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와이파이 무선 네트워크의 공간 접근성 분석과 도시 무선 메쉬 네트워크 구축을 위한 공간 입지 모델링
Analysis of Spatial Accessibility of a Wi-Fi Based Wireless Network and Spatial Location Modeling for a City-wide Wireless Mesh Network
  • 연구자가 한국연구재단 연구지원시스템에 직접 입력한 정보입니다.
사업명 신진연구자지원사업& #40;인문사회& #41; [지원년도 신청 요강 보기 지원년도 신청요강 한글파일 지원년도 신청요강 PDF파일 ]
연구과제번호 2012S1A5A8022059
선정년도 2012 년
연구기간 1 년 (2012년 05월 01일 ~ 2013년 04월 30일)
연구책임자 이건학
연구수행기관 서울대학교
과제진행현황 종료
과제신청시 연구개요
  • 연구목표
  • 본 연구에서는 다음과 같은 연구 목적을 가진다.
    첫째, 지역의 와이파이 기반의 무선 네트워크의 공간적 분포 현황을 파악함으로써 와이파이의 무계획적 난개발의 실상을 실증적으로 분석하고, 공간상에 분포하는 와이파이 기반 시설물(예, AP)의 공간적 커버리지에 대한 분석을 통해 정보통신에 대한 접근성의 공간적 격차를 탐색하고자 한다.
    둘째, 와이파이 커버리지 분석을 바탕으로 지역 수요를 모두 커버하면서 유비쿼터스 기반의 도시 무선 네트워크 서비스를 제공할 수 있는 공간적 모델을 개발하고자 한다. 또한 이를 바탕으로 실제 현실에 적용가능한 최소 구축 비용의 유비쿼터스 도시 무선 네트워크의 최적화된 입지 대안을 제시하고자 한다.
    마지막으로, 보다 현실적 상황, 예컨대 제한된 예산을 고려할 때 최대 수요를 커버할 수 있도록 최적화된 유비쿼터스 도시 무선 네트워크 입지 대안을 제시하고자 한다.
  • 기대효과
  • 와이파이 기반의 도시 무선 네트워크 서비스는 미국, 유럽 등 해외의 많은 지자체들에서 이미 구축되어 운용되거나 계획 중에 있다. 와이파이 기반의 새로운 응용 분야가 증가함에 따라 국내 역시 u-City 계획을 토대로 이러한 수요가 증가할 것으로 예상된다.
    본 연구를 통한 성과물은 최근 중요성이 증가하고 있지만 상업적 이동통신사에 의한 무계획적인 난개발이 이루어지고 있는 와이파이 무선 네트워크의 실제적인 공간 분포를 살펴봄으로써 지역 정보통신 인프라의 밑그림을 보여줄 수 있을 것이며, 정보 격차의 존재 유무를 실증적으로 확인함으로써 지역 균형 발전 및 정책 개발에 중요한 시사점을 줄 수 있으리라 기대된다.
    또한 유비쿼터스 환경의 와이파이 메쉬 라우터의 최적화된 입지를 제시함으로써 지역 치안, 지역 커뮤니티 네트워크, 지역 경제 활성화를 위한 지자체의 다양한 공적 서비스 개발을 위한 도시 무선 네트워크의 기반을 마련하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 아울러 사례 지역을 대상으로 한 실제적인 네트워크 공간 배치는 향후 유사한 도시형 무선 네트워크 구축을 계획하고 있는 많은 지자체들에 벤치마킹이 될 수 있는 프레임워크를 제공할 수 있을 것이다.
    한편, 연구 중 무선 메쉬 라우터 입지 모델링은 일반적인 셋 커버링 및 최대포괄 입지와 메쉬 네트워킹을 혼합하는 새로운 모델의 방법론적 개발이기 때문에 무선 네트워크 시설물 입지 및 디자인 분야에 학술적으로 매우 가치 있는 방법론적 가이드라인을 제공할 수 있을 것이다.
  • 연구요약
  • 최근 스마트폰과 같은 모바일 단말 기기가 급속히 보급됨에 따라 보다 자유로운 공간상에서의 정보통신 서비스에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, 이러한 수요에 적극적으로 대응하기 위해 정보통신 인프라 시설의 공간적 조직 역시 빠르게 변화하고 있다. 모바일 정보통신 기술의 급격한 발달에 따라 최근 크게 주목받고 있는 것은 와이파이존(Wi-Fi zone)과 같은 무선 인프라 시설이다. 와이파이존은 와이파이 수신칩을 내장한 스마트폰이나 노트북과 같은 와이파이 단말기를 통해 와이파이 AP(access point)가 설치되는 있는 장소에서는 언제든 무선으로 인터넷에 접속할 수 있도록 한다. 이러한 와이파이존은 최근 주요 이동통신사들에 의해 카페, 공원, 공항, 학교 등 인구가 붐비는 공공 장소를 중심으로 경쟁적으로 설치되고 있으며, 스마트폰의 사용이 보편화됨에 따라 이용 역시 엄청나게 증가하고 있다. 하지만 이러한 무선 인프라 시설은 일반적으로 인구와 상업적 기능이 밀집되어 있는 도시나 도시 내에서도 도심에 주로 집중하는 경향이 있기 때문에, 인구가 희박하고, 상업적 이윤을 창출하기 힘든 농어촌 지역 및 비도심 지역은 이러한 정보통신 서비스에 대한 접근성이 상대적으로 낮게 되는 이른바 정보 격차(digital divide)가 초래되고 있다. 더구나 오늘날 정보통신 인프라는 교통 시설처럼 지역 내 소통, 경제 활성화를 위한 중요한 기간 시설로 공공의 역할이 강조되고 있지만, 도시의 난개발처럼 체계적인 계획 없이 무작위적으로 위치하거나 구축되고 있어 이에 대한 경제적, 사회적 비용에 대한 우려의 목소리가 높아지고 있다. 따라서 빠르게 발달하는 정보통신 기술과 폭발적으로 증가하고 있는 무선 통신 시설의 공간적 분포와 이에 따른 지역 인터넷 서비스 접근성의 실태에 대해 보다 체계적이고 분석적으로 접근해 볼 필요가 있으며, 또한 보다 공공의 관점에서 유비쿼터스 환경의 도시 무선 네트워크 구축을 위한 구체적인 대안 역시 현 시점에서 논의해야할 중요한 공적 사안이라 할 수 있다.
    스마트폰의 등장과 와이파이 네트워크의 광범위한 구축은 지역에 대한 사회경제적 파급효과가 매우 크고, 지역의 개발 및 성장에 크게 기여할 것으로 보인다. 증가하는 대중적 인지도와 학술적 연구 가치에도 불구하고, 현재까지 이러한 새로운 무선 정보통신 기술과 관련해서는 주로 이론적, 기술적 접근이 대부분이며, 와이파이 기반의 무선 네트워크의 공간적 분포 현황과 이에 따른 지역 구조적 특성에 대한 실증적 분석 연구는 매우 미비한 실정이다. 더구나 무선 정보통신 서비스 제공의 공간적 비효율성이나 접근에 대한 공간적 격차를 해소시키기 위한 실질적인 솔루션을 제공하는 연구는 거의 없다. 이러한 맥락에서 본 연구는 지금까지 거의 연구되지 못한 우리나라 무선정보통신 서비스 인프라의 공간적 분포에 대한 특성과 커버리지 분석을 수행하고, 이를 토대로 현실적으로 드러나는 무선통신 인프라의 공간적 격차를 해소시킬 수 있는 공간 최적화 모델(spatial optimization model)을 제시할 수 있다는데 중요한 학술적 의의를 가진다. 또한 최근 각광 받고 있는 와이파이 기반의 ‘무선 메쉬 네트워크(wireless mesh network)'는 상대적으로 저렴한 구축 비용과 안정적인 서비스 제공이 가능하다는 측면에서 도시형 무선 네트워크를 위한 적절한 대안이 되고 있는데, 이러한 무선 메쉬 네트워킹과 입지 커버링 문제를 결합하는 연구는 해외에서도 쉽게 찾아보기 힘든 접근 방법으로 학술적 기여가 매우 크다고 할 수 있다.
    본 연구는 크게 와이파이 커버리지 및 접근성 분석과 유비쿼터스 기반의 도시 무선 네트워크 서비스를 위한 와이파이 메쉬 라우터 입지 최적화 모델링으로 구성된다. 보다 구체적으로, 와이파이 커버리지 및 접근성 분석에서는 위치기반시스템과 연동한 GIS와 같은 최신의 공간정보기술을 활용하여, 특정 지역의 와이파이 무선 네트워크의 공간적 분포 및 커버리지를 분석하고, 이를 토대로 정보통신 서비스에 대한 접근성과 지역 무선 네트워크 현황 및 특성을 분석할 것이다. 도시 무선 네트워크 서비스를 위한 와이파이 메쉬 라우터 입지 모델링에서는 크게 두 가지 다른 접근법을 사용할 것이다. 첫째는 SCLP(Set Covering Location Problem) 기반 입지 모델링으로, 최소 비용으로 지역 수요를 모두 커버할 수 있는 메쉬 라우터 입지 모델을 개발하고, 실제적인 공간적 대안을 도출할 것이다. 둘째는 MCLP(Maximal Covering Location Problem) 기반 메쉬 라우터 입지 모델링으로 보다 현실적 상황, 예컨대 제한된 예산을 고려할 때, 최대 수요를 포괄할 수 있도록 하는 최적 메쉬 라우터 입지 대안을 제시할 것이다.
  • 한글키워드
  • 와이파이 무선 네트워크, 도시 무선 메쉬 네트워크, 최적 입지 모델링, 공간 접근성, GIS
  • 영문키워드
  • Wi-Fi based wireless network, city-wide wireless mesh network, optimal location modeling, spatial accessibility, GIS
결과보고시 연구요약문
  • 국문
  • 모바일 기기가 광범위하게 보급되고 무선 인프라 시설에 대한 수요가 늘어나면서, 최근 공공 인터넷 서비스를 제공하기 위한 무선 네트워크 구축에 대한 지자체의 관심이 높아지고 있다. 이러한 맥락에서 본 연구는 기존의 와이파이 존에 대한 공간적 분포 현황과 무선 인터넷 접근성의 공간적 격차를 탐색하고, 이에 대한 대안으로 상대적으로 적은 설치 비용과 확장된 지리적 커버리지를 제공할 수 있는 도시형 무선 메쉬 네트워크의 최적 디자인 모델을 제시하고자 한다. 이를 위해 안정적인 네트워크 성능을 보장하며, 최대 서비스 커버리지를 동시에 만족시키는 네트워크 생존성 기반 최대커버링 모델(MCSC)을 적용하여, 광주광역시 서구에 대한 무선 메쉬 라우터의 최적 입지 대안을 도출하였다. 사례 연구 결과, 광주광역시 서구의 와이파이 존은 주요 도로를 따라 인구 밀집 지역을 중심으로 군집화된 패턴을 보이며, 대체적으로 중복된 커버리지가 많아 AP의 위치를 중심으로 제한된 접근성을 보이고 있다. 이는 도시내에서도 무선 인터넷에 대한 접근성은 공간적으로 차별적이며 따라서 유비쿼터스 무선 통신 서비스를 위한 대안적인 네트워크 디자인이 필요함을 시사하고 있다. 이러한 맥락에 따라 광주광역시에 적용된 도시형 무선 메쉬 네트워크는 메쉬 라우터의 최적 입지와 라우터 수에 따른 최대 커버리지를 보여주고 있으며, 안정된 네트워크 조건과 서비스 커버리지는 상쇄적 관계에 있음을 밝혀주고 있다.
  • 영문
  • As mobile devices are widely adopted and demand on wireless infrastructure increases, the interests of local governments in building wireless networks for public Internet services are recently increasing. In this regard, this research addresses current spatial distribution of Wi-Fi zones and explores spatial disparity of accessibility to the wireless Internet. Alternatively, we suggest an optimal network design model for city-wide wireless mesh network which enables extended geographic coverage with lower cost. By using a maximal covering model with survivability constraint(MCSC) which provides maximal service coverage and ensures reliable network performance, we derived optimal locations for wireless mesh routers in case of Seo-gu, Gwangju metropolitan area. As a result of application, Wi-Fi zones in Seo-gu were mainly located along with major roads and spatially clustered in highly populated areas. Since there are duplicated service coverages, accessibility is not ubiquitous but limited to AP locations. This implies that there is a spatial disparity of the wireless Internet access within a city and thus it needs an alternative way of the network design for ubiquitous wireless communication services. From this context, the city-wide wireless mesh network applied to Gwangju metropolitan area showed optimal configurations of mesh routers and maximal coverage of service in terms of the number of routers. Also, it revealed that there is a tradeoff between reliable network condition and service coverage.
연구결과보고서
  • 초록
  • 스마트폰, PDA, 노트북 컴퓨터와 같은 모바일 단말 기기의 급속한 보급은 모바일 기반의 무선 정보통신에 대한 수요를 급격하게 증가시키고 있다. 모바일 정보통신 기술은 현재 와이파이 존(Wi-Fi zone) 또는 핫스팟(hotspot)이라 불리우는 무선 인프라 시설을 통해 널리 활용되고 있다. 기존의 이동통신망을 이용한 인터넷 사용은 특정 이동 통신사의 유료 서비스인 반면, 와이파이 존에서는 IEEE 108.11b 무선통신 기술 표준으로 2.4GHz 대역폭에 최대 11Mbps의 전송 속도를 제공할 수 있는, 일명 와이파이(Wireless Fidelity: Wi-Fi)를 통해 무료의 인터넷 서비스를 이용할 수 있다는 장점이 있어 모바일 정보통신 서비스에 대한 수요가 점차 확대되고 있다. 와이파이 네트워크와 같은 무선 네트워크는 향후 도시 및 지역의 성장과 개발을 견인하기 위한 중요한 인프라로서 기능할 것임에 분명하지만, 지금과 같이 체계적인 계획과 관리가 어려운 상태에서 상업적 기업 주도에 의한 맹목적 확충과 개발은 앞서 언급한 것과 같은 와이파이 혼신이나 간섭과 같은 부정적인 효과를 불가피하게 가져오게 될 것이다. 다행스러운 것은 보다 공공의 관점에서 지역 내 인구에 대한 정보통신 서비스의 균등한 기회를 제공하고 사회, 경제, 문화 전반의 커뮤니티 네트워크를 활성화화기 위한 노력의 일환으로 최근 지자체 주도의 와이파이 기반 무선 인터넷 네트워크가 세계적으로 주목받고 있다. AP간의 통신을 가능하게 하고, 높은 확장성, 저비용, 유비쿼터스 무선 인터넷 서비스를 제공할 수 있는 와이파이 기반의 도시 무선 메쉬 네트워크(city-wide wireless mesh network: WMN)는 응급서비스, 도시치안, 공공 인터넷 서비스와 같은 공적인 영역에 네트워크 자원을 활용하고자 하는 각 지자체에 있어 유비쿼터스 기반의 도시 무선 네트워크 구축을 위한 효과적인 대안으로 주목받고 있으며, 미국을 비롯한 세계 여러 나라의 지자체에서 채택하고 있는 도시형 무선 네트워크 아키텍쳐라 할 수 있다. 본 연구에서는 다음과 같은 두 가지 연구 목적을 가지고 있다. 첫째, 지역의 와이파이 기반의 무선 네트워크의 공간적 분포 현황을 파악함으로써 와이파이 존의 설치 실태를 실증적으로 분석하고, 공간상에 분포하는 와이파이 기반 시설물(예, AP)의 공간적 커버리지 분석을 통해 정보통신에 대한 접근성의 공간적 격차를 탐색하고자 한다. 둘째, 이러한 분석을 토대로 와이파이 기반의 도시형 무선 네트워크 구축을 위한 무선 메쉬 라우터(mesh router)의 최적 입지 대안을 제시하고자 한다. 무선 메쉬 라우터는 기존의 와이파이 AP보다 물리적으로 좀 더 넓은 커버리지를 가지는 아웃도어 기기이며, 메쉬 네트워킹을 통해 와이파이 존의 서비스 범위를 확장할 수 있으며, 전형적인 와이파이 존 설치보다 저비용의 효율적인 무선 네트워크 구축이 가능하다. 보다 구체적으로 본 연구는 기존의 와이파이 존에 대한 공간적 분포 현황과 무선 인터넷 접근성의 공간적 격차를 탐색하고, 이에 대한 대안으로 상대적으로 적은 설치 비용과 확장된 지리적 커버리지를 제공할 수 있는 도시형 무선 메쉬 네트워크의 최적 디자인 모델을 제시하고자 하였다. 이를 위해 안정적인 네트워크 성능을 보장하며, 최대 서비스 커버리지를 동시에 만족시키는 네트워크 생존성 기반 최대커버링 모델(MCSC)을 적용하여, 광주광역시 서구에 대한 무선 메쉬 라우터의 최적 입지 대안을 도출하였다. 사례 연구 결과, 광주광역시 서구의 와이파이 존은 주요 도로를 따라 인구 밀집 지역을 중심으로 군집화된 패턴을 보이며, 대체적으로 중복된 커버리지가 많아 AP의 위치를 중심으로 제한된 접근성을 보이고 있다. 이는 도시내에서도 무선 인터넷에 대한 접근성은 공간적으로 차별적이며 따라서 유비쿼터스 무선 통신 서비스를 위한 대안적인 네트워크 디자인이 필요함을 시사하고 있다. 이러한 맥락에 따라 광주광역시에 적용된 도시형 무선 메쉬 네트워크는 메쉬 라우터의 최적 입지와 라우터 수에 따른 최대 커버리지를 보여주고 있으며, 안정된 네트워크 조건과 서비스 커버리지는 상쇄적 관계에 있음을 밝혀주고 있다.
  • 연구결과 및 활용방안
  • 무선 네트워크는 모바일 환경의 무선 인터넷 서비스 수요에 대한 핵심적인 인프라 시설이라 할 수 있다. 와이파이존과 같이 무료 인터넷 서비스가 가능한 구역들이 점차 증가하고 있지만, 대개 상업적 이동통신사에 의해 인구가 밀집되어 있는 도시나 도시내 도심에 집중되어 설치되고 있다. 민간 주도로 구축된 무선 정보통신 시설의 공간적 불균등은 무선 정보통신 서비스에 대한 정보 격차를 심화시키고 있으며, 이에 따라 누구나 언제 어디서나 무선 인터넷 서비스를 이용할 수 있도록 하는 공공 무선 인프라 시설에 대한 요구가 점차 확대되고 있다. 이러한 요구에 따라 최근 지역 경제를 활성화시키고, 지역민에 대한 보다 보편적인 무선 인터넷 서비스를 제공하기 위한 공공 무선 네트워크 구축이 세계적으로 주목받고 있다. 대개 지자체나 정부가 주도하는 공공 무선 네트워크는 최소의 비용으로 지역을 유비쿼터스로 커버할 수 있는 최적화된 네트워크 디자인을 필요로 하며, 이에 대한 가장 효과적인 대안으로 와이파이 기반의 무선 메쉬 네트워크의 도입이 점차 증가하고 있다. 와이파이 기반의 무선 메쉬 네트워크는 기술적으로 기존의 와이파이존의 지리적 커버리지를 적은 비용으로 확장할 수 있으며, 공간적 정보 격차를 완화하고 응급서비스, 도시치안, 공공 인터넷 서비스와 같은 다양한 공적 영역에 활용될 수 있는 장점을 가지고 있다.
    이러한 맥락에서 본 연구는 특정 지역에 대한 무선 인프라 시설(와이파이존)에 대한 공간적 분포와 접근성에 대해서 살펴보고, 와이파이 기반의 도시형 무선 메쉬 네트워크 구축을 위한 최적 입지 모델을 적용한 공간적 대안들을 제시하고 있다. 광주광역시 서구를 대상으로 수행한 사례 분석 결과, 광주광역시 서구의 와이파이존은 주요 도로를 따라 집중적으로 분포하고 있으며, 유사한 선행 연구 결과에 비해 전체적으로 과밀화된 분포는 아니지만, 상업과 오피스 기능이 집중된 상무동, 광주시청 및 공공 기관이 밀집되어 있는 지역과 인구 밀집 지역에 집중적으로 분포하여 도시내 서비스 이용의 지역적 격차를 보이고 있다. 와이파이존의 위치에 따른 와이파이의 서비스의 커버리지 측면에서는 특정 지역들에 대한 밀집된 와이파이존 분포로 인해 중복된 커버리지가 많으며, 따라서 전체적으로 와이파이존의 위치를 중심으로 제한된 커버리지를 보이고 있다. 와이파이 존의 밀도에 따른 이용가능성과 달리 와이파이의 실제적 접근성을 나타내는 신호 세기는 다소 좋지 못한 것으로 나타났으며, 국지적으로는 유덕동, 양동, 치평동, 풍암동은 평균적으로 낮은 와이파이 접근성을 보이고 있다. 한편, 이러한 무선통신 인프라의 공간적 격차를 해소하기 위한 도시형 무선 메쉬 네트워크 모델로 생존성 기반 최대커버링 입지 모델을 적용하였는데, 입지할 무선 메쉬 라우터의 개수에 따라 커버리지를 최대화하면서 안정적인 네트워킹이 가능한 다양한 최적 대안들을 도출할 수 있었다. 또한 서비스 커버리지와 메쉬 라우터의 구축 비용 및 네트워크 생존성 사이에는 한 요소를 극대화시키려면 다른 요소를 희생해야하는 상쇄적 관계가 존재함을 확인할 수 있었다. 본 연구는 무선 네트워크를 토대로 무료 인터넷 서비스, 응급 서비스, 치안, 기업 유치 등 지역 커뮤니티를 위한 다양한 공적 서비스를 지향하는 정부와 많은 지자체에 매우 실용적인 함의를 가질 것이다. 와이파이 기반의 무선 메쉬 네트워크는 일반적으로 라우터 기기 및 네트워킹 비용이 매우 저렴하고 구축이 용이하며 안정적인 서비스 제공이 가능하기 때문에 이러한 지자체의 요구에 대해 매우 적합한 대안이라 할 수 있으며, 이미 미국, 유럽 등 해외의 많은 도시들에서 이미 구축되어 운용되거나 계획 중에 있는 무선 네트워크 아키텍쳐이다. 이러한 와이파이 메쉬 라우터의 실제적인 네트워크 디자인 모델들은 향후 유사한 도시형 무선 네트워크 구축을 계획하고 있는 계획가나 정책 입안자들이 벤치마킹할 수 있는 프로토타입으로 활용될 수 있을 것이며, 현실적인 조건(예, 예산, 무선 네트워크 커버리지 확장, 네트워킹 안정성 등)에 따른 다양한 대안들을 제시함으로써 보다 유연한 의사결정을 도울 수 있을 것으로 기대된다. 사례 지역에 대한 실증적인 연구 결과들 또한 지역의 무선 인프라 시설과 접근성에 대한 실태 파악과 향후 지역 정보통신 인프라 정책 개발에 중요한 시사점을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 한편, 최대커버링 입지 모델과 메쉬 네트워크가 결합된 모델은 비교적 최근의 연구로 시설물 입지와 네트워크 디자인 문제의 새로운 접근 방법이라 할 수 있으며, 이를 실세계에 적용하여 구체적인 결과들을 탐색하고 있다는 점에서 방법론적 적용가능성에 대한 유의미한 학술적 의의가 있다고 할 수 있다.
  • 색인어
  • 도시 무선 메쉬 네트워크, 네트워크 생존성 기반 최대커버링 모델, 와이파이, 메쉬 라우터
  • 연구성과물 목록
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