Μοντελοποίηση και τεχνο-οικονομική αποτίμηση μοντέρνων τηλεπικοινωνιακών - δορυφορικών υπηρεσιών με χρήση τεχνικών βελτιστοποίησης

Abstract

This thesis deals with the techno-economic modelling and evaluation of new telecommunication services. Specifically, the techno-economic evaluation of wireless satellite services is considered. The economic benefits for a Satellite Operator from leasing the available satellite bandwidth are evaluated, taking into account the technological factors and specifications of the satellite services. The purpose of the thesis is to determine the optimal leasing policies of a Satellite Operator, by maximizing the profits from the optimum allocation of the available bandwidth. The case study of providing wireless services is modelled, taking into account technological factors. Economic evaluation is performed through optimization techniques, by maximizing the possible revenues that can be acquired by the leasing of the satellite bandwidth. Techno-economic decision making tools are developed for the comparison of different scenarios of combinations of customers asking to hire satellite capacity. There is a variety of services that a satellite can support. For each of these services requested by the customers, there is a different bandwidth demand, duration of lease, and a different price, incorporated to the models. Initially, pricing data are gathered from the international market. These data are statistically processed to produce demand and pricing parameters, for satellite services. These parameters are integrated at the following steps of this study, which involves the modelling of the problem. The implementation is performed by creating different models using different techniques and conceptual structure, for the same application. For each model there is a complete theoretical description and development of the appropriate software. Decision making tools are created using a Heuristic approach and two different Dynamic Programming Algorithms approaches, applying alternative concepts of modelling. At the first stage of implementation, a decision making tool was created using Heuristic techniques, considering associated profits and risk. The output of the model is in the form of a decision tree. This maximization problem is described in terms of real and expected revenues, along with the corresponding probability of getting them. The final outcome leads to optimal enterprise steps that maximize revenues and enables the evaluation of different contingency plans. The decisions are taken successively in a time horizon and thus the presented tool incorporates time evolution. Consequently the model is dynamic. At the following stage a second model was created for the same application using the discrete time, Dynamic Programming Algorithm, with stochastic elements. The mathematical description of the problem formulation is constructed by defining the discrete time system equation and the additive cost function. Accordingly the Dynamic Programming Algorithm for the specific application was applied. Using analytical methods the optimal cost for each stage is computed in the form of a recursive function. At the third stage, an Alternative Dynamic Programming Algorithm was proposed. This Algorithm uses a different modelling approach, for the same problem. A new discrete time system equation and additive cost function was designed. The analytical solution was derived. All the models are evaluated experimentally. Multiple executions are applied at each model in order to evaluate the similarity of the outcomes. The main criterion is the decisions that the models produce. These decisions consist of the optimal leasing policies for the Satellite Operator that will maximize the Revenues. Additional criterion is the amount of Revenues that is computed from each model, from the adoptions of these optimal leasing policies. The comparison of the outcomes of the models, under the concepts of the Heuristic and the two Dynamic Programming type approaches shows that the resulting optimal leasing policies and revenues are very similar, for all experiments, a fact that reinforces the confidence in the relevance of the proposed methodology.

Η παρούσα διατριβή αναφέρεται στην μοντελοποίηση τεχνο-οικονομικής αποτίμησης νέων τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Ειδικότερα, έγινε τεχνο-οικονομική μελέτη ασύρματων δορυφορικών υπηρεσιών. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν τους τεχνολογικούς παράγοντες και περιορισμούς της συγκεκριμένης τηλεπικοινωνιακής εφαρμογής, έγινε εκτίμηση των οικονομικών ωφελειών για έναν Δορυφορικό Παροχέα της διάθεσης της διαστημικής χωρητικότητας, καλύπτοντας τις πραγματικές ανάγκες της τηλεπικοινωνιακής αγοράς για τη δημιουργία εργαλείου λήψης αποφάσεων. Στόχος αποτελεί ο καθορισμός της βέλτιστης τιμολογιακής πολιτικής, ενός Δορυφορικού Παροχέα, ώστε να επιτευχθεί η μεγιστοποίηση των εσόδων του, μέσω της βέλτιστης κατανομής του διαθέσιμου φάσματος. Γίνεται μοντελοποίηση του προβλήματος, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της συγκεκριμένης εφαρμογής παροχής ασύρματων δορυφορικών υπηρεσιών και γίνεται αποτίμηση με οικονομικούς όρους, μέσω της βελτιστοποίησης και συγκεκριμένα μεγιστοποίησης, των δυνατών Εσόδων που μπορούν να αποκομιστούν από τη μίσθωση του διαθέσιμου φάσματος. Δημιουργούνται τεχνο-οικονομικά μοντέλα λήψης αποφάσεων, όπου γίνεται η σύγκριση διαφορετικών σεναρίων συνδυασμών πελατών σε ένα Δορυφορικό Παροχέα, που ζητούν μίσθωση διαστημικής χωρητικότητας, με διαφορετικά χαρακτηριστικά (υπηρεσία, χρόνο μίσθωσης, ζητούμενο εύρος ζώνης, χρέωση). Κατά την αρχική φάση της μελέτης έγινε συλλογή και στατιστική επεξεργασία πραγματικών δεδομένων χρεώσεων που ισχύουν στην διεθνή δορυφορική αγορά, για την εξαγωγή παραμέτρων ζήτησης και χρέωσης δορυφορικών υπηρεσιών, που χρησιμοποιήθηκαν κατά την υλοποίηση των μοντέλων. Η υλοποίηση γίνεται με τη δημιουργία μοντέλων, με χρήση διαφορετικών τεχνικών και λογικής υλοποίησης που αντιμετωπίζουν το ίδιο πρόβλημα. Έγινε πλήρης θεωρητική περιγραφή και αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό για όλα τα μοντέλα. Δημιουργήθηκαν μοντέλα με χρήση Ευρετικής Τεχνικής αλλά και με χρήση δύο αλγορίθμων Δυναμικού Προγραμματισμού, εφαρμόζοντας διαφορετικούς τρόπους μοντελοποίησης. Στο πρώτο στάδιο της υλοποίησης, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο λήψης αποφάσεων χρησιμοποιώντας Ευρετικές Τεχνικές και περιγράφοντας το πρόβλημα με όρους κέρδους και ρίσκου. Το αποτέλεσμα προκύπτει σε μορφή δέντρου αποφάσεων, με ζητούμενο τη μεγιστοποίηση των Εσόδων και περιγράφεται με όρους πραγματικών και αναμενόμενων Εσόδων, με την αντίστοιχη πιθανότητα αποκομιδής αυτών-ρίσκο. Οι αποφάσεις λαμβάνονται διαδοχικά στο χρόνο και έτσι το μοντέλο Ευρετικής Τεχνικής είναι δυναμικό. Ανάλογα με αυτά τα δεδομένα προκύπτουν τα εναλλακτικά επιχειρηματικά βήματα που θα μπορούν να ακολουθηθούν για την αποφυγή και αντιμετώπιση αυτών των κινδύνων (contingency plans). Ακολούθως, δημιουργήθηκε ένα δεύτερο μοντέλο λήψης αποφάσεων για την ίδια εφαρμογή, όπου αντιμετωπίζεται ως πρόβλημα μαθηματικής βελτιστοποίησης, με χρήση αλγορίθμων Δυναμικού Προγραμματισμού, με στοχαστικά στοιχεία διακριτού χρόνου. Καταστρώνονται οι αρχικές εξισώσεις κατάστασης και κόστους και μορφοποιείται ο αλγόριθμος. Ακολουθεί η επίλυσή του, με αναλυτική μέθοδο, εξάγοντας τον τελικό αναδρομικό τύπο, για κάθε διακριτό στάδιο. Επιπρόσθετα, δημιουργείται και ένας δεύτερος Εναλλακτικός Αλγόριθμος Δυναμικού Προγραμματισμού, όπου γίνεται διαφορετική αντιμετώπιση της ίδιας εφαρμογής, με κατάστρωση διαφορετικών αρχικών εξισώσεων κατάστασης και κόστους, όπου γίνεται αναλυτική επίλυση. Έγινε πειραματική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Αναλύθηκαν τα εξαγόμενα αποτελέσματα των μοντέλων, εφαρμοσμένα σε πολλαπλές επαναλήψεις. Βασικό κριτήριο αποτέλεσαν, οι προκύπτουσες από τα μοντέλα βέλτιστες αποφάσεις επιλογής σεναρίων, που πρέπει να λάβει ο Δορυφορικός Παροχέας, ώστε να μεγιστοποιήσει τα Έσοδά του. Επιπρόσθετο κριτήριο, αποτελεί το ποσό των Εσόδων που υπολογίζεται από κάθε μοντέλο, από την υιοθέτηση αυτών των αποφάσεων. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης των μοντέλων που υλοποιούνται με χρήση Ευρετικής Τεχνικής αλλά και Δυναμικού Προγραμματισμού έδειξαν υψηλό βαθμό ταύτισης, τόσο ως προς τις εξαγόμενες αποφάσεις, όσο και ως προς το ποσό των Εσόδων, για τον Δορυφορικό Παροχέα που προκύπτουν από την εφαρμογή τους, για όλες τις περιπτώσεις.