以下結論 : (1) MVNO 以對頻道真實鑑價投標為最佳投標策略, 頻譜仲介者則分配頻道給對頻道有最大需求的 MVNO (2) 積極出價的競標者相對於保守出價者能贏得較高頻道比例 ; (3) 在贏家支付次高價模式下,MNO 須設定頻道底價 ; i

6 (4) 贏家支付次高價模式適合競爭強度較高市場 本論文研究採用 Flash CS4 介面設計軟體 MySQL 資料庫 Apache 網站伺服器及 PHP 伺服器端語言等軟硬體設備, 將所設計的短時段頻譜拍賣機制實作為短時段頻譜拍賣 (SISA) 平台, 此平台包括單一回合密封包機制 MVNO 決策數學模型及頻譜仲介者選標模型等模塊, 並建立自動化 (Automatic) 手動 (Manual) 及監管 (Supervised) 三種 MVNO 決策模態 (mode), 可供數值模擬或人為決策實驗之用 關鍵字 : 短時段次級頻譜市場 行動營運商 行動虛擬營運商 頻譜仲介者 支 付次高價 選標模型 標金決策模型 背包問題 短時段頻譜拍賣平台 ii

7 Abstract The theme of this thesis research is on the design of the short-interval secondary spectrum market mechanism and platform. We first assessed the future needs of new services for leasing spectrum channels/bands in a short-interval secondary spectrum market in, the availability of idle spectrum channels/bands, and the motivations for license holders to lease out channels. The participating players in the market include a Mobile Network Operator (MNO), Mobile Virtual Network Operators (MVNOs), and a spectrum broker. Although there are no spectrum brokers in the existing VoIP (Voice of Internet Protocol) spectrum trading market, we adopt a spectrum broker as an impartial third party in the short-interval spectrum market based on the concept of market efficient governance proposed by Williamson in Based on the characteristics of the short-interval secondary spectrum market, a single round, sealed bid auction is chosen for detailed design. It is aimed to allocate channels efficiently, and reflect the value of the channels according to the requirement of MVNOs. The spectrum broker is also the auctioneer who coordinates the auction procedure. In the auction, the auctioneer selects winning bids by solving the Knapsack problem that maximizes bid price combination. The winners settle the payment according to a second price scheme of multiple objects. In making bid offer decision, individual MVNOs estimate the number of demand channels based on their respective customer service demand. MVNOs calculate the channel values according to the expected revenue, running cost, expected profit rate and customer service iii

8 dissatisfaction. Analyses of the auction model under different bidding attitude lead to the following findings: (1) MVNOs offering bids based on their true valuation of channels is the optimal bidding strategy. The spectrum broker thus allocates channels to MVNOs who value the channels most. (2) MVNOs bidding aggressively can win a higher percentage of supply channels than bidding conservatively. (3) The MNO needs to set the reserve price for the channels when the winner settlement rule is to pay the second price. (4) The second-price settlement rule suits an intensely competitive market We designed and implemented the auction mechanism on a short-interval spectrum auction (SISA) platform, which adopted Flash CS4 for interface design, MySQL as the database, Apache as the web server, and PHP for the server-side programming language. The SISA platform has modules of the auction mechanism, the MVNO bid decision model, and the spectrum broker bid selection model. In order to simulate the auction result or human decision, the platform also includes three MVNO bid decision modes: automatic, manual, and supervised. Keywords:short-interval secondary spectrum market MNO MVNO spectrum broker pay the second price bid selection model bid decision model knapsack problem short-interval spectrum auction platform iv

9 目錄 誌謝摘要... i Abstract... iii 目錄... v 圖目錄... viii 表目錄... x 第一章短時段頻譜拍賣簡介 短時段頻譜交易市場的研究挑戰及動機 文獻摘要 研究範疇 論文組織架構... 7 第二章動態頻譜接取技術下的短時段市場架構及商務模型 動態頻譜接取及感知無線電技術簡介 短時段頻譜交易市場概述 頻譜仲介者 : 公正第三者角色 短時段頻譜市場發展機會 市場供給面分析 頻譜使用率量測報告分析 台北都會區頻譜使用率及空檔分析 市場需求面分析 新興服務對短時段頻譜空檔需求分析 分析佐證短時段頻譜交易市場需求存在 短時段頻譜交易市場商務模型 v

10 2.5 問題描述與挑戰 第三章短時段頻譜拍賣交易機制設計 市場參與者與關聯性分析 交易流程 : 序列圖 頻譜拍賣機制分析及特性比較 短時段頻譜拍賣機制設計 交易協定 : 拍賣規則 贏家判定規則 得標者支付標金規則 第四章頻譜拍賣市場數學模型建構與分析 MNO 底價設定問題 MVNO 投標決策模型 客戶頻道需求模型 MVNO 出價策略模型 標金決策模型 範例 頻譜仲介者選標決策模型 選標模型 : 贏家判定規則 贏家標金支付問題建模 第五章短時段頻譜交易平台實做及模擬結果分析 拍賣平台簡介 系統架構 : 硬體及軟體需求 拍賣實例測試與展示 :3 個競標者 自動競標模式 監理人模式 vi

11 5.2.3 競標者操作模式 自動化模式模擬結果分析 第六章結論與未來研究方向 結論 未來研究方向 附錄 A: 請求服務被阻隔機率公式推導 附錄 B:MVNO 需求頻道與競標金額計算 參考文獻 vii

12 圖目錄 圖 1. 1: 行動上網用戶數成長趨勢 [NCC10]... 2 圖 1. 2: 次世代網路通訊功能示意圖 [ALV06]... 4 圖 1. 3:DNP 及 DNSP 商務模型 [AAD07]... 5 圖 2. 1: 動態接取頻譜空檔 [ALV06] 圖 2. 2: 感知無線電節點構成要素 [HNH09] 圖 2. 3: 短時段頻譜交易市場參與者關係圖 圖 2. 4: 有效管理分類圖 (Williamson,1986)[Wil86] 圖 2. 5: 交易複雜度化簡示意圖 圖 2. 6: 電信各類服務占電信服務總營收之比例 [NCC10] 圖 2. 7: 新加坡頻譜平均使用率量測結果 [IKO08] 圖 2. 8: 美國芝加哥頻譜平均使用率量測結果 [MTM06] 圖 2. 9: 行動電話用戶使用預付卡之比例 [NCC10] 圖 2. 10:Ofcom 頻譜交易商務模型與資金流向 [AAD07] 圖 2. 11: 短時段頻道交易商務模型 圖 3. 1: 短時段頻譜交易流程圖 圖 3. 2: 拍賣機制分類圖 圖 3. 3: 買賣雙方供需相對金額示意圖 圖 3. 4: 供給者及消費者經濟剩餘示意圖 [CMS71] 圖 3. 5: 雙邊拍賣結果示意圖 圖 4. 1: 阻隔機率分析模型 viii

13 圖 4. 2: 阻隔機率相對應之使用者不滿意函數 圖 5. 1: 短時段頻譜拍賣實做平台架構圖 圖 5. 2: 競標平台資料庫管理介面 圖 5. 3: 拍賣主持人進行資料庫重整及初始設定介面 圖 5. 4: 拍賣主持人等待競標者投標介面 圖 5. 5:MNO 登入介面及出租頻道資訊輸入介面 圖 5. 6:MVNO 登入介面及模式選擇 圖 5. 7: 系統自動產生投標所需的相關資訊 圖 5. 8: 競標者所需頻道數展示介面 圖 5. 9: 多個需求頻道數相對應的標金資訊 圖 5. 10: 贏家判定及標金支付操作介面 圖 5. 11: 單一回合拍賣結果顯示介面 圖 5. 12: 監理人模式之下, 修改投標資訊介面 圖 5. 13: 競標者操作模式介面 圖 5. 14: 三種競標行為贏得頻道比率分析 圖 5. 15: 兩種標金支付機制之總收益比較 圖 5. 16: 兩種標金支付機制之單一頻道收益比較 圖 5. 17: 支付次高價格機制下不同市場競爭強度收益比較 ix

14 表目錄 表 2. 1: 頻譜使用率量測儀器及相關資訊 表 2. 2: 台北都會區 GSM 系統頻譜空檔分析圖 表 2. 3: 台北都會區 3G 系統頻譜空檔分析圖 表 3. 1: 標金支付規則比較分析表 表 4. 1:MVNO 營運數據表 x

15 第一章 短時段頻譜拍賣簡介 1.1 短時段頻譜交易市場的研究挑戰及動機 隨著無線行動通訊技術的快速發展, 有限的頻譜資源必須更有效率的分配給多種無線通訊技術使用 過去無線頻譜執照的發放是以長時段 ( 如 : 十年 ) 為單位, 保障了行動業者在獲得執照後的長期使用權, 不會發生成本尚未回收就必須繳回執照的情況發生, 因此願意付出成本來投入網路設備的佈建 缺點是無法隨著使用者的動態即時需求及新發展的無線電技術來彈性配置頻道, 大大降低了整體使用的效益 根據夏農 (Claude Elwood Shannon) 無錯消息理論, 寬頻通訊系統如 WiMAX LTE, 對頻譜資源的需求也相對增大, 導致頻譜資源變得日益擁擠甚至有不敷使用的情況出現 [Lin08] 本論文研究就是在固定式頻譜分配制度下, 如何透過所設計的頻譜次級市場交易機制, 以紓緩頻帶資源不敷使用的情況 在現有的長時段頻譜次級市場 (Secondary Market) 中, 行動營運商 (Mobile Network Operator,MNO) 為頻譜執照擁有者, 有自己的網路設備可直接提供服務給終端使用者,MNO 將其 X 時段未被使用的頻帶以合作的模式提供給行動虛擬營運商 (Mobile Virtual Network Operator,MVNO) 來使用 MVNO 則沒有頻譜執照的擁有權及完整網路設備, 而是透過租借 MNO 的頻帶及設備來提供服務給終端使用者 交易市場要能順利發展, 除了要有空檔的頻帶, 執照擁有者願意供給 1

16 跟需求者有購買動機都是缺一不可的 本論文研究首先探討是否存在有可再行利用的短時段頻譜空檔, 再進一步由需求面分析短時段頻譜市場是否有發展的機會, 根據 [NCC10] 下圖的統計資料, 越來越多的行動上網用戶將使無線頻譜的需求程度大大提升, 在用戶數持續攀升但是頻譜為有限資源的情況下, 預期短時段頻譜市場的發展會成為再次提升頻譜使用率的契機 圖 1. 1: 行動上網用戶數成長趨勢 [NCC10] 在市場角色設定中, 除了 MNO 及 MVNO 之外, 還增設了做為公正第三者的頻譜仲介者, 提出佐證說明在短時段頻譜交易市場中有頻譜仲介者的需求也是研究的挑戰之一 因為在現有網路電話 (VoIP) 服務的頻寬交易市場中並沒有存在頻譜仲介者 ;Virgin Mobile, 全球最成功的 MVNO, 在不同國家與 MNO 進行合作式的頻寬交易也是沒有頻譜仲介者的需求, 為何在短時段頻譜交易市場中會需要頻譜仲介者的角色? 完成了短時段頻譜市場需求探討及角色設定的探討後, 下一步為決定交易機 制的設計 單一回合密封標的拍賣模式能在回合結束後立即分配頻道給贏家, 因 此選定其做為交易的基本規則, 更細部的機制設計挑戰為贏家判定規則與贏家支 2

17 付標金該如何決定, 以達到短時段頻譜市場的兩大目標 : (1) 經濟面的交易平衡點 : 對商品需求最高者將贏得商品 (2) 讓競標者依真實鑑價來投標 完成了單一回合密封標拍賣機制的設計, 參與者的決策模型 (Decision Model) 為接下來的研究重點 MVNO 的部分, 除了估算所需要的頻道數的需求頻道 (Demand Model) 外, 對照單一回合密封標拍賣機制的設計, 以競標行為 (Bidding Behavior) 及標金決策 (Bid Decision) 模型準確計算頻道對 MVNO 的真實價值為設計的重點 頻譜仲介者部分, 則是對贏家判定及標金支付規則進行數學建模 最後, 實做短時段頻譜拍賣 (Short-interval Spectrum Auction,SISA) 的平台, 搭載所設計的參與者決策模型成為自動化投標系統, 模擬拍賣的進行並對結果進行分析, 驗證其是否與模型設計時所預期的結果吻合 1.2 文獻摘要 動態頻譜接取及感知無線電是實現短時段頻譜交易非常重要的兩項技術 除 了對技術有初步概念及了解最新發展現況外, 是否有適合短時段頻譜交易市場的 商務模型也是相關文獻研究的重點之一 [ALV06] 概述了目前感知無線電發展的進度, 其可自行回應外在環境與使用需求的變化, 而順勢更動其通訊頻率 收發功率 傳輸模式以及調變特性等技術項目, 在頻譜分享及管理上是非常重要的技術 此外, 還提出了實現動態使用頻譜應有的網路架構圖, 如圖 1. 2, 標示出實現下世代無線頻譜分享必須考慮的五個層次 : 實體層 鏈結層 網路層 傳輸層及應用層, 對應頻譜感知 管理 分享及移動特性等功能, 去分析每一層該有的功能 例如在選擇傳輸媒介的實體層, 3

18 其任務即為搜尋可利用的頻譜空檔 ; 鏈結層的部分, 通訊的兩端如何利用某頻道實際連結在一起, 完成可靠且有效率的通訊 ; 網路層即選定路由演算法將封包由來源端送至目標端 ; 傳輸層即負責提供高可靠度及符合經濟效益的傳輸選擇, 最後搭配應用程式完成整個通訊流程 圖 1. 2: 次世代網路通訊功能示意圖 [ALV06] [SeC09] 中, 主要針對單一頻譜執照擁有者與多個無線服務提供者 (WSP, Wireless Service Provider) 間的頻譜拍賣問題來做研究, 並簡略說明投標者在不同的拍賣機制下, 其投標的策略該如何來做因應 至於贏家判定的部分, 採用解背包問題 (Knapsack Problem) 的方式, 以能組合出最大競標金額的競標者為贏家 另外, 也考慮了多個終端使用者 (End User) 與多個無線服務提供者間的賽局 (Gaming) 問題, 解法為在無線服務提供者提出的服務價格與終端使用者對服務品質的要求間取得了 Nash 平衡點 (Nash Equilibrium) 來解決問題 在 [AAD07] 中, 英國 Ofcom(Office of Communication) 的研究討論了許多以動態頻譜接取為主軸的頻譜市場基本架構以及市場參與者的商務模型, 如圖 1. 3 簡單說明不同供應者及需求者數量的商務模型,DNP(Dynamic Spectrum Access Network Provider) 即為我們所提的 MNO,DSP(Dynamic Spectrum Access Service Provider) 則是 MVNO 另外, 也可從這篇報告中了解 MNO 及 MVNO 進行交易時的互動及關聯, 包含了訊息的傳遞 基本網路設備的要求 網路與技術層面的 4

19 需求 交易進行的規約及資 ( 租 ) 金的流向等, 對本論文有相當大的助益 圖 1. 3:DNP 及 DNSP 商務模型 [AAD07] [GBC07] 和 [GBC08] 則是對短時段頻譜市場發展必須考慮的因素做詳盡的分析, 整體市場架構以低複雜度的交易機制為主軸, 探討的項目包含了次要使用者 (Secondary User) 在接取低使用率頻帶的功率與干擾限制 競標者的投標決策模型 分配頻道效率與複雜度探討 如何設計公平付費機制等 而決定頻譜該如何來分配則是透過拍賣的方式, 提供了我們設計拍賣機制參考的依據 因為考慮的是短時段的頻譜市場, 在模擬的部分假定市場中有多個單位的頻道及有眾多的感知無線電使用者, 根據作者所提出的演算法, 在有 80 個感知無線電使用者的市場, 四小時進行一次拍賣為最能即時反映頻道需求的情況 1.3 研究範疇 動態頻譜接取 (Dynamic Spectrum Access) 及感知無線電 (Cognitive Radio) 技術為實現即時頻譜分享不可或缺的兩種技術, 要能即時且動態的來接取空檔頻帶必須建構在感知無線電發展成熟的情況下 所以, 我們必須對感知無線電技術有足夠且深入的了解, 其核心技術包含了頻譜感知 (Spectrum Sensing) 頻譜管理 5

20 (Spectrum Management) 頻譜移動性(Spectrum Mobility) 及頻譜分享 (Spectrum Sharing) 四大部分 (a) 頻譜感知 : 以傳輸功率強弱的方式來判斷頻譜是否為閒置的情況, 頻譜使用率的量測及分析也是以此概念來進行 (b) 頻譜管理 : 如何針對使用者的服務需求來分配頻道 (c) 頻譜移動性 : 維持使用者在移動時可以無間斷的使用服務 (d) 頻譜分享 : 本論文研究從以小時為單位的短時段交易開始, 選擇小時為單位則是根據頻譜空檔的量測結果 [CYL09] 而定, 探討適合此市場的交易機制及建構每個市場參與者的決策模型 一個市場存在的必備因素包括了買家 (MVNO) 賣家(MNO) 及交易物 ( 頻道 ), 因此在開始市場架構 商務模型及參與者模型的設計前, 針對買賣雙方進行對短時段頻譜市場的需求分析, 探討 MNO 在次級頻譜市場中供應頻道的動機及誘因, 以及這些只能被短暫利用的頻譜空檔對 MVNO 而言, 是否有被再次利用的機會及價值, 以及投入次級頻譜市場的動機為何 在論文的第二章, 會針對許多只需短時間占用頻帶的新興應用服務進行討論, 分析短時段頻譜空檔再次利用的可行性 確認短時段頻譜市場的需求後, 開始進行市場架構及商務模型的設計 研究除了單純出租下一時段的頻譜空檔之外, 交易模式也可延伸為接下來數週或是一季的單日固定時段的空檔頻道交易 例如 :MVNO-A 在接下來半年的每日 18~22 時皆利用 MNO-A 所出租的頻道來提供服務給其客戶群 而頻道的拍賣以日為單位來進行, 目的為即時且動態反映使用者對頻帶的需求程度 探討何種拍賣機制最適用於短時段頻譜資源的分配後, 以 VCG 拍賣的基本概念設計單一回合 密封標拍賣為交易機制, 設計拍賣機制的同時, 建構在此交易市場架構下其參與者 6

21 的決策模型, 以利拍賣機制設計完成後的驗證與分析工作 在短時段頻譜市場裡的參與者主要有 MNO MVNO 及頻譜仲介者 MNO 的系統模型討論了提供服務所用的技術 供應的頻道數或頻寬 每個頻道的底價及服務涵蓋範圍等 MVNO 的部分則包含有頻道需求模型 (Demand Model), 用以估算下一回合需競標的頻道數 ; 競標行為模型 (Bidding Behavior Model), 討論多種競標者的投標行為 ; 服務阻隔機率 (Blocking Probability), 終端使用者向 MVNO 請求服務失敗的機率 ; 服務效用函數 (Utility Function), 判定提供服務品質的指標 ; 最後是決定投標金額的標金決策模型 (Bid Decision Model) 至於同時為拍賣主持人角色的頻譜仲介者, 討論其如何處理買賣雙方資訊的傳遞, 並在 MVNO 完成投標後進行贏家判定及標金支付計算程序 頻譜拍賣平台實做的部分, 設計讓買賣雙方來實地參與單一回合密封標拍賣的介面 因為在短時段的交易市場, 單一回合拍賣並沒有太多的時間讓 MVNO 進行投標金額的分析及試算 為了能更符合短時段市場的需求, 在平台上寫入所設計的決策模型成為競標代理人的模式, 模型根據客戶群需求產生標金資訊, MVNO 則扮演監督者的角色, 可對所產生標金資訊做修改 最後對模擬結果進行多項指標性分析 1.4 論文組織架構 在論文的第二章, 探討短時段頻譜交易市場的未來發展機會, 分別針對供給面及需求面來探討, 並設計短時段頻譜交易的市場架構及合適的商務模型 ; 第三章的部分, 以對商品需求最高者將贏得商品及讓競標者依真實鑑價來投標為兩大目標, 針對贏家判定及標金支付規則設計適用於短時段頻譜市場的拍賣機制 7

22 第四章, 設計市場參與者的決定模型, 包括了 MNO 的供給模型 MVNO 的頻道需求與標金決策模型及頻譜仲介者的選標及標金支付模型 ; 第五章介紹實做交易平台的軟硬體架構, 並簡單分析由決策模型模擬所得的拍賣結果 ; 第六章則是結論及未來工作 8

23 第二章 動態頻譜接取技術下的短時段市場架構及商務 模型 在 IEEE 協定中提到動態頻譜接取 (Dynamic Spectrum Access,DSA) 是實現次世代無線網路環境不可或缺的一項技術, 所謂的次世代無線網路即代表著有高傳輸速率 服務品質保證 整合多種無線接取技術及不同網路層次的設計 但是頻譜為有限的資源, 要能實現這些願景, 更有效率且彈性的利用頻寬成了非常基本的要求, 新的頻譜管理技術及交易模型因應而生, 在 DSA 及感知無線電技術的支援下, 短時段頻譜市場的發展將能更妥善的利用頻帶資源 在論文的第二章中,2.1 節會先簡介動態頻譜接取的發展模式, 以及在這個模式下不可或缺的感知無線電技術 ;2.2 節則是針對頻譜交易的短時段市場架構做整體的分析 ;2.3 節分別從供給 需求兩方面來探討 2.2 節所設計的短時段頻譜市場是否有發展的機會 ;2.4 節基於 2.2 及 2.3 的基礎, 設計合適的商務模型 最後的 2.5 節為接下來研究的問題及挑戰 2.1 動態頻譜接取及感知無線電技術簡介 過去分配頻譜的方式是以長期釋照的模式來進行, 由交通部電信總局來主持 9

24 拍賣進行頻譜執照的分配, 發放的期限以年為單位 在這種固定式發放執照的情形下, 頻譜無法得到足夠彈性的利用, 執照擁有者很容易讓某段頻帶呈現閒置的情況 同時, 隨著無線通訊的進步, 對無線頻譜的需求日漸提升, 如何能彈性利用頻帶的構想發展出了動態頻譜接取技術 如圖 2. 1: 動態接取頻譜空檔 [ALV06], 使用者可以在某 X 時段利用感知無線電 (Cognitive Radio) 技術來搜尋空檔的頻帶, 當發現空檔且目前使用的頻率不再支援服務時, 可即時在下一時段改變其服務所使用頻率至空檔頻帶 圖 2. 1: 動態接取頻譜空檔 [ALV06] IEEE 於 2004 年成立 小組為第一個基於感知無線電技術的空中介面標準化組織, 其主要任務是開發和建立一套基於感知無線電技術, 利用短時段頻譜空檔進行無線通信的區域網空中介面標準 在未來使用者以感知無線電技術使用無線服務的終端設備 (Terminal Device) 上, 都將具備一元件能隨時感知頻帶的使用狀況, 圖 2. 2 代表的就是單一感知無線電端點所需具備的要素 : 圖 2. 2: 感知無線電節點構成要素 [HNH09] 10

25 Wireless receiver 及 Spectrum analyzer 的功能是搜尋可利用的頻譜空檔, 過去的研究有實地以頻譜分析儀去量測頻譜的使用率並進一步分析頻譜空檔特性 搜尋到某些頻譜空檔後,Learning/knowledge extraction 則是結合外在環境與使用需求的變化了解此頻道是否能成為可供利用的 ;Decision making 則為在多個可供利用的空檔頻帶中, 選擇最適合用來傳輸的頻率 ;Wireless transmitter 即客戶使用服務時所使用的終端設備 未來要能實現蜂巢 無線區域網 數位視訊廣播 (Digital Video Broadcasting, DVB) 等多種無線通訊系統的共存必須要上述五個技術環節都能密切的結合才行 總結感知無線電的發展現況, 除了持續試驗驗證系統的開發外, 與現有通訊系統 ( 如 :WiFi WiMAX 及 3G) 的整合也是未來方向之一 在動態頻譜接取及感知無線電技術的發展下, 首先浮現出來的問題就是當使用者搜尋到空檔頻帶後, 是否有權力接取此段空檔頻帶來進行服務呢? 提供服務的頻帶若是屬於無執照頻帶 (Unlicensed Band), 則所有的使用者同屬競爭狀態, 先取得頻帶空檔的使用者即可開始使用服務 反之, 此頻道若是屬於某 MNO 所擁有,MNO 原有的顧客群屬於首要使用者 (Primary User), 爭取空檔頻帶的使用者屬於次級使用者 (Secondary User), 必須在 MNO 允許的情況下, 搜尋無首要使用者占用的頻帶來進行服務, 或是用不干擾到首要使用者的較低功率來進行服務 而本論文研究是以有執照的頻帶為交易物來發展短時段頻譜交易市場 2.2 短時段頻譜交易市場概述 根據國際電信聯盟 (International Telecommunication Union,ITU) 對 MVNO 的 定義, 是代表擁有網路使用權卻不擁有網路設備與頻譜資源的電信業者 由市場 上發展成功的 MVNO 可以發現, 其成本結構通常競爭力十足, 而且擁有強大的 11

26 品牌優勢, 藉由租借 MNO 的頻帶資源及網路設備來提供服務給終端使用者 觀察 MNO 與 MVNO 之間的頻寬交易市場發現, 兩端交易鮮有實地轉移頻譜執照擁有權的情況發生, 依此現況配合短時段頻譜交易市場的發展需求, 細分 MNO 及 MVNO 之間的經營模式可分為以下三類 : (a) MVNO 單純向 MNO 租用某段頻寬的某段使用時間, 傳輸介面與交換設備完全是仰賴 MNO 的供應 頻寬出租形式是藉由門號的轉售來進行, MVNO 以較低的價格購入 MNO 的門號後, 再從轉售給終端客戶的過程中獲取利益 國內屬第二類電信的家樂福電信即為此種經營模式, 其合作的 MNO 為中華電信 (b) MNO 與 MVNO 之間進行策略式合作聯盟的發展關係,MNO 藉由 MVNO 的品牌優勢來吸引用戶群, 以擴大本身的市場佔有率 以全球發展最成功的 Virgin Mobile 為例, 租用某 MNO 的行動網路, 本身不需付出成本在骨幹網路布建與維修的部分, 以自有品牌推出無線行動服務, 依靠的是創新的服務內容 品牌管理能力 行銷能力 顧客關係管理服務等來吸引顧客群, 再與 MNO 進行拆帳的動作 (c) MVNO 本身已具備本籍位置記錄器 (Home Location Register,HLR) 行動交換中心 (Mobile Switching Center,MSC) 和認證中心 (Authentication Center,AuC) 等基礎的網路設備, 可以自行發售 SIM 卡給客戶群, 丹麥的 Tele2 即為此類型 MVNO 的代表 MVNO 也可同時與多個 MNO 合作, 並自行安排其客戶群經由哪個 MNO 的骨幹網路來進行服務, 此類 MVNO 被歸類為第一類電信的虛擬行動業者 細查台灣目前的法規政策, 擁有頻譜執照的電信業者並沒有轉售頻譜執照的 權力, 採取上述 (c) 為基本交易模式作為本論文短時段頻譜交易市場研究的重 點 12

27 過去與現存的買家賣家為一對一的頻寬交易市場 ( 如 :VoIP) 中並沒有頻譜仲介者的需求, 在短時段頻譜交易市場中我們增設了頻譜仲介者做為公正的第三者, 如圖 2. 3 為何要在 MNO 與 MVNO 的交易市場中增設頻譜仲介者是本論文的重要研究議題之一, 在 節將以學理基礎及機制設計面來佐證頻譜仲介者的需求 MNO Broker MVNO1 MVNO2 MVNO3 圖 2. 3: 短時段頻譜交易市場參與者關係圖 頻譜仲介者 : 公正第三者角色 檢視現存的 VoIP(Voice over Internet Protocol) 頻寬交易市場, 頻寬的買賣為單一買家與單一賣家談判出租頻寬的多寡與價格, 且出租週期是屬於長時段的, 所以沒有仲介者的角色存在 與本論文研究情況不同的是, 所考慮的頻譜市場是屬於短時段的交易, 且可能會有多個 MNO 與 MVNO 來參與拍賣, 因此設立了一個頻譜仲介者的角色, 做為公正的第三者來處理多個賣家跟多個賣家間的交易問題 Williamson 在 1986 年提出關於有效管理 (Efficient Governance) 的概念中 [Wil86] 提到, 在偶而發生且交易物的特色是介於非客製與完全客製之間的市場, 買家賣家各自訂定契約來進行交易是不合成本的, 需要有公正的第三者來使交易成功 因此我們提出頻譜仲介者作為市場中公正的第三者, 能有效降低交易問題的複雜度並使之有效率的進行 13

28 圖 2. 4: 有效管理分類圖 (Williamson,1986)[Wil86] 除了有效管理的因素外, 再分別從資訊 (Information) 機制(Mechanism) 及花費 (Cost) 三個面向來說明需要頻譜仲介者的原因 (a) 資訊 : 負責公開資訊及交易訊息的傳遞在許多文獻中都曾討論過短時段頻譜交易不活躍的原因除了技術尚未成熟外, 主要的原因有二 : 第一, 許多國家的法規仍是不允許頻譜執照的轉移, 在這樣的法規之下, 以手機通訊用頻道為例, 大部分 MVNO 所採取的策略為購買 MNO 的門號, 再加上一些附加價值及服務轉賣給終端使用者 第二, 交易雙方的資訊不對稱 (Asymmetric Information),MNO 在某 X 時段有空檔頻道的訊息無法即時傳遞給 MVNO;MVNO 在某 X 時段有頻道的需求, 但是卻無法獲得供給的資訊 在這樣的情況下, 雙方面對交易物品的不了解是無法使交易有效率的進行 因此, 設立一頻譜仲介者負責處理雙方訊息的傳遞, 可望解決資訊不對稱的問題並活絡交易的進行 (b) 機制 : 降低短時段頻譜市場機制設計的複雜度在針對機制設計的這一部分, 以複雜度為分析目標來說明為何有頻譜仲介者的需求 在多個 MNO 與 MVNO 的交易問題中, 若是沒有仲介者的存在, 每一個參與交易進行的 MVNO 必須處理來自不同 MNO 的訊息, 相同的情況, 每一個參與交易的 MNO 必須針對 MVNO 不同的需求, 分別送出關於交易物的訊息 在這樣的交易機制下, 市場的複雜度非常的高 14

29 圖 2. 5: 交易複雜度化化簡示意圖 如圖 2. 5, 當我我們設置一頻頻譜仲介者者在 MNO 與 MVNO 之間後, 共有 3 個 MNO 及 3 個 MVNO 在市場場中, 原本共共九筆 (3*3,n*n) 訊息息傳遞將減少少為六筆 (3+3,n+n), 若是是在市場中中有更多的的參與者, 對於複雜度度的降低效果果將更為明顯, 交易的進進行將更有效效率的進行行 除此之之外, 頻譜譜仲介者所扮扮演的角色色為市場中公公正的第三三者, 參與交交易的 MNO 及 MVNO 在交易成功後, 所需支支付給仲介者者的費用皆皆為成交金額額乘上固定的比比率, 搭配所所設計的贏贏家判定模式, 願意付付較多金額的 MVNO 才成為贏家, 頻譜仲介者者也能從中抽抽取較多的的佣金比例, 最大化本本身收益的同同時 也是在最大大化 MNO 獲利 因此, 在這樣樣的模型下, 是無法有有共謀的行為為發 生的 (c) 花費 : 節省交易易時間及金錢錢成本繼續續上述討論到到的問題複複雜度, 當交易市場場中存在有多多個 MNO 與 MVNO, 公開的交易易資訊在多多點間的傳遞遞會變得較較為複雜, 不論是 MNO 或 MVNO 可能都要配配置相當的人人力及花費費專注在這部部分, 若是是有了專門負負責與交易方方進行訊息傳傳遞的頻譜譜仲介者在市市場中, 時間間及金錢成成本皆能獲得得降低, 也能能減少交易進進行時所消消耗的時間 15

30 2.3 短時段頻譜市場發展機會 供給端 需求端及交易物為市場存在的三個必備要素 因此, 在開始設計短 時段頻譜市場的交易機制及參與者決策模型前, 分別從供給端及需求端來進行分 析以進一步佐證短時段頻譜市場存在及發展的機會 市場供給面分析 在供應端的部分從分析頻譜使用率開始, 從不同國家的量測報告中得知無線通訊技術所使用頻帶的使用率之外, 並學習準確量測頻譜使用率的方法以進行台北都會區頻譜空檔的量測分析 確定有空檔頻帶存在後, 探究讓 MNO 願意提供這些空檔頻帶給 MVNO 使用的誘因或動機 頻譜使用率量測報告分析 根據 NCC(National Communications Commission)99 年的統計資料顯示, 各類電信服務占總營收之比例如下圖, 以行動通訊及網際網路加值服務占了大部分的比例 進一步分析通信系統的客戶群數目,2G 系統 (GSM) 的用戶數約為 920 萬名,3G 系統 (WCDMA CDMA2000) 則是 1660 萬名, 足見 GSM 系統與 3G 系統在手機通訊的重要性 圖 2. 6: 電信各類服務占電信服務總營收之比例 [NCC10] 16

31 根據美國 FCC(Federal Communication Commission) 的頻譜使用率量測報告, 在不同的時間 地點及頻帶, 頻譜的使用率為 15% 到 85% 不等 行動網路動態智慧頻譜管理 (Dynamic Intelligent Management of Spectrum for Ubiquitous Mobile Network,DIMSUMnet) 網路體系目前的研究針對 GSM 系統頻譜使用率進行密集測量, 以分析由動態頻譜接取技術提高頻譜使用率的可能性 [IKO08], 作者在新加坡進行為期 12 天的頻譜使用率量測報告, 量測結果如圖 2. 7,GSM 系統所使用的頻帶其平均使用率為 40% 左右, 代表在 12 天的量測週期中, 大於一半的時間頻帶是閒置的 3G 系統的使用率更低, 約 5~10%, 顯示頻帶在大部分的時間皆為閒置未使用 圖 2. 7: 新加坡頻譜平均使用率量測結果 [IKO08] [MTM06] 則是在芝加哥的量測報告, 量測週期為 2 天, 根據其量測所使用的儀器設備, 準確度將比 [IKO08] 來得高 結果如圖 2. 8, 除了 TV 用的頻帶使用率較高之外,GSM 系統頻帶使用率約為 55%,3G 系統所使用頻帶使用率更不到 10% 17

32 圖 2. 8: 美國芝加哥頻譜平均使用率量測結果 [MTM06] 但是, 合理猜測頻帶閒置的時段很有可能是深夜到隔日清晨的, 真正對頻帶有高度需求的時段有多少頻帶是閒置的呢? 因此在進行頻譜拍賣機制及參與者決策模型設計前, 先實地進行台北都會區 GSM 及 3G 系統的頻譜使用率及空檔時間量測, 主要目的是分析在頻帶為高度需求的時段, 閒置的頻帶其空檔時間為多長 台北都會區頻譜使用率及空檔分析 在研讀了新加坡及芝加哥的頻譜使用率量測相關文獻後, 學習了頻譜使用率量測的方法, 包括了頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer) 及天線 (Antenna) 的使用, 以及如何從量測到的訊號強度準確算出頻譜的使用率, 即開始實地進行台北都會區量測的工作, 表 2. 1 是關於量測的相關儀器及資訊 : 18

33 表 2. 1: 頻譜使用率量測儀器及相關資訊 頻譜分析儀 Anritsu MS2721B 天線 Anritsu 特製全向性天線 地點 時間 量測系統 1. 台大校門口 2. 忠孝復興捷運站 商圈 4. 住宅區 1. 尖峰時段 2. 離峰時段 3. 全天候不間斷 1. GSM900/1800 (0.2MHz/ch) -890MHz ~ 960MHz -1710MHz ~ 1880MHz 2. 3G (5MHz/ch) -825MHz ~ 845MHz -870MHz ~ 890MHz -1915MHz ~ 1975MHz -2010MHz ~ 2025MHz -2110MHz ~ 2165MHz 3. ISM -2.4GHz ~ GHz 針對 GSM 系統, 綜合四個地點的尖峰時段來看, 量測結果其平均使用率為 75% 左右, 代表有四分之一的時間, 頻帶是閒置未使用的狀態 有了得出初步的 量測數據後, 進一步挑選出閒置的頻帶, 分析其空檔持續的周期有多長, 分析結 19

34 果如下表 : 表 2. 2: 台北都會區 GSM 系統頻譜空檔分析圖 Idle Duration NTU 忠孝復興 101 商圈 住宅區 Overall < 20 (min) 7.14% 48.60% 13.48% 21.05% 25.14% 20~40 (min) 8.93% 8.41% 1.13% 14.04% 8.47% >40 (min) 83.93% 42.99% 85.39% 64.91% 66.39% 3G 系統部分, 平均的使用率為 30% 左右, 分析會有如此低使用率的原因, 歸因於手機用戶在行動業者的推廣下,SIM(Subscriber Identity Module) 卡雖然已 從 2G 系統升級為 3G 系統, 但手機仍維持在只能支援 2G 系統的技術, 行動業 者在了解此種情況後, 升級過的 SIM 卡仍可使用 2G 系統來通訊, 因此有不少 3G 用戶通訊時所使用的頻帶仍為 GSM 系統的頻帶 而空檔時間分析結果如下 : 表 2. 3: 台北都會區 3G 系統頻譜空檔分析圖 Idle Duration NTU 忠孝復興 101 商圈 住宅區 Overall < 20 (min) 8.33% 56.76% 6.78% 8.7% 17.37% 20~40 (min) 4.17% 4.74% 0% 6.52% 4.74% >40 (min) 87.5% 32.43% 93.22% 84.78% 77.89% 由表 2. 2 及表 2. 3 可以看出除了在忠孝復興外, 低使用率的頻帶其空檔周期都以大於 40 分鐘居多 所以, 許多專家認為若是能聚集這些未被使用的頻譜空檔, 透過次級市場的模式進行二次利用, 不論是對頻譜使用率的提升或是解決頻譜資源匱乏的困境, 都會有非常大的助益 市場需求面分析 在分析了頻譜空檔週期約為數十分鐘到一小時後, 接下來的研究是探討哪些 20

35 無線應用服務是只需要占用頻帶較短的時間, 或是對服務的品質要求並沒有特別 高, 即可透過動態頻譜接取及感知無線電技術利用這些頻譜空檔來完成服務的需 求 新興服務對短時段頻譜空檔需求分析 (a) 預付卡服務 (Pay-as-you-go Service) Virgin Mobile, 全球發展最成功的 MVNO, 擁有超過 400 萬的客戶數目 在不同的國家跟不同的 MNO 合作提供自有品牌且多樣化服務給使用者, 依靠的是其品牌的知名度 專業的行銷手法及其他客製化的服務等, 成功在預付卡 (Pay-as-you-go) 及月租型 (Monthly Pay) 通話方案打開市場通路, 吸引了年輕上班族和學生族群使用其服務 如下圖統計資料顯示, 約有 38% 的行動用戶是使用預付卡服務, 根據市調指出主要客戶族群為中低用量行動電話用戶, 採用的計費方式是不分網內 網外和市話均為單一收費 隨著動態頻譜接取技術的發展, 中低用量或是有即時需求的使用者擁有技術支援的終端設備後, 在有服務需求時才搜尋頻譜空檔來使用, 收費方式比照短時段 ( 如 : 小時 ) 的預付卡模式, 如此客制化的服務型態勢必能招攬更多使用者的加入 圖 2. 9: 行動電話用戶使用預付卡之比例 [NCC10] (b) 數位匯流 21

36 數位匯流乃隨頻寬及技術發展而來, 隨著其在全球逐漸興起, 頻寬需求因此暴增, 如何在有限的頻寬下有效的使用各種網路應用 ( 數位影音服務及 e 化服務 ) 是亟需解決的問題 行政院資訊通訊推動小組 (NICI) 宣布最快在 2011 年完成類比頻道的回收 在此數位網路上所傳輸的資料皆數位化, 包含電話 交換機 個人電腦 通訊設備 用戶端設備 傳真機等, 可以傳輸語音, 資料, 圖形, 影像等數位資料 在此趨勢之下, 固網 行動電話 Cable 衛星 網際網路及 MVNO 等眾多業者將在同個市場中競爭, 因應此發展, 動態頻譜管理模式如短時段頻譜交易機制為更有效利用頻譜資源的方法之一 (c) 電子書服務 (E-book Service) 由亞馬遜 (Amazon) 公司所研發的 Kindle 電子書閱讀器, 最近掀起了上班族及學生族群關注的熱潮 根據美國電子消費協會 (Consumer Electronics Association, CEA) 的統計結果, 在 2009 年, 各種廠牌的電子書閱讀器共出貨了 220 萬台, 預計在今年會增加到 500 萬台 使用者購買閱讀器平台後即可利用此平台透過無線網路來免費下載超過 30 萬本的電子書, 而隨著技術的演進要能開啟電子書來閱讀, 並不一定要等到完全下載完成才能進行, 使用者可以在下載的同時也開始閱讀電子書 因此, 利用短暫的頻譜空檔搭配動態頻譜接取技術階段性的完成下載是非常具有商機的 另一方面, 隨著無線電技術如 WiMAX 及 LTE 的快速發展, 在 60 秒內完成下載一本電子書的任務也是大有可為的 (d) 智慧型運輸系統 (Intelligent Transportation System,ITS) 隨著多種無線接取技術的發展, 發展出了車輛與車輛 (V2V, Vehicle-to-Vehicle) 及車輛與行控中心 (V2R,Vehicle-to-Roadside) 間的智慧型運輸系統 除了保障行車時的通訊品質, 也增加了行車人的安全 在 V2V 系統中, 車輛間利用一種特殊的 Ad-hoc 無線通訊模式 VANET(Vehicle Ad-hoc Network) 來 22

37 交換彼此行車周圍環境的資訊 ;V2R 則是由車輛來接收固定節點的行車資訊 中華型智慧運輸系統協會指出會有越來越多的車輛搭載智慧型運輸系統, 若是能利用動態頻譜接取技術讓這些行車時的訊息傳遞是經由頻譜空檔來達成, 或許會比特地分配頻段給此運輸系統來的有效率 因為, 一般民眾使用車輛的時間並不固定, 加上這些行車訊息的傳遞並不需要占用頻帶太長的時間, 是有機會用次級的頻譜市場來提供服務的 (d) 智慧型產品 (Smart Product) 邁入了資訊快速發展的時代, 智慧型產品如個人數位助理 (PDA) 智慧型手機 (Smart Phone) 電子書 (E-book) 等, 甚至是最近蘋果公司推出的 ipad 平板電腦, 讓使用者可以隨時隨地的使用越來越豐富的應用服務 (Application Service) 同時期蓬勃發展的社群網路 (Social Network) 如 Facebook Twitter 等, 使得擁有這些智慧型產品的使用者對無線網路的變為不可或缺的需求 然而技術發展至今, 要在這些智慧型產品上安裝感知無線電元件來搜尋頻譜空檔使用不再那麼遙不可及 (e) 軍方及緊急救護 (Military and Emergence Use) 另外, 過去交通部電信總局在頻帶的分配作業上, 總是會保留一段頻帶 (ISM band,2.4ghz~2.4835ghz) 留給軍方及緊急救護用途使用 未來動態頻譜技術若是發展的夠成熟, 能保證有緊急使用的需求時能搜尋得到頻譜空檔, 且通訊的品質在一定水準之上 在發放頻帶的作業上就不必特地切割一段大部分時間都是閒置未使用的頻帶出來 (f) Femto cell 微型家用基地台佈建 Femto cell 為全球電信市場的新興技術, 是為了解決其真正傳輸量遠低於理 23

38 論值且補足 3G/3.5G 網路幅射腹地不夠寬廣的問題 在 2008 年底中華電信成為全球第三家開始進行 Femto cell 佈建的電信業者, 可將家中 ADSL 或光纖網路轉換為室內 3G/3.5G 訊號 ( 有效傳輸距離約為 50 公尺 ), 以改善原本用戶家中 3G/3.5G 訊號不良問題 近來隨著其持續發展, 吸引了越來越多的電信業者投入佈建的行列, 也為提供多樣化服務的 MVNO 業者可發展的商機, 如西歐的 The Phone House 業者, 藉由租用 MNO 的骨幹網路, 專門負責為其吸引客戶群並裝設室內的微型基地台, 非常符合未來電信市場專業分工的趨勢,MNO 也藉由與 MVNO 的合作拓展其客戶數目 分析佐證短時段頻譜交易市場需求存在 綜觀許多國家在頻譜執照到期後, 重新配置頻譜使用方式的同時也會考慮到是否能更有效率的使用 隨著智慧型產品如智慧型手機 個人數位助理 (PDA) 和平板電腦等產品普及程度的提升, 上網功能成為基本需求後, 單一產品所能提供的應用服務也越來越多樣化 這些終端設備要能提供如此多樣化的服務, 也是仰賴於多種無線通訊技術 ( 如 :3G Wi-Fi WiMAX LTE 等 ) 的快速發展 而根據量測並分析的結果, 現行 GSM 及 3G 系統於尖峰時間存在 25~70% 低使用率頻帶, 進一步分析這些頻帶發現空檔持續時間存在數十分鐘至一小時 當有限的頻譜資源難以再騰出多餘的頻寬來支援這些新興的無線通訊技術,DSA 及 CR 技術若能將這些空檔頻帶集合成頻譜池系統 (Spectrum Pooling System), 透過次級頻譜市場 (Secondary Market) 再次進行利用, 將可滿足許多使用者的短時段即時需求 MNO 為何願意提供空檔頻道給其他行動業者使用? 以 3G 系統為例, 其單一頻道所佔有的頻寬 (5MHz) 較大, 除了可以提供語音 24

39 服務外, 也可提供各種數據加值服務如 : 行動影音 檔案下載等 在電信市場越趨於專業分工的情況下,MNO 獨自發展所有的相關服務未必是最佳的經營模式, 若能將自身不擅經營的層面交由 MVNO 來負責,MVNO 在不需負擔架構網路設備費用的情況下可專心在多樣式的客製化服務部分 MNO 則是藉由出租網路設備及傳輸介面給 MVNO 以獲得額外的收益並拓展客戶群, 以 Virgin Mobile 為例, 其強大的品牌吸引力是許多 MNO 所欠缺的 對未來趨於競爭的電信市場,MNO 與 MVNO 合作對雙方的發展不失為一雙方得利的經營策略 除此之外, 對於新興技術如 WiMAX LTE 等, 其投資成本過高 市場需求尚未明朗的特性讓許多 MNO 怯於進入市場, 導致頻譜執照發放後業者卻遲未開台的現象 若是能藉由與 MVNO 合作的模式, 以較低成本去經營新發展的電信業務, 此種進入新興技術市場的模式值得 MNO 做為參考 2.4 短時段頻譜交易市場商務模型 在本節針對為了頻譜交易所設計的一些商務模型來研究, 並以長時段交易與短時段交易為主要差異來分析, 例如 : 傳遞訊息 資金匯流 頻寬管理 參與者目標等在兩種不同交易中的差別 再根據這些分析要素設計出短時段頻譜交易市場模型及機制 在 1.2 節文獻探討的部分有針對英國 Ofcom 所提出的頻寬交易商務模型 [AAD07] 做簡略的介紹, 圖 的 DNP(DSA Network Provider) 角色等同於 MNO, 在動態頻譜接取技術下提供網路骨幹設備給 MVNO,DSP(DSA Service Provider) 即為 MVNO, 利用 DNP 的網路設備提供服務給終端使用者 由圖中 (a) Outgoing Calls 可以看到, 當服務請求的來源為終端使用者時,DSP 及 DNP 的收益來源為 Call Revenue,DSP 的支出包含了付給 DNP 的網路費用及 25

40 經營上的基本支出 圖中 (b)incoming Calls 代表 DSP 若是有跟其他 DSP 合作, 則必須考慮彼此間拆帳的問題 DNP 的收益則來自出租網路設備及傳輸介面給 DSP, 支出項目主要為提供骨幹網路必要成本及維修費用 圖 2. 10:Ofcom 頻譜交易商務模型與資金流向 [AAD07] 圖 即為所設計的短時段市場商務模型, 討論單一 MNO 及多個 MVNO 的進行頻道交易的資金流 (Financial Flow) 根據 小節的分析結果, 增設頻譜仲介者在 MNO 及 MVNO 之間作為公正第三者的角色, 負責拍賣的主持及交易資訊的傳遞 MNO 及 MVNO 則必須支付固定的佣金給頻譜仲介者 頻譜仲介者集合 MNO 所提供的多個空檔頻道為共同頻道池 (Common Channel Pool) 系統, 此系統架構包含基地台和相關網路基礎設備, 基地台為 MNO 所擁有, 相關網路基礎設備如 HLR MSC 則由 MVNO 自行架設 主要的應用場景為正交分頻多工無線區域網路 (OFDM WLAN, 如 IEEE a/g) 和 GSM 網絡的頻譜資源動態共用, 因此在本論文研究以 GSM 系統的同質性頻道為交易物來進行拍賣機制及參與者決策模型的設計 頻譜仲介者僅根據拍賣結果將頻道分配給有需求的 MVNO, 而向 MNO 及 MVNO 收取固定比例的佣金 26

41 在圖 中由頻譜譜仲介者集集合下一時段段為空檔的的多個同質質性頻道出租租給 MVNO,MVNO 租用頻道道的金額即即為頻譜仲仲介者及 MNO 的收益 MVNO 的收益則則來自客戶戶群向其請求求服務,MVNO 提供供服務後所收收取的服務務費用 在 2.2 節說說明的短時時段頻譜市場場架構下, 此種 MNO- 頻譜仲介介者 -MVNO 三造合作的的商務模模型可應用用於短時段 ( 小時 ) 或長時時段 ( 數日 數周) 的頻頻道交易 圖 2. 11: 短時段頻道交交易商務模模型 2.5 問題描述述與挑戰 第二章分析析了短時段段頻譜市場所所必備的技技術條件, 如動態頻譜譜接取及感知知無線電電技術 市場場的主要架架構完成後, 進一步從從供給及需求求端來分析析在此架構下下市場發發展的機會會及可行性 供給端的的部分, 確立立了頻譜空檔檔的存在, 而 MNO 也有足夠夠的動機出出租 X 時段未未使用到的的頻帶給 MVNO; 需求求端的部分, 探討了許許多新發發展的應用用服務及無線線電技術, 在日漸壅塞塞的頻帶資源源下, 短時時段頻譜空檔檔是有利利用價值的 最後, 設計了適合短短時段頻譜譜交易的商務務模型, 在接下來的研研究部分, 主要的的問題及挑戰戰如下 : (a) 設計適適合用於短短時段頻譜交交易的拍賣賣機制 : 現存存大多數關關於頻譜市場場的 27

42 相關文獻都是以長期的交易為主, 交易機制的設計也是針對數年甚至數十年來進行, 關於短時段頻譜拍賣的討論相對較少 在動態頻譜接取及感知無線電技術的發展下, 如何將技術與市場機制做密切結合, 以達到更有效利用頻譜的目的 (b) 短時段頻譜交易系統的參與者問題建模 (b.1) MNO: 頻道供給模型 (b.2) MVNO: 頻道需求模型 競標行為模型 標金決策模型 (b.3) 頻譜仲介者 : 贏家判定模型 贏家支付標金規則 (c) 利用參與者的決策模型自動化模擬短時段同質性頻道拍賣並進行分析 28

43 第三章 短時段頻譜拍賣交易機制設計 在本章依據第二章所架構的短時段頻譜市場結構及商務模型, 設計適用於短時段頻譜市場的交易機制 3.1 小節分析 MNO MVNO 及頻譜仲介者在短時段頻譜市場的公有 (Public Information) 及私有訊息 (Private Information) 3.2 小節以序列圖 (Sequence Diagram) 說明短時段頻譜交易的過程 探究頻譜執照發放的歷史, 共採取過優先權制度 (1912) 聽證會制度(1927) 抽籤制(1981) 及拍賣制 (1994) 在 3.3 小節分析比較單邊拍賣與雙邊拍賣的優缺點後, 採用單邊拍賣的單一回合密封標拍賣做為短時段頻譜市場的交易機制 3.4 小節則進一步分析討論贏家判定及贏家支付標金規則, 最後以一簡單的例子代入測試 3.1 市場參與者與關聯性分析 在短時段頻譜市場的角色設定中, 主要有 MNO MVNO 及頻譜仲介者 MNO 透過頻譜仲介者將其 X 時段未使用的同質性頻道 (Homogeneous Channel) 出租給 MVNO, 同質性頻道代表意義為使用的無線接取技術和覆蓋範圍皆相同 ; MVNO 在頻譜仲介者主持的拍賣中競標 MNO 所提供的頻道, 並以之提供無線服務給終端使用者使用 同時為拍賣主持人的頻譜仲介者負責交易兩端訊息傳遞且扮演公正第三者角色 MNO MVNO 資訊 29

44 (a) 公開訊息 (Public Information) (a.1) MNO (a.1.1) 無線通訊系統 (a.1.2) 基地台資訊 : 調變技術 傳輸功率及背景雜訊等 (a.1.3) 供應頻道數 (a.1.4) 頻道頻寬資訊 (a.1.5) 頻道 ( 基地台 ) 涵蓋範圍 (a.1.6) 頻道底價 : 僅提供給頻譜仲介者 (a.2) MVNO (a.2.1) 所提供之應用服務 (a.2.2) 提供應用服務所收取服務費率 (b) 私有訊息 (Private Information) (b.1) MNO (b.1.1) 所供給頻道其真實價值, 不同無線通訊用頻帶將會有不同的價值, 將有成本設定上的差異 (b.2) MVNO (b.2.1) 頻道需求數 (b.2.2) 競標行為及策略 (b.2.3) 以某頻道數提供服務, 其使用者請求服務被阻隔機率 (b.2.4) 效用函數 (b.2.5) 懲罰函數 (b.2.6) 投標金額 3.2 交易流程 : 序列圖 以圖 3. 1 來表示在 MNO MVNO 及頻譜仲介者進行短時段頻譜拍賣的流程, 30

45 縱軸往下為時間進行的方向, 例如 :1:sentRule() 的 1 代表第一步驟 Step 1 & Step 2: 在拍賣開始進行前, 由頻譜仲介者負責告知下一時段拍賣的資訊, 包含了舉行拍賣的時間及規則 Step 3:MNO 告知頻譜仲介者提供的頻道數及底價 Step 4: 頻譜仲介者處理 MNO 的供應資訊 : 決定頻道出租總數及拍賣底價 Step 5: 拍賣開始進行, 頻譜仲介者將欲拍賣頻道數資訊傳遞給 MVNO Step 6:MVNO 進行所需頻道數的估算 Step 7:MVNO 進行投標金額的試算 Step 8:MVNO 送出標單給頻譜仲介者 Step 9: 頻譜仲介者進行選標決定本場拍賣的贏家 Step 10 & Step 11: 頻譜仲介者公告拍賣結果給 MNO 及 MVNO Step 12: 得標的 MVNO 支付頻道費用及佣金給頻譜仲介者 Step 13: 頻譜仲介者支付 MNO 其應得獲利 Step 14: 終端使用者向 MVNO 請求服務 Step 15:MVNO 提供服務給終端使用者 Step 16: 終端使用者支付服務使用費用給 MVNO 圖 3. 1: 短時段頻譜交易流程圖 31

46 3.3 頻譜拍賣機制分析及特性比較 由於我們所研究的是短時段的頻譜交易市場, 由第二章的頻譜空檔及服務需求的分析得知, 數十分鐘至小時的短時段頻譜買賣週期是被允許的 因此, 對於交易機制設計的重點在於是否能在以小時為交易時間單位內, 有效率的分配頻道給 MVNO 拍賣被公認能有效率的分配稀有資源, 並且由需求端來反映拍賣物品的價值 所以, 我們設定以拍賣作為交易的機制, 再根據文獻 [SeC08] 的對於拍賣機制的分類如圖 3. 2, 進一步分析並決定何種模式是較適合短時段頻譜市場的 圖 3. 2: 拍賣機制分類圖 由圖 3. 2 的最上層往下分類, 因為由 MNO 提供來進行拍賣的頻道數可以多於一個, 所以在第二層我們選擇了右邊的多個頻道同時進行拍賣 (Multiple Channels for Sale) 而我們拍賣機制設計是針對短時段的頻譜交易, 期望能以單一回合的模式決定贏家為誰, 在這樣的情況下, 每個 MVNO 在這一回合內所贏得的頻道數有可能會大於 1 分析到目前為止, 我們再將頻道分成皆為相同價值或是有不同價值的兩類, 因此適用的機制有單邊 (Single Side) 或是雙邊 (Double 32

47 Side) 的拍賣, 以下就分別針對單邊及雙邊拍賣進行討論 : (a) 雙邊拍賣 (Double side auction):double auction 為雙邊拍賣的典型範例, MNO 所提供的交易訊息為供應頻道數及底價,MVNO 的標單資訊則為需求頻道數及願意購買的價格 拍賣主持人在接收完買賣雙方所有參與者的資訊後, 可根據需求 ( 供給 ) 數量及欲購 ( 預售 ) 金額繪成如圖 3. 3 的供需曲線 以買家 1 為例, 代表其願意用單位價格 $1000 來競標四個頻道 ; 賣家 1 則是願意用單位價格 $200 賣出 3 個頻道 圖 3. 3: 買賣雙方供需相對金額示意圖 決定拍賣的結果是利用經濟學上經濟剩餘 (Economic Surplus) 的方法 [CMS71], 找出市場均衡點 (Market Equilibrium) 後, 即可決定交易的頻道數及交易價格, 如圖 3. 4 的 Equilibrium quantity 即為交易量, 而 Market price 為成交價格 另外值得注意的是, 圖 3. 4 中的 Consumer Surplus 加上 Producer Surplus 即為社會福利 (Social Welfare), 此種拍賣機制下可保證賣出頻道的賣家及得標贏家的盈餘皆大於 0 在 小節的得標者支付標金規則 (Settlement Mechanism) 會對哪一種付費機制較能帶來較高的社會福利進行分析 33

48 圖 3. 4: 供給者及消消費者經濟剩剩餘示意圖 [CMS71] 延續續圖 3. 3 的例例子繼續進進行分析, 最後的拍賣賣結果如圖 3. 5, 成交量量為 8 個頻頻道, 買家 1 跟買家 2 以單位價價格 $700 各贏得了 4 個頻道 ; 賣家 1 以單單位價格 $500 賣出了 3 個頻道, 賣家 2 則是是以單位價格 $500 賣出出了 5 個頻頻道 ($700-$500)*8 的這塊盈餘餘區間則是是頻譜仲介這這的報酬 圖 3. 5: 雙邊拍賣結結果示意圖 (b) 單邊拍拍賣 (Single side auction): 將所有有的頻道都視視為是同質質性的,MNO 提供給給拍賣主持持人的頻道出出租資訊為為頻道數及其其底價, 由拍賣主持人人根據多個 MNO 供應應的頻道數數做為權重來來決定出租租頻道的統一一底價 當當拍賣進行行時, 著重於於拍賣主持持人跟 MVNO 之間的交交易過程, 屬於單方面面的交易, 因此稱為為單邊拍賣, 整體的複複雜度比雙邊邊拍賣降低低許多 在本本論 34

49 文研究裡, 是以單邊拍賣為交易機制, 討論 MNO MVNO 及頻譜仲介 者在短時段頻譜拍賣問題 3.4 短時段頻譜拍賣機制設計 拍賣, 被公認為是能有效率分配稀有資源的交易機制, 完整的拍賣機制包含了贏家判定及標金支付兩個部分 進行短時段頻譜拍賣的目的, 除了有效率的分配頻道外, 以下兩項也是主要目標之一 : (a) 將頻道分配給有最大需求的 MVNO (b) 讓 MVNO 能以頻道對其的真實價值來投標, 同時保障 MNO 的收益該如何達成這兩個主要目的, 我們將由贏家判定及標金支付規則兩大面向來設計 在 小節, 先說明短時段頻譜拍賣的規則 ;3.4.2 小節說明贏家判定規則 ;3.4.3 小節比較兩種標金支付的規則後, 採用支付次高價 (Pay the second price) 模式 最後以簡單的例子來進行簡單的拍賣機制測試 交易協定 : 拍賣規則 (a) 根據 [MPT04], 對 MNO 來說, 單一回合與多回合的拍賣並沒有絕對的收益高低關係, 仍須根據機制的設計 ( 如 : 多回合之間宣布暫時得標價與否 ) 來決定 短時段頻譜拍賣相對於長時段的拍賣, 複雜度較低的拍賣機制是較合適的, 因此選定單一回合拍賣 (b) MVNO 在時程內送出密封標金資訊 (c) 拍賣物及拍賣單位 : 頻道 (d) 拍賣物設有未公開底價, 贏家支付標金未超過底價視同流標 (e) 拍賣流程及投標時間限制 (f) 標單資訊 : 分別對小於等於所需頻道數的每個頻道出價 35

50 例 :MVNO 需要 3 個頻道, 標單資訊為 (1 個頻道標金, 2 個頻道標金, 3 個頻道標金, ) (g) 贏家判定規則 : 最高標金組合者得標 (h) 得標者支付標金規則 : 贏家支付次高價模式 (i) 頻道出租時間單位 : 小時 (j) 贏家不可轉租頻道 贏家判定規則 在所有的 MVNO 都完成投標後, 拍賣主持人會進行選標的動作, 也就是決定此場拍賣的贏家為誰 而在我們所設計的拍賣機制中, 為了能將頻道分配給有最大需求的 MVNO, 將以最高價者得標的模式來判斷贏家為誰 另外, 由於是多個頻道同時進行拍賣, 決定贏家相當於是解一個背包問題 (Knapsack Problem), 哪些競標者其標金組合能夠帶給 MNO 最大獲利的投標者, 即為順利得標者 由於背包問題是一種 NP 完全 (NP complete) 問題, 除了利用專門用於最佳化求解的軟體 ( 如 :ILOG CPLEX) 外, 並沒有一種既準確又快速 ( 多項式時間 ) 的求解演算法 假定此場拍賣共有 3 個 MVNO 來競標 5 個頻道, 以下為 MVNO 的標單資訊 : MVNO-1:($600,$1100,$1500,$1800) MVNO-2:($400,$900,$1500) MVNO-3:($500,$1000) 選標的結果為 MVNO-1 對 2 個頻道的標金 $1100 加上 MVNO-2 對 3 個頻道的標金 $1500, 總和 $2600 的標金組合能為 MNO 帶來最大的收益 因此最後結果為 MVNO-1 贏得 2 個頻道,MVNO-2 贏得 3 個 在 小節說明得標的 MVNO 36

51 該支付多少標金 得標者支付標金規則 本小節針對兩種常見的標金支付規則進行介紹並說明為何會選擇贏家支付 次高價的模式 儘管支付最高價模式能最大化 MNO 的收益, 計算支付金額的演算法也相對簡單許多, 但是在單一回合的拍賣機制下, 對參與競標的 MVNO 來說, 在支付最高價的模式下, 要能快速決定其投標金額是不容易的 反之, 採用得標者支付次高價的模式, 以頻道的真實價值來投標經過證明是投標的最佳策略 (Optimal Bidding Strategy), 標金的決定相對簡單不少, 較適合短時段頻譜市場的發展 針對支付次高價不能保證 MNO 收益的缺點, 我們也可透過設定頻道底價 (Reserve Price) 的方式, 保證 MNO 該有的收益 關於計算複雜度的討論,[JZZ09] 對兩種支付模式進行分析, 支付次高價的模式必須多解一次最大化收益的背包問題, 複雜度相對較高 以使用者的角度來看, 越多服務提供者共同競爭的市場是使用者所樂見的, 代表著服務的品質或收費會隨著良性的競爭將有益於使用者 在增進社會福祉這一部分, 根據 [Aus97] 的證明, 依次高價格付款所帶來的社會福祉是高於依競標價格付款的 表 3. 1: 標金支付規則比較分析表 依最高價格付款 (Pay First Price) 依次高價格付款 (Pay Second Price) 最大化 MNO 收益 [AbG07] 是否 根據商品真實價值投標 [HoL08] 否 是 37

52 演算法複雜度 [JZZ09] 較低高於依競標價格付款模式 增進社會福祉 [Aus97] 否是 缺點 1. 贏家詛咒 2. 容易造成市場壟斷 1. 容易有共謀情形發生 2. 演算法複雜度高 以下, 沿用 小節的例子, MVNO-1:($600,$1100,$1500,$1800) MVNO-2:($400,$900,$1500) MVNO-3:($500,$1000) 在 MVNO-1 贏得 2 個頻道,MVNO-2 贏得 3 個的情況下, 計算得標的 MVNO 所需支付的標金為多少, 所採用的規則是得標者須支付其對其他競標者所造成的損失 : (1) MVNO-1:(MVNO-2 及 MVNO-3 競標 5 個頻道的得標金額 )-(MVNO-2 及 MVNO-3 競標 3 個頻道的得標金額 ) =1000 (2) MVNO-2:(MVNO-1 及 MVNO-3 競標 5 個頻道的得標金額 )-(MVNO-1 及 MVNO-3 競標 2 個頻道的得標金額 ) =1400 (3) MVNO-3:(MVNO-1 及 MVNO-2 競標 5 個頻道的得標金額 )-(MVNO-1 及 MVNO-2 競標 5 個頻道的得標金額 ) =0 ( 未得標 ) 簡單介紹並以例子測試所採用的拍賣機制後, 將在 4.3 節頻譜仲介者的系統 模型中, 建利贏家判定及標金支付的數學模型 38

53 第四章 頻譜拍賣市場數學模型建構與分析 本章針對第三章中的短時段頻譜拍賣市場架構設計建立數學模型, 並進行分析討論 根據 NCC 近三年 (96~98) 的統計資料 [NCC10], 雖然數據通訊呈現快速成長的趨勢, 但語音通訊占電信事業總營收比例仍高達 59%, 數據通訊則為 13%, 因此數學模型乃針對主要提供語音服務的 GSM 系統來進行設計 建模的重點是希望藉由 MNO MVNO 及頻譜仲介者的決策模型發展成短時段自動化拍賣的系統 MNO 將出租頻道數及底價資訊交給頻譜仲介者來進行拍賣 MVNO 的數學模型能藉由使用者需求估算所需頻道數, 並透過標金決策模型產生可投標金額, 其中引用了不滿意度函數 (Unsatisfied Function) 來計算當使用者請求服務被拒, MVNO 該支付的賠償金額 頻譜仲介者解經由求解背包問題 (Knapsack Problem) 的模型可判定贏家及贏家該支付的標金 4.1 小節介紹空檔頻道供給端 MNO 的數學模型, 研究重點在 MNO 的目標函數及設定頻道底價所必須考慮的因素 ;4.2 小節為拍賣競標者 MVNO 的數學模型, 包含有頻道需求 競標行為及標金決策模型, 並根據 MVNO 經營無線通訊的相關數據以簡單的例子試算投標金額 ;4.3 小節則為頻譜仲介者的贏家判定及支付次高價的數學模型, 並以 4.2 小節算出的標金資訊代入求得此回合拍賣的結果 39

54 4.1 MNO 底價設定問題 本論文研究僅考慮市場中存在單一 MNO 的情況, 其目標函數為出租空檔頻道所能帶來的收益減去出租頻道後所造成的損失大於零 論文中假設 MNO 所提供的頻道是完全未使用且為同質性 (Homogeneous) 的, 出租這些頻道所帶來的收益相對頻道閒置的情況為額外增加的, 出租頻道成本的計算需考慮基地台運轉成本 維修成本 頻道執照使用租金等, 總合為基本營運成本, 針對不同的通訊系統如 GSM 3G, 在成本計算上將會有所不同, 本論文研究以 GSM 系統為主要設計目標 首先定義符號如下 : n c :MNO 供應頻道數 ( 頻道 ); R:MNO 供應頻道底價 ($/ 頻道 ); T:MNO 頻道出租週期 ( 小時 ); b:mno 出租單一頻道的基本營運成本 ($/ 小時 ); 單一回合拍賣中 MNO 必須將其可出租的頻道數 (n c ) 底價 (R) 及頻道出租週 期 (T) 等資訊告知頻譜仲介者進行拍賣 MNO 必須提供的資訊還包括了傳輸功率 及頻道的涵蓋範圍等 由於考慮的是短時段頻譜市場, 本論文研究採用的方式為若是某頻道以底價出租, 此出租價格必須大於提供此頻道給 MVNO 的所有基本營運成本 (b), 在此情況下可確保 MNO 的獲利大於 0 因此 MNO 決策的目標為如何準確估算 b 後, 設定 R > b T (4.1) 並將 R 及 S 資訊提供給頻譜仲介者 至於底價的上限設定的考量,MNO 可經由 單一頻道呈現滿載情況所能帶來的收益來決定, 細節的部份本論文將不深入討 40

55 論 4.2 MVNO 投標決策模型 MVNO 決策的最終輸出是欲標租的頻道數及其投標金額 決策數學模型包含有客戶頻道需求 出價策略 客戶需求被阻隔機率和客戶的效用函數等, 將在以下小節一一建構 首先定義符號如下 : N: 參與競標的 MVNO 數目 ; i:mvno 註標,i=1, 2,, N; T: 頻道出租週期 ( 小時 ); S: 出價策略集合,S={a( 積極 ), n( 中庸 ), c( 保守 )} E s :MVNO 使用策略 s S 之期望獲利比率 (%); N i :MVNO-i 客戶數 ( 人 ); λ i :MVNO-i 客戶的平均服務需求率 ( 通 / 小時 ); T i :MVNO-i 客戶的平均服務需求時間 ( 分鐘 ); ω i :MVNO-i 提供服務所收取費率 ($/ 分鐘 ); R i,j :MVNO-i 對 j 個頻道的期望收益 ($); RC i :MVNO-i 的營運支出 ($); C: 單一頻道容納使用者數目 ( 人 ); J i :MVNO-i 的頻道需求數 ( 頻道 ); α i,j :MVNO-i 對 j 個頻道所投出的標金 ($); β:mvno 支付頻譜仲介者的佣金比例 (%); b i,j :MVNO-i 以 j 個頻道提供服務的阻隔機率 ; U i,j (b i,j ):MVNO-i 以 j 個頻道提供服務的客戶效用函數 ; p i,j :MVNO-i 以 j 個頻道提供服務, 效用函數相對的懲罰金額 ($); 41

56 4.2.1 客戶頻道需求模型 參與競標的 MVNO 其首要任務為決定需要多少頻道來提供服務給客戶群 在本小節中, 討論兩種無線接取技術 (GSM 系統及 3G 系統 ) 下 MVNO 該如何估 算所需頻道數 (a) 3G 系統 在 3G 系統不論是 WCDMA CDMA2000 或 TDS-CDMA, 都是以 CDMA(Code Division Multiple Access) 的技術為基礎所研發出來的 本小節引用 [GJP91] 的公式 來估算單一細胞內可提供服務給多少個使用者,MNO 估算其單一細胞下可服務 的使用者數目 L 為 W r η L = 1 + (4.2) Eb P N 0 其中令每個使用者使用服務的傳輸功率為 P,W/r 為 Processing Gain,E b /N 0 為 Bit Energy to Noise Density Ration,η 則為系統背景雜訊 (background noise) MNO 提供 L 及單一細胞使用頻道數 (n s ) 資訊給 SB 及 MVNO,MVNO 再經由 比例計算需要競標多少頻帶資源 J i 如下式 Ni L (b) GSM 系統 : N L i J i = ( ) n s (4.3) 系統採用分時多工接取 (Time Division Multiple Access,TDMA) 的調變技術將一個頻道分為 8 個時槽 (Time Slot), 讓 8 個使用者在 4.615ms 的週期中輪流使用頻道, 因此設定單一頻道的容量 C 為 8 根據平均訊務量的公式[StP01] 可推得下一出租週期所需的頻道數 J i 為 NiλiTi Ji = C (4.4)

57 其中 N i 代表 MVNO-i 所擁有的客戶數, 而每個顧客在頻道出租週期中的平 均請求服務次數經驗值為 λ i, 每個顧客單次使用服務的時間為 T i MVNO 出價策略模型 假設在第三章所規劃的單一回合 密封標拍賣機制下, 投標者無法獲得其他 競標者的私有資訊 (Private Information), 只能以本身對頻道的鑑價及可運用的資 金來進行投標, 包含頻道需求數及標金 假設理性投標者的出價策略 (Bidding Strategy) 依所期待的營收利潤百分比的低 中 高, 分為積極 (Aggressive) 中庸(normal) 及保守 (Conservative) 三種 當頻道數量及鑑價相同時, 積極出價的競標者願意從預算 (Budget) 中拿出較多的部分當作競標金額, 在決策模型中設定其預期獲利比率 (Expected Profit Rate) 較低 設定積極出價者其期望獲利比率 (Expected Profit Rate) 為 E a ; 中庸出價者則是依照願意支付的金額或是認為拍賣品的價值是多少, 就依照心中的真實價格來出價, 設定期望獲利比率為 E n ; 保守出價者的策略則是跟積極出價者相反, 設定期望獲利比率為 E c 則三者的期望獲利比率關係為 E a (%) < E n (%) < E c (%) (4.5) 另外, 本論文研究假設參與競標的 MVNO 皆為理性投標者, 在保證其獲利為正的情況下, 期望獲利比率皆大於 0, 因此並不會出現以過高的投標金額來競標頻道的情況 標金決策模型 在分析了所需的頻道數及競標策略後, 下一步驟為對 MVNO 決定投標金額 來進行建模 假定參與競標的 MVNO 皆期望利潤大於 0 亦即 43

58 利潤 (Profit)= 對使用用者提供服務務所得收益 (Revenue) ( 營運成本 + 取得頻道道租金 + 取得頻頻道後支付付給頻譜仲介介者佣金 + 對客戶違約約所支付罰金 )(Cost)>0 標購購頻道數越越多, 使用者者請求服務時時被阻隔的的頻率就越越低, 收益將將會增高, 但標購成成本也相對對增加,MVNO 必須對對標購頻道數數及標金做做決策 現根據 2. 4 節 MVNO 的商務模模型詳細分析析建模如下 : (a) 對使用者者提供服務務所得收益設 MVNO-i 每一一使用者在頻頻道出租週週期平均使用用服務次數數為 λ i, 平均均每次使用時間間為 T i, 而所所收取的服服務費率為 ω i 若 MVNO-i 共有 N i 個使用者, 則在標得 j 個頻道後的的平均收益 R i,j 可計算算如下 : R i, j = N i λ i T i ω i ( 1 b i, j ) (4.6) 其中 b i,j 為 MVNO-i 以 j 個頻道提提供服務時, 使用者請求求服務時被被阻斷的機率, (1-b i,j ) 則是是代表服務可可被接取的的機率 請求服服務被阻隔隔機率估算模模型乃是將 [Mil02] 中以 Engset Formula 推導導的公式延伸為為單一頻道道可供 C 個使使用者使用用情況, 在圖圖中 MVNO-i 有 N i 個使用者, 以 j i 個頻道來提提供服務, 客戶請求服務被阻隔隔機率如下下式 : 圖 4. 1: 阻隔機率分分析模型 44

59 b i, j = C jc n = 0 Ni jc C ( Ni n λi ( Ti) λi jc Ti) n (4.7) (b) 營運成本 + 取得頻道租金 + 取得頻道後支付給頻譜仲介者佣金 + 對客戶違約所支付罰金令 MVNO-i 的營運成本為 RC i, 取得 j 個頻道的租金為 α i,j, 支付給頻譜仲介者的的佣金為租金成上固定佣金比例 α i,j β (b.1) 使用者服務不滿意度模型 : 在建構完使用者請求服務被阻隔的公式 後, 以 S curve 估計在某阻隔機率之下其相對的客戶不滿意指數 1 Dissatisfaction Blocking Probability 圖 4. 2: 阻隔機率相對應之使用者不滿意函數 使用者不滿意函數如下 : D i, j 1 = f ( b i, j) = A ( b i, j B ) (4.7) 1 + e 其中 A,B 為常數, 調整在阻隔機率與不滿意度指標的相對應關係, 在所建立的系統模型中, 取 A=6,B=0.5 亦即當阻隔機率為 0.2 時, 相對的不滿意度指標為 0.18 左右 45

60 (b.2) 對客戶違約所支付罰金 :MVNO 無法滿足客戶服務需求所造成的損失採用支付懲罰金額的模式來表示, 計算公式為不滿意函數乘上一常數 ε 及客戶數 N i, 其中 ε 在頻道被高度需求時將會有較高的值 MVNO-i 利用 j 個頻道來提供服務所需支付的懲罰金額 p i,j 為 p i, j Ni Di, j = ε (4.8) 說明了影響收益及花費的因素後, 可以推得 MVNO-i 的期望投標獲利為 profit = R β, i, j α i, j α i, j RC i p i j (4.9) 假定 MVNO-i 為類型 s S 的投標者, 其期望獲利比率為 E s %, 則可透過期望獲利比率建立出價策略與標金價格 α i,j 之間的關係可以推得 MVNO-i 的獲利為 profit = R β, i, j E s = R i, j α i, j α i, j RC i p i j (4.10) 將 (4.6)(4.7)(4.8) 代入 (4.10) 並整理得 MVNO-i 對 j 個頻道的投標金額 α i,j 為 αi, j = Ni λi Ti ωi ε Ni ( 1 bi, j) (1 Es) RC i A( bi, j B ) 1 + e 1 + β (4.11) 範例 以 GSM 系統為例,MNO 提供 5 個同質性頻道由頻譜仲介者來進行拍賣, 每個頻道可以容納 8 個使用者 (C=8), 而參與競標的 MVNO 共有 3 個, 以下以簡單例子來測試所建立的 MVNO 決策模型 表 4. 1 列出參與短時段頻譜拍賣的 MVNO 決定頻道需求數及投標金額的所需資訊, 所做的假設為當 MVNO 所擁有的客戶數目越多, 根據 (4.8) 式其競標策略會偏向積極出價, 以避免付出高額懲罰金額 表 4. 1:MVNO 營運數據表 MVNO-1 MVNO-2 MVNO-3 46

61 競標策略積極出價正常出價保守出價 期望獲利比 (%) 10% 15% 20% 客戶數 ( 人 ) 請求服務比 ( 通 / 人 * 時 ) 使用服務時間 ( 分 / 通 ) 通話費率 ($/ 時 ) 基本營運支出 ($/ 時 ) 支付仲介者佣金比 (%) 5% 完成表 4. 1 後, 依序開始估算 MVNO-i 所需的頻道數 J i 阻隔機率 b i,j 收益 R i,j 不滿意度指標 D i,j 所需支付罰金 p i,j 及投標金額 α i,j 結果整理如下, 詳細計算過程請參與附錄 B MVNO-1 MVNO-2 MVNO-3 1 個頻道 b 1,1 = R 1,1 = D 1,1 = p 1,1 = α 1,1 = 個頻道 b 1,2 = R 1,2 = D 1,2 = p 1,2 =164 α 1,2 = 個頻道 b 1,3 = R 1,3 = D 1,3 = p 1,3 =45.7 α 1,3 = 個頻道 b 1,4 = R 1,4 = D 1,4 = b 2,1 = R 2,1 = D 2,1 = p 2,1 = α 2,1 = b 2,2 = R 2,2 = D 2,2 = p 2,2 =71.12 α 2,2 = b 2,3 = R 2,3 = D 2,3 = p 2,3 =22.48 α 2,3 = b 3,1 = R 3,1 = D 3,1 = p 3,1 = α 3,1 = b 3,2 = R 3,2 = D 3,2 = p 3,2 =23.46 α 3,2 =

62 p 1,4 =25.4 α 1,4 = 在本例中共有三個參與拍賣的 MVNO, 經過頻道需求模型的計算,MVNO-1 MVNO-2 及 MVNO-3 對頻道的需求分別為 個, 考慮多項影響投標金額因素後, 最後的標單資訊為下 : MVNO-1:($117.74,$1018.1,$ ,$ ) MVNO-2:($272.77,$1131.9,$ ) MVNO-3:($414.93,$ ) 4.3 頻譜仲介者選標決策模型 當頻譜仲介者收到所有 MVNO 的標單資訊後, 其任務為決定本回合拍賣的 贏家及其所需支付的標金資訊 選標模型 : 贏家判定規則 本論文贏家的判定是挑選出總額最大的標金組合, 透過與標金支付方式的配套設計, 期望能將頻道分配給最希望得標之 MVNO 而頻譜仲介者從最大標金總和中抽取 MNO 及 MVNO 該給付的佣金比例 定義本小節所使用到符號如下 : N: 參與競標的 MVNO 數目 ; n c :MNO 供應頻道數 ( 頻道 ); π b : 頻譜仲介者收益 ($); J i :MVNO-i 的頻道需求數 ( 頻道 ); x i,j : 頻道分配指標, 分配 j 個頻道給 MVNO-i; α i,j :MVNO-i 對 j 個頻道所投出的標金 ($); β:mvno 支付頻譜仲介者的佣金比例 (%); 48

63 γ:mno 支付頻譜仲介者的佣金比例 (%); i 頻譜仲介者從標金總合可抽取的佣金為 N J i= 1 j= 1 xi, j i, j ( β + γ ) α (4.12) 頻道分配決策變數 x i,j 為 0 或 1 的整數 : x i, j {0,1 } (4.13) 每一買家只能獲得一種頻道分配 : 總頻道數分配限制 : N Ji i= 1 j= 1 x Ji j= 1 j n xi, j 1, i (4.14) i, j c (4.15) 受限於 (4.13) (4.14) 及 (4.15), 頻譜仲介者的決策模型如下 : i = π b Max xi, j αi, j ( β + γ ) (4.16) x i, j N J i= 1 j= 1 求解後的 x i,j 即代表 MVNO-i 贏得了 j 個頻道 在 小節所產出的 3 個 MVNO 標單資訊如下 : MVNO-1:($117.74,$1018.1,$ ,$ ) MVNO-2:($272.77,$1131.9,$ ) MVNO-3:($414.93,$ ) 將標金資訊帶入 (4.16), 限制式為 (4.13) (4.14) 及 (4.15), 解得此場拍賣的選標結果為 MVNO-1 拿走了 3 個頻道 (x 1,3 =1),MVNO-2 拿走了 2 個頻道 (x 2,2 =1) 求解 MVNO-1 及 MVNO-2 分別該支付多少標金的標金支付規則將在下一節進行建模 贏家標金支付問題建模 在 小節比較兩種支付標金規則後, 本論文採用支付次高價格的模式 對參與競標的 MVNO 來說, 以頻道對其的真實價值來投標為此模式下的最佳策 49

64 略 (Optimal Strategy) 在多個頻道同時進行拍賣時, 根據支付次高價格的概念, 贏家該支付的金額為其對其他競標者所造成的損失, 以下先定義建模所用到的符 號 : Ν: 參與競標的 MVNO 數目 ; n c :MNO 供應頻道數 ( 頻道 ); j i :MVNO-i 贏得頻道數 ( 頻道 ); j k :MVNO-k 贏得頻道數 ( 頻道 ); α k,j :MVNO-k 對 j 個頻道所投出的標金 ($); y k,j,z k,j : 頻道分配指標, 分配 j 個頻道給 MVNO-k; J k :MVNO-k 的頻道需求數 ( 頻道 ); 經過贏家判定機制的選標結果,x i,j 代表 MVNO-i 贏得了 j i 個頻道, 其該支付的標金為 A-B, 而 A B 分別為代表求解背包問題的最大值,A 為除了 MVNO-i 之外的其他競標者競標 n c 個頻道所帶來的最大收益 : Max y k, j N J k k= 1, k i j= 1 y k, j α k, j (4.17) 頻道分配決策變數 y k,j 為 0 或 1 的整數 : y k, j {0,1 }; 每一買家只能獲得一種頻 道分配 : Jk j= 1 yk, j 1, k, k i ; 以及總頻道數分配限制 : yk j j nc N J k k= 1, k i j= 1, B 為除了 MVNO-i 之外的其他競標者競標 n c -ji 個頻道所帶來的最大收益 : N Jk Max zk, j αk, j zk, j k= 1, k i j= 1 (4.18) 頻道分配決策變數 z k,j 為 0 或 1 的整數 : z k, j {0,1} ; 每一買家只能獲得一種頻 50

65 道分配 : 限制 : N Jk j= 1 k= 1, k i j= 1 zk, j 1, k, k i ; 以及扣除 MVNO-i 所標得頻道 j i 的總頻道數分配 J k N k, j j nc ji (4.18) 搭配以上限制式等同於 xk, jk α k, jk, k= 1, k i z 也就是在 小節贏得頻道的競標者其投標金額總和 延續 小節的範例,3 個參與競標的 MVNO 其標單資訊為下 : MVNO-1:($117.74,$1018.1,$ ,$ ) MVNO-2:($272.77,$1131.9,$ ) MVNO-3:($414.93,$ ) 在 小節的選標結果為 MVNO-1 贏得了 3 個頻道 (x 1,3 =1,j1=3),MVNO-2 則是贏得了 2 個頻道 (x 2,2 =1,j2=2), 將標單資訊及選標結果帶入標金支付模型計算贏家該支付的標金, 其結果為 MVNO-1 支付 $ ,MVNO-2 支付 $ 由結果可以發現, 贏家所需支付的金額皆稍低於投標的金額 51

66 52

67 第五章 短時段頻譜交易平台實做及模擬結果分析 本論文研究在第三章設計了適合短時段頻譜交易的單一回合密封標 贏家支付次高價格的拍賣機制 ; 第四章則針對 MVNO 的標金決策及頻譜仲介者的贏家判定 標金支付規則進行建模 本章將介紹所架設的短時段頻譜拍賣 (SISA) 系統平台, 並將所設計的使用者數學決策模型寫入平台以供數值模擬或人為決策實驗之用 5.1 拍賣平台簡介 在此拍賣平台, 預期會有三種主要的模式供使用者來選擇 : 自動競標模式 監理人模式與操作模式 (1) 自動競標模式 (Automation Mode): 將根據所提出的模型, 系統自動模擬單一回合短時段拍賣進行的流程 MVNO 的模擬部分, 系統根據自動產生需求資訊 (Demand Information), 透過需求模型 (Demand Model) 決定需要多少頻道來提供服務給使用者, 再根據標金決策模型 (Bid Decision Model) 決定該投出多少金額來競標 仲介者的部分, 則是負責相關資訊 ( 如 : 參與競標人數及供應頻道數 ) 及控制拍賣進行的流程, 最後根據選標模型 (Bid Selection Model) 判定此場拍賣的贏家為誰 (2) 監理人模式 (Supervision Mode): 在此種模式之下, 會依據我們所建立的決策模型快速幫參與競標的 MVNO 決定所需的頻道數及要投的標金, 與 53

68 自動競標模式不同的是競標者可對系統所產生的數值做修改, 並選擇是否要用模型計算出的標金值來投標 (3) 競標者操作模式 (Manual Mode): 同樣以單一回合密封標的拍賣機制, 設計一完全由競標者自由主導的拍賣系統, 將不會跟之前所討論的競標者決策模型有任何關聯 系統架構 : 硬體及軟體需求 在平台實做部分, 建構一可以讓多個 MNO 及 MVNO 來進行交易的網路介面 整體系統的主要由一網路伺服器 (Server) 及資料庫 (Database) 構成, 使用者所看到的網路介面則是利用 Adobe Flash CS4 來設計, 並控制整個拍賣的流程, 與資料庫的連結則是透過 PHP 伺服器端語言, 並將每一回合的拍賣結果儲存在資料庫, 以進行多回合後的模擬結果分析 系統架構如圖 5. 1 所示 : 圖 5. 1: 短時段頻譜拍賣實做平台架構圖 總結所使用到的硬體設備, 硬體部分就是一台當作伺服器桌上型電腦, 同時做為資料庫存放使用者投標資料的 另外還有三到四台讓 MNO 及 MVNO 用來模擬真實參與競標所使用的筆記型電腦 軟體的部分, 則是用到架設伺服器的 Apache 建立資料庫的 MySQL( 如圖 5. 2) PHP 及 Adobe Flash CS4 54

69 圖 5. 2: 競標平台資料庫管理介面 5.2 拍賣實例測試與展示 :3 個競標者 自動競標模式 我們將以自動競標模式來模擬 3 個 MVNO 競爭 3 個頻道的拍賣進行過程, 以下將分多個步驟來說明平台流程 : 步驟 1: 拍賣主持人進行資料庫初始化 (Initialization) 的動作, 待資料庫初始化完成後, 即可輸入參與拍賣的競標者數目 圖 5. 3: 拍賣主持人進行資料庫重整及初始設定介面 55

70 步驟 2: 拍賣主持人在設定完畢後, 進入等待競標者完成投標的程序 圖 5. 4: 拍賣主持人等待競標者投標介面 步驟 3:MNO 登入拍賣系統後, 即可輸入出租的頻道數及單一頻道容納使用者 數目 圖 5. 5:MNO 登入介面及出租頻道資訊輸入介面 步驟 4:MVNO 登入拍賣系統後, 共有自動 監理人及競標者操作三種模式可以 選擇, 選擇自動模式來模擬 圖 5. 6:MVNO 登入介面及模式選擇 56

71 步驟 5: 隨機產生標金決策的相關資訊, 包含有 : 競標行為 客戶數 (Random) 服務請求次數 (Poisson) 使用服務持續時間 (Exponential) 等 圖 5. 7: 系統自動產生投標所需的相關資訊 步驟 6: 根據 小節的需求模型計算出每個 MVNO 的所需頻道數 圖 5. 8: 競標者所需頻道數展示介面 步驟 7: 由產生的需求資訊, 根據 小節的 MVNO 標金決策模型計算不同頻 道數目相對應的標金資訊 圖 5. 9: 多個需求頻道數相對應的標金資訊 57

72 步驟 8: 拍賣主持人在接收到所有競標者的標金資訊後, 進行贏家判定及標金 支付的計算 圖 5. 10: 贏家判定及標金支付操作介面 步驟 9: 拍賣主持人公佈拍賣結果給所有競標者 圖 5. 11: 單一回合拍賣結果顯示介面 整個單一回合密封標的拍賣進行過程即為步驟 1 到步驟 9 模擬的主要目的為以拍賣主持人及 MVNO 的決策模型進行自動化的短時段同質性頻道拍賣 因此, 拍賣流程的模擬重點可分為以下兩部分 : (1) 拍賣主持人 : (1.1) 拍賣開始前的資料庫重整及初始設定 (1.2) 拍賣開始後主導拍賣流程的角色 58

73 (1.3)MVNO 結束投標後, 進行選標並公佈拍賣結果 (2) MVNO (2.1) 根據經營無線通訊服務的訊務量, 由頻道需求模型計算所需頻道數 (2.2) 根據所建立的競標行為及標金決策模型, 計算出不同頻道數的標金資訊 (2.3) 完成投標並等待結果發佈 監理人模式 接續圖 5.9, 在監理人模式之下,MVNO 可修改所需的頻道數及標金資訊, 如下圖, 模擬結果為需求頻道數為 3, 標金資訊為 ($3561, $7859, $10007),MVNO 若是想提高或降低標金, 甚至是改變欲標的頻道數, 可在 Bid Price Input 這行直接輸入 圖 5. 12: 監理人模式之下, 修改投標資訊介面 競標者操作模式 在此模式之下,MVNO 直接輸入其欲標的頻道數及標金資訊, 如下圖 : 59

74 圖 5. 13: 競標者操作模式介面 5.3 自動化模式模擬結果分析 為了分析短時段頻譜拍賣的結果, 以 SISA 平台進行 30 回合的模擬, 在完成了每一回合的拍賣模擬後, 會將所有 MVNO 客戶的訊務量 標金決策相關資訊以及拍賣結果存到資料庫 (round_result) 裡 主要的分析項目可分為下列三項 : (1) 三種競標行為的 MVNO, 其獲得頻道的比率目的 : 模擬短時段頻譜拍賣中, 不同 MVNO 有不同競標策略的真實情況 參數設定 : 假定 MVNO 皆為理性投標者 ( 預期獲利比率皆大於 0), 將三個參與競標的 MVNO 分類為積極出價 正常出價與保守出價, 並設定其預期獲利比率分別為 10% 20% 與 30% 預期結果 : 固定預算下, 預期獲利比率低相對有較多的資金可用來投標, 代表著積極出價的競標行為 因此, 預期願意用較多資金來投標的 MVNO 會贏得較高比例的總頻道數 結果分析 : 不管供應頻道數的多寡, 積極出價的 MVNO 能贏得較高的供應頻道比例 60

75 Percentage of Total Channel Conservative Normal Aggressive Number of Supply Channel 圖 5. 14: 三種競標行為贏得頻道比率分析 (2) 依競標價格付款 (First Price) 與支付次高價格 (Second Price) 之總收益比較目的 : 過去的文獻證明依競標價格付款所帶來的收益會大於支付次高價格, 驗證 SISA 平台上贏家支付標金計算結果與其符合 參數設定 : 以相同的標金資訊經贏家判定後, 分別計算贏家該支付的金額 預期結果 : 不論是在總體收益或是單一頻道所帶來的收益, 依競標價格付款所帶來的收益會大於支付次高價格 結果分析 : 與預期結果相符 由於在模擬進行過程中並沒有設定頻道的底價, 從圖 可以發現儘管提供的頻道數增加, 整體的總收益不一定會隨之增加 因此, 採用了贏家支付次高價格的模式,MNO 必須為提供出租的頻道設定底價以保障該有的收益 61

76 Total Revenue to MNO 4 x Pay the First Price Pay the Second Price Number of Supply Channel 圖 5. 15: 兩種標金支付機制之總收益比較 Total Revenue of MNO Pay the First Price Pay the Second Price Number of Supply Channel 圖 5. 16: 兩種標金支付機制之單一頻道收益比較 (3) 支付次高價格情況下, 不同市場競爭程度對總收益的影響目的 : 根據 [AbG07] 提出的解釋, 在較低競爭的市場, 由 VCG 做為拍賣機制來進行交易, 對於賣家的收益有偏低的現象 因此將以不同競爭強度的市場實際模擬 參數設定 : 分別以 3 個競標者跟 5 個競標者代表不同競爭強度的頻譜拍賣市場 預期結果 : 根據贏家支付次高價的概念, 贏家所需支付的金額為其造成其他競標者的損失 本例中, 贏得頻道的 MVNO 對其他競標者造成的損失將會隨著 MVNO 數目增加而提高 結果分析 : 在各種不同出租頻道數的情況下, 競爭激烈的市場所帶來的 62

77 收益是較高的 值得注意的是, 當供應的頻道數越多, 也是一種代表市 場競爭強度下降的現象, 因此 MNO 的總收益有逐漸下降的趨勢 bidders 3 bidders Total Revenue to MNO Number of Supply Channel 圖 5. 17: 支付次高價格機制下不同市場競爭強度收益比較 63

78 第六章 結論與未來研究方向 6.1 結論 無線通訊技術的快速發展使得頻帶的需求也隨之提升, 本論文研究如何在有限的頻譜資源下, 藉由次級頻譜市場的發展, 讓整體的使用效率獲得進一步的提升, 主要貢獻有以下五個部分 : 1. 進一步分析佐證短時段頻譜交易市場需求存在分別短時段頻譜空檔的供給和需求來分析, 在供給端方面, 實地進行 GSM 及 3G 系統頻譜使用率的量測, 於尖峰時間存在 25~70% 空檔頻帶, 針對這些空檔頻帶進一步分析其空檔持續的週期, 最後結果顯示其空檔週期持續約數十分鐘至一小時, 在以小時為單位的短時段頻譜市場有再次利用的價值 需求端方面, 除了探討電子書下載 預付卡 智慧傳輸系統 (ITS) 及其他只需短時間占用頻帶的服務, 微型基地台 (Femto cell) 的發展也成為 MVNO 提供另一種應用服務的商機, 在動態頻譜接取 (Dynamic Spectrum Access) 及感知無線電 (Cognitive Radio) 技術的支援下, 利用短時段頻譜空檔來發展頻譜交易市場是大有可為的 2. 採用 [HHL09] 所提出之短時段頻譜交易市場架構與商務模型, 針對其中仲 介者角色提供設計的學理基礎 這一部分是探討以 MNO MVNO 及頻譜仲介者為主的市場架構及商務模型 64

79 列舉了三種常見的 MNO 與 MVNO 經營型態後, 針對短時段頻譜交易的需求, 以歸屬為第一類電信業者的 MVNO 為我們的研究目標 至於頻譜仲介者的角色設定, 除了分別從資訊傳遞 機制複雜度及交易成本三個面向來分析之外, 更依據 Williamson 所提出的市場架構與有效管理概念來提供頻譜仲介者角色設計的學理基礎以求周延嚴謹 [Wil86] 3. 應用 VCG 拍賣機制於短時段 同質性頻道 單一回合密封標頻道拍賣以使競標者依真實鑑價投標, 而將頻道分配給最需求者交易市場中拍賣的頻道其空檔週期是以小時為單位, 因此選定單一回合密封標的模式以快速分配頻道給參與拍賣的贏家, 設計的重點則包含有贏家判定及標金支付規則 贏家判定, 利用解最大化收益的背包問題 (Knapsack Problem), 能帶給 MNO 及頻譜仲介者最大收益的競標者組合即為此回合拍賣的贏家, 此外, 也達成經濟學上的有效分配商品目標, 將頻道分配給需求最大的競標者 標金支付規則, 對支付最高價及支付次高價進行分析後, 採取依真實鑑價投標為最佳策略 (Optimal Strategy) 的支付次高價格的模式, 讓競標者能依頻道的真實價值來參與投標 採用此種支付次高價規則可迫使 MVNO 不需考慮其他 MVNO 的競標策略, 專注在估算頻道對自身的價值, 標金決策模型複雜度較低以達到短時段頻譜拍賣的需求 4. 分析證實理性的競標者最佳競標行為是按個人對頻道的鑑價採用依頻道邊際效益遞增的出價競標競標參與者的決策模型主要以 MVNO 的頻道需求模型 競標行為模型及標金決策模型為主 頻道需求模型, 依據 MVNO 所有客戶的訊務量如服務請求次數及服務使用時間來估算下一回合所需的頻道數 競標行為模型, 將所有參與競標的 MVNO 分類成三種投標行為 : 積極出價 正常出價及保守出價, 分別對應 65

80 不同大小的期望獲利比率, 以模擬各種投標行為的競標者 標金決策模型, 採用 Erlang-C 公式來估算 MVNO 以某頻道數提供服務給終端使用者的阻隔機率 根據阻隔機率可推算相對應的效用函數以估算提供無線通訊服務的品質 (Quality of Service,QoS), 再利用 QoS 計算相對應的懲罰金額, 衡量各種支出情況後推算出下一回合欲投標的金額, 此金額即代表 MVNO 對頻道的真實鑑價 5. 建置短時段頻譜拍賣 (SISA) 平台以供自動化或人為決策的拍賣實驗驗證完成了拍賣機制和參與者決策模型後, 利用 Flash PHP 及 MySQL 將所設計的拍賣機制設計到短時段頻譜拍賣 (SISA) 平台上 平台上搭載著多種可供選擇的模式, 包含了自動競標 監理人及競標者操作模式, 而我們將重點放在自動競標模式, 藉由所建立的參與者決策模型模擬短時段頻譜拍賣的進行 最後, 針對多回合的模擬結果進行分析, 得到以下三個結果 : a. 所建立的競標行為模型中, 積極出價者有較高機率贏得所需頻道數 b. 在贏家支付次高價格的設定下,MNO 須設定頻道底價以保障基本收益 c. 在競爭激烈的市場, 能改善支付次高價格收益偏低的現象 6.2 未來研究方向 在本論文的短時段頻譜拍賣研究中, 主要是針對 MVNO 及頻譜仲介者之間的單邊拍賣機制來設計, 未來尚有待深入研究的課題有下列項目 : 1. 分析業者投資短時段頻譜交易市場意願本論文研究從供給和需求端探討短時段空檔頻道對 MNO 及 MVNO 而言, 是否有被再次利用的價值, 並未從其長期投資此塊無線通訊產業能否從中獲利進行討論, 未來的研究可建立其長期營運模型來分析討論 66

81 2.MNO 系統建模及 MVNOs 間的賽局問題本論文研究並未在 MNO 與頻譜仲介者之間的資訊傳遞做詳盡的分析討論, 是採用將 MNO 所提供的頻道視為同質性由頻譜仲介者來進行拍賣 其系統決策模型必須加入頻道底價決策要素及其參與拍賣的主要目標函數等, 才能將單邊拍賣發展成雙邊的拍賣, 較符合市場存在多個 MNO 的頻譜交易問題 此外, 多個 MVNO 在參與競標時, 是否會考慮對手的出價策略來調整欲投標的金額也是值得深入研究的議題 3. 多種技術共存之頻寬共享目前所討論的情境為單種技術下的頻譜共享, 在動態頻譜接取及感知無線電技術的發展下, 期望能將目前的頻譜分享機制拓展成多種技術共存的情況, 例如 : 同為 OFDMA 調變技術的 WiMAX 及 LTE 不同調變技術的 WiFi(CSMA) 及 WiMAX(OFDMA) 等 在這樣的情況下, 多種技術在某一頻帶上共享, 干擾及使用者終端設備的要求都是有待解決的問題 67

82 附錄 A: 請求服服務被被阻隔機機率公式式推導 推導的過過程參考 [Mil02] 並搭配配圖 A.1,M MVNO-i 有 U i 個使用者, 平均每個個使用者者在頻道出出租週期會使使用 λ i 次服服務, 並假設設使用者在請請求服務時時若是被阻斷, 將不不會再次進進行接取的動動作, 將沒沒有等候線 (Waiting-line) 的問題, 整體的複雜雜度也將將獲得簡化化 使用者平平均單次使使用服務的時時間為 T i 圖 A.1: 阻隔機率分分析模型 在 T 時段段內, 有多少少次服務請請求的分布情情況可以用 Poisson 分布來模擬, 即為 : (λ i T ) Pr{n calls arrival in T}= n! 在增量間間隔 dt 時段內, 出現單單次服務請求求的機率為 : Pr{1 call arrival in dt}= λi dt n e λ it (A.1) (A.2) 當某一頻頻道被使用者者占據後, 其在此頻道道結束服務務的機率為 : 1 Pr{service completion in 1 slot in dt}= ( ) dt Ti (A.3) 而在 T 時段內, 請求求次數乘上上每次使用服服務的時間間即為總共的的話務量 : Amount of call traffic: λ iti (Α.4) 68

83 假定在系統中, 已有 k 個使用者正在使用服務中, 因此, 再繼續進行請求服務的速率變為 : i, k = ( Ni k λi (Α.5) λ ) 以 MVNO-i 為例,Pr{k,t} 則代表在時間 t,mvno-i 有 k 個使用者在系統中的機率, 引用 [Mil02] 的推導步驟可得下式 : Pr{0, t + dt} 1 = (1 λ i,0dt) Pr{0, t} + ( ) dt Pr{1, t} (A.6) Ti 1 = (1 Niλi) Pr{0, t} + ( ) dt Pr{1, t} Ti Pr{ k, t + dt} 1 1 = λi, k 1dt Pr{ k 1, t} + [1 λi, kdt k( ) dt] Pr{ k, t} + ( k + 1)( ) dt Pr{ k + 1, t} Ti Ti 1 = ( Ni k + 1) λidt Pr{ k 1, t} + [1 ( Ni k) λidt k( ) dt] Pr{ k, t} Ti 1 + ( k + 1)( ) dt Pr{ k + 1, t} Ti (A.7) Pr{ ji, t + dt} 1 = λ i, ji 1dt Pr{ ji 1, t} + [1 ji( ) dt] Pr{ ji, t} Ti (A.8) 1 = ( Ni ji + 1) λidt Pr{ ji 1, t} + [1 ji( ) dt] Pr{ ji, t} Ti (A.6) (A.7) (A.8) 在穩態 (Steady State) 時,Pr{k,t}=P(k) 可得下列三式 : 1 i λ P( 0) = ( ) P(1) (A.9) Ti N i 1 1 [( Ni k) λi + k( )] P( k) = ( Ni k + 1) λi P( k 1) + ( k + 1)( ) p( k + 1) (A.10) Ti Ti 1 ji( ) P( ji) = ( Ni ji + 1) λ i P( ji 1) (A.11) Ti 69

84 ji 搭配 P( k) = 1 限制式求解可得 P(k) 如下, k= 0 P(k) = Pr{k 個頻道皆為滿載 } = C ji n= 0 Ni k C ( λiti) Ni n k ( λiti) n (A.12) 以上的推導過程中, 是假設單一頻道只能容納一名使用者, 以 GSM 系統為 例, 因為是採用 TDMA 調變技術, 將一個頻道分成了 8 個時槽 (Time Slot) 可容納 8 名使用者 (C=8) 在 4.615ms 的週期中輪流使用頻道 修正 (A.12) 公式為單一頻道 能容納 C 名使用者的情況為 P(k) = Pr{ k 個頻道皆為滿載 }= C kc n= 0 Ni kc C ( λiti) Ni n kc ( λiti) n (A.13) 70

85 附錄 B:MVNO 需求頻道與競標金額計算 表 B.1:MVNO 營運數據表 MVNO-1 MVNO-2 MVNO-3 競標策略積極出價正常出價保守出價 期望獲利比 (%) 10% 15% 20% 客戶數 ( 人 ) 請求服務比 ( 通 / 人 * 時 ) 使用服務時間 ( 分 / 通 ) 通話費率 ($/ 時 ) 基本營運支出 ($/ 時 ) 支付仲介者佣金比 (%) 5% 常數 ε 3 根據表 4. 1 依序開始估算每個 MVNO 所需競標頻道數 使用者請求服務被阻隔機率 期望收益 使用者不滿意函數 支付罰金及投標金額 : (a) MVNO (a.1) 所需頻道數 = = (a.2) 4 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C32 (3 3) 32 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = = ( ) 1 + e 71

86 支付罰金 = = (1 0.1) 投標金額 = = (a.3) 3 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C24 (3 3) 24 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = = ( ) 1 + e 支付罰金 = = (1 0.1) 投標金額 = = (a.4) 2 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C16 (3 3) 16 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = = ( ) 1 + e 支付罰金 = = (1 0.1) 投標金額 = = (a.5) 1 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C8 (3 3) 8 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = = ( ) 1 + e 支付罰金 = =

87 (1 0.1) 投標金額 = = (b) MVNO (b.1) 所需頻道數 = = (b.2) 3 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C24 (3 3) 24 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = = ( ) 1 + e 支付罰金 = = (1 0.15) 投標金額 = = (b.3) 2 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C16 (3 3) 16 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = ( ) 1 + e 支付罰金 = = (1 0.15) 投標金額 = = (b.4) 1 個頻道競標資訊 阻隔機率 = C8 (3 3) 8 = n (3 3) C n n= ( ) 收益 = = 使用者不滿意度指標 = = ( ) 1 + e 73