Wireless Networks Yanru Zhang Zhu Han Contract Theory for Wireless Networks Wireless Networks Series editor Xuemin (Sherman) Shen University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada More information about this series at http://www.springer.com/series/14180 Yanru Zhang Zhu Han (cid:129) Contract Theory for Wireless Networks 123 Yanru Zhang ZhuHan Department ofElectrical andComputer Department ofElectrical andComputer Engineering Engineering University of Houston University of Houston Houston, TX Houston, TX USA USA ISSN 2366-1186 ISSN 2366-1445 (electronic) Wireless Networks ISBN978-3-319-53287-5 ISBN978-3-319-53288-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-319-53288-2 LibraryofCongressControlNumber:2017930794 ©SpringerInternationalPublishingAG2017 Thisworkissubjecttocopyright.AllrightsarereservedbythePublisher,whetherthewholeorpart of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission orinformationstorageandretrieval,electronicadaptation,computersoftware,orbysimilarordissimilar methodologynowknownorhereafterdeveloped. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publicationdoesnotimply,evenintheabsenceofaspecificstatement,thatsuchnamesareexemptfrom therelevantprotectivelawsandregulationsandthereforefreeforgeneraluse. The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authorsortheeditorsgiveawarranty,expressorimplied,withrespecttothematerialcontainedhereinor for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictionalclaimsinpublishedmapsandinstitutionalaffiliations. Printedonacid-freepaper ThisSpringerimprintispublishedbySpringerNature TheregisteredcompanyisSpringerInternationalPublishingAG Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland Preface With the dramatic attention drawn by the problems of network economics in wireless communications and networking research community, many economic theorieshavebeenapplied.Beingrewardedwiththe2016and2014NobelPrizeof economic science, contract theory has been introduced to this area after the wide researchesingametheory,auctiontheory,andpricingstrategy.Inthisbook,weare intend to provide a pure mathematical and economics-oriented approach for introducing contract theoretical concepts, in which we integrate the notions from contract theory and wireless engineering, while emphasizing on how contract theory can be applied in wireless networks. Furthermore, we plan to describe the details and challenges of modeling, analyzing, and designing contract theoretical approachesforcommunicationandnetworkingproblems.Webelieveengineersand researchers in the wireless communication community who are interested in the state-of-the-art research on incentive mechanism and pricing schemes design, resource sharing and trading, cooperation, and networking for a wide range of wireless communication applications will find it useful. Houston, TX, USA Yanru Zhang November 2016 Zhu Han v Acknowledgements Thanks to all the collaborators who have also contributed to this book. They are Dr. Lingyang Song, Dr. Zaher Dawy, Dr. Walid Saad, Dr.Miao Pan, Dr. Dusit Niyato, Dr. Nguyen H. Tran, and Dr. Chunxiao Jiang. Thanks to NSF for sup- porting this research. vii Contents 1 Background Introduction. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 1 1.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 1 1.2 Contract Theory: Fundamentals and Classification.... ..... .... 3 1.2.1 Basic Contract Concepts.. .... .... .... .... ..... .... 3 1.2.2 Classification.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 4 1.2.3 Models .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 7 1.2.4 Comparisons.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 8 1.3 Contract Theory: Reward Design. .... .... .... .... ..... .... 9 1.3.1 Dimension of Rewards ... .... .... .... .... ..... .... 9 1.3.2 Rewards on Absolute Performance or Relative Performance .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 11 1.3.3 Reward in Bilateral or Multilateral Contracting. ..... .... 12 1.4 Applications in Wireless Networks.... .... .... .... ..... .... 12 1.4.1 Adverse Selection... .... .... .... .... .... ..... .... 13 1.4.2 Moral Hazard . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 13 1.4.3 Mixed Problem..... .... .... .... .... .... ..... .... 14 1.5 Summary .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 15 References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 15 2 Incentive Mechanisms for Device-to-Device Communications in Cellular Networks with Adverse Selection .. .... .... ..... .... 17 2.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 17 2.2 Related Work... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 20 2.3 System Model... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 21 2.3.1 Transmission Data Rate .. .... .... .... .... ..... .... 21 2.3.2 User Equipment Type.... .... .... .... .... ..... .... 22 2.3.3 Base Station Model.. .... .... .... .... .... ..... .... 22 2.3.4 User Equipment Model... .... .... .... .... ..... .... 23 2.3.5 Social Welfare. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 23 ix x Contents 2.4 Proposed Solution.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 23 2.4.1 Conditions for Contract Feasibility .. .... .... ..... .... 24 2.4.2 Optimal Contract.... .... .... .... .... .... ..... .... 26 2.4.3 Practical Implementation.. .... .... .... .... ..... .... 31 2.5 Simulation Results and Analysis.. .... .... .... .... ..... .... 32 2.5.1 Contract Feasibility.. .... .... .... .... .... ..... .... 33 2.5.2 System Performance . .... .... .... .... .... ..... .... 34 2.6 Summary .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 39 References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 40 3 Incentive Mechanism in Crowdsourcing with Moral Hazard... .... 43 3.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 43 3.2 System Model... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 45 3.2.1 Utility of User. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 45 3.2.2 Utility of Principal .. .... .... .... .... .... ..... .... 47 3.3 Problem Formulation . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 47 3.4 Simulation Results and Analysis.. .... .... .... .... ..... .... 50 3.4.1 Optimal Compensation Package Analysis. .... ..... .... 50 3.4.2 Compensation Package Comparison . .... .... ..... .... 52 3.5 Summary .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 55 References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 56 4 Tournament-Based Incentive Mechanism Designs for Mobile Crowdsourcing . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 57 4.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 57 4.2 System Model... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 59 4.2.1 Common Shock Problem . .... .... .... .... ..... .... 59 4.2.2 Rank-Order Statistic . .... .... .... .... .... ..... .... 60 4.2.3 Utility of the Users.. .... .... .... .... .... ..... .... 60 4.2.4 Utility of the Principal ... .... .... .... .... ..... .... 61 4.3 Problem Formulation . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 62 4.3.1 Optimization Problem.... .... .... .... .... ..... .... 62 4.3.2 Tournament Design.. .... .... .... .... .... ..... .... 63 4.4 Simulation Results and Analysis.. .... .... .... .... ..... .... 65 4.4.1 Simulation Setup.... .... .... .... .... .... ..... .... 65 4.4.2 Reward by Tournament... .... .... .... .... ..... .... 68 4.4.3 Comparison... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 69 4.5 Summary .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 71 References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 72 Contents xi 5 Multi-dimensional Payment Plan in Fog Computing with Moral Hazard.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 73 5.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 73 5.2 System Model... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 75 5.2.1 Operation Cost ..... .... .... .... .... .... ..... .... 75 5.2.2 QoS Measurement... .... .... .... .... .... ..... .... 77 5.2.3 Payment Plan . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 77 5.2.4 Utility of Fog Node . .... .... .... .... .... ..... .... 78 5.2.5 Utility of Network Operator ... .... .... .... ..... .... 81 5.2.6 Social Welfare. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 81 5.3 Problem Formulation . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 82 5.4 Simulation Results and Analysis.. .... .... .... .... ..... .... 83 5.5 Summary .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87 References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87 6 Financing Contract with Adverse Selection and Moral Hazard for Spectrum Trading in Cognitive Radio Networks .... ..... .... 89 6.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 89 6.2 Related Works .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 91 6.3 System Model... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 92 6.4 Problem Formulation . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 93 6.4.1 PU’s Payoff Maximization Problem . .... .... ..... .... 94 6.4.2 Optimal Contract with Moral Hazard only .... ..... .... 95 6.4.3 Optimal Contract with Adverse Selection only. ..... .... 95 6.4.4 Optimal Contract with both Adverse Selection and Moral Hazard... .... .... .... .... .... ..... .... 96 6.5 Simulation Results and Analysis.. .... .... .... .... ..... .... 97 6.5.1 Financing Contract Analysis... .... .... .... ..... .... 97 6.5.2 System Performance . .... .... .... .... .... ..... .... 100 6.6 Summary .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 103 References.. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 103 7 Complementary Investment of Infrastructure and Service Providers in Wireless Network Virtualization.. .... .... ..... .... 105 7.1 Introduction .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 105 7.2 System Model... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 107 7.2.1 Cost and Revenue Functions... .... .... .... ..... .... 108 7.2.2 Shapley Value. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 109 7.2.3 Investment Surplus .. .... .... .... .... .... ..... .... 110 7.3 Problem Formulation . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 110 7.3.1 General Case.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 110 7.3.2 Single Provider and Single Resource .... .... ..... .... 111 7.3.3 Non-integration..... .... .... .... .... .... ..... .... 111 7.3.4 Infrastructure Integration.. .... .... .... .... ..... .... 112