信息基础设施建设共建共享博弈分析

李绍荣,杨凯迪

(北京大学 经济学院,北京 100091)

一、引言

改革开放四十多年来,中国信息基础设施实现了历史性的跨越发展。截至2023年7月,中国建成开通5G基站305.5万个,占全球60%以上(中国信息通信研究院,2023)[1],在全球6G专利申请中,中国专利占全球比重为40.3%,位居全球第一。但是5G基站频率高、基站密、耗电高,相比4G基站设备单价更高,站址更密集、选址难度更大,5G网络建设投入成本是4G的4倍(孙松林,2019;李进良,2020)[2～3],预计6G的建设成本将更高,新一轮信息基础设施建设也给运营商投资支出及运营成本带来巨大压力(吕继兵、金永生,2018)[4]。因此,如何能够有效降低成本部署基站,持续推进网络建设成为信息基础设施建设亟待解决的难题。

信息基础设施建设运营研究早期主要从基础设施建设模式展开(沈坤荣等,2023;李光武等,2023)[5～6],采用PPP(Public - Private Partnerships)模式和BOT(Built-Operate-Transfer)模式,它是指政府﹑营利性企业和非营利性企业基于某个项目而形成的相互合作关系的形式(Bloomfield et al.,1998; 李秀辉、张世英,2002)[7～8]。这两种建设模式能够解决基础设施建设成本高和融资难的问题(Zhang,2005; Hodge and Greve,2007)[9～10],但是存在投资机制与收入模式不匹配等问题(Cheah and Liu,2006; 孙学工等 ,2015;袁永博等,2011)[11～13]。

随后,信息基础设施的共建共享研究逐步兴起。信息基础设施共建共享是指两家或多家通信企业通过共同投资建设或签署使用协议,共用某些信息基础设施的行为(曾庆珠,2013)[14]。Weyl(2010)[15]研究了共享网络垄断定价的一般理论,提供了市场力量的一般衡量标准,有助于预测共享共建价格变化的影响。Economides and Tag(2012)[16]通过分析双边市场定价模型揭示了网络中立性监管是必要的。苑春荟等(2009)[17]和唐要家等(2012)[18]运用完全信息静态博弈模型对运营商共享移动通信基础设施的收益进行了分析,提出了要实现移动通信基础设施全面共享,需要进一步引入相应的激励机制。胡庆平、袁野(2016)[19]运用合作博弈论对信息基础设施共建成本进行了分析,针对电信运营商共建共享中出现的风险分摊问题,提出了以风险因子为修正算法的Shapley值成本分摊策略。信息基础设施建设新模式探索的重点在于打破传统要素配置瓶颈、重塑要素配置格局,推动通信基础资源共建共享,以发挥促进经济发展的重要作用(Roller and Waverman,2001;白俊红等,2022)[20～21]。毛其淋、王凯旋(2023)[22]探索了新型基础设施建设的发展路径和模式对于促进资源集成共享的影响。

尽管信息基础设施的共建共享研究已经取得了一些成果,但电信运营商是选择独立建设还是选择与其他运营商共建共享并按比例分担成本,如何更加高效、集约地完成信息基础设施建设仍然需要构建理论模型进行深入分析。为此,本文以中国移动、中国联通、中国电信三家运营商在信息基础设施经营建设方式及成本分摊策略的博弈分析为例,基于信息基础设施建设中的基站成本、传输网和核心网成本不同的可共享性展开理论模型构建与求解研究。首先,对运营商全部独立建设、部分共建共享和全部共建共享三种经营建设模式,建立古诺模型并分析一般均衡;其次,分别从政府决策的宏观视角及运营商决策的微观视角对选择哪种经营建设模式进行阐述分析,以期为信息基础设施投资的有效配置和资源的有效利用提供理论依据;最后,将三家运营商模型拓展为更一般的多家不完全竞争运营商模型,并分析其一般均衡,增加理论分析普适性。本文从电信运营商和政府宏观调控视角,对信息基础设施建设经营模式选择进行博弈分析,并给出成本分摊策略建议,具有政策指导意义。

二、模型构建及求解

中国信息通信行业的实际情况是已形成中国移动、中国联通、中国电信构成的运营商寡头格局(Zheng and Ward,2011)[23],且各运营商之间市场地位对等,在分析不同建设经营模式下运营商利润最大化问题时采用寡头分析中常用的古诺模型(叶泽等,2008;Valletti and Cave; 1998)[24～25]。并据此提出如下假设:

假设1:市场中存在三家相互博弈的运营商为消费者提供信息通信网络服务,博弈各方的决策无时序性。

假设2:博弈参与主体间不存在信息不对称,博弈方理性,所建立的博弈模型属于完全信息博弈。

假设3:消费者对于不同运营商的信息通信网络服务需求是相互独立的,即qi之间相互独立。

信息基础设施构成由无线接入网、传输网和核心网三部分组成(胡定、刘健,2013)[26],基站及传输网建设是信息基础设施建设的基础,运营商之间存在高度资源互补,这两部分可以共建共享;而核心网涉及到用户数据信息,业务平台须保持相对独立性,只能由运营商独立建设,不能共享(刘光海等,2017)[27]。由此,对信息基础设施经营建设成本做出如下假设:

假设4:通信网络基础设施经营建设成本包括两部分:(1)基站及传输网的建设维护成本,该部分成本可共建共享;(2)核心网建设维护成本,该部分成本不可共建共享。

现实中,各家运营商在单位建设数量下的基站及传输网建设维护成本相近,可将其设定为Cz,同样地,各家运营商在单位建设数量下的核心网建设维护成本也相近,可将其设定为Cg。令k为单位消费者通信服务需求下的基站及传输网建设数量,l为单位消费者通信服务需求下的核心网建设数量,qi为消费者对于运营商i的通信服务需求量,则运营商i在独立建设经营模式下的基站及传输网建设维护成本为kqiCz,核心网建设维护成本为lqiCg(i=1,2,3)。

此外,考虑到共建共享模式下对等接入的通信网络双方的流量交换基本平衡,且规模相似,简便考虑,可假定运营商之间共建共享核算方式采取SKA互免结算模式(Hawkins,2010)[28]。据此提出如下假设:

假设5:运营商之间共建共享核算方式采取SKA互免结算模式,即对等接入所发生的成本由各方自己支付,收入亦由各方自己保留。

运营商的博弈包含三方面内容:(1)在给定建设模式下,各运营商选择产出即通信服务供给量以实现自身在该建设模式下的最大利润;(2)各运营商需要选择自身建设模式策略;(3)各运营商需要确定在部分共建共享和全部共建共享模式下的成本分摊比例。现实中,成本分摊比例通常由政府部门决策制定,因此理论模型假定各运营商成本分摊比例已确定。

市场价格P为消费者对于运营商通信服务需求量的函数:

(1)

基于以上设定,市场中三家运营商实施信息基础设施建设时,存在三种建设经营模式(Belk, 2014)[29]:

第一类建设模式为独立建设,即三家运营商分别独立建设信息基础设施,此时各运营商利润函数为:

(2)

运营商在满足信息网络最大承载量的前提下提供通信服务,由于同一市场下通信技术水平相似,且通信服务价格由市场供需决定,独立建设下供需均衡时各运营商的通信服务供给量及最大利润值为:

(3)

(4)

第二类建设模式为部分共建共享,即三家运营商中有两家运营商共建共享。此时两家运营商在区域范围内合作共建一张接入通信网络,另外一家运营商仍然独立建设。部分共建共享模式包含三种情况:(1)运营商1与运营商2共建共享,运营商3独立建设;(2)运营商2与运营商3共建共享,运营商1独立建设;(3)运营商3与运营商1共建共享,运营商2独立建设。

先考虑运营商1与运营商2共建共享,运营商3独立建设的情况,由假设4可知,运营商1和运营商2可共建共享的部分为基站及传输网,并按比例进行成本分摊,核心网不可共建共享,仍需独立建设。令运营商1承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例为α12,则运营商2承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例为1-α12,此时各运营商利润函数为:

(5)

进一步得到部分共建共享下供需均衡时各运营商的通信服务供给量及最大利润值:

(6)

(7)

第三类建设模式为全部共建共享,即三家运营商一起开展通信网络共建共享,此时运营商共享频率资源。同样由假设4可知,此时各运营商可共建共享的部分为基站及传输网,核心网仍不可共建共享,需独立建设。令运营商1承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例为α′,运营商2承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例为β′,则运营商3承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例为1-α′-β′,此时各运营商利润函数为:

(8)

得到全部共建共享下供需均衡时各运营商的通信服务供给量及最大利润值为:

(9)

(10)

汇总三家运营商在不同建设经营模式下的均衡结果,如表1所示。

表1 三家运营商不同建设经营模式下的均衡结果

表1(续)

三、理论分析

(一)政府决策视角

政府视角下,不同信息基础设施建设方式在市场均衡下所能提供的通信市场价格及通信服务总量将是其决策导向、政策制定的重要考虑因素。

在第一类独立建设模式下,由式(1)、式(3),可得该模式下的市场价格及达到供需均衡时市场总通信服务需求量:

(11)

(12)

在第二类部分共建共享建设模式下,假设运营商1与运营商2共建共享,运营商3独立建设,由式(1)、式(6)可得该模式下的市场价格及达到供需均衡时市场总通信服务需求量:

(13)

(14)

第三类建设模式为全部共建共享,由式(1)、式(9)可得该模式下的市场价格及达到供需均衡时市场总通信服务需求量:

(15)

(16)

可见,信息基础设施在不同建设模式下,市场价格P*及均衡下能满足的总通信服务需求量Q*不同。随着参与共建共享的运营商数量增加,市场价格P*逐渐降低,而均衡下能满足的总通信服务需求量Q*逐渐增加。即:

(17)

(18)

据此,得出结论1:政府在信息基础设施建设经营模式的选择上,将倾向于采用运营商全部共建共享模式,以达到最低的市场价格,并可满足更多通信服务需求,从而最大化社会福利,完全共享的实现将能够促进信息网络资源的节约及有效利用。

(二)运营商决策视角

运营商在博弈过程中,需要选择自身建设经营模式。其可选策略集由以下三种策略构成,独立建设策略、部分共建共享策略、全部共建共享策略,分别记为sD、sp、sT(王长军等,2020; Jiang and Tian,2018; Jorge and Correia,2013)[30～32]。

在市场中存在三家运营商,且每家运营商信息基础设施建设可选策略集有三种的情况下,共存在27种策略组合,具体情况如表2所示。

表2 三家运营商建设模式策略组合

从表2可见,对任一运营商而言,在可选策略集的三种策略中,只有独立建设策略可由该运营商自身决策而达成,部分及全部共建共享策略的达成,除了依赖该运营商自身策略决策外,也取决于其他运营商建设经营模式策略的选择。通过筛选27种策略组合,运营商之间建设模式的博弈实际可能达成的策略组合只能是以下5种:

(19)

其中,S1及S2是当运营商1独立建设时可能达成的策略组合;S3及S4是当运营商1部分共建共享时可能达成的策略组合;S5是当运营商1全部共建共享时可能达成的策略组合。记:

(20)

由此,运营商之间建设模式博弈可能达成的策略组合对应的利润组合为:

(21)

此时运营商1应满足:

(22)

由式(6)、式(7)、式(20)有:

(23)

(24)

(25)

同样方法可得运营商2倾向于选择部分或全部共建共享的条件,即:

(26)

及运营商3倾向于选择部分或全部共建共享的条件,即:

(27)

据此,得出结论3:市场中存在三家相互博弈的运营商,当运营商之间成本分摊策略同时满足如下两个条件时,各运营商将倾向于选择与其他运营商共建共享的建设经营模式。

部分共建共享策略下,任何两家共建共享的运营商各自所承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例α满足:

(28)

全部共建共享策略下,任何一家运营商所承担的基站及传输网共建共享成本分摊比例α′满足:

(29)

结合上述政府决策的宏观视角及运营商决策的微观视角,可以看到,在信息基础设施建设经营模式的方案选择上,政府可以通过调控运营商之间共建共享时的成本分摊比例,并使分担比例满足结论2约定的条件,各运营商将倾向于加入共建共享,此时,一旦两家运营商采用合作共建,未参与共建共享的运营商将自发加入共建共享中,从而让信息基础设施的共建共享建设方案由最初的政策推动转变为市场导向推动。

(三)多家运营商下的均衡

当运营商数量为N,且行业仍呈现寡头垄断格局时,各运营商在不同建设经营模式下的均衡。此时,古诺模型下的价格函数为:

(30)

独立建设模式即N家运营商分别独立建设信息基础设施,此时各运营商利润函数可表达为:

πi,D(qi)=Pqi-kqiCz-lqiCg

(31)

均衡时,各运营商的通信服务供给量、市场价格、市场总通信服务需求量分别为:

(32)

进而,独立建设模式下达到供需均衡时各运营商的最大利润水平为:

(33)

(34)

均衡时,各运营商的通信服务供给量、市场价格、市场总通信服务需求量分别为:

(35)

进而,部分共建共享模式下达到供需均衡时各运营商的最大利润水平为:

(36)

(37)

均衡时,各运营商的通信服务供给量、市场价格、市场总通信服务需求量分别为:

(38)

进而,全部共建共享模式下达到供需均衡时各运营商的最大利润水平为:

(39)

汇总N家运营商在不同建设经营模式下的均衡结果,如表3所示。

表3 多家运营商不同建设经营模式下的均衡结果

四、数值模拟

为了验证运营商建设模式选择博弈分析的理论结果,采用数值模拟方式分析多家运营商的不同建设模式。

(一)参数选取

信息基础设施建设成本由可共建共享的无线接入网、传输网建设成本和不可共享的核心网建设成本组成,参照中国通信市场实际情况,借鉴刘光海等(2017)[27]和 Stewart et al.(2002)[33]的方法,分别测算单位消费者通信服务需求下基站及传输网建设数量、单位消费者通信服务需求下的核心网建设数量,最终模型参数取值见表4。

表4 模型参数取值

(二)基准结果

为了验证运营商建设模式博弈分析的理论结果,对一般条件下通信服务需求和技术条件下运营商均衡结果进行数值模拟。此时从图1中的散点图变化可以看出,当各个运营商均独立建设时,运营商数量越多,通信服务价格越低,运营商的利润越少。

在共建共享建设模式下,图1给出了参与共建共享运营商数量m从1～6的通信服务价格的变化情况。当参与到共建共享的运营商个数m增多时,通信服务价格将下降,并且价格函数与合作共建运营商的数量有关,参与到共建共享当中的运营商数量越多,越有利于降低市场通信服务价格,如表5和图1所示,这与结论1的预测一致。

同时,从图2看出,当参与共建共享运营商的数量恒定时,运营商分摊比例越高则其获得的最大利润越少。随着共建共享运营商数量的增加,造成通信服务利润为负(图2中深灰色线段),成本分摊比例阈值将逐步提高,成本分摊比例阈值的计算结果与结论3给出的条件一致。

图1 运营商数量变化对通信服务价格和利润的影响

表5 不同建设模式中通信服务价格和电信运营商利润变化

(三)敏感性分析

不可共享部分建设成本和建设数量的影响分析。将不可共建共享的核心网建设维护成本lCg参数取值从0.80元/GB下降至0.20元/GB,表5为这一变化的模拟结果,图3也表明参与共建的运营商通信服务利润与其成本分摊比例有关,但当运营商lCg下降时,在运营商核心网建设技术水平大幅度提高的情况下,通信服务的利润几乎无变化,表明共建共享模式下核心网建设技术水平提升对参与共建运营商的利润影响较小,验证了假设2。

图2 共建共享下运营商由3家增加至6家通信服务利润与成本分摊比例变化

图3 共建共享下不可共享部分成本变化对通信服务利润的影响

图4 共建共享下可共享成本变化对通信服务利润的影响

可共享部分建设成本和建设数量的影响分析。将参数kCz降低为原来的25.00%时,即kCz由2.10元/GB下降为0.52元/GB并得出模拟结果(如图4和表5)。根据理论分析,在现状条件下,随着技术革新、运营商经营能力改善等将使得k和Cz下降。价格方面,无论是在独立建设模式下还是共建共享模式下,可共享的基站及传输网建设成本下降,将导致通信服务价格下降。利润方面,共建共享模式下,参与共建的运营商通信服务利润与其成本分摊比例有关,随着运营商基站及传输网建设维护技术大幅度提高,通信服务利润在成本分摊比例较少时为下降,但成本分摊比例较多时,相比原来的基站和传送网络建设维护水平,通信服务利润上升。图4和表5模拟结果验证了这些理论分析结论。

通信服务需求变化的影响分析。参数γ和δ均表示消费者通信服务需求,将取值从25和1.6×10-10分别增加为50和3.2×10-10并得到模拟结果(图5,表5)。根据理论分析,随着经济社会发展及技术进步,5G时代催生物联网发展,引起通信服务需求发生变化。在价格方面,独立建设模式和共建共享模式的价格均上涨,共建共享模式下的价格始终低于独立建设模式下的价格。在利润方面,独立建设模式下通信服务利润上升,共建共享模式下,参与共建的运营商通信服务利润与其成本分摊比例有关,随着通信社会服务需求提高,共建共享通信服务利润提高并且增幅大于独立建设模式下的利润增幅。图5和表5模拟结果验证了这些理论分析结论。

五、结论与启示

本文从模型构建及求解、理论分析、数值模拟等方面,对信息基础设施建设模式进行了博弈分析,并以中国移动、中国联通、中国电信三家相互博弈的运营商为例进行了博弈分析,对共建共享模式进行了探索。

首先构建了一般均衡模型和静态博弈模型,通过模型求解,表明信息基础设施共建共享是避免运营商重复投资建设的有效途径,也是通信行业发展的必然趋势;政府在信息基础设施建设经营模式的选择上,将倾向于采用运营商全部共建共享模式。

在此基础上,立足于三大运营商并存的中国通信行业市场现状,从理论分析上揭示出信息基础设施建设模式,即:当市场中存在三家相互博弈的运营商时,如果一家运营商采用独立建设的策略,而其余两家运营商共建共享,则该独立建设运营商的利润将被摊薄;一旦两家运营商采用合作共建,未参与共建共享的运营商将自发加入共建共享中,从而让信息基础设施的共建共享建设方案由最初的政策推动转变为市场导向推动。

研究结果说明政府通过合理地调控运营商之间共建共享成本分摊比例,可以使各运营商倾向于选择加入共建共享。为此有两点政策建议:(1)政府应通过设计合理的成本分摊机制,一方面要推动运营商自发选择共建共享的建设经营模式,另一方面也要促进加入的运营商具备成本竞争优势;(2)政府部门应加大对信息基础设施建设的财税政策激励,采取政府补贴、设立专项基金、鼓励金融机构加大贷款力度等事前激励政策,以及政府采购或引导其他企业采购等事后激励措施,促进运营商加大建设规模,推动信息基础设施共建共享。