Network Economics -- Lecture 1: Pricing of communica8on - PowerPoint PPT Presentation

Network ¡Economics ¡ -­‑-­‑ ¡ Lecture ¡1: ¡Pricing ¡of ¡communica8on ¡ services ¡ Patrick ¡Loiseau ¡ EURECOM ¡ Fall ¡2013 ¡

References ¡ M. ¡Chiang. ¡“Networked ¡Life, ¡20 ¡Ques8ons ¡and ¡Answers”, ¡CUP ¡2012. ¡Chapter ¡11 ¡ • and ¡12. ¡ ¡ See ¡the ¡videos ¡on ¡www.coursera.org ¡ ¡ – J. ¡Walrand. ¡“Economics ¡Models ¡of ¡Communica8on ¡Networks”, ¡in ¡Performance ¡ • Modeling ¡and ¡Engineering, ¡Zhen ¡Liu, ¡Cathy ¡H. ¡Xia ¡(Eds), ¡Springer ¡2008. ¡(Tutorial ¡ given ¡at ¡SIGMETRICS ¡2008). ¡ ¡ Available ¡online: ¡ – h[p://robo8cs.eecs.berkeley.edu/~wlr/Papers/EconomicModels_Sigmetrics.pdf ¡ C. ¡Courcoube8s ¡and ¡R. ¡Weber. ¡“Pricing ¡communica8on ¡networks”, ¡Wiley ¡2003. ¡ ¡ • A. ¡Odlyzko, ¡“Will ¡smart ¡pricing ¡finally ¡take ¡off?” ¡To ¡appear ¡in ¡the ¡book ¡“Smart ¡Data ¡ • Pricing,” ¡S. ¡Sen, ¡C. ¡Joe-­‑Wong, ¡S. ¡Ha, ¡and ¡M. ¡Chiang ¡(Eds.), ¡Wiley, ¡2014. ¡ ¡ Available ¡at ¡h[p://www.dtc.umn.edu/~odlyzko/doc/smart.pricing.pdf ¡ ¡ – N. ¡Nisam, ¡T. ¡Roughgarden, ¡E. ¡Tardos ¡and ¡V. ¡Vazirani ¡(Eds). ¡“Algorithmic ¡Game ¡ • Theory”, ¡CUP ¡2007. ¡Chapters ¡17, ¡18, ¡19, ¡etc. ¡ ¡ Available ¡online: ¡ – h[p://www.cambridge.org/journals/nisan/downloads/Nisan_Non-­‑printable.pdf ¡ ¡

Content ¡ 1. Introduc8on ¡ 2. The ¡effect ¡of ¡conges8on ¡ 3. Time ¡dependent ¡pricing ¡ – Parenthesis ¡on ¡conges8on ¡games ¡and ¡poten8al ¡ games ¡ 4. Pricing ¡of ¡differen8ated ¡services ¡ ¡

Content ¡ 1. Introduc8on ¡ 2. The ¡effect ¡of ¡conges8on ¡ 3. Time ¡dependent ¡pricing ¡ – Parenthesis ¡on ¡conges8on ¡games ¡and ¡poten8al ¡ games ¡ 4. Pricing ¡of ¡differen8ated ¡services ¡ ¡

Examples ¡of ¡data ¡pricing ¡prac8ces ¡ • Residen8al ¡Internet ¡access ¡ – Most ¡forfeits ¡are ¡unlimited ¡ ¡ • Mobile ¡data ¡plans ¡ – AT&T ¡moved ¡to ¡usage-­‑based ¡pricing ¡in ¡2010 ¡ • $10/GB ¡ • Stopped ¡all ¡unlimited ¡plans ¡in ¡2012 ¡ – Verizon ¡did ¡the ¡same ¡ – In ¡France: ¡forfeits ¡with ¡caps ¡(e.g., ¡3GB ¡for ¡Free) ¡

Why ¡were ¡there ¡unlimited ¡plans ¡ before? ¡ • (Unlimited ¡plans ¡called ¡flat-­‑rate ¡pricing) ¡ ¡ • Users ¡prefer ¡flat-­‑rate ¡pricing ¡ – Willing ¡to ¡pay ¡more ¡ – Be[er ¡to ¡increase ¡market ¡share ¡ – h[p://people.ischool.berkeley.edu/~hal/Papers/ brookings/brookings.html ¡ • The ¡decrease ¡in ¡the ¡cost ¡of ¡provisioning ¡ capacity ¡exceeded ¡the ¡increase ¡in ¡demand ¡

Why ¡are ¡providers ¡moving ¡to ¡usage-­‑ based ¡pricing? ¡ • Demand ¡is ¡now ¡growing ¡faster ¡than ¡the ¡ amount ¡of ¡capacity ¡per ¡$ ¡ • Distribu8on ¡of ¡capacity ¡demand ¡is ¡heavy-­‑ tailed: ¡a ¡few ¡heavy ¡users ¡account ¡for ¡a ¡lot ¡of ¡ the ¡aggregate ¡

How ¡to ¡balance ¡revenue ¡and ¡cost? ¡ • Usage-­‑based ¡pricing ¡ • Increase ¡flat-­‑rate ¡price ¡ – Fairness ¡issue ¡ • Put ¡a ¡cap ¡ • Slow ¡down ¡certain ¡traffic ¡or ¡price ¡higher ¡ premium ¡service ¡ – See ¡last ¡sec8on ¡ – Orange ¡has ¡a ¡forfeit ¡for ¡1000 ¡Euros ¡/ ¡month, ¡all ¡ unlimited ¡with ¡many ¡services. ¡Their ¡customers ¡(about ¡ 1000 ¡in ¡France) ¡got ¡“macarons” ¡to ¡apologize ¡for ¡the ¡ disrup8on ¡in ¡2012. ¡ ¡

Generali8es ¡on ¡seong ¡prices ¡ • Tariff: ¡func8on ¡which ¡determine ¡the ¡charge ¡r(x) ¡ as ¡a ¡func8on ¡of ¡the ¡quan8ty ¡x ¡bought ¡ – Linear ¡tariff: ¡r(x) ¡= ¡p ¡x ¡ – Nonlinear ¡tariff ¡ • Price ¡design ¡is ¡an ¡art, ¡depends ¡on ¡the ¡context ¡ • 3 ¡ra8onales ¡ ¡ – The ¡price ¡should ¡be ¡market-­‑clearing ¡ – Compe88on, ¡regula8ons ¡(e.g., ¡no ¡cross-­‑subsidiza8on) ¡ – Incen8ve ¡compa8bility ¡ ¡

Regula8ons ¡ • Prices ¡are ¡oren ¡regulated ¡by ¡governments ¡ – Telecom ¡regulators ¡ARCEP ¡(France), ¡FCC ¡(USA) ¡ – ≈ ¡op8mize ¡social ¡welfare ¡(popula8on ¡+ ¡provider) ¡ • Network ¡neutrality ¡debate ¡ – User ¡choice ¡ – No ¡monopoly ¡ – No ¡discrimina8on ¡ • Provider-­‑owned ¡services ¡ • Protocol-­‑level ¡ • Differen8a8on ¡of ¡consumers ¡by ¡their ¡behavior ¡ • Traffic ¡management ¡and ¡QoS ¡ • Impact ¡on ¡peering ¡economics ¡

Modeling: ¡consumer ¡problem ¡ • Set ¡of ¡consumers ¡N ¡= ¡{1, ¡…, ¡n} ¡ • Each ¡consumer ¡chooses ¡the ¡amount ¡x ¡ consumed ¡to ¡maximize ¡his ¡u8lity ¡– ¡cost ¡ • Under ¡linear ¡tariff ¡(usage-­‑based ¡price ¡p) ¡ x i ( p ) = argmax x [ u i ( x ) − px ] • Consumer ¡surplus ¡ CS i = max x [ u i ( x ) − px ] • u(x) ¡assumed ¡concave ¡

Consumer ¡u8lity ¡ • Example: ¡u(x) ¡= ¡log(x) ¡(propor8onal ¡fairness) ¡ utility u ( x ) px maximized net benefit = max[ u ( x ) − px ] 0 x ( p ) x consumer has a utility u x for a quantity x of a service. In

Demand ¡func8ons ¡ u i ) − 1 ( p ) • Individual ¡demand ¡ x i ( p ) = ( ! • Aggregate ¡demand ¡ ∑ D ( p ) = x i ( p ) i ∈ N • Inverse ¡demand ¡func8on: ¡p(D) ¡is ¡the ¡price ¡at ¡ which ¡the ¡aggregate ¡demand ¡is ¡D ¡ • For ¡a ¡single ¡customer: ¡ ¡ p ( x ) = ! u ( x )

Illustra8ons ¡ x ( p ) • Single ¡user ¡ ∫ CS ( p ) = p ( x ) dx − px 0 $ CS( p ) p u ′ ( x ) px 0 x ( p ) x • Mul8ple ¡users: ¡replace ¡u’(x) ¡by ¡p(D) ¡

Elas8city ¡ ε = ∂ D ( p ) ∂ p • Defini8on: ¡ ¡ D ( p ) p Δ D D = ε Δ p • Consequence: ¡ p • |ε|>1: ¡elas8c ¡ • |ε|<1: ¡inelas8c ¡

Provider’s ¡problem: ¡choose ¡a ¡tariff ¡ • Many ¡different ¡tariffs ¡ • Choosing ¡the ¡right ¡one ¡depends ¡on ¡context ¡(art) ¡ – User ¡demand; ¡costs ¡structure; ¡regula8on; ¡compe88on ¡ • More ¡informa8on: ¡ ¡ – R. ¡Wilson. ¡“Nonlinear ¡pricing”, ¡OUP ¡1997. ¡

Flat-­‑rate ¡vs ¡usage-­‑based ¡pricing ¡ • Flat-­‑rate: ¡equivalent ¡to ¡p=0 ¡ – There ¡is ¡a ¡subscrip8on ¡price, ¡but ¡it ¡does ¡not ¡play ¡ any ¡role ¡in ¡the ¡consumer ¡maximiza8on ¡problem ¡ • Illustra8on ¡

Content ¡ 1. Introduc8on ¡ 2. The ¡effect ¡of ¡conges8on ¡ 3. Time ¡dependent ¡pricing ¡ – Parenthesis ¡on ¡conges8on ¡games ¡and ¡poten8al ¡ games ¡ 4. Pricing ¡of ¡differen8ated ¡services ¡ ¡

The ¡problem ¡of ¡conges8on ¡ • Un8l ¡now, ¡we ¡have ¡not ¡seen ¡any ¡game ¡ • One ¡specificity ¡with ¡networks: ¡conges8on ¡(the ¡ more ¡users ¡the ¡lower ¡the ¡quality) ¡ – Externality ¡ • Leads ¡to ¡a ¡tragedy ¡of ¡the ¡commons ¡

Tragedy ¡of ¡the ¡commons ¡(1968) ¡ • Hardin ¡(1968) ¡ • Herdsmen ¡share ¡a ¡pasture ¡ • If ¡a ¡herdsman ¡add ¡one ¡more ¡cow, ¡he ¡gets ¡the ¡ whole ¡benefit, ¡but ¡the ¡cost ¡(addi8onal ¡ grazing) ¡is ¡shared ¡by ¡all ¡ ¡ • Inevitably, ¡herdsmen ¡add ¡too ¡many ¡cows, ¡ leading ¡to ¡overgrazing ¡

Simple ¡model ¡of ¡conges8on ¡ • Set ¡of ¡users ¡N ¡= ¡{1, ¡…, ¡n} ¡ • Each ¡user ¡i ¡chooses ¡its ¡consump8on ¡x i ¡ ≥ ¡0 ¡ • User ¡i ¡has ¡u8lity ¡ u i ( x ) = f ( x i ) − ( x 1 + ... + x n ) – f(.) ¡twice ¡con8nuously ¡differen8able ¡increasing ¡ strictly ¡concave ¡ • We ¡have ¡a ¡game! ¡(one-­‑shot) ¡

Simple ¡model: ¡Nash ¡equilibrium ¡and ¡ social ¡op8mum ¡ • NE: ¡user ¡i ¡chooses ¡x i ¡such ¡that ¡ ¡ f ( x i ) − 1 = 0 ! • SO: ¡maximize ¡ ∑ ∑ u i ( x ) [ f i ( x ) − ( x 1 + ... + x n )] = i ∈ N i ∈ N à Gives ¡for ¡all ¡i: ¡ f ( x i ) − n = 0 ! NE = • Summary: ¡ ¡ ¡ f − 1 (1) x i ! SO = f − 1 ( n ) x i !

Illustra8on ¡