In the transition period to full and open competition, the competitiveness of a company has become one of the most critical managerial factors. Since a company's competitiveness comes from its profitability and business efficiency, we study economics involved in constructing and operating telecommunications networks. Some models and solution procedures are investigated to help design hierarchical transport networks and operate for logical topology reconfiguration.
In designing a transport network, what should be considered are three kinds of construction related costs: the hub location cost, the conduit establishment cost, and the cabling cost therein.
At first, we deals with a fiber transport network with hubbing topology that covers an area which is partitioned into several regions. We add a restrictive condition which states that a single hub should be opened in a region. and that conduit facilities are shared with by fiber cables of both the lower level connection and the upper level connection. We show that such a complex design problem can be transformed into a simple variant of the classical network design model by introducing dummy nodes and arcs and by judiciously redefining commodity-flows. A dual-based heuristic procedure which incorporates the well known Labeling Dual-Ascent Algorithm is developed to provide both a good lower bound and an upper bound of the optimal solution.
In addition, we extend the above study into two types of variation considering real-world applicability. The former releases the regional hubbing constraint not specifying the number of open hubs. But costs of the hub level cabling need to be defined independent of the volume of flow therein. The latter considers the practicality that each end office may have direct route paths to some near end offices bypassing hubs. Except the direct paths, all the paths from an end office should be homed to a single hub irrespective of the path destination. Without partitioning into subproblems, each problem is directly dealt with in a single integrated framework, and formulated as a variant of the classical multicommodity flow model for the fixed charge network design problem inspired by some recent successes with the approach. We have formulated the problem as a variant of the classical network design model but with some cumbersome side constraints. Though not so simple, each suggested model gives the basis of developing a corresponding effective dual ascent procedure.
Once facilities of a transport network are given, the designer's concern moves to efficient operation of the given resources. Thus, in final, we deals with the logical network reconfiguration for efficient and flexible operation of the given transport network. Fairness issues in reconfigurable communication networks is raised and, based on strict fairness principles, the problem of optimizing a combined measure of efficiency and fairness is formulated. In order to solve the problem, a number of useful properties on the virtual link have been derived and used to develop an effective solution procedure.
Though the basic models are somewhat simplified and restrictive in fully representing the real telecommunication networks, they explain the economic characteristics of the key cost components of the network. It is thus hoped that this study will help with designing and/or operating the communication networks and enhance future competitiveness in the telecommunications business.
1. 연구의 배경
최근 통신시장 환경은 급속한 대외개방과 무한한 경쟁을 향해 변화해 가고 있으며, 따라서 통신사업의 경쟁력 향상에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 장거리 통신서비스 시장에서, 지능화된 망장비와 광전송기술을 중심으로 하는 놀라운 통신기술의 발전으로 인해 급격한 원가절감이 이루어져, 보다 다양한 형태의 통신망을 제공하는 사업자들의 경쟁이 심화되었다. 통신사업에 있어서 경쟁력의 원천은 통신서비스 제공을 위한 통신망의 경제적인 제공과 효율적인 운용에 있으므로, 본 논문에서는 광대역 통신망의 경제적인 설계 및 유연한 운용을 위한 최적화모형 및 그 해법을 연구하였다.
2. 지역구분 및 단일허브제약이 있는 광대역 통신망의 설계 연구
먼저, 광대역 통신망은 일반적으로 단국 및 집중국의 2계위 허브 구조를 가지므로, 제2장에서는 이러한 광 전송망의 설계문제를 다루었다. 광 전송망의 설계에 있어서는 허브 노드의 개설 비용, 관로의 건설비용, 그리고 관로내 전송선로시설의 설치비용이 발생하므로, 통신수요를 만족시키면서 이러한 구축 비용을 최소화하는 통신망의 설계모형 및 해법의 개발이 연구의 대상이다.
우선, 단국노드와 허브노드 후보지 및 관로설치 가능 경로(아크)가 주어진 망설계의 대상구역이 몇 개의 지역으로 구분되어 있는 경우의 설계문제를 연구 하였다. 구분된 각 지역에는 하나의 허브만이 개설 가능하다는 조건을 부여한다. 이러한 조건은 통신망의 설계대상구역이 지정학적 및 사회적 환경으로 인해 주로 몇 개의 지역으로 구분되어 있는 현실을 반영한 것이다. 여기에 망구축의 현실성을 감안하여, 설치되는 관로들은 여러 경로의 전송시스템이 공유하고, 허브노드의 후보지도 비록 허브는 개설되지 않더라도 경유하는 노드로 활용될 수 있도록 문제를 설정하였다.
이러한 설계문제는 매우 높은 복잡도(NP-hard)를 가진다고 알려져 있으며, 따라서 이 문제에 대한 전통적인 접근 방법은 전체 문제를 분해하여 부분적인 문제를 반복적으로 풀어나가거나 일부 비용에 대한 고려를 생략하는 형태가 대부분이었다. 하지만, 본 연구를 통하여, 세 가지 비용요소를 모두 반영하는 전체 설계문제를 하나의 프레임웍으로 통합하는 모형이 가능함을 보일 수 있었다. 즉, 대상이 되는 네트웍요소에 가상노드 및 가상아크를 도입하고, 동시에 노드간의 흐름 (commodity flow) 및 비용에 대한 정의를 새롭게 함으로써, 위의 설계 문제가 전통적인 네트웍 설계모형과 유사한 형태로 변형됨을 보였다. 이는 그 동안 여러 문헌을 통해 효율성이 입증된 쌍대증가 알고리즘(Dual-ascent algorithm)을 부분적으로 활용할 수 있음을 의미한다.
본 연구에서는 이러한 모형화를 바탕으로 쌍대기반 휴리스틱 해법을 개발하여 최적해에 대한 효과적인 하한값(lower bound)을 구할 수 있게 하였으며, 또한, 쌍대해로부터 최적해가 되기 위한 조건(Complementary slackness condition)을 이용하여 최적해에 근사한 실현가능해를 구하는 해법을 제시함으로써 효과적인 상한값(upper bound)을 구할 수 있게 했다. 그리고, 이러한 휴리스틱 해법에 대한 검증을 위해, 규모가 큰 망설계 문제를 무작위로 생성하여 광범위한 계산실험을 수행한 결과 위의 해법이 속도면에서나 성능 (상하한값의 간격비율)면에서 좋은 성과를 보였다.
3. 지역적 허브제약이 없는 통신망의 설계 연구
앞의 연구를 바탕으로 하여, 단국노드 및 개설되는 허브노드들에 대한 지역적인 구분 제약이 없고 따라서 개설되는 허브의 수에도 제한이 없는 일반화된 형태의 설계문제로 확장하였다. 먼저, 지역적인 제한을 완화한 경우에는, 세 가지 비용요소를 모두 반영하는 전체 설계문제를 하나의 프레임웍으로 통합하는, 역시 복잡도가 높은 원 문제를 전통적인 네트웍 설계모형과 유사한 모형으로 변환하였다. 이 때는 모든 허브 후보지에 대응되는 가상노드 및 가상아크를 포함하는 가상평면, 그리고 하나의 중심 가상노드를 도입하고, 노드쌍간의 흐름 및 비용에 대한 정의를 새롭게 하였다. 동시에, 흐름이 가상평면만을 이용하는 비현실적인 결과를 초래하게 되는 것을 방지 하기 위해 일부 가상아크에 대한 흐름의 종류를 제한하는 제약식이 추가되었다.
한편, 거리가 가까운 단국간에는 반드시 허브를 거치지는 않는 현실을 감안하여, 허브를 우회하는 직접경로가 허용되는 설계문제로 확장하였다. 이 경우에도, 관리 및 운용의 효율성을 위해 회선연결의 단순화를 중시하는 현실을 반영하여, 직접경로를 이용하지 않는 흐름은 하나의 허브로만 집중되게 하는 조건은 유지하였다. 이 때는 가상노드를 도입하지 않고 다만 단국노드의 연결을 논리적 스타(logical star) 형태로 처리하였다.
이와 같이 복잡도가 증가되는 설계문제들에 대해, 역시 문제를 분해하지 않고 하나의 통합모형으로 처리하되 네트웍의 확장이나 노드쌍간 흐름 및 비용에 대한 재정의, 또는 흐름에 대한 제약 등을 기술적으로 활용함으로써, 전통적인 네트웍 설계모형과 유사한 모형으로 변환할 수 있었으며, 쌍대구조를 이용하는 쌍대기반 해법을 제시하여 효율적인 설계 해법을 개발할 수 있는 모티브를 제공하였다. 다만 이러한 접근방법론의 효과성은 앞의 연구에서도 이미 입증되었으므로 별도의 검증을 위한 계산실험과정은 첨부하지 않았다.
4. 운용을 위한 논리망 재구성 연구
다음으로, 설계에 의해 전송망의 설비가 주어져있는 상황에서의 망의 효율적인 운용에 대해 관심을 옮겨, 논리망의 재구성에 필요한 설비할당기법을 연구하였다. 망의 재구성은 트래픽수요의 변동, 혼잡현상 또는 고장, 재난 긴급상태, 등등의 환경변수의 변화에 효율적이고 유연하게 대처하기 위해 망의 설비자원들을 재할당하여 운용하는 것을 말한다.
자원의 할당에 있어서는 전체망의 평균 성능도 중요하지만, 그 동안 간과 되어온, 개별 사용자들간의 형평성을 고려하지 않을 수 없다. 본 연구에서는, 망운용 관리자에게 다양한 판단기준이 있음을 반영하여, 이용량이나 이용거리를 고려하는 네 가지의 형평성 척도를 제시하고 형평성원리들을 도출하였다.
또한, 망의 평균 성능과 형평성을 동시에 고려하여, 가상링크로 자원을 할당함으로써 논리망을 재구성하는 문제를 모형화하고, 가상링크의 특성을 반영하는 효과적인 해법을 개발하고 그 과정을 예시하였다. 아울러 적정한 규모의 설계예제를 구성하고 고른 트래픽 분포와 편중된 트래픽 분포 각각의 경우에 대한 계산실험을 실시하여, 제시된 해법이 논리망의 재구성을 수행할 수 있음을 의미하는 결과를 보였다.
5. 결론
본 논문을 통해, 통신시장의 개방 및 예상되는 무한한 경쟁에 대응하여 통신사업의 경쟁력을 향상하기 위한 전략방안의 일환으로, 광대역 통신망의 경제적인 구축과 효율적인 운용을 위한 최적화모형 및 그 해법을 연구하였다.
여기서 연구한 기본 모형들이 단순화되어 있어 비록 실제로 운용 중인 통신망의 복잡한 현상들을 충분히 반영하고 있지는 않겠지만, 통신망의 핵심적 비용요소들의 경제적인 특성을 잘 설명하고 있으며, 특히 기존 연구들과 대비해 볼 때, 여러 가지 비용요소를 하나의 통합된 모형 내에서 동시에 고려하면서도 현실적인 상황을 많이 반영한 모형설정이므로, 제시된 접근방법 및 구체적 해법들은 통신망 설계의 현장에서 유용한 도구로 활용될 수 있다.
본 논문의 연구결과가 광대역 통신망의 설계 및 운용에, 나아가 통신사업의 경쟁력 향상에 도움이 되기를 기대한다.
