대한지리학회지제48권제2호 2013(259~271)? 이건학 * 김감영 ** Spatial Location Modeling for the Efficient Placements of the Super WiFi Facilities Utilizing White Spaces Gunhak Lee* Kamyoung Kim** 요약 : 본연구는차세대 정보고속도로 로각광받고있는슈퍼와이파이네트워크의도입을위한효율적시설물배치에대해논의하고있다. 슈퍼와이파이는기존 TV 방송의유휴주파수대역인화이트스페이스를활용함으로써보다넓은지리적서비스범위를가지기때문에인구저밀도지역이나산간지역에대한인터넷접근성의격차를해소하는데중요한기능을할수있다. 본연구의목적은슈퍼와이파이에대한체계적이고효율적인공간계획을탐색하는데있으며, 이를위해전라남도구례군을대상으로최적입지커버링모델들을적용하였다. 사례분석결과, 상이한입지모델 (LSCP, MCLP) 에따른최적화된슈퍼와이파이입지지점들을도출할수있었으며, 시설물수에따른커버리지상쇄효과, 한계커버리지와같은슈퍼와이파이네트워크구축에있어유의미한분석결과들을도출할수있었다. 본연구의결과는향후도시내무선네트워크의확장이나지역무선인프라시설구축에슈퍼와이파이를도입하고자하는의사결정자에게매우유용한참고자료로활용될수있을것이다. 주요어 : 슈퍼와이파이, 화이트스페이스, 셋커버링입지모델, 최대커버링입지모델, 공간입지모델링 Abstract : This paper addresses the efficient facility placements to adopt a super WiFi network, taking significant considerations as the next generation information highway. Since the super WiFi has a wider geographic coverage by utilizing the white spaces of TV broadcasting which are empty and available frequencies for the wireless communications, it would play an important role in releasing digital divide of the internet access for low populated or mountainous areas. The purpose of this paper is to explore systematic and efficient spatial plans for the super WiFi. For doing this, we applied optimal location covering models to Gurye-gun, Jeonlanamdo. From the application, we presented optimal locations for super WiFi facilities and significant analytical results, such as the tradeoff between the number of facilities and coverage and marginal coverage for establishing super WiFi network. The results of this research would be usefully utilized for decision makers who wish to adopt a super WiFi, to extend wireless networks in a city or build a regional infrastructure of wireless facilities. Key Words : Super WiFi, White space, Location Set Covering Problem, Maximal Covering Location Problem, Spatial location modeling * 서울대학교사회과학대학지리학과조교수 (Assistant Professor, Department of Geography, Seoul National University), gunhlee@snu.ac.kr ** 경북대학교사범대학지리교육과조교수 (Assistant Professor, Department of Geography Education, Kyungpook National University), kamyoungkim@knu.ac.kr - 259 -
이건학 김감영 1. 연구배경및목적 모바일정보통신기기의급속한보급은무선인터넷서비스에대한수요를계속증가시키고있으며, 이로인해한정된무선주파수대역에대한효율적인이용과배분에대한관심이크게증대되고있다. 저비용으로국민에게보편적인무선인터넷서비스를제공할수있다는장점으로인해근거리무선통신기술인 IEEE 802.11, 일명 와이파이 (Wireless Fidelity: WiFI) 를통한무선인터넷인프라구축이대내외적으로활기를띠고있다. 하지만와이파이무선전파의특성상짧은서비스거리와지리적커버리지로인해인구가희박하거나정보통신인프라시설이제대로갖춰져있지못한농어촌지역에대해서는접근성의제한을가지고있다. 최근새로운대안으로 TV의화이트스페이스 (TV white space: TVWS) 를이용한 슈퍼와이파이 (Super WiFi) 서비스가전세계적으로각광받고있다. TV 화이트스페이스는 TV 방송용으로분배된대역에서사용하지않고비어있는유휴주파수대역을의미한다. 전파의특성이 1GHz 이상의고주파수에비해서비스커버리지가넓고투과율이좋아공공안전, 지역정보제공서비스, 슈퍼와이파이등의다양한영역에활용될수있다 ( 최성웅외, 2011). 슈퍼와이파이의경우, 기존의와이파이와거의비슷한방식으로통신하지만, 2.4GHz나 5GHz 대역폭의와이파이에비해 700MHz의주파수를사용하기때문에지리적범위가기존와이파이에비해 3~4배 ( 많게는수킬로미터 ), 커버리지는 16배이상확장될수있을뿐아니라건물투과율이탁월해원격지나장애물이많은지역에전파를효과적으로전달할수있는장점이있다 ( 최동석, 2011). 대외적으로도슈퍼와이파이에대한상용가능성과성장잠재력에대한인식을토대로미국, 영국, 일본등몇몇선진국들은관련기술기준과상용화를위한제도적마련을위해재빠르게움직이고있다. 세계에서가장최초로시도하고있는미국의경우, 2011년미국연방통신위원회 (FCC) 가화이트스페이스의슈 퍼와이파이활용을승인하면서, 2013년에전국에무료인터넷서비스를제공하기위한슈퍼와이파이기반의공공와이파이 (Public WiFi) 서비스구축을본격적으로추진하기로결정하였다 ( 한국일보, 2013. 2. 6). 우리나라역시이에대한중요성을인식하여 2011 년말, 방송통신위원회는 TV 화이트스페이스활용계획을확정하면서 2014년슈퍼와이파이서비스의상용화를추진하고있다 ( 디지털데일리, 2011. 11. 26). 이를위해현재상용화와기술기준에대한많은논의가진행되고있으며, 특히 2012년대선후보자들의핵심적기술공약으로대두되는등국민적관심이점차고조되고있다 ( 한겨레, 2012. 12. 17). 정보고속도로 로불리우는슈퍼와이파이는인구저밀도 / 산간지역의공공와이파이로서의기능뿐아니라지자체의공공안전, 스마트그리드, 교통활용, IT 등유관산업과영역에있어무한한잠재력을가지고있다. 이러한확장성과시장잠재력을가진슈퍼와이파이를효과적으로구축하기위해서는이와관련된기술기준마련, 주파수분배, 전파환경 DB 구축, 기존 TV 대역서비스에대한보호기준마련등다양한측면들이고려되어야할것이다. 이와더불어실행적측면에서중요한이슈중하나는슈퍼와이파이구축에필요한효율적인공간계획이라할수있다. 국내외적으로최근몇년사이폭발적으로증가하는와이파이존 (WiFi Zone) 구축사례에서볼수있듯이, 체계적인공간계획에기반하지않고도시의난개발처럼무분별하게난립하여설치되었을때의이용자의불편과사회적, 경제적비용의감수는이미체험적으로알고있다 ( 김문구 박종현, 2007; 이건학, 2012a). 따라서본연구에서는세계무선시장을선점할수있고, 신산업을창출할수있는전략적인프라로서슈퍼와이파이에대한체계적이고효율적인공간계획을탐색하고자한다. 보다구체적으로는 유비쿼터스정보통신환경을통한지역발전및활성화 이라는공공의목적을달성하기위한최적의슈퍼와이파이입지를제시하고자한다. 이를위해관련시설물, 즉, 슈퍼와이파이기술이적용된 AP(Access Point) 에대한최적화된공간배치를제시할수있어야하며, 여러시나리오에기반한최적입지모델을 - 260 -
적용할것이다. 또한, 이러한공간최적화모델을바탕으로특정사례지역에대한실제적인공간솔루션을제시할것이다. 특히, 전국토의전국민이누구나이용할수있는무료인터넷서비스실현이라는형평성차원에서정보접근성에서소외되고초고속인터넷인프라가취약한지역들에초점을맞춰적용할것이다. 2. 선행연구 와이파이와관련된연구는다양한측면에서이루어져오고있지만, 대개는와이파이기술자체에대한기술공학적접근이많으며, 와이파이무선인프라시설에대한공간적맥락이나접근성에대한공간분석연구는많지않다 ( 이건학, 2012a). 본연구에서초점을맞추고있는공간분석적연구로는해외사례의경우, Jones and Liu(2006), LaMarca et al.(2004), Byers and Kormann(2003), Kwon and Lee(2009), Grubesic and Murray(2004), Lentz(2003), Kamarkis and Kinkcerson(2005) 등이있으며, 도시나대학캠퍼스지역에서의와이파이 AP의공간적분포나토지이용에따른밀집도차이등에대한기술적접근 (descriptive approach) 이공통적이라할수있다. 한편, 외국연구에비해국내연구는상대적으로많지않으며, 홍일영 (2010) 은서울과수도권의일부지역에대해이건학 (2012a) 은대학캠퍼스주변을대상으로 AP 분포에대한공간분석적해석을보여주고있다. 일반적인무선인터넷시설에대한최적입지와관련해서는무수히많은연구가있지만, 정보통신의급속한기술적진보특성에따라와이파이시설에특화된입지분석연구는최근에서야찾아볼수있다. 특히, 본연구의맥락과밀접히연관되는연구들로는 Lee and Murray(2010), Shillington and Tong(2011), Agustin-Blas et al.(2011), Landa-Torres et al.(2011), Manjarres et al.(2012) 등이있는데, 도시형의와이파이기반무선네트워크구축과관련된입지모델과해결방법에대한논의라는특징이있다. 특히, Lee and Murray(2010) 와 Shillington and Tong(2011) 의연구는와이파이기반의도시무선메쉬네트워크 (citywide wireless mesh network) 에대한최적화모델을소개하고있으며, 방법론적으로최대커버링모델 (Maximal Covering Location Problem: MCLP) 을적용하고있다. 이러한도시무선메쉬네트워크는지역에무료인터넷서비스를제공하기위한공공와이파이의한모델로간주할수있으며, 최근미국을비롯한세계여러나라의지자체에서채택하고있는도시형무선네트워크아키텍쳐라할수있다 (Branscome et al., 2005; Lehr et al., 2006). 한편, 국내에서는이건학 (2012b) 이대학캠퍼스내에서의 AP에대한최적입지솔루션을보여주고있으며, 이를위한입지모델로다수준셋커버링모델 (Multi Level-Location Set Covering Problem: ML-LSCP) 을적용하고있다. 도시형무선메쉬네트워크의특성은각와이파이 AP간의무선통신을통해원거리의지역에서도무선인터넷에대한접근이가능하도록하는것으로와이파이서비스의지리적범위를기존와이파이존보다확장시킬수있어인구과소지역에대한인터넷접근성을높일수있는하나의대안이될수있다. 하지만여전히 AP간의무선통신거리는본연구에서다루고자하는슈퍼와이파이에비해서는월등히차이가나기때문에, 경제적측면에서슈퍼와이파이는훨씬더효율적인아키텍쳐라할수있다. 또한슈퍼와이파이기술역시메쉬네트워킹을결합하여보다넓은지리적범위로확장될수있는가능성도포함하고있다. 더욱이 TV 화이트스페이스의주파수대역의특성상지형조건이나인공장애물등의무선환경에서도기존의와이파이네트워크보다훨씬좋은데이터통신품질을보장할수있다. 이러한맥락에서본연구는최근대내외적으로학계및정치권, 일반수요자에게서많은관심을받고있으며, 신성장동력산업으로각광을받고있는가장첨단의무선네트워크를구축하기위한실제적공간계획을다루고있다는점에서기존의연구와는차별화될수있을것이다. - 261 -
이건학 김감영 3. 기술동향 현재보편적으로가장많이사용되고있는무선인터넷기술은 3G, 4G와같은이동통신망과근거리무선통신기술 (Wireless Local Area Network: WLAN) 인와이파이 (Wireless Fidelity: WiFi) 라할수있다. 3G와 4G의경우뛰어난모바일이동성이나유비쿼터스서비스제공이가능하다는장점을가지는반면, 주파수면허를통한이용제한, 상대적으로낮은데이터전송속도, 기존이동통신사들의독점적사용등으로인해공공인터넷이나 IT 기반의무선통신서비스활용에제한이있는단점이있다. 반면, 와이파이기반의무선통신은비면허주파수대역을사용하여공적인활용성이높고, 데이터전송속도가높으며, 모바일앱을비롯한다양한서비스애플리케이션의활용가능성이높은장점이있다. 다만기술적제약으로인해서비스에대한접근이지리적으로매우제한되어있으며, 비면허대역폭사용에따라주위의무선환경에따라데이터통신품질에의존적일수있다는단점이있다. 와이파이의폭넓은범용성에도불구하고, 와이파이에기반한무선인터넷서비스영역은와이파이기술의핵심적특성에의해크게제한받고있다. 다시말해, 아이파이기술은무선 AP로부터 100m 이내의근거리지역에대한무선네트워크서비스를위해디자인되었기때문에고속의무선인터넷통신을가능하게해주지만서비스의지리적범위가제한될수밖에없다. 이에대한대안으로최근 슈퍼와이파이 (Super WiFi) 라불리우는 TV의화이트스페이스 (white space) 에대한이용이크게관심을받고있다. TV 화이트스페이스는 TV 방송용으로분배된대역에서사용하지않고비어있는유휴주파수대역을의미한다. 다시말해, 기존의아날로그방송이디지털방송으로전환됨에따라기존의방송용주파수가 54MHz~806MHz에서 54MHz~698MHz로대역폭이줄어듦에따라일부주파수들이유휴대역으로남게된것이다. 2.4GHz나 5GHz 대역폭의기존와이파이에비해 700MHz의저주파수대역을사용하기때문에지리적범위가기존와이파이에비해 3~4배 ( 많게는수킬로미터 ), 커버리지는 16배이상확장될수있을뿐아니라건물투과율이탁월해원격지나장애물이많은지역에전파를효과적으로전달할수있는장점이있다 ( 최동석, 2011). 한편, 무선인터넷통신을위한지리적커버리지의확장성에대한또다른기술적진보는광대역무선통신기술 (Wireless Metropolitan Area Network: WMAN) 로미국인텔사가개발한 IEEE 802.16 기술표준인와이맥스 (World Interoperability for Microwave Access: WiMax) 가있다. 기존의와이파이의낮은지리적커버리지를보완하여광역도시권무선통신기술로개발된와이맥스는고정형와이맥스 (fixed WiMax, IEEE 802.16d라불림 ) 와모바일와이맥스 (mobile WiMax, IEEE 802.16e라불림 ) 로분류될수있는데, 모바일와이맥스의경우우리나라에서는한국전자통신연구원 (ETRI) 와삼성전자가개발하여 2006년에 3G 이동통신의 6번째기술표준으로채택된와이브로 (WiBro) 와같다고할수있다. 와이파이및슈퍼와이파이, 와이맥스, 와이브로등은고속의무선인터넷서비스를제공한다는공통점이있지 표 1. Wi-Fi 프로토콜에따른대역폭및전송속도 프로토콜 대역폭 전송속도 도달거리 IEEE 802.11b 2.4GHz 최대 11Mbps ~100m IEEE 802.11g 2.4GHz 최대 54Mbps ~50m IEEE 802.11a 5GHz 최대 54Mbps ~50m IEEE 802.11n 2.4GHz 또는 5GHz 최대 600Mbps ~50m IEEE 802.11af 500MHz 또는 700MHz 15~20Mbps 1.6km~3.2km 출처 : Dolezalek, 2011-262 -
만기술적으로는엄연히다른것들이라할수있다. 와이브로 ( 모바일와이맥스 ) 는 4세대 LTE(Long Term Evolution) 1) 와더불어기지국간핸드오프 (hand-off) 가가능한이동통신기술의대체재로인식될수있으며, 슈퍼와이파이와와이맥스는상대적으로저렴한비용과넓은지리적커버리지로인해라스트마일 (last mile) 2) 의광역접근이나무선인터넷의백본네트워크로기능할수있다. 정보통신서비스의주체 ( 이동통신사, IT 업체 ) 나각국의무선통신정책에따라현실의적용과상용화에있어다양한선택이있을수있지만, 넓은지리적커버리지, 투과율, 전송속도에서매우우수한방송용주파수대 (700MHz) 의사용 3), 비면허주파수정책, IT 기반의신산업창출의잠재성을가지는슈퍼와이파이는타기술에비해상용가능성이매우높다고할수있다. 특히, 최근우리나라를비롯하여많은선진국들이인터넷에서소외된지역과계층을위한공공와이파이서비스의기반으로슈퍼와이파이의도입을본격화하고있다는점은향후무선통신시장을선도할기술로슈퍼와이파이의적용가능성이매우높음을시사하고있다. 화이트스페이스를이용하는슈퍼와이파이를구현하기위한기술적요구사항들로는기존의방송사업자들의방송신호를감지하고유휴주파수를찾아비면허장비들이주파수의간섭을받지않으면서통신할수있는간섭회피방법이있다. 간섭회피방법에는크게는스펙트럼센싱방법과데이터베이스방 식이있는데, 스펙트럼센싱방식은주변의주파수이용현황을자동으로감지하여이용가능한주파수대역을확인하여채널을확보하는것으로인지무선 (cognitive radio) 기술이라할수있다. 반면, 데이터베이스방식은고정된기기의위치정보 (GPS 수신기내장 ) 를바탕으로사용가능한 TV 채널에대한정보를전용데이터베이스시스템에서얻어가용한채널리스트를확보하는것이다 ( 최성웅외, 2011). 또한가지기술적요구사항은안테나높이의제한이다. 슈퍼와이파이의고정형기기의송신안테나는지상으로부터 30미터이내에설치되어야하며, 평균지상고도에서높이가 76미터이상인지점에는송신안테나를설치할수없는제약이있다. 슈퍼와이파이가향후무선인터넷의시장점유와유비쿼터스의공공무선네트워크및혁신서비스창출을위한가장현실적기술로각광받음에따라우리나라를비롯하여미국, 영국, 일본등세계여러선진국들에서슈퍼와이파이를구축하려는노력이한창진행중이다. 이들국가들의주요동향을살펴보면먼저미국의경우, 연방통신위원회가 2010년 9월, 국가브로드밴드계획 (National Broadband Plan: NBP) 의일환으로 슈퍼와이파이 용도로화이트스페이스사용을허가하는최종정책을발표하고, 2011년최종승인함으로써기업, 정부기관, 사용자들에게경제적으로저비용의브로드밴드서비스를위한무선데이터네트워크로선정하여추진하고있다. 2009년현 그림 1. 간섭회피방식 출처 : 최성웅외, 2011, p.72-263 -
이건학 김감영 재 5개지역에서슈퍼와이파이, 센서네트워크, 스마트그리드, 헬스케어등다양한광역커버리지모델의시범서비스도수행하였다. 영국역시영국통신청 (Ofcom) 은 2009년전파측정조사및유휴대역산정을실시하고기술기준초안을수립하여 2010년부터세부정책을수립중에있다. 간섭회피방식으로스펙트럼센싱, DB 접속방식을모두허용하되 DB 접속방식으로정책을우선적으로진행하고있으며 MS, 삼성전자, BBC, 노키아등의컨소시엄을구성하여실험을추진하고있다 ( 최동석, 2011). 일본은총무성을중심으로일본각지에지자체, 공공기관, 민간이참여하는 화이트스페이스특구 를통해시범서비스를수행하고있고, 미국보다늦게시작되었지만슈퍼와이파이를통한브로드밴드서비스의광역실현보다지역활성화나신산업창출을위한활용에집중하고있다 ( 정근호, 2011). 국가적차원의노력외 Google이나 MS와같은민간 IT 기업은보다적극적인화이트스페이스에대한활용요구와투자의지를보이고있어, 기존의배타적권리를행사해오던이동통신사와무선시장경쟁에본격적으로뛰어들기시작했다. 다시말해 IT 업체들은주파수를개방한슈퍼와이파이를통해저가의무선브로드밴드서비스뿐아니라이를활용한다양한서비스및애플리케이션을제공할수있을것이라는기대를가지고있다. et al.(1971) 에의해처음으로소개된셋커버링입지 모델 (Location Set Covering Problem: LSCP) 이다. LSCP 는특정한지리적범위내에모든수요가커버 될수있도록시설물의수를최소화하는것을목적으 로한다. LSCP 는다수준셋커버링문제 (Multi-level LSCP)(Toregas, 1970), 백업커버링모델 (backup covering model)(hogan and ReVelle, 1986), 기대커버링 모델 (expected covering model)(daskin, 1983) 등다 양한확장형모델들이존재하며, 전형적인 LSCP 를 수식화하면다음과같다. I: 합역된수요포인트셋 (i 로인덱싱 ) J: 시설물입지의잠재적후보지셋 (j 로인덱싱 ) dij: 수요포인트 i 와시설물입지후보지 j 와의거리 Dc: 시설물의지리적커버리지 Ni ={J dij Dc}: 수요포인트 i 를커버하는모든시 설물의후보지셋 결정변수 : xj: 시설물이 j 에위치한다면 1, 그렇지않다면 0 yi: 수요포인트 i 가커버된다면 1, 그렇지않다면 0 목적함수 : 최소화 Z= j J xj 제약조건식 : 1) j Ni xj 1, i I 2) xj=0,1, j J 4. 연구방법론 화이트스페이스를활용한슈퍼와이파이는공공무료인터넷실현을위한현실적대안이라할수있으며, 이에따라본연구에서는과학적인공간최적화 (spatial optimization) 방법론을적용하여슈퍼와이파이의 AP에대한현실의최적화된공간배치를제시하고자한다. 이를위해다양한형태의입지시나리오가가능하지만, 본연구에서는확장된지리적커버리지를가지는슈퍼와이파이의특성을고려하여크게두가지의입지모델을적용한다. 첫번째모델은 Toregas 목적함수 Z는입지할시설물의수 ( 광의적으로는총설치비용 ) 을최소화시키는것이입지목적임을명시하고있다. 제약조건식 1) 은모든수요포인트 i가적어도하나의시설물의의해서커버될수있도록하며, 제약조건식 2) 는결정변수가 0과 1의바이너리의정수를가지도록제약한다. 두번째적용할입지모델은 Church and ReVelle(1974) 에소개된최대커버링입지모델 (Maximal Covering Location Problem: MCLP) 이다. MCLP는주어진시설물의개수로지역수요를최대한커버할수있도록하는데이는제한된예산을통한입지계획이라는현실성을반영할수있는모델이라할수있다. 즉, 모든지역의수요를커버하는시설물은대상 - 264 -
지역의지리적범위에따라물리적으로불가능할수 있으며, 이경우제한된예산범위내에서서비스할 수있는지역수요를최대화시키는대안적접근이될 수있다. 전형적인 MCLP 의수식은다음과같이표현 될수있다. 목적함수 : 최소화 Z= i I aiyi 제약조건식 : 1) j Ni xj yi, i I 2) j J xj p 3) xj=0,1, j J 4) yi=0,1, i,j 목적함수 Z 는시설물에의해커버되는총수요를 최대화시키는것이입지목적임을명시한다. 제약조 건식 1) 은수요포인트 i 에서지리적커버리지내에 시설물 Dl 입지했을때만수요포인트 i 가커버되도록 한다. 제약조건식 2) 는설치하고자하는시설물의수 ( 광의적으로는설치비용 ) 를정의한다. 제약조건식 3) 과 4) 는결정변수가 0 과 1 의바이너리의정수를가지 도록제약한다. MCLP 기반의슈퍼와이파이입지모 델링은 LSCP 기반의입지모델보다현실적인여건을 좀더반영할수있으며, 특히슈퍼와이파이 AP 의개 수 ( 고정된예산과같은개념 ) 에따라달라지는무선 네트워크구성과지리적커버리지를보여줌으로써 계획가나정책결정자가보다유연한의사결정도와 줄수있을것이다. 한편, 화이트스페이스를이용하는슈퍼와이파 이는일반적으로두가지기술표준과관련될수있 는데, 한가지는도시형의소출력서비스모델 (IEEE 802.11af WLAN: Wireless Local Area Network) 이며, 나머지하나는보다광역의커버리지 ( 약 33Km) 를가 질수있는광역커버리지서비스모델 (IEEE 802.22 WRAN: Wireless Regional Area Network) 이다. 슈퍼 와이파이라고일컬어지는것은대개후자를의미하 지만, 화이트스페이스를활용한광역무선망이라는 맥락에서는두가지를다고려할수있다. 따라서본 연구에서는슈퍼와이파이의기술적특성을고려하 여입지모델에적용할것이며, 특히지리적커버리지 는구축하고자하는기술에따라입지모델의커버리지패러미터에유연하게적용될수있을것이다. 본연구에서는슈퍼와이파이의입지적특성을만족시키는슈퍼와이파이 AP 최적입지에대한선형정수계획법 (integer linear programming) 모델을개발하고, 지리정보시스템 (GIS) 과최적화툴 (optimization tool) 을통해모델을구현할것이다. 보다구체적으로사례지역에공간데이터구축및입지공간의재현을위해대표적인상업적 GIS 소프트웨어인 ESRI ArcGIS 9.3 을이용하고, 입지문제를해결하기위한최적화툴로는선형및선형정수프로그래밍의정확한최적해를도출할수있는 IBM CPLEX 12.0을이용한다. 선형정수계획법을푸는 CPLEX의알고리즘은선형정수문제를트리구조로분해하고상하한값으로한정하여완화된선형계획법 (linear programming relaxation) 으로최적해를찾아가는분기한정법 (branch and bound) 과평면분할법 (cutting planes) 을혼합한분기분할법 (branch and cut) 을사용한다. 5. 사례연구 1) 사례지역및데이터 슈퍼와이파이의도입으로즉각적으로혜택을볼수있는사람들은시장으로부터멀리떨어져있는농촌지역이나인터넷시설에대한최소요구치를만족하지못하는인구희박지역에거주하기때문에기존인터넷기술에의해서적절하게서비스를받지못하고있는사람들이다 (Microsoft, 2012). 공공측면에서이러한지역에슈퍼와이파이를보급하여정보접근을향상시킬수있고, 이를통하여정보접근에대한형평성 (equity) 향상을기대할수있다. 물론, 도시와같은인터넷수요가높은인구밀집지역에대한슈퍼와이파이의확장성도고려할수있으나, 대체로도시권은상업적이윤을추구하는이동통신사의자발적시장참여를통해무선통신인프라시설이집중되어있기때문에재집중을통한정보격차의심화보다상 - 265 -
이건학 김감영 대적으로인터넷취약지역에대한보편적, 공공적서비스실현이보다시급하다할수있다. 슈퍼와이파이도입의배경역시공공와이파이, 공공인터넷서비스실현에우선적으로초점을두고있다. 한편, 국내의경우 TV 화이트스페이스이용에서가장중요하게고려해야하는것은 TV 방송이다. 국내의 TV 방송허가는방송국송신파의커버리지를확인한후적정한방송구역을선정하여시 군 구행정구역단위로이루어지고있다 ( 최성웅외, 2011). 이러한측면들을종합적으로고려할때, 본연구에서는인터넷이용률이낮은인구밀도가희박한농촌지역에속하는군을사례분석대상지역으로선정하였다. 방송통신위원회 한국인터넷진흥원 (2012) 의인터넷이용실태조사결과에따르면, 전국시도중인터넷이용률이가장낮은시도는전라남도로, 2012년기준으로전체의이용률은 68.5% 이고, 읍면부의이용률은 59.1% 이다. 이를바탕으로전라남도군중인구가가장작은구례군을사례지역으로선정하였다. 2010년인구총조사기준구례군의총인구 22,419명이고인구밀도 51명 / km2이다. 인구밀도는 50명 / km2인곡성군다음으로적다. 한편, 본연구에서사용할 LSCP과 MCLP를포함하여입지모델은수요와후보지를어떻게재현하느냐에따라모델의분석결과가달라진다 (Kim and Murray, 2008; Murray et al., 2008). 따라서슈퍼와이파이에대한수요와후보지를현실에가깝도록재현할때 LSCP와 MCLP는보다현실적인결과를제시할수있다. 본연구에서는사례지역에거주하는모든인구를슈퍼와이파이에대한수요라고가정하고, 인구데이터로 2010년인구총조사자료를이용한다. 인구총조사자료는읍면과같은행정단위로집계하여인구를제공하는데, 한단위지역에인구가균등하게분포한다고가정할수없고읍면공간단위의크기는슈퍼와이파이시설의커버리지 (1.6km~3.2km) 보다훨씬크기때문에수요의재현으로적합하지않다. 연구지역의수요를보다현실적으로재현하기위하여대시메트릭영역인터폴레이션 (area interpolation) 기법을활용하였다 ( 이상일 김감영, 2007). 이기법은보조정보를이용하여새로운공간단위에대 그림 2. 대시메트릭영역인터폴레이션을이용하여재현한수요의공간적분포 한속성값을추정하는방법이다. 대시메트릭영역인 터폴레이션을수행하기위한보조정보로환경부에 서제공하는 1:25,000 중분류토지피복도 (2007 년 12 월 10 일기준 ) 를활용하였다. 중분류토지이용중주 거, 공업, 상업, 위락시설, 공공시설지역에만인구 가거주하고그밖의토지이용을보이는지역에는 거주하지않는다고가정하고바이너리방법 (binary method) 를적용하여, 토지이용폴리곤별인구를추 정하였다. 그림 2 는이러한과정을통하여재현된수 요의공간적분포를보여주고있다. 또한인구가거주 하는토지이용폴리곤의중심점을잠재적슈퍼와이 파이시설입지후보지로간주하였다. 2) LSCP 를적용한슈퍼와이파이입지최적화 500MHz 또는 700MHz 의대역폭을갖는화이트 스페이스를이용한수퍼와이파이의도달거리는약 1.6km 에서 3.2km 정도인점을감안하여 (Dolezalek, - 266 -
그림 3. LSCP 적용결과 : 시설의입지와커버리지 2011), LSCP와 MCLP에서시설물의지리적커버리지의임계값으로 1.6km, 2.4km, 3.2km를각각적용하였다. 개별시설물후보지에서해당임계값을갖는버퍼를형성한후수요의중심점이버퍼내에있으면, 수요가서비스받을수있는것으로간주하여집합 Ni 를계산하였다. 이를바탕으로 LSCP의코드를생성한후 CPLEX를이용하여최적해를산출하였다. 한편슈퍼와이파이의커버리지결과와비교를위하여일반와이파이의도달거리인 100m를적용하여사례지역을서비스하는데필요한시설물의개수를산출하였다. 그림 3은커버리지기준별로 LSCP를적용한결과를보여주고있다. 먼저슈퍼와이파이의도달범위를 1.6km로상정하였을때, 사례지역의모든수요를만족시키기위해서는 42개의시설이필요하다. 2.4km 로좀더커버리지를늘릴경우 25개, 3.2km 로늘릴경우 16개만으로사례지역의모든수요를충족할수있다. 이결과는슈퍼와이파이를도입할경우 100m 의도달거리를가정한일반와이파이의경우보다적은수의시설만으로효과적으로무선인터넷서비스를제공할수있음을알수있다. 한편, 그림 3에서슈퍼와아파이가반드시인구밀집지역에위치하는것은아님을알수있는데, 이는다중시설물의입지의경우조합특성에기인한것이다. 즉, 단일시설물에 있어서는인구수요가가장많은곳이최적입지지점으로선정되지만, 다중시설의입지에있어목적함수 ( 총인구수요 ) 를가장최대화하는입지배열은대체로수요가많은곳에시설물들이선정되지만, 수요분포의특성에따라각단일시설물의커버리지가반드시최대화되지않을수있다. 3) MCLP를적용한슈퍼와이파이입지최적화모든수요를충족시키는것이예산의부족등으로현실적이지않을수있고, 나머지 10% 의수요를충족시키는데일반적으로비용이많이들기때문에, 이를서비스하기위하여상당히많은수의시설물이필요하다. 따라서슈퍼와이파이의도입에있어보다현실적조건에서는입지시킬시설물의개수를제한하는 MCLP 모델이보다효율적일수있다. LCSP가시설물의개수를설정하지않고, 모든수요를충족시키는최소한의시설물의개수를해로산출하기때문에시설물의커버지리를설정하는것이외에다른어떠한패러미터의설정을요구하지않는반면, MCLP는입지시킬시설물의개수를사전에지정해주어야한다. 시설물의가격과예산상황등에대한정보가없는상태에서적절한시설물의개수를결정하는방법중하나는각커버리지에대하여시설물의개수를 1개에 - 267 -
이건학 김감영 그림 4. 슈퍼와이파이시설개수와커버리지관계 그림 5. MCLP 적용결과 : 시설의입지와커버리지 서부터최대 LSCP의해까지증가시키면서 MCLP를풀어커버되는인구의비율관계를파악하는것이다. 시설물의개수가증가하면한계커버리지 (marginal coverage), 즉새로운시설물의추가에의해서추가적으로늘어나는커버리지는줄어들기때문에 (Daskin, 1995), 한계커버리지의변화관계를통하여적절한수의시설물의개수를결정할수있다. 그림 4는각슈퍼와이파이의도달거리에대하여시설물의개수와커버되는인구비율관계를보여주 고있다. 그림에서보는것처럼, 커버리리곡선의기울기가점차완만해지는것을통하여한계커버리지가줄어드는것을확인할수있다. 적정한시설물의개수를결정하는기준으로한계커버지리가 1% 미만인시점을상정하였다. 슈퍼와아파이의도달거리가 3.2km라고했을때, 11개부터한계커버리지가 1% 보다작아, 적절시설물의개수는 10으로결정하였다. 10개의시설만으로전체수요의 97.77% 를커버할수있었다. 다시말해서새롭게추가된나머지 6개 - 268 -
시설이단지 2.23% 밖에커버하지못한다는것을의미한다. 이는경제적인측면에서보면매우비효율적이다. 슈퍼와이파이의도달범위를 2.4km로가정했을경우, 15개부터한계커버리지가 1% 보다작아 14 개시설이적절하다. 이경우, 14개의시설만으로전체수요의 96.32% 커버할수있었다. 마지막으로슈퍼와이파이의도달범위가 1.6km인경우, 20개의시설로전체수요의 90.78% 를커버할수있었다. 즉, LSCP에서제시된시설물의개수보다절반이상적은수만으로도대부분의수요를충족시킬수있었다. 그림 5는각각슈퍼와이파이의도달범위가 1.6km, 2.4km, 3.2km인경우시설물의개수를 20, 14, 10로설정하여 MCLP를풀어얻은시설물의공간적분포및서비스영역을보여주고있다. 그림에서보는것처럼, 대부분의수요밀집이서비스영역안에놓인것을알수있다. 6. 결론 차세대정보고속도로라지칭될수있는슈퍼와이파이는우리나라의무선인터넷인프라의핵심적역할을할것으로기대되며, 적어도기존의유선및와이파이기반의무선인터넷네트워크에대한효과적인보완재로대내외적으로관심이급증하고있다는것은부인할수없다. 특히, 교통및정보통신인프라에대한공공재로서의수요가높은우리나라의경우, 슈퍼와이파이가갖는다양한잠재력중인구저밀도지역에대한공공인터넷서비스, 공공치안, 응급시스템, 스마트그리드등공공와이파이의기능이더욱기대되는바이다. 따라서본연구는슈퍼와이파이의도입의시급성과필요성에대한인식을바탕으로슈퍼와이파이의보다효율적인입지계획을위한공간솔루션을제시하고있다. 본연구에서적용된입지계획은사례지역에대한수요를모두커버할수있는최적슈퍼와이파이시설물입지 (LSCP) 와구축에드는비용과같은보다현실적인조건을고려하여주어진예산에서최대의서비 스가제공될수있는시설물입지 (MCLP) 이다. 인구가희박하고인터넷이용률이저조한전라남도구례군을대상으로입지모델링을수행하였으며, 무선신호의세기에따른상이한커버리지의조건을감안한결과, 커버리지가클수록적은수의 AP 시설이필요하며, LSCP의경우 16개 (3.2km 커버리지 ) 에서최대 42개 (1.6km) 로구례지역에대해슈퍼와이파이의광대역서비스를제공할수있음을확인하였다. 한편, MCLP의결과는보다현실적인솔루션을보여주고있는데 1.6km 커버리지를가정할경우 LSCP의결과보다절반이적은 20개의 AP 설치로전체의약 90% 를커버할수있음을보여주고있다. 이는공공시설이전지역민에대해서비스하기를원하는형평성차원에서는한계비용이높더라도 2배에가까운시설물의확충이필요하지만, 적은비용으로많은수요를포괄할수있는효율성이강조될수있는계획이나의사결정에서는 MCLP의결과에대한활용성이보다더높다는것을시사하고있다. 본연구에서제시되고있는입지솔루션들은송신안테나의고도제한이나방송허가구역에대한배제, 채널배분, 지형고도, 자연적장애물등과같은슈퍼와이파이 AP 설치에있어서기술적, 환경적특성을직접적으로고려하지않은한계를가지고있지만, 슈퍼와이파이의공간적배치에대한거시적프레임워크와입지계획에있어방법론적적용가능성을보여주고있다는점에서그의의가크다고할수있다. 또한사례분석에서드러나는것처럼구체적인최적입지사이트들과입지계획에따른적절한시설물의수, 그리고도입할시설물의수에따른한계커버리지등의다양한분석결과는향후슈퍼와이파이의도입에관련된의사결정자에게매우유용하고유연한실증적참고자료로활용될수있을것이다. 향후보다정교하고현실적인슈퍼와이파이의입지모델링을위해서는송신안테나설치의고도제한, 자연적요건등보다현실적제약조건들을포함하는수리적입지모델의개발과적용이필요할것이며, 인터넷접근이낮은인구저밀지역뿐아니라기존와이파이존이밀집되어있는도시에대한보완적무선통신네트워크계획, 나아가국토전체에대한공공무선통신인프라 - 269 -
이건학 김감영 구축을위한연구들도지속적으로이루어져야할것이다. 주 1) 노키아와소니에릭슨이주도하고있는것으로 WCDMA ( 광대역코드분할다중접속 ) 의진화라할수있으며, 다운로드 (100Mbps), 업로드 (50Mbps) 의전송속도를가진다. 엄밀하게는국제전기통신연합 (International Telecommunication Union: ITU) 의 4세대이동통신규격에서정의하는저속이동시 1Gbps, 고속이동시 100Mbps에이르지못하기때문에흔히 3.9G라일컬어지며, 좀더진화된기술인 LTE Advanced가 4G의이동통신표준으로선정되었다. 2) 정보통신인프라와최종사용자환경 ( 예, 가정의인터넷수신장비 ) 사이의마지막접점이되는 1마일을의미함. 3) 와이맥스는미국은 2.5GHz, 아시아에서는 2.3GHz를승인받아사용하고있다. 참고문헌김문구 박종현, 2007, 국내공중무선랜의비확산요인분석, ETRI. 디지털데일리, 2011, 제주서 TV유휴대역활용한와이파이서비스 (11월 16일 ). 방송통신위원회, 2011, 2.4GHz와이파이혼신최소화를위한가이드라인 (1월 18일 ). 방송통신위원회 한국인터넷진흥원, 2012, 2012년인터넷이용실태조사. 석용호, 2012, 표준기술동향-TV 화이트스페이스에서 Wi-Fi 표준화동향, 한국정보통신기술협회, 140, 90-94. 이건학, 2012a, 대학캠퍼스주변의와이파이지리, 한국도시지리학회지, 15(2), 51-66. 이건학, 2012b, 와이파이기반 U-캠퍼스구축을위한커버리지분석과최적입지모델링, 한국지도학회지, 12(2), 47-58. 이상일 김감영, 2007, GIS-기반대시메트릭매핑 (dasymetric mapping) 기법을이용한서울시인구밀도분포의재현, 한국지도학회지, 7(2), 53-67. 정근호, 2010, 슈퍼 WiFi 실현가능성으로주목받는 White Space 최근현황과향후전망, KT 경제경 영연구소. 최동석, 2011, TV 유휴대역을활용한슈퍼와이파이추진 동향, KT 경제경영연구소. 최성웅 조상인 강규민 홍헌진 정병장 박승근, 2011, TV 화이트스페이스이용기술기준동향, 전자 통신동향분석, 26(4), 68-78. 한겨레, 2012, 전국어디서나쓸수있는와이파이아날로 그 TV 주파수전환해실현 (12 월 1 일 ). 한국일보, 2013, 미국, 무선인터넷무료화추진 (2 월 6 일 ). 홍일영, 2010, WiFi 의공간분포와이용특성, 한국지도 학회지, 10(1), 55-64. Agustin-Blas, L. E., Salcedo-Sanz, S., Vidales, P., Urueta, G., and Portilla-Figueras, J. A., 2011, Near optimal citywide WiFi network deployment using a hybrid grouping genetic algorithm, Expert Systems with Applications, 38(8), 9543-9556. Branscome, J., Van Wazer, L., Murray, P., Boone, E., Corea, P., Fallon, C., et al., 2005, Connected and on the go: Broadband goes wireless. Wireless broadband access task force, Federal Communications Commission, 1-113. Byers, S. and Kormann, D., 2003, 802.11b access point mapping, Communications of the ACM, 46(5), 41-46. Church, R. L. and ReVelle, C., 1974, The maximal covering location problem, Papers of the Regional Science Association, 32(1), 101-118. Daskin, M., 1983, A maximum expected covering location model: Formulation, properties, and heuristic solution, Transportation Science, 17, 48-70. Daskin, M., 1995, Network and Discrete Location: Models, Algorithms, and Applications, Wiley-Interscience. Dolezalek, H., 2011, The outlook for super Wi-Fi, www.pro- cessor.com. Grubesic, T. H., and Murray, A. T., 2004, Where mat- ters: location and Wi-Fi access, Journal of Urban Technology, 11(1), 1-8. Hogan, K. and ReVelle, C., 1986, Concepts and applications of backup coverage, Management Science, 32, 1434-1444. - 270 -
Jones, K. and Liu, L., 2007. What Where Wi: An analysis of millions of Wi-Fi Access points, in Proceedings of 2007 IEEE Portable: International Conference on Portable Information Devices. Kamarkis, T. and Nickerson, J.V., 2005, Connectivity maps, measurements and applications, in Proceedings of the 38th Annual Hawaii International Conference on System Science, Hawaii, USA. Kim, K. and Murray, A.T.,., Enhancing spatial representation in primary and secondary coverage location modeling, Journal of Regional Science, 48(4), 745-768. Kwon, Y. and Lee, H-K, 2009, Wifi hotspots in 100 U.S. cities and policy implications, 정보통신학회 2009 년정기학술대회논문집. LaMarca, A,. Hightower, J., Smith, I., and Consolvo, S., 2005, Self-mapping in 802.11 location systems, in Proceedings of the Seventh International Conference on Ubiquitous Compiting UBICOMP, 87-104. Landa-Torres, I., Gil-Lopez, S., Del Ser, J., Salcedo-Sanz, S., Manjarres, D., and Portilla-Figueras, J. A., 2011, A grouping harmony search approach for the citywide WiFi deployment problem, in Proceedings of the 11th Annual International Conference on Intelligent Systems Design and Applications, Cordoba. Lee, G. and Murray, A. T., 2010, Maximal covering with network survivability requirements in wireless mesh networks, Computers, Environment and Urban Systems, 34(1), 49-57. Lehr, W., Sirbu, M., and Gillett, S., 2006, Wireless is changing the policy calculus for municipal broadband, Government Information Quarterly, 23, 435-453. Lentz, G., 2003, 802.11b Wireless Network Visualization and Radiowave Propagation Modeling, Dartmouth College, Hanover. Manjarres, D., Landa-Torres, I., Gil-Lopez, S., Del Ser, J., and Salcedo-Sanz, S., 2012, A heuristically-driven multi-criteria tool for the design of efficient open WiFi access networks, in Proceedings of the 17th Annual International Workshop on Computer Aided Modeling and Design of Communication Links and Networks, Barcelona. Microsoft, 2012, Super Wi-Fi technologies, UN Millennium Goals. Murray, A. T., O Kelly, M. E., and Church, R. L., 2008, Regional Service Coverage Modeling, Computers and Operations Research, 35, 339-355. Shillington, L. and Tong, D., 2013, Maximizing wireless mesh network coverage, International Regional Science Review, 34(4), 419-437. Toregas, C., 1970, A covering formulation for the location of public service facilities, M.S. Thesis. Toregas, C., Swain, R., ReVelle, C., and Bergman, L., 1971, The location of emergency service facilities, Operations Research, 19(6), 1363-1373. 교신 : 김감영, 702-701, 대구광역시북구산격 3 동 1370, 경북대학교사범대학지리교육과 ( 이메일 : kamyoungkim@knu.ac.kr, 전화 : 053-950-5861, 팩스 : 053-950- 6808) Correspondence: Kamyoung Kim, Department of Geography Education, Kyungpook National University, 1370 Sangyeok 3-dong, Buk-gu, Daegu, 702-701, Korea (email: kamyoungkim@knu.ac.kr, phone: 82-53-950-5861, fax: 82-53-950-6808) 최초투고일 2013. 3. 14 수정일 2013. 4. 11 최종접수일 2013. 4. 17-271 -