Auction-based Bandwidth Allocation Mechanisms for Wireless Future Internet

An important aspect of the Future Internet is the efficient utilization of (wireless) network resources. In order for the demanding in terms of QoS Future Internet services to be provided, the current trend is evolving towards an “integrated” wireless network access model that enables users to enjoy mobility, seamless access and high quality of service in an all-IP network on an “Anytime, Anywhere” basis. The term “integrated” is used to denote that the Future Internet wireless “last mile” is expected to comprise multiple heterogeneous geographically coexisting wireless networks, each having different capacity and coverage radius. The efficient management of the wireless access network resources is crucial due to their scarcity that renders wireless access a potential bottleneck for the provision of high quality services. In this paper we propose an auction mechanism for allocating the bandwidth of such a network so that efficiency is attained, i.e. social welfare is maximized. In particular, we propose an incentive-compatible, efficient auction-based mechanism of low computational complexity. We define a repeated game to address user utilities and incentives issues. Subsequently, we extend this mechanism so that it can also accommodate multicast sessions. We also analyze the computational complexity and message overhead of the proposed mechanism. We then show how user bids can be replaced from weights generated by the network and transform the auction to a cooperative mechanism capable of prioritizing certain classes of services and emulating DiffServ and time-of-day pricing schemes. The theoretical analysis is complemented by simulations that assess the proposed mechanisms properties and performance. We finally provide some concluding remarks and directions for future research. Key-words: Heterogeneous wireless networks, bandwidth allocation, auction theory This work was partially supported by the European integrated project AEOLUS. [email protected] [email protected] Mécanismes d’allocation de bande passante basés sur les enchères pour les réseaux sans fil du futur Résumé : Un aspect clé de l’Internet du futur sera la gestion efficace des ressources et spécifiquement des ressources sans fil. Nous évoluons actuellement vers des réseaux d’accès sans fil intégrés qui doivent permettre la mobilité des utilisateurs, un accès transparent et une certaine qualité de service. Le terme "intégré signifie que les derniers sauts sans fil de l’Internet du futur comprendront plusieurs réseaux sans fil ayant des capacités et des zones de couverture hétérogènes. La gestion efficace des ressources de ces réseaux d’accès sans fil est cruciale étant donnée la limitation des ressources radios. Dans cet article, nous proposons un mécanisme basé sur la notion d’enchères pour allouer de la bande passante dans de tels réseaux. Avec ce mécanisme, l’efficacité est atteinte, i.e. le bien-être social est maximisé. Nous définissons une suite de tels jeux afin de prendre en compte les problèmes d’utilité des utilisateurs et d’incitation. Enfin, nous étendons ce mécanisme aux sessions multicast. Nous analysons aussi la complexité en calcul et les surcoût en terme de messages des mécanismes proposés. Enfin, nous montrons comment transformer l’enchère en un mécanisme coopératif capable de prioritiser certaines classes de services en remplaçant les paris des utilisateurs par des poids générés par le réseau. Pour finir, des simulations de ces mécanismes sont proposées. Mots-clés : rśeaux sans fil hétérogènes, allocation de bande passante, enchèresc Auction-based Bandwidth Allocation Mechanisms 3