40Gb/s TWDM-PON 기술 및 표준화 동향

Recent Trends on Technology and Standardization of 40Gb/s Time and Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network

저자
이한협, 이상수, 정환석, 이종현 / 광가입자연구실
권호
30권 1호 (통권 151)
논문구분
차세대 네트워크 기술 특집
페이지
42-50
발행일자
2015.02.01
DOI
10.22648/ETRI.2015.J.300105
초록
PON(Passive Optical Network)은 설치 및 유지보수가 편리하여 광가입자망으로 널리 사용되고 있다. 대표적인 PON 기술로 IEEE에서 표준화된 EPON(Ethernet PON), 10G EPON과 ITU-T에서 표준화된 GPON(Gigabit capable PON), XG-PON 기술이 있다. EPON 및 GPON은 각각 1G급 및 2.5G급 전송속도를 제공하며 한국, 일본, 중국 등 아시아와 북미 등에서 가입자 서비스 및 비즈니스 서비스용으로 사용되고 있다. 2010년대부터 10G급 PON 기술 사용이 증가되고 있으며, 앞으로 가파르게 증가하고 있는 가입자 트래픽량에 대처하기 위해 40G급 또는 100G급 PON 기술이 사용될 것으로 예상된다. 본고에서는 현재 ITU-T에서 표준화가 진행 중인 NG-PON2(Next Generation PON2) 기술 중 주요기술인 TWDM-PON(Time and Wavelength Division Multiplexing-PON) 기술에 대한 국제 표준화 현황 및 국내외 기술개발 현황을 살펴보고자 한다.
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Ⅰ. 서론

최근 KT는 기존 대비 10배 빠른 기가 인터넷 서비스를 상용화 하였으며 다른 통신사업자들도 기가 인터넷서비스를 준비 중에 있다[1]. 이와 같은 고속 인터넷서비스를 위해서는 광통신방식을 이용하는 것이 가장 효과적이다.

광가입자망용 기술 중 PON(Passive Optical Net-work) 기술은 고속서비스를 가입자에게 제공하기 위한 기술로써, 광회선 종단장치(OLT: Optical Line Ter-minal) 기술, 광망 종단장치(ONU: Optical Network Unit) 기술, 가입자망 링크 및 운용관리 기술 등을 포함하며 대표적인 PON 기술로는 EPON(Ethernet PON), 10G EPON과 GPON(Gigabit capable PON), XG-PON(10G capable-PON) 기술이 있다. EPON 및 GPON은 각각 1G급 및 2.5G급 전송속도를 제공하며 한국, 일본, 중국 등 아시아와 북미 등에서 가입자 서비스용으로 사용되고 있다. 2010년대부터 10G급 TDM-PON의 사용이 중국, 한국을 중심으로 증가되고 있다. 앞으로 가파르게 증가하고 있는 가입자 트래픽량에 대처하기 위해 10G급 이상의 40G급 또는 100G급 PON 기술이 사용될 것으로 예상된다.

최근에는 광가입자망의 전송용량 및 분기 수를 확장하고, 또한 가입자 서비스, 비즈니스 서비스뿐만 아니라 무선 백홀 등 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 차세대 광가입자망 기술과 관련된 연구개발이 진행되고 있다. 표준화 측면에서는 40Gbit/s급 전송이 가능한 NG-PON2(Next Generation PON2) 기술의 표준화가 ITU-T에서 진행 중이다. NG-PON2 기술은 광가입자서비스를 위한 TWDM-PON(Time and Wavelength Divi-sion Multiplexing-PON) 기술과 비즈니스 및 광무선백홀 서비스를 위한 PtP WDM-PON(Point to Point Wavelength Division Multiplexing-PON) 기술을 포함하고 있다[2]-[5].

(그림 1)을 통해 제시된 NG-PON2는 전화국에 사용되는 OLT 시스템과 원격지에 위치한 지역노드 간의 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 기술을 사용하여 광섬유 사용 효율을 증가시키고 OLT와 ONU 간 파장가변 송수신 기술을 사용하여 네트워크의 트래픽 상황에 따라 통신파장을 변경할 수 있어 기존 WDM-PON 기술보다 진화한 기술이다. 또한, 가입자측에 사용되는 ONU에 파장가변 광트랜시버를 사용하므로 광트랜시버 고장 시 교체에 필요한 재고관리 비용이 적은 장점을 가지고 있다. NG-PON2는 지역노드에 광분배기(Optical splitter)를 사용하므로 기존 TDM-PON (Time Division Multiplexing-PON)용 광인프라의 재사용이 가능하다. 또한, TWDM-PON 시스템은 파장가변 송수신 기술이 적용된 ONU를 사용하여 상하향 광신호의 파장을 손쉽게 변경할 수 있어 통신파장당 트래픽 부하균등화 기능과 Power saving 기능 등 새로운 운용기능을 제공할 수 있다.

(그림 1)

NG-PON2 서비스

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본고에서는 ITU-T에서 국제표준화가 진행 중인 NG-PON2 기술의 주요 기술인 TWDM-PON 기술에 대해서 논의하며, 서론에 이어 Ⅱ장에서 TWDM-PON의 국제표준화 동향에 대해 기술하고 Ⅲ장에서는 TWDM-PON의 국내외 기술개발 동향, Ⅳ장에서는 TWDM-PON 기술의 향후 전망 및 대응 전략에 대해 논하고자 한다.

Ⅱ. TWDM-PON 국제표준화 동향

광가입자망 기술의 최종 사용자인 통신사업자는 장비 제조사 간의 상호호환 및 기존 기술과의 상호공존 등을 요구하므로 이를 해결하기 위하여 광가입자망 기술의 국제표준화가 활발히 진행되고 있다. 광가입자망 기술의 국제표준화는 ITU-T, IEEE, IEC와 같은 국제 표준화 기구뿐 아니라 FSAN(Full Service Access Net-work), BBF(Broadband Forum) 등의 표준화 단체에서 이루어지고 있다. 본 장에서는 TWDM-PON 기술의 FSAN, ITU-T 국제표준화에 대해 소개한다.

1. FSAN

FSAN은 광가입자망 표준을 논의하는 사전 표준화 단체로, ITU-T를 대상 표준화기구로 선정하고 있다[6]. FSAN은 전 세계의 통신사업자들이 주축을 이루고 있으며, 통신장비 및 부품 제조업체, 그리고 연구기관들이 회원사로 등록되어 있다. 우리나라에서는 SKT/SK브로드밴드, Ericsson-LG, LS전선, ETRI가 참여하고 있다. FSAN 회의는 매년 4회에 걸쳐 개최되고 있으며, 각 회의당 평균적으로 80여 명이 참석하고 50여 건의 기고서가 프리젠테이션 형식으로 발표되고 있다.

FSAN은 (그림 2)와 같이 OAN(Optical Access Net-work)의 단일 working group으로 이루어져 있으며 2개의 active task group으로 구성되어 있다.

(그림 2)

FSAN 구조[6]

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FSAN에서는 10G GPON(XG-PON) 표준 완료 이후의 차세대 광가입자망 기술(NG-PON2) 표준화를 위해 NG-PON TG(Next Generation-Passive Optical net-work Task Group)를 결성하여 각국의 통신사업자의 요구사항을 조사하고, 이를 만족할 수 있는 광가입자망 기술들에 대해 검토하였으며 (그림 3)과 같은 일정으로 표준화가 진행되고 있다.

(그림 3)

FSAN의 가입자망 표준화 로드맵[6]

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2010년 후반부터 시작된 NG-PON2 표준화 논의 결과, 총 전송용량 40Gb/s, 가입자당 2.5Gb/s, 전송거리 40km, 그리고 64 가입자 수용 등이 통신사업자의 NG-PON2 주요 요구사항으로 도출되었다. 이러한 요구사항을 만족하는 기술로 40Gb/s TDM-PON, WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing-PON), TWDM-PON, OFDM-PON(Optical Frequency Division Multiplexing-PON) 등이 후보 기술로 제안되었으며 기술 성숙도, 가격경쟁력 등을 고려하여 TWDM-PON과 파장가변 PtP WDM-PON이 표준기술로 선정되었다.

2. ITU-T SG 15

ITU-T SG(Study Group)15는 광 및 기타 전달망의 인프라구조, 시스템, 장비, 광섬유 및 관련 제어 평면 기술들에 대한 표준을 개발하는 그룹이다. 그리고 SG15의 Q.2(Optical Systems for Fiber Access Networks) 그룹은 광가입자망을 위한 광통신 시스템의 규격 표준화를 담당하고 있다. 최근, ITU-T SG15 Q.2는 NG-PON2 기술의 표준화를 위해 아래와 같이 G.989 시리즈의 표준화 작업을 진행 중이다.

  • - G.989:40-Gigabit-capable passive optical net-work(NG-PON2) systems: Definitions, abbreviations and acronyms[2]

  • - G.989.1:40-Gigabit-capable passive optical net-works(NG-PON2): General requirements[3]

  • - G.989.2:40-Gigabit-capable passive optical net-works(NG-PON2): Physical media dependent(PMD) layer specification[4]

  • - G.989.3:40-Gigabit-capable passive optical networks(NG-PON2): TC layer specification framework[5]

G.989는 40기가급 수동형 광네트워크 시스템 표준에 사용되는 용어와 약어에 대해 정리한 표준으로 G.989 시리즈에 사용되는 모든 용어와 약어를 포함하고 있다. G.989.1은 통신사업자들로부터 도출된 요구사항을 기술하고 있는 표준으로 FSAN에 참여하고 있는 통신사업자들이 주축이 되어 작성하였으며 2013년 상반기 발행되었다.

G.989.2는 40기가급 수동형 광네트워크의 물리계층 규격에 관한 표준으로 본문에서는 TWDM-PON의 물리계층 규격을 기술하고 있으며 부록에 파장가변 WDM-PON의 물리계층 규격을 포함하고 있다. (그림 4)는 NG-PON2의 참조그림이다.

(그림 4)

NG-PON2 참조도[4]

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TWDM-PON은 OLT에서 ONU로 송신되는 하향신호의 용량을 40G이상 지원하기 위하여 서로 다른 파장 4개의 광신호를 WDM 방식을 사용하여 송신하고 파장당 10Gb/s(Scrambled NRZ(Non-return to Zero))의 전송속도를 사용한다. ONU에서 OLT로 송신되는 상향신호는 파장당 2.5Gb/s 전송속도로 하향신호와 같이 서로 다른 파장 4개의 광신호가 사용된다.

TWDM-PON은 WDM 방식을 사용하므로 ONU는 파장가변 기능이 있어야 한다. 이를 위해 TWDM-PON ONU 광트랜시버는 하향 4파장의 광신호들 중에 하나의 광신호를 선택하기 위한 파장가변 광수신기와 상향 4파장중 할당된 하나의 파장으로 상향신호를 송신하기 위한 파장가변 광송신기를 사용한다. 그리고 TWDM-PON은 OLT와 ONU 간의 손실허용치를 광링크의 클래스에 따라 제시하기 위해 <표 1>과 같이 최소/최대 손실값을 통해 Maximum differential optical path loss를 규격화하였다.

<표 1>

ODN Optical Path Loss Classes

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Maximum differential optical path loss는 PON의 포설거리 및 분기수를 유연하게 하기 위한 것으로 PON의 주요 특징이다.

(그림 5)는 NG-PON2의 파장계획이다. NG-PON2는 기타 다른 서비스들과의 상호간섭을 피하기 위하여 기존의 서비스가 점유하고 있는 파장대역 외의 파장대역을 사용하도록 권고하고 있다.

(그림 5)

NG-PON2 파장계획[4]

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<표 2>는 각 PON 기술별 상향 및 하향신호의 파장대역을 정리한 것이다.

<표 2>

각 PON 기술별 상/하향신호의 파장대역

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G.989.2의 가장 최근 이슈로는 상향 WDM 신호 간의 Out of band, Out of channel crosstalk가 있다. 이 광잡음은 앞서 기술한 Maximum differential optical path loss와 광송신기의 출력변동 범위 그리고 OLT에 사용되는 wavelength mux의 인접채널 감쇠값이 충분하지 않은 문제 등으로 발생한다. 이를 해결하기 위하여 OLT와 ONU 간의 손실을 측정하고 이를 참조하여 ONU의 출력세기를 조절하는 방식이 논의되고 있다[7][8].

G.989.3은 TWDM-PON 및 파장가변 PtP WDM-PON의 전송수렴계층(TC layer) 표준으로써, TWDM-PON의 운용관리를 위한 전송수렴계층 구조, 기능 및 PLOAM(Physical Layer Operation Administration Monitoring)을 이용한 TWDM-PON 시스템의 관리, TDM 구조, 동적대역폭 할당, QoS 등을 기술하고 있다. 특히, TWDM-PON ONU의 초기 활성화 단계에 대해 기술하고 있다.

TWDM-PON은 기존의 GPON, XG-PON과는 달리 WDM 방식으로 광신호를 전송하므로, OLT에서 능동적으로 TWDM-PON에 사용되는 파장을 관리할 수 있다.

(그림 6)은 ONU의 초기 활성화 단계이다. ONU는 초기 상태에서 4개의 하향신호의 고유정보를 인식을 하고 고유 시리얼넘버를 이용하여 OLT와 통신을 한 후 최종적으로 ONU ID를 할당 받은 후 정상 동작한다. G.989.3은 각 단계에 필요한 PLOAM 메시지 형식을 규정하고 있다.

(그림 6)

TWDM-PON ONU 활성화 단계[5]

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서론에서 언급한 것과 같이 TWDM-PON은 파장가변방식을 사용하므로 PON port 간의 트래픽 부하 균등(Traffic load balancing) 기능과 Power saving 기능을 제공할 수 있다. 이 기능의 구현을 위해서는 동작 중인 ONU의 통신파장의 변경이 원활하게 이루어져야 한다.

G.989.3에서는 (그림 7)과 같이 일반적인 TWDM-PON OLT와 ONU 간의 파장변경 절차를 표준화하고 이에 필요한 PLOAM 메시지 형식을 규정하고 있다.

(그림 7)

OLT와 ONU간의 파장변경 절차[5]

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Ⅲ. TWDM-PON 기술개발 동향

본 장에서는 현재 전세계 PON 장비의 시장의 73%를 차지하고 있는 중국의 화웨이(38%), ZTE(22%), Alcatel-Lucent(14%)의 TWDM-PON 기술개발 동향 및 국내 기술개발 동향에 대해 기술한다.

1. 해외동향

차이나 텔레콤과 화웨이는 공동으로 2012년 OFC (Optical Fiber Communication Conference and Ex-position)의 마감 후 논문으로 ITU-T 표준화 방향에 부합하는 TWDM-PON 프로토타입 시스템을 개발하고 시험결과를 발표하였다. (그림 8)과 같이 이 시스템은 하향 신호로 40Gb/s(10Gb/s×4), 상향 신호로 10Gb/s (2.5Gb/s×4)를 전송하였으며, 512 분기로 20km 전송한 경우 약 38dB의 파워 버짓을 제공하였다[9].

(그림 8)

화웨이의 TWDM-PON 프로토타입 시험 구성[9]

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화웨이는 2013년 ECO(European Conference on Optical Communications)의 마감 후 논문으로 하향 10 Gbps×4채널, 상향 2.5 Gbps×4채널 파장가변 방식의 NG-PON2 링크 기술을 발표하였다. (그림 9)와 같이 OLT에는 CFP(C Form-factor Pluggable) 송수신기 형태로 4개의 EML(External Modulated Laser)을 사용하여 10Gbps×4채널 송신기 및 2.5Gbps×4채널 수신기를 구현하였으며 ONU에는 10G 파장가변 ROSA(Receiver Optical Sub Assembly)와 DFB LD(Distributed feed-back laser diode)의 동작온도를 변화시켜 100GHz 간격의 4채널 파장가변이 가능한 2.5G 파장가변 레이저를 사용하였다[10].

(그림 9)

화웨이의 TWDM-PON용 광트랜시버, 라인카드 및 ONU[10]

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최근 화웨이는 OLT/ONU 시스템으로 자사의 MA 5600T를 공통 플랫폼으로 사용하고 1.2Tbps 스위치 용량 및 16 슬롯 구조의 TWDM-PON OLT 프로토타입을 개발하였다. TWDM-PON의 핵심소자인 MAC (Media Access Control) 칩셋은 상용 FPGA(Field Rrogrammable Gate Array)를 사용하여 XG-PON 규격을 바탕으로 DBA(Dynamic Bandwidth Allocation), FEC (Feed-forward Error Correction), XGEM(XG-PON Encapsulation Method) 등을 구현하였다. 현재, 화웨이는 TWDM-PON 시스템 분야에서 가장 앞서나가고 있다.

중국의 ZTE는 2012년 10월 BBWF(Broadband World Forum)에서 TWDM-PON 시제품을 시연하였으며 ZXA10 C200를 공통플랫폼으로 사용하며 MAC 칩셋은 FPGA 기반으로 자체 개발하였다. OLT 광트랜시버로 4개의 10G급 XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) 광트랜시버를 사용하였으며 기존의 G-PON, XG-PON과의 ODN(Optical Distributed Net-work)을 공동으로 사용할 수 있다.

미국의 Alcatel-lucent는 스페인의 Vodafone과 공동으로 7630 ISAM FTTN OLT를 플랫폼으로 TWDM-PON 시스템을 개발하였다. 2014년 10월 BBWF에서 TWDM-PON 솔루션을 발표하였다[11]. 화웨이, ZTE와 마찬가지로 FPGA 기반으로 MAC 칩셋을 자체 개발하였다. 미국의 최대 통신사업자인 Verizon은 2015년 NG-PON2 도입 계획을 가지고 있으며, 현재 시스템 테스트 준비 중이다[12].

2. 국내동향

국내에서는 ETRI와 산업체 중심으로 TWDM-PON 시스템의 개발이 진행되고 있다. TWDM-PON 물리계층 기술 구현을 위한 핵심 기술인 저가의 광트랜시버를 위한 파장가변 레이저가 개발되었으며 현재 10G급 광트랜시버의 개발이 진행 중이다. 또한 NG-PON2용 광트랜시버의 저가화를 위해 어레이 광모듈 및 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 포토닉스 기반 광송수신 모듈을 연구개발하고 있다.

TWDM-PON 전송수렴계층 구조는 XG-PON의 전송수렴계층 구조를 기반으로 구성된다. ETRI는 기존의 XG-PON용 MAC 칩셋을 FPGA 기반으로 개발하였고이를 이용하여 G.989.3에 부합하는 TWDM-PON용 MAC 칩셋을 개발하고 있으며 2016년 산업체를 통해 상용제품 개발이 완료될 것으로 예상된다. 국내에서 개발된 TWDM-PON 시스템은 2016년 국내 통신사업자에 의해 실사용화가 될 것으로 예상된다.

Ⅴ. 결론

기존의 PON은 하향 및 상향으로 각각 단일 광파장신호를 사용하여 TDM 방식으로 서비스를 제공하므로 광인프라 사용 효율성이 좋지 않다. TWDM-PON은 TDM 및 WDM 방식과 파장가변 방식을 사용하여 광인프라의 전송용량 증가와 더불어 보다 지능적인 망 운용이 가능하게 되었다. TWDM-PON은 ITU-T에서 표준화 진행 중인 NG-PON2 기술의 주요 기술로써 주요 장비업체들이 국제표준화에 참여 중이며 동시에 시스템을 개발하고 있다. 국내에서는 ETRI와 산업체를 중심으로 TWDM-PON용 광트랜시버와 MAC 칩셋의 핵심기술을 개발하고 있다. 앞으로, ITU-T G.989 시리즈가 완료되는 2015년 이후에 본격적으로 TWDM-PON의 실사용화가 국내외에서 이루어질 것으로 예상된다.

용어해설

NG-PON2 초고속 인터넷 서비스에 사용되는 40Gb/s 광가입자망 기술로 전화국과 가입자 간에 전력이 필요하지 않는 수동 광소자를 사용하여 유지관리가 편리한 기술

파장가변 광트랜시버출력광신호의 파장을 자유롭게 변경할 수 있는 광트랜시버로 기존의 광트랜시버에 비해 고가이나 지능적인 광통신망을 구성하는데 필수적으로 사용됨.

약어 정리

BBF

Broadband Forum

BBWF

Broadband World Forum

CFP

C Form-factor Pluggable

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

DBA

Dynamic Bandwidth Allocation

ECOC

European Conference on Optical Communications

EML

External Modulated Laser

EPON

Ethernet PON

FEC

Feedforward Error Correction

FPGA

Field Programmable Gate Array

FSAN

Full Service Access Network

GPON

Gigabit Capable PON

MAC

Media Access Control

NG-PON TG

Next Generation-Passive Optical Network Task Group

NG-PON2

Next generation PON2

NRZ

Non-return to Zero

OAN

Optical Access Network

ODN

Optical Distributed Network

OFC

Optical Fiber Communication Conference and Exposition

OFDM-PON

Optical Frequency Division Multiplexing PON

OLT

Optical Line Terminal

ONU

Optical Network Unit

PLOAM

Physical Layer Operation Administration Monitoring

PON

Passive Optical Network

PtP WDM-PON

Point to Point Wavelength Division Multi-plexing-PON

ROSA

Receiver Optical Sub-Assembly

SG

Study Group

TDM-PON

Time Division Multiplexing-PON

TWDM-PON

Time and Wavelength Division Multiplexing-PON

WDM

Wavelength Division Multiplexing

WDM-PON

Wavelength Division Multiplexing-PON

XGEM

XG-PON Encapsulation Method

XG-PON

10G capable-PON

[1] 

디지털타임즈, “[글로벌 시장은 지금]< 21> 기가인터넷,” 2014. 11. 25.

[2] 

G.989:40-Gigabit-capable passive optical network (NG-PON2) systems: Definitions, abbreviations and acronyms

[3] 

G.989.1:40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): General requirements

[4] 

G.989.2:40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): Physical media dependent (PMD) layer specification

[5] 

G.989.2:40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): Physical media dependent (PMD) layer specification

[6] 

FSAN, http://fsan.org

[7] 

H.H. Lee et al., “Investigation of ONU Power Le-veling Method for Mitigating Inter-Channel Crosstalk in TWDMPONs,” 2014 12th International Conf. Optical Internet 2014 (COIN),TA2-4, 2014.

[8] 

H. Yoo et al., “ONU Transmit Power Levelling for TWDM-PONs,”2014 12th International Conf. Optical Internet 2014 (COIN), TA2-5, Aug. 2014.

[9] 

Y. Ma et al., “Demonstration of a 40 Gb/s Time and Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network Prototype System,”2012 the National Fiber Optic Engineers Conf. Optical Fiber Comm. Conf. Exposition (OFC/NFOEC),Mar. 2012.

[10] 

N. Cheng and J. Gao, “World's First Demonstration of Pluggable Optical Transceiver,”39th European Conf. Exhibition Optical Commun. (ECOC 2013), Sept. 2013.

[11] 

Modules for Flexible TWDM PONs Alcatel-Lucent, “Alcatel-Lucent extends capacity of existing fiber-based ultra-broadband access networks with breakthrough technology,” 2014, http://www.alcatel-lucent.com

[12] 

조성민, 고득녕, 이한협, “[기고] 광가입자망 표준화 및 시장 동향,” " NETMANIS, 2014. 11. 11.

(그림 1)

NG-PON2 서비스

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(그림 2)

FSAN 구조[6]

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(그림 3)

FSAN의 가입자망 표준화 로드맵[6]

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(그림 4)

NG-PON2 참조도[4]

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(그림 5)

NG-PON2 파장계획[4]

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(그림 6)

TWDM-PON ONU 활성화 단계[5]

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(그림 7)

OLT와 ONU간의 파장변경 절차[5]

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(그림 8)

화웨이의 TWDM-PON 프로토타입 시험 구성[9]

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(그림 9)

화웨이의 TWDM-PON용 광트랜시버, 라인카드 및 ONU[10]

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<표 1>

ODN Optical Path Loss Classes

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<표 2>

각 PON 기술별 상/하향신호의 파장대역

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