Access network is defined as the transmission path between the customer and the local exchange, and is comprised of customer premise equipment, the local exchange and lines between them. Until recently this network has been changed little from the days of the invention of the telephone. With the explosively increasing demand for data transmission capacity caused by the spectacular growth in the multimedia service as well as the Internet traffic, it is inevitable for network operators to upgrade their access networks.
A number of solutions for broadband network access via various physical media, however, are currently being available. Digital Subscriber Line (DSL or xDSL) and Hybrid Fiber/ Coax (HFC) technologies, which use the existing twisted copper pairs for telephone service and the coaxial cable for the traditional CATV service, respectively, are very attractive because of their maximum use of the existing media. But only limited services are possible since they could not break off with the old age. Other technologies using wireless or satellite-based technologies are being developed for the places where mobility may be needed, but the generic weaknesses of the wireless technologies such as bandwidth limitation, poor quality of services have to be overcome. With the help of the advancement of technology and the mass production, what it was regarded impossible is becoming to realize. Now nobody raises an objection to the opinion that the optical fiber technology is one of the ultimate alternatives for the broadband access network because of its almost unlimited capacity of bandwidth and other advantages. The solutions using fiber in the loop form a family loosely called Fiber To The x-place(FTTx) solutions, where the x stands for one of several letters of the alphabet. Those technologies are usually categorized by distance of ONU from customers' premises: FTTH(fiber th the home), FTTB(fiber to the building), FTTO(fiber to the office), FTTC(fiber to the curb), and so on.
No matter what technologies used in building the broadband access network, we still have many problems to solve. The special attention has to be called for making an investment in the access networks since these networks account for over 50% of the total investment in communication facilities. One of the major reasons for the heavy investment is that the customers are widely dispersed and each of them has to be connected to CO. What makes more difficult in making investment decision is the variety of the technological alternatives that are still being developed and appear day after day. And the access network investment decision is regarded as a matter of life or death of the company.
This thesis considers the problems encountered in the planning and design of the fiber-based broadband access network. There are a number of studies on the access network design and the fiber-based backbone network design but the results of them cannot be directly applied to the fiver-based access network design because of little consideration for the unique characteristics of it. Dispersed nature of customers makes the demand forecasting more difficult and the network service providers hesitate about making an investment. The relatively shorter length of link forces network planners to consider the other network topologies rather than those used in building the backbone network. The fiber-based access network planning, though similar to copper-based one, requires additional considerations such as ONU location and the network survivability.
Chapter 2 considers the problem determining the ONU location and capacity under uncertain demand, which is important in FTTx planning and design. The earlier studies on the access network expansion ignored the demand uncertainty, one of the key complicating factors that a network planner has to overcome. The traditional practice of the sequential and divide-and-conquer approach has some drawbacks, i.e., it is probable that the last solution is just local optimal and the wrong decisions made in the previous subproblems affect the rest of the subproblems. We take two problems, the ONU location problem and the economic order quantity problem, and formulate them as one problem and solve it in a streamlined fashion. The objective of this problem is to minimize not only the costs locating ONU but also the expected shortage costs. Reformulating the problem in column generation approach, we focus on solving the subproblem while utilizing the integrality property of the main problem. Exploiting the special structure of the expected shortage cost function, we reduce the computational efforts by removing the unnecessary searching in advance similar to the branch and bound approach. The simulation results show that our approach outperformed the multi-phased approach by 20%.
The objective of Chapter 3 is to study the problems encountered in planning the copper-based network and utilize the underlying ideas in building the fiber-based network. There are two wiring methods in traditional technology, direct wiring using PCP. Though the direct wiring method provide the better quality of service since the noise level is kept lower form the direct connection, this method requires more cable supply for the unknown future demand than the indirect wiring method, in which the utilization of cable is high since a PCP plays a buffer-like role. By analyzing the shortage costs of both methods, we evaluate the value of PCP introduction in the access network. This chapter also deals with the problem of how to allocate the given circuit supply to each small area to minimize the expected shortage cost. We prove that equalizing the shortage probability of each area minimizes the total expected shortage cost. We present an efficient algorithm for the optimal allocation by utilizing this property. The problems presented in this chapter may not be directly related to the fiber-based network design but we can see the role of the loop in the fiber-based network has a connection with the PCP and capacity allocation of ONU to customers is very closely connected with the circuit allocation.
Chapter 4 considers the design of overall access network. The ring-star structure is economically and technically proven in the backbone network but it is questionable that this structure is still excellent in the access network, where the links are relatively short. The loop-star structure is a good alternative to introduce the optical fiber cable in the access network in the sense that it provides the reasonable level of survivability of network, which is one of the most critical weaknesses of the fiber-based network, and the flexibility coping with the unknown future demand. The trade-off between the installation cost and the possible link cost is formulated in the model. We present a network flows theories based heuristic algorithm for this model. The purpose of this study is to provide the network planner with a set of good solutions rather than to solve the problem optimally, and thus leading the network plan to be effective and efficient one. We tested our algorithm with the real problem with more than 500 ONUs in the network and got various access network design solutions by varying the parameters of the model.
Though the models studied in this thesis are simplified and does not explain the whole phenomena of the real world network, they would be helpful in understanding the effects of the important economical factors in designing the access network. Grasping good details of access network planning, we suggested integrated models considering the various cost factors and the characteristics of fiber-based access network especially the demand uncertainty and the survivability. It is expected that the approaches and the detailed solution methods will be useful tools to solve the problems encountering in the access network planning. We hope these results to be helpful in economic broadband access network planning and design and thus contributing to the competitiveness of network service providers for the high quality and low price services.
가입자망은 일반 가입자들에게 음성 전화 서비스를 제공하기 위해 전화국으로부터 가입자까지 연결되는 망이다. 과거에는 음성 서비스가 주 대상이었기 때문에 특별한 기술적 변화 없이 유지되어 왔으나 WWW으로 대표되는 인터넷 및 멀티미디어 서비스 대한 광대역 서비스 수요가 폭증함에 따라 가입자망의 성능 향상이 불가피하게 되었다.
광대역 가입자망을 구축하는 기술들에는 ADSL(asymmetric digital subscriber line)으로 대표되는 xDSL 기술들과 HFC(hybrid fiber-coax)는 기존에 이미 다른 용도로 사용하고 있는 가입자망을 고도화하는 대표적인 기술들이다. 전자는 전화선을, 후자는 CATV의 동축망을 최대한 활용하기 때문에 비교적 저렴한 비용으로 광대역 가입자망 구축이 가능하나 과거의 기술을 혼용하고 있기 때문에 그만큼 제공할 수 있는 서비스 대역폭 등의 제약이 따른다. 이동전화처럼 무선을 이용하는 WLL(wireless local loop)과 인공위성을 이용하는 가입자망도 고려되고 있다. 이들은 가입자망을 빠른 시일내에 구축하여 서비스할 수 있다는 장점을 갖고 있기는 하지만 무선의 한계를 극복해야 한다. 가입자망을 광대역화하는 궁극적인 기술로는 거의 무한대의 대역을 전송할 수 있는 광 섬유(optical fiber)를 이용하는 방법이라는 것에 의견이 모아지고 있으며, 기술발전과 대량생산의 영향으로 가격이 저렴해지고 있어 과거에는 불가능하다고 여겨지던 광가입자망의 도입이 가시화되고 있다. 광가입자망은 광전송을 위해 가입자측에 ONU(optical network unit)가 설치되며, 설치 위치에 따라 가입자 집안에 설치되면 FTTH(fiber to the home), 사무실, 건물, 도로주변 등에 설치되면 각각 FTTO(fiber to the office), FTTB(fiber to the building), FTTC(fiber to the curb) 등으로 부른다. 이들은 기술 관점에서 살펴보면 크게 FTTH와 FTTC로 구분할 수 있다.
그런데 어떠한 기술을 사용하여 광대역 가입자망을 구축하더라도 풀어야 할 큰 문제가 남아 있는데 그것은 가입자망 구축에 소요되는 비용이다. 가입자망은 장거리 백본망(backbone network)에 비해 매우 미미한 비용이 소요될 것으로 보이나 실제로는 전화회사가 매년 투자하는 금액의 50%를 차지하고 있다. 더욱 어려운 것은, 과거에는 가입자망을 구축하는데 몇 가지 기술만이 존재하였으나 지금은 다양한 기술들이 존재하고 계속 발전하는 추세이기 때문에 투자 결정을 더욱 어렵게 하고 있다. 또한, 경쟁의 심화로 잘못된 투자가 기업의 사활을 좌우할 정도로 중요성이 더욱 부각되고 있다.
본 논문에서는 가입자망의 궁극적인 목표인 광가입자망의 구축 계획 및 설계에 대해 살펴본다. 동선위주의 가입자망에 대한 연구나 광섬유를 이용하는 백본망 구축에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으나 가입자망 특성과 광섬유 망에서 고려해야 할 사항들이 동시에 반영되어 있지 않기 때문에 기존의 연구를 광가입자망에 그대로 적용하기에는 어려운 점이 있다. 가입자들이 지역적으로 분포되어 있는 가입자망의 특성으로 말미암은 문제는 수요 예측의 어려움을 야기한다. 가입자망은 그 특성상 고정되어 있는 가입자들을 개별적으로 서비스해 주어야 하므로 이상적으로는 각 개별 가입자들의 수요를 예측해야 한다. 현실적으로는 작은 지역내의 가입자들의 수요를 예측하고 있지만 수요 예측 단위가 상당히 작기 때문에 그 정확성이 매우 떨어지므로 이러한 현상을 반영해 주어야 한다. 또한 가입자망은 백본망에 비해 각 요소점들을 연결하는 선로의 길이가 상대적으로 짧다. 따라서 ADM(add drop multiplexer)과 같은 고가의 광 전송장비를 이용하여 전송하는 방식은 상대적으로 비경제적임을 감안하여 다른 망 구조의 고려도 요구된다.
가입자망의 계획은 망의 상태를 항상 감시하여 예측된 수요를 충족시키기에 문제가 있다고 판단되면 투자 계획을 수립하여 설계, 구축 및 운용하는 일련의 과정을 반복한다. 광가입자망 계획도 이와 유사한 과정을 통해서 이루어지며 동선 위주의 망 계획과는 달리 ONU의 위치와 용량 결정을 포함하여 광의 특수성을 감안하여 설계도 요구되고 있다. 광섬유는 넓은 대역폭과 외부 잡음에 강하다는 장점을 가지는 반면 통신 선로가 동선 위주의 망에 비해 취약하며 만약 문제가 발생했을 경우, 커다란 손실을 초래할 수도 있기 때문에 이에 대한 대비도 필요하다. 본 논문에서는 광가입자망 구축에 있어 해결해야 할 몇가지 문제를 다루고 있는데, 2장과 3장에서는 가입자망의 수요 불확실성과 관련된 문제들을 다루고 4장에서는 광가입자망을 구축할 때 백본망과 구분되는 구조인 루프 성형 구조망(loop-star) 설계에 대해 살펴본다.
2장은 FTTx 구조에서 중요한 역할을 하는 ONU 위치선정 및 용량 결정과 관련된 문제이다. 이 문제는 동선 위주의 망 확장 문제에서 집중장치(concectrator)를 설치하여 주어진 전화 서비스 수요를 가장 경제적으로 충족시키는 문제와 유사점을 갖고 있다. 그러나, 가입자망의 대표적인 특성인 수요의 불확실성을 고려하지 않고 있어 현실 세계에서의 문제를 해결하는데 한계점을 갖고 있다. 현실에서는 이 문제를 해결하기 위해 각 수요를 재고 이론 등의 최적 이론을 이용하여 미리 결정해 놓고, 결정된 수요값을 ONU 위치 선정 문제의 입력으로 하여 해결하는 다단계 방식을 택하고 있다. 그러나 하나의 문제를 여러 작은 문제들로 나눠 순차적으로 해결하는 방식은 전체 문제의 최적해를 구하기 어려우며, 특히 앞의 작은 문제에서 구한 해가 잘못 계산된 경우 다음 문제에 좋지 않은 영향을 미칠 수도 있는 단점을 지니고 있다. 예를 들어, ONU 위치 선정 문제에서는 수요를 미리 결정해 놓으므로 인해 여러 분포들이 합해졌을 때 분산이 작아지게 되는 효과를 반영하지 못하여 결국 ONU를 과잉 공급하게 되는 현상을 빚고 있다. 따라서 문제의 난이도를 크게 증가시키지 않는다면 전체적인 관점에서 문제를 접근하는 것이 더 바람직하다.
본 장에서는 수요의 불확실성을 고려한 ONU 위치 선정 문제를 다룬다. ONU 위치 선정과 관련된 비용과 각 가입자를 해당 ONU에서 서비스받을 수 있도록 하는데 따르는 비용뿐만아니라 ONU를 설치한 후 수요가 그 ONU의 용량을 초과함으로 인해 발생하는 재고부족비용의 기대치를 최소화하는 모형을 만들었다. 이 모형에서는 현실적인 가입자망 구조를 감안하여, 주어진 망 형태가 나무 구조(tree structure) 형태임을 가정하였고 각 수요점에서 발생하는 수요는 독립적인 정규분포(independent normal distribution)를 갖는다고 가정한다. 또한 다른 가입자망 설계에서도 고려되는 사항으로 한 ONU에서 서비스를 제공받는 가입자 수요점들은 단절됨없이 군집을 형성하는 것(contiguity)을 가정한다.
문제 해결 방법은 문제의 목적식이 비선형이기 때문에 일반적인 최적화 도구들이 사용될 수 없어서 column generation 방식을 이용했다. 대상으로 하고 있는 망 형태가 특수한 형태이기 때문에 column generation 문제의 주문제(main problem)의 해가 항상 정수해를 갖는다는 성질을 이용하는 한편, 부문제(sub problem)의 해결 방안에 초점을 맞췄다. 부문제는 모든 방법을 열거하면 해결할 수 있는 문제이지만 현실적으로 불가능하다. 재고부족비용 함수 형태의 특수성을 이용하여 branch-and-bound와 유사하게 더 이상 계산이 필요없는 가지를 제거함으로서 계산량을 줄였다.
제시된 알고리듬은 Excel 2000 VBA를 이용하여 프로그래밍되었고 약 40개의 수요점을 갖는 문제를 Intel Celleron 300MHz CPU PC에서 약 1 분만에 해를 찾았는데, 기존의 다단계 방식과 비교할 때 약 20% 정도의 비용이 절감된 좋은 결과를 도출해 냈다.
3장에서는 동선 위주 망에서의 배선법에서 발생하는 문제를 다룬다. 동선 위주의 망을 연구함으로서 광가입자망을 구축하는데 있어 발생하는 동일한 문제들을 해결하는데 목적이 있다. 동선의 배선법에서는 직배선법과 절체반 방식을 들 수 있다. 직배선은 중간 절체반없이 전화국과 가입자를 직접 연결하는 방식으로 통화품질이 우수하지만 미래의 수요에 대비하기 위해 절체반 방식에서보다 더 많은 동선을 미리 확보해 놓아야 한다. 즉, 절체반이 하나의 버퍼(buffer) 역할을 수행하고 있기 때문에 선로의 이용 측면에서 보면 절체반 방식이 우수하나 절체반을 도입, 설치하여야 하고 운용, 관리가 어렵기 때문에 우리나라에서는 별로 환영받지 못한 기술이다.
이 두 방식의 차이는 발생하는 재고 부족으로 나타나며 그 양에 따른 재고 부족 비용에 영향을 미친다. 절체반 방식에서는 절체반이 서비스하는 지역(PCP area)내의 수요합이 절체반까지 공급된 양을 초과하지 않는 한, 재고 부족이 발생하지 않는다. 반면, 직배선 방식에서는 더 작은 지역(DP area)까지 직접 공급된 형태이므로 이 작은 지역의 수요가 공급량을 초과하면 재고 부족이 발생한다. 특정한 DP 지역에서 발생한 재고 부족은 같은 PCP 지역내의 다른 DP 지역에 여유 용량이 존재하면 그 지역의 남는 선로를 재배선하여 임시방편적으로 서비스할 수 있지만 다른 모든 DP 지역들도 재고 부족을 겪고 있다면 절체반 방식과 마찬가지로 PCP 지역에 공급되는 휘다(feeder)량을 증설해야 한다. 즉, PCP 지역 차원의 재고부족은 똑같이 일어나므로, 이 두 방식의 차이는 DP 지역의 재고 부족 비용의 합으로 축약되므로 절체반의 유용성을 판단할 수 있다.
또한 본 장에서는 PCP 지역에 주어진 용량을 DP 지역에 효율적으로 분배하여 재배선을 줄이는 방법에 대해서도 연구한다. 재고부족이 발생하는 확률을 일정하게 함으로써 재배선의 기대치를 최대한 줄이는 결과를 도출했고 각 DP 지역에 분배되는 양을 결정하기 위한 알고리듬을 제시했다.
제시한 두 문제는 광가입자망의 계획과 설계 측면에서 연관성을 갖고 있다. 첫 번째 문제에서 다룬 절체반이 미래의 불확실한 수요에 대해 어느 정도의 버퍼역할을 수행하는 것처럼 다음 장에서 소개되는 loop-star 구조의 망에서 loop가 미래의 불확실한 광섬유 수요에 대한 버퍼역할을 하여 유연성을 제공하는 효과를 간접적으로 파악할 수 있다. 두 번째 문제는 광가입자망에서 주어진 ONU 용량을 각 가입자 또는 가입자군에 분배하는 문제와 관련이 있지만 본 논문에서는 다루지 않았다.
4장은 광가입자망의 전체적인 형태를 구성하는 설계 문제를 다루고 있다. 광을 이용한 망은 광의 대용량 전송이라는 장점에 따르는 망 선로의 손상에 대한 취약성을 내포하고 있기 때문에 이에 대한 대비가 필요하다. 백본망 구축에 주고 사용되는 ADM(add/drop muptiplexer)를 이용하는 ring-star 구조는 선로의 길이가 길어 고가의 전송 장비를 사용하여 전송하는 것이 경제성이 있다. 그러나 가입자망은 가입자들이 일정한 공간에 존재하고 있어 고가의 전송장비를 설치하여 전송하는 방식이 비경제적일 수 있다. 이에 대해 가입자망에서 광섬유를 이용하여 망을 구축하는 대안으로 제시되는 구조가 loop-star 이다. 불과 몇가닥의 광섬유와 전송 장비를 이용하여 여러 채널을 형성시키는 대신, 그 채널 수에 상응하는 정도의 광섬유를 설치하여 물리적인 채널을 만드는 구조이다. 전체적인 구조는 ring-star 구조와 유사하나 loop 내에 전송장치가 포함되어 있지 않아 논리적인 망 구조는 기존의 동선 위주의 망처럼 성형(star)이다. loop 를 두는 이유는 광을 이용한 망의 선로 손상에 대한 취약성을 어느 정도 해결할 수 있고 loop 가 3장에서 소개한 절체반과 같이 버퍼역할을 하기 때문에 유연성을 제공하기 때문이다. 여기서는 망 구축 비용과 망이 손상되었을 경우의 비용의 상층관계를 이용하여 경제적인 망을 구축하는 방안을 모형화하였고 이 문제를 풀기 위한 발견적 해법의 알고리듬을 제시한다. 현실에서의 망 계획 절차와 유사하게 먼저 모든 ONU 수요를 충족시키는 tree 형태의 망 설계, 망 손상의 기대 비용을 최소화하는 loop 를 추가하는 loop 설계 그리고 최종적으로 loop-star 의 가지부분의 비용을 조금 더 줄이는 방법으로 구성되어 있다. 본 연구의 목적은 최적의 해를 구하는데 있지 않고 망계획 및 설계자가 광가입자망의 구축 계획을 세울 때 의사결정에 도움이 될 수 있는 좋은 성질의 망 설계 대안들을 제시함으로써 보다 효율적이고 효과적인 투자로 이어질 수 있게 하기 위함이다. 500개 이상의 ONU 를 가지는 현실 문제를 대상으로 관련 모수들을 변화시켜가며 여러 간으한 설계 대안들을 제시했다.
본 논문을 통해, 무한 경쟁 시대의 통신 환경에서 통신 사업자의 경쟁력을 향상시키기 위한 방안의 일환으로 광가입자망의 경제적인 구축계획 및 설계에 대한 최적화 모형과 그 해법을 연구하였다. 여기서 연구한 기본 모형들은 비록 단순화되어 있고 실제로 운용 중이거나 계획중인 통신망의 복잡한 현상들을 모두 반영하고 있지는 않지만, 통신망 계획 및 설계에서의 중요한 경제적인 요소들의 영향을 파악하는데 도움을 줄 수 있다. 현실에서의 가입자망 공급 계획에서 설계, 이행까지의 구체적인 실행 과정을 파악함으로써, 기존 연구들과 대비해 볼 때, 여러 가지 비용 요소 및 여러 특성 특히 가입자망의 특성 중의 하나인 불확실성을 하나의 통합된 모형 내에서 동시에 고려한 모형을 설정하였으므로, 제시된 접근방법 및 구체적인 해법들은 광가입자망 설계의 현장에서 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
본 논문의 연구결과가 경제적인 광대역 가입자망의 계획 및 설계와 더 나아가 통신사업의 경쟁력 향상으로 이어져 양질의 서비스를 저렴하게 공급하는데 도움이 되기를 기대한다.