Survivable and disaster- resilient submarine optical-fiber cable deployment

Abstract

Internete olan mevcut sosyal ve ekonomik bağlılık ve servis kesintileri nedeni ile oluşan önemli miktardaki tamir masrafları ile ağ kalımlılığı günümüzde telekomünikasyon ağ dizaynının önemli bir parçası olmuştur. Ayrıca, denizaltı fiber optik kabloların depremler gibi doğal afetlere veya insan-yapımı afetlere karşı zayıf olduğu da herkesçe kabul edilmiş bir gerçektir. Afete dayanıklı bir denizaltı kablo yerleştirilmesi, bir yada daha fazla kablo afet nedeni ile koptuğunda ağ servislerini yeniden eski haline getirmek için ağ operatörünün maliyetlerini (yolculuk maliyeti, kapasite kayıp maliyeti ve hasar gören kablonun tamir maliyeti) azaltabilir. Bu çalışmada afet-farkındalı denizaltı fiber optik kabloları yerleştirme problemini araştırdık. Kablolar için bir yol/rota seçerken yaklaşımımız toplam beklenen kayıp maliyetini, denizaltı fiber kabloların afetler nedeni ile zarar görebileceğini de düşünerek, bütçe ve diğer kısıtlamalar altında minimize etmeyi hedefler. Yaklaşımımızda afetle ilişkisiz arızaların ana kablonun yanında bir de yedek kablo sağlanarak üstesinden gelindiğini varsaydık. Önce basitçe bir su kütlesi (deniz/okyanus) tarafından ayrılmış iki kara parçası üzerine yerleştirilmiş iki düğümün olduğu bir senaryoyu düşündük. Daha sonra problemi formüle edebilmek için afet bölgelerinden sakınacak şekilde eliptik kablo şeklini dikkate aldık. En nihayetinde problem için, bu durumda yaklaşımımızın potansiyel faydalarını gösteren sayısal örneklerle desteklediğimiz bir Tamsayı Lineer Programlama formülasyonu ürettik. Bununla birlikte problemi daha pratik hale getirmek için, farklı kara parçalarına yerleşmiş çoklu düğümlerin örgüsel bir ağ topolojisini, düzenli şekillere sahip olmayan kabloları, deniz altındaki ortamın topografisini de dikkate aldık. Bu problemi de ifade etmek için sayısal örneklere birlikte bir Tamsayı Lineer Programlama sunduk. Sonuç olarak, pratik durumu düşünerek bir örnek durum incelemesi üzerinde yaklaşımımızı mevcut kablolama sistemleri ile kıyaslayarak teyit ettik. İki durumda da, sonuçlar bize %2-%11 oranında bir yerleştirme maliyeti artışı karşılığında beklenen maliyeti %90-%100 arasında azaltabileceğimizi gösterdi.

With the existing profoundly social and economic reliance on the Internet and the significant reparation cost associated with service interruption, network survivability is an important element in telecommunication network design nowadays. Moreover, the fact that submarine optical-fiber cables are susceptible to man-made or natural disasters such as earthquakes is well recognized. A disaster-resilient submarine cable deployment can save cost incurred by network operators such as the capacity-loss cost, the cruising cost and the repair cost of the damaged cables, in order to restore network service when cables break due to a disaster. In this study, we investigate disaster-aware submarine fiber-optic cable deployment problem. While selecting a route/path for cables, our approach aims to minimize the total expected cost, considering that submarine optical-fiber cables may break because of natural disasters, subject to deployment budget and other constraints. In our approach, we assume disaster-unrelated failures are handled by providing a backup cable along with primary cable. In the simple case we consider a scenario with two nodes located on two different lands separated by a water body (sea/ocean). We then consider an elliptic cable shape to formulate the problem, which can be extended to other cable shapes, subject to avoiding deploying cable in disaster zones. Eventuaaly, we provide an Integer Linear Programming formulation for the problem supported with illustrative numerical examples that show the potential benefit of our approach. Furthermore, in order to make the problem more practical, we consider a mesh topology network with multiple nodes located on different sea/ocean, submarine optical- fiber cables of irregular shape, and the topography of undersea environment. Eventually, we provide an Integer Linear Programming to address the problem, together with illustrative numerical examples. Finally, we validate our approach by conducting a case study wherein we consider a practical submarine optical-fiber cable system susceptible to natural disasters. In this case, we compare our approach against the existing cable system in terms of deployment cost and reduction in expected cost. In either case results show that our approach can reduce expected cost from 90% to 100% at a slight increase of 2% to 11% in deployment cost of disaster-unaware approach.