Incentivizing user participation in cooperative content delivery for wireless networks

Abstract The aim of this thesis is to propose an array of novel cooperative content delivery (CCD) methods and related incentive mechanisms for future fifth-generation (5G) and beyond networks. CCD using multiple air interfaces is a powerful solution to mitigate the problem of congestion in wireless networks, in which the available multiple air interfaces on smart devices are utilized intelligently to distribute data content among a group of users that are in the vicinity of one another. The requirements for higher capacity, reliability, and energy efficiency in the 5G networks have warranted the development of methods focusing on CCD. Moreover, critical to the efficiency of a CCD process are incentive mechanisms to induce cooperation among the mobile users engaged in CCD. The first part of the thesis studies an ideal condition of reliable and error-free distribution of content using cellular and short-range links. The main contribution is to introduce different device selection CCD methods that take into account only the link quality of the devices’ primary (cellular) interfaces. The proposed methods provide frequency carrier savings for the operator while allowing users to enjoy higher downlink rates. The second part of the thesis studies a more realistic CCD situation where users with low data rate wireless links can be a bottleneck in terms of CCD performance. The main contribution is to propose a novel device selection CCD method that considers the link quality of both primary (cellular) and secondary (short-range) interfaces of the devices. Additionally, a carrier aggregation-based incentive mechanism for the proposed method is introduced to address the challenge of selfish deviating users. The proposed mechanism maximizes individual and network payoffs, and is an equilibrium against unilateral selfish deviations. The third part of the thesis addresses the adverse selection problem in CCD scenarios. The operator is assumed to have incomplete information about the willingness of the users to participate in CCD. The main contribution is to introduce contract-based methods through which the operator could motivate users to reveal their true willingness towards participation. The proposed methods incentivize users according to their willingness and improve system performance in terms of the utility of the operator and the users.Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tavoitteena on kehittää menetelmiä yhteistyössä tapahtuvaan sisällön jakamiseen (cooperative content delivery, CCD) sekä siihen liittyviä kannustinmekanismeja viidennen sukupolven (5G) ja sen jälkeisille matkaviestinverkoille. CCD:n käyttö hyödyntämällä älylaitteessa olevia useita ilmarajapintoja on tehokas ratkaisu välttää langattomien verkkojen ruuhkautumista. CCD-menetelmissä laiteen ilmarajapintoja käytetään älykkäästi datan jakamiseen käyttäjäryhmälle, kun käyttäjät ovat lähellä toisiaan. 5G-verkkojen vaatimukset korkeammalle kapasiteetille, luotettavuudelle ja energiatehokkuudelle ovat motivoineet CCD-menetelmien kehitystyötä. Erityisen tärkeää CCD-menetelmien tehokkuudelle on kannustinmekanismien kehittäminen mahdollistamaan yhteistyö mobiilikäyttäjien välillä. Väitöskirjatyön ensimmäinen osuus käsittelee ideaalista tilannetta luotettavalle ja virheettömälle sisällön jakamiselle hyödyntämällä solukkoverkkoa ja lyhyen kantaman linkkejä. Tässä osuudessa päätuloksena on kehitetty käyttäjien valinnalle menetelmiä, jotka huomioivat linkin laadun solukkoverkon ilmarajapinnassa. Ehdotetut menetelmät tuovat operaattorille säästöjä taajuusresurssien käytön osalta ja käyttäjät saavuttavat korkeampia laskevan siirtotien datanopeuksia. Työn toinen osuus tutkii todenmukaisempaa CCD-tilannetta, jossa alhaisen datanopeuden linkkien käyttäjät voivat olla pullonkaula CCD:n suorituskyvylle. Päätulos tässä on uusi käyttäjien valintamenetelmä, joka ottaa huomioon linkkien laadun sekä solukkoverkossa että lyhyen kantaman linkeissä. Lisäksi esitellään eri taajuuksien yhdistämistä hyödyntävä kannustinmenetelmä, joka ottaa huomioon itsekkäiden käyttäjien aiheuttamat ongelmat. Ehdotettu mekanismi maksimoi yksittäisen käyttäjän ja verkon hyödyt ja saavuttaa tasapainotilan käyttäjien yksipuolista itsekkyyttä vastaan. Väitöskirjan kolmannessa osuudessa tutkitaan haitallisen valikoitumisen mahdollisuutta CCD:ssä. Operaattorilla oletetaan olevan epätäydellistä tietoa käyttäjien halukkuudesta osallistua yhteistyöhön CCD:ssä. Tämän osuuden päätulos on esitellä sopimuksiin perustuvia kannustinmenetelmiä, joiden avulla operaattori voi motivoida käyttäjiä paljastamaan heidän todellinen tahtotilansa osallistua yhteistyöhön. Ehdotetut menetelmä kannustavat käyttäjiä heidän todellisen tahtotilan perusteella ja parantavat järjestelmän suorituskykyä operaattorin ja käyttäjien saavuttamien hyötyjen osalta