QoE awareness for the mobile termination rates monopoly liberation

Abstract

In mobile communication the mobile termination service involves chargesbetween Mobile (Virtual) Network Operators (MvNOs). Furthermore,only the MvNO of the callee is able to terminate his calls. Thus, in theMvNOs call-termination market there is only one player profiting from Mo-bile Termination Rates (MTR); in turn this market is considered by regu-lators to be a “de-facto” monopoly, since the early days of the introductionof commercial mobile communication services. Given this monopoly fact,the only solution against a potential speculation by MvNOs was the regu-lation of the MTR. In a monopoly there is a corporation that is the only seller of a good ora service, and thus it can define the price. However, monopolies can bedivided into two categories, the naturally defined and the market-definedmonopolies. The power market in many countries is considered to be anatural monopoly, and the main reason is that there is usually only onepower-wire reaching each house. Thus, only the company that owns thedelivery network can provide power services. The termination service inmobile communication until the 4G is also considered to be a monopoly.However, this is a market-defined monopoly, since there is no physical lim-itation (e.g., wires) for reaching a mobile user. The 2.5G and higher mobile communication technology allows for flex-ible charging mechanisms, such as on-demand MvNO selection combinedwith non-static MTR, that could overcome the Mobile Termination Ratesmonopoly obstacle. Thus, this thesis shows that the mobile terminationservice is not a “de-facto” monopoly since 2.5G. To show that, the Auction-based Charging User-centric System “AbaCUS” is proposed in this thesisas a 2.5G and higher overlay, where MvNOs will participate in an auctionto allow competition that aims to increase end-users Quality-of-Experience(QoE). MvNOs will charge for QoE while bidding on economic variables,such as MTR per Quality-of-Service (QoS) variables, such as the soundquality during a call and network-access guarantees, in a manner that theMvNO which will increase end-users QoE will be the one selected by theAuction Authority (Au²) to provide the termination service. This thesis is arguing that charging for QoE is the key to overcome themonopoly of the MTR market. An Axiomatic QoE model (AQX), whichconsiders simultaneously technical and non-technical parameters, is de-signed in this thesis, to estimate end-user’s QoE for a certain service (e.g.,the mobile termination service). Such service can be provided by compet-ing MvNOs that can use QoE as the AbaCUS auction bidding metric defin-ing which MvNO will provide the termination service. AQX is a generic,since it is not service-specific, QoE model that can be applied in multipledomains. Thus, the roadmap of selecting all AQX parameters needed is pre-sented for the well-studied Voice over Internet Protocol (VoIP) scenario. This scenario is selected as a reference to present and evaluate AQX, sincethere are several existing QoE models. AQX has been proven to outperformthe state-of-the-art QoE estimation models for VoIP, IQX Hypothesis andthe ITU-T E-Model, in several cases. This thesis proposes and implements prototypically the technical mech-anism needed to break the mobile termination service monopoly, an au-tomatic and on-demand MvNO selection mechanism, and evaluates thismechanism in terms of time and energy efficiency, showing that the pro-posed solution is technically feasible. Finally, this thesis presents eco-nomic and technical incentives for the mobile communications stakehold-ers (MvNOs, end-users, and regulators), to adopt the idea, and implementthe technical mechanism proposed by AbaCUS, to facilitate a competitivetermination-service environment in the mobile call-termination servicesmarket.

Στις κινητές επικοινωνίες, η υπηρεσία τερματισμού κλήσεων κινητής τηλεφωνίας συνεπάγεται χρεώσεις μεταξύ των Παρόχων Κινητής (Εικονικής) Τηλεφωνίας (MvNOs). Επιπλέον, μόνο ο MvNO του καλουμένου είναι σε θέση να τερματίσει τις κλήσεις του. Ως εκ τούτου, στην αγορά τερματισμού κλήσεων των MvNOs υπάρχει μόνο ένας παίκτης που επωφελείται από τα Τέλη Τερματισμού Κινητής (MTR)· με τη σειρά της, η αγορά αυτή θεωρείται από τις ρυθμιστικές αρχές ως «de facto» μονοπώλιο, από τις πρώτες ημέρες εισαγωγής των εμπορικών υπηρεσιών κινητών επικοινωνιών. Δεδομένου αυτού του μονοπωλιακού γεγονότος, η μόνη λύση ενάντια σε μια πιθανή κερδοσκοπία από τους MvNOs ήταν η ρύθμιση των MTR. Σε ένα μονοπώλιο υπάρχει μια εταιρεία που είναι ο μοναδικός πωλητής ενός αγαθού ή μιας υπηρεσίας, και επομένως μπορεί να καθορίσει την τιμή. Ωστόσο, τα μονοπώλια μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κατηγορίες, στα φυσικά και στα καθορισμένα από την αγορά μονοπώλια. Η αγορά ενέργειας σε πολλές χώρες θεωρείται φυσικό μονοπώλιο, και ο κύριος λόγος είναι ότι συνήθως υπάρχει μόνο ένα καλώδιο τροφοδοσίας που φτάνει σε κάθε σπίτι. Επομένως, μόνο η εταιρεία που κατέχει το δίκτυο διανομής μπορεί να παρέχει υπηρεσίες ηλεκτρικής ενέργειας. Η υπηρεσία τερματισμού στις κινητές επικοινωνίες έως και το 4G θεωρείται επίσης μονοπώλιο. Ωστόσο, πρόκειται για ένα μονοπώλιο καθορισμένο από την αγορά, καθώς δεν υπάρχει φυσικός περιορισμός (π.χ. καλώδια) για την πρόσβαση σε έναν χρήστη κινητής τηλεφωνίας. Η τεχνολογία κινητών επικοινωνιών 2.5G και άνω επιτρέπει ευέλικτους μηχανισμούς χρέωσης, όπως η επιλογή MvNO κατά παραγγελία (on-demand) σε συνδυασμό με μη στατικά MTR, οι οποίοι θα μπορούσαν να ξεπεράσουν το εμπόδιο του μονοπωλίου των Τελών Τερματισμού Κινητής. Έτσι, αυτή η διατριβή δείχνει ότι η υπηρεσία τερματισμού κινητής τηλεφωνίας δεν αποτελεί «de facto» μονοπώλιο από την εποχή του 2.5G. Για να αποδειχθεί αυτό, προτείνεται σε αυτή τη διατριβή το Βασισμένο σε Δημοπρασία Σύστημα με επίκεντρο τον Χρήστη «AbaCUS» ως ένα επίστρωμα (overlay) για 2.5G και άνω, όπου οι MvNOs θα συμμετέχουν σε μια δημοπρασία ώστε να επιτραπεί ανταγωνισμός που στοχεύει στην αύξηση της Ποιότητας Εμπειρίας (QoE) των τελικών χρηστών. Οι MvNOs θα χρεώνουν βάσει της QoE ενώ θα υποβάλλουν προσφορές σε οικονομικές μεταβλητές, όπως τα MTR ανά μεταβλητές Ποιότητας Υπηρεσίας (QoS) —όπως η ποιότητα ήχου κατά τη διάρκεια μιας κλήσης και οι εγγυήσεις πρόσβασης στο δίκτυο— με τρόπο ώστε ο MvNO που θα αυξήσει την QoE των τελικών χρηστών να είναι εκείνος που θα επιλεγεί από την Αρχή Δημοπρασίας (Au²) για να παράσχει την υπηρεσία τερματισμού. Αυτή η διατριβή υποστηρίζει ότι η χρέωση βάσει της QoE αποτελεί το κλειδί για την υπέρβαση του μονοπωλίου της αγοράς MTR. Στην παρούσα διατριβή σχεδιάζεται ένα Αξιωματικό μοντέλο QoE (AQX), το οποίο λαμβάνει υπόψη του ταυτόχρονα τεχνικές και μη τεχνικές παραμέτρους, προκειμένου να εκτιμήσει την QoE του τελικού χρήστη για μια συγκεκριμένη υπηρεσία (π.χ. την υπηρεσία τερματισμού κινητής τηλεφωνίας). Μια τέτοια υπηρεσία μπορεί να παρασχεθεί από ανταγωνιζόμενους MvNOs που μπορούν να χρησιμοποιήσουν την QoE ως μετρική υποβολής προσφορών στη δημοπρασία AbaCUS, καθορίζοντας ποιος MvNO θα παράσχει την υπηρεσία τερματισμού. Το AQX είναι ένα γενικό μοντέλο QoE, καθώς δεν είναι ειδικό για μια συγκεκριμένη υπηρεσία, και μπορεί να εφαρμοστεί σε πολλαπλούς τομείς. Συνεπώς, παρουσιάζεται ο οδικός χάρτης επιλογής όλων των αναγκαίων παραμέτρων του AQX για το ευρέως μελετημένο σενάριο Φωνής μέσω Πρωτοκόλλου Ιντερνετ (VoIP). Αυτό το σενάριο επιλέγεται ως σημείο αναφοράς για την παρουσίαση και αξιολόγηση του AQX, δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετά υφιστάμενα μοντέλα QoE. Το AQX έχει αποδειχθεί ότι υπερισχύει των προηγμένων (state-of-the-art) μοντέλων εκτίμησης QoE για VoIP —της Υπόθεσης IQX και του E-Model της ITU-T— σε αρκετές περιπτώσεις. Αυτή η διατριβή προτείνει και υλοποιεί πρωτοτυπικά τον τεχνικό μηχανισμό που απαιτείται για την κατάρρευση του μονοπωλίου της υπηρεσίας τερματισμού κινητής τηλεφωνίας —έναν αυτόματο μηχανισμό επιλογής MvNO κατά παραγγελία (on-demand)— και αξιολογεί αυτόν τον μηχανισμό ως προς την αποδοτικότητα χρόνου και ενέργειας, δείχνοντας ότι η προτεινόμενη λύση είναι τεχνικά εφικτή. Τέλος, η διατριβή παρουσιάζει οικονομικά και τεχνικά κίνητρα για τους εμπλεκόμενους φορείς των κινητών επικοινωνιών (MvNOs, τελικούς χρήστες και ρυθμιστικές αρχές) ώστε να υιοθετήσουν την ιδέα και να εφαρμόσουν τον τεχνικό μηχανισμό που προτείνεται από το AbaCUS, διευκολύνοντας ένα ανταγωνιστικό περιβάλλον υπηρεσιών τερματισμού στην αγορά υπηρεσιών τερματισμού κλήσεων κινητής τηλεφωνίας.

In der Mobilkommunikation beinhalten Mobilterminierungsraten (MTR) die Gebühren zwischen (virtuellen) Mobilfunkanbietern (MvNOs). Nur der MvNO des Angerufenen ist in der Lage, dessen Anrufe zu terminieren. Somit profitiert im Mobilterminierungsmarkt lediglich ein MvNO von den MTR. Dementsprechend wird dieser Markt von Aufsichtsbehörden bere- its seit der Entstehung kommerzieller Mobilkommunikationsdienste als “de-facto”-Monopol angesehen. Die Regulation der MTR war die einzige Möglichkeit potentiellen Spekulationen der MvNOs vorzubeugen. Ein Angebotsmonopol ist dadurch gekennzeichnet, dass es auss- chliesslich einen Anbieter einer Ware oder einer Dienstleistung gibt und dieser daher den Preis bestimmen kann. Monopole können als natürlich und vom Markt definiert kategorisiert werden. Der Energiemarkt ist in vielen Ländern als natürliches Monopol anzusehen, da beispielsweise ein Haus für gewöhnlich nur über eine Stromleitung an das Stromnetz ange- bunden ist. Dementsprechend ist ausschliesslich der Anbieter, dem das Stromnetz gehört, in der Lage die Verbraucher mit Strom zu versorgen. Der Mobilterminierungsmarkt bis 4G wird auch als Monopol angesehen. Hierbei handelt es sich allerdings um ein vom Markt definiertes Monopol, da es keine physische Limitierung (wie beispielsweise Kabel) gibt, um den Mobilfunknutzer zu erreichen. Mobilfunktechnologien ab 2.5G ermöglichen flexible Bepreisungs- mechanismen, wie beispielsweise die optionale Wahl des MvNO gekoppelt mit nicht-statischen MTR, mit denen sich das Monopol beim Mobilter- minierungsmarkt für Sprachanrufe überwinden liesse. Dementsprechend zeigt diese Dissertation, dass der Mobilterminierungsmarkt seit 2.5G kein “de-facto”-Monopol mehr ist. Um dies zu belegen, wird das Auction- based Charging User-centric System “AbaCUS” entwickelt. Bei diesem handelt es sich um ein Overlay für 2.5G und neuere Mobilfunktech- nologien, welches das Konkurrieren von MvNOs durch die Teilnahme an Auktionen, die darauf abzielen die Quality-of-Experience (QoE) der Endnutzer zu erhöhen, erlaubt. Die Gebote in diesen Auktionen sind die QoE, also ökonomische Variablen (wie beispielsweise MTR), die die MvNOs in Abhängigkeit von der QoS (wie beispielsweise Tonqualität und Verbindungswahrscheinlichkeit) verlangen. Der MvNO, der die Auktion gewinnt und somit den Anruf des Endnutzers terminiert, wird von einer Auction Authority (Au²) zu Gunsten der QoE des Endnutzers ausgewählt. Diese Dissertation zeigt auf, dass das Konkurrieren von MvNOs bezüglich der QoE der Schlüssel ist, um das Monopol des Mobilter- minierungsmarktes zu brechen. Hierfür wird ein axiomatisches QoE- Modell (AQX), das simultan technische und nicht-technische Parame- ter berücksichtigt, entworfen, um die QoE des Endnutzers für einen bes- timmten Dienst zu schätzen (beispielsweise das Terminieren mobiler An- rufe). Solch ein Dienst kann von konkurrierenden MvNOs geliefert wer- den, welche die QoE als AbaCUS-Auktionsgebotmetrik nutzen, um zu bestimmen, welcher MvNO den Anruf terminiert. AQX ist ein QoE- Modell, das generisch ist, da es nicht dienstspezifisch ist, und somit in zahlreichen Domänen angewendet werden kann. Daher wird das Vorgehen um alle benötigten AQX-Parameter zu selektieren, für das gut untersuchte Voice over Internet Protocol (VoIP)-Szenario präsentiert. Dieses Szenario wird als Referenz gewählt, um AQX zu präsentieren und zu evaluieren, da für dieses Scenario zahlreiche QoE-Modelle existieren. Die Über- legenheit von AQX über die aktuellen QoE-Modelle für VoIP, das IQX- Hypothesenmodell und das ITU-T E-Modell, wird für zahlreiche Fälle demonstriert. Diese Dissertation entwickelt und implementiert prototypisch den technischen Mechanismus, der benötigt wird, um das Angebotsmonopol im Mobilterminierungsmarkt durch einen automatischen, optionalen MvNO-Selektionsmechanismus zu brechen. Dieser Mechanismus wird hinsichtlich Zeit- und Energieeffizienz evaluiert, um zu zeigen, dass die vorgeschlagene Lösung technisch umsetzbar ist. Abschliessend präsen- tiert diese Dissertation ökonomische und technische Anreize für alle be- troffenen Parteien (MvNOs, Endverbraucher und Aufsichtsbehörden) den vorgeschlagenen Selektionsmechanismus anzunehmen und durch AbaCUS zu implementieren und somit einen kompetitiven Mobilter- minierungsmarkt zu schaffen.