40Gb/s TWDM-PON 기술 및 표준화 동향

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]

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]

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.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]

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

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]

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

<표 2>

각 PON 기술별 상/하향신호의 파장대역

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]

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]

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]

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]

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.