Dipl. Informatik-Ing. ETH Swiss FedernI Institute of Technology,

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1 Diss. ETH No PREPAID CHARGING FOR IP SERVICES A dissertation submittedto ETH Zürich for the degreeof DoctorofTechnicalSciences presented by PASCAL KURTANSKY Dipl. Informatik-Ing. ETH Swiss FedernI Institute of Technology, bornjulyg, igj4 Citizen ofwinterthur,zürich, Switzerland ETH Zürich accepted on the recommendationof Prof. Dr. Bernhard Plattner, examiner Prof. Dr. Burkhard Stiller, co-examiner,supervisor Prof Dr. Claudia Linnhoff-Popien, co-examiner 2007

2 ABSTRACT ABSTRACT Today the Internet has the status of an importantglobal economic domain. The IP-based Internet is not the basis for all communication networks espe cially in mobile environments,non-ip mobile telecommunication networks represent an anti pole to the IP-world. Service providersoffering Services in both domains are faced with many technical and economic issues. The all-ip approach is harmonizing these two domains by mergingthe most sophisticated features and functionalitiesfrom both worlds. One particularand widespreadfeature of non-ip mobile telecommunicationnetworksisthe prepaid charging Option, which service providers aim to port into all-ip. The prepaid chargingoption requires to perform real-time credit checks, i.e. to check whetherthere are enough credits left on the user's balance to use the prepaid service. Every real-time credit check consumesmany resources in a providers network and is the first cost-driver of the prepaid charging costs. Reducing or omittingcredit checks increasesthe risk of revenue loss due to. overuse of credits. Thus, the credit check costs and the costs caused due to revenue loss are the two cost-drivers ofthe prepaid charging costs. For service providers it is important to deploy a prepaid charging Solution which optimizestheprepaid charging costs in orderto increase their competitive position. Existing prepaid chargingsolutions do not optimize the pre paid charging costs, or only for single and very specificservices, e.g., voice Ser vice. Furthermore, customers and service providersdemand for flexible and user incentive tariffs, especially for high-valueip-based Services. Existing pre paid charging Solutions however do not give support for such advanced tariff functions. In turn, the prepaid chargingapproach developed in this thesis based on and termed tica (Time Interval CalculationAlgorithm) optimizes the pre paid charging costs for IP-based Services, supports flexible tariffs and implicitly supports multiple prepaid Services by means of service bundles. For a given amount of credits from the user's balance and based on the service tariff functions,tica associatesa time interval to the service bündle. Within the calculated time interval, the customer can use any service combinationwith reserved amount of credits. out being able to spend more than the initially The basic version tica 1.0 guarantees zero revenue loss by using a maximum

3 ABSTRACT estimation method. To further reducethe number of credit checks, tica i.i uses Statistical prediction and tica 1.2 exponential averaging. To show tica's applicability, two network architecture were chosen: The Daidalos all-ip architecture and the 3GPP IMS (Third Generation Partnership Project IP Multimedia Subsystem). The successful application of tica to these two future network architecturesshowed the universal applicability of the tica approach. The tica approach has been evaluated thoroughlywith two scenarios. First, a sensitivity analysis of the three tica versionswas performed. Second, the tica approach was compared with existing online charging Solutions. The results show clearlyhow tica is outperformingexisting Solutions with regard to the prepaid charging costs, tariff flexibility and multipleservice support. VI

4 ist ZUSAMMENFASSUNG ZUSAMMENFASSUNG Das Internet hat sich len Wirtschaftsraumentwickelt. Dietechnische Kommunikationsbasisdes In ternet-das Internet Protokoll (IP) - insbesondere in mobilen Tele in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen globa jedoch kommunikationsnetzennicht die einzige Kommunikationsgrundlage. Die mobilen Telekommunikationsnetze bilden einen weiteren wichtigengloba len Wirtschaftsraum. Die Koexistenzvon IP- und nicht IP-basierten Kommuni kationsnetzen führt jedoch zu technischen und wirtschaftlichen Mehrauf wänden seitens der Dienstanbieter. ist daher anzustre Eine Harmonisierung ben und widerspiegeltsich im All-IP Ansatz. Das Ziel hinter dem All-IP Ansatz ist die Übernahme und Erweiterung von Kernfunktionalitäten aus beiden Welten. Eine Funktionalität, welche Dienstanbieter aus den mobilen Tele kommunikationsnetzen nach All-IP portieren möchten, ist die Prepaid-Verrechnung. Die Prepaid-Verrechnungimpliziert, dass während der Dienstnutzung das Prepaid-Guthaben des Kunden in Echtzeitüberwachungbenötigt bieters. Die Reduktion der Echtzeit-Überwachungen führtjedoch zu einem höheren Verlustrisiko durch mögliche Übernutzungdes Prepaid Guthabens. Die beiden Kostentreiberder Prepaid-Verrechnung lassen sich wie folgt iden Echtzeit überwachtwerden muss. Jede erhebliche Ressourcen im Netz des Dienstan tifizieren: Erstens sind dies die Kosten der Echtzeitüberwachungen Ẓweitens entsteht durch Übernutzung des Prepaid Guthabensein finanzieller Verlust, die sogenannten Verlustkosten. Um den Vorsprung gegenüberder Konkurrenz auszubauen, sind Dienstan bieter generell bestrebtdie Prepaid-Kostentief zu halten. Allerdings optimie ren die bestehenden Ansätze für die Prepaid-Verrechnung die Prepaid-Kosten nicht, oder nur für einzelnedienste, wie beispielsweise den Sprachdienst.Fle xible und kundenbindende Tarife spielen vor allem für IP-basierte Mehrwert dienste eine immer grössere Rolle. Bestehende Ansätze der Prepaid-Verrech nung unterstützen jedoch nur einfache Tarife. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Prepaid-Verrechnungoptimiert die Prepaid-Kosten und unterstütztflexible Tarife. Im Kern basiert dieser Lö sungsansatz auf dem Time Interval Calculation Algorithm (tica). Dank der Einführung des sogenannten Service-Bundle Konzepts, bietet tica zudem die Unterstützung zur Ausführung parallel genutzter Prepaid-Dienste. Zu jedem VII

5 ZUSAMMENFASSUNG Service-Bundle berechnet tica ein Zeitintervallauf der Basis einer reservier ten Tranche des Prepaid-Guthabens. Innerhalb dieses Zeitintervalls ist es dem Kunden nicht möglich, einen grösseren Betrag als den reservierten auszuge ben. Der tica Ansatz wird in drei Versionen spezifiziert: In der Grundversiontica i.o-wird die Strategie der Maximumschätzung verwendet, um den Res sourcen-verbrauch in zukünftigen Zeitintervallenabzuschätzen. Die erweiter te Version tica 1.1 wendet die Methodeder statistischenvorhersage und tica 1.2 schliesslichdas sogenannte exponential averaging an. Netzwerk Architektu Der tica Ansatzwurde erfolgreich auf zwei zukünftige ren angewendet: Die Daidalos und 3GGP IP Multimedia Subsystem (IMS) Netzwerk Architektur. Die Evaluationen des tica Ansatzes wurden anhand von zwei Szenarien durchgeführt, welche beide erstenszur Sensitivitätsanalyse der drei verschie denen tica Versionen verwendet wurden, und zweitens als Vergleichmit be stehenden Online Charging Systemen angewendet wurden. Die Resultate zeigen eindeutig die Vorteile von tica gegenüber bestehenden Ansätzen. VIII