KR100636056B1

KR100636056B1 - Ｆｓｏ 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100636056B1
Application number: KR1020050052838A
Authority: KR
Inventors: 김정헌; 김동환; 이충규
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-10-20

Abstract

FSO 시스템에서 실시간으로 환경상태를 감시하여 전송조건을 조절함으로써 고품질의 전송을 유지하는 FSO 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법에 관해 개시한다. 본 발명의 가장 큰 특징은, FSO 시스템에서 소규모 환경감시모듈을 이용하여 실제 전송환경과 동일한 환경 하에서의 광손실을 검출하고, 광손실값이 한계점을 넘으면 FEC기능, 광출력, 전송속도를 변화시켜 FSO 시스템을 최적화하는 것이다. 본 발명에 따르면, 기상상태를 실시간으로 검출하여 그 상태에 따라 전송조건을 자동 조절하기 때문에 FSO 시스템에서 최적의 전송 품질을 유지할 수 있다.

FSO, 자유공간, 환경감시모듈, 전송품질, FEC, 광출력, 전송속도

Description

ＦＳＯ 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법 {Apparatus and method for optimization of the performance of FSO system}

도 1은 본 발명의 환경감시모듈로 이루어진 FSO 시스템의 성능 최적화 장치를 구비한 FSO의 개략적 구성을 나타낸 도면;

도 2는 측정된 광손실값이 a이고, 빔확산각을 0.5mrad라고 했을 때, 전송거리에 따른 (입력파워/출력파워)값을 나타낸 그래프;

도 3은 양방향 통신이 가능한 FSO 시스템에서 양쪽 단말기에 모두 환경감시모듈을 설치한 경우를 개략적으로 나타낸 도면; 및

도 4는 본 발명의 FSO 시스템의 성능 최적화 방법을 나타내는 알고리즘이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100: 환경감시모듈

110: 환경감시모듈의 광원

120: 환경감시모듈의 수광부

130: 연산제어부

200: 제1 통신 단말기

210: 제1 통신 단말기의 발광부

220: 제1 통신 단말기의 수광부

300: 제2 통신 단말기

310: 제2 통신 단말기의 발광부

320: 제2 통신 단말기의 수광부

본 발명은 기상상태에 따라 데이터 전송품질의 영향을 받기 쉬운 FSO(Free Space Optics) 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, FSO 시스템에서 실시간으로 환경상태를 감시하여 광링크 마진 확보 등 데이터 전송조건을 조절하여 고품질의 전송을 유지하는 FSO 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.

FSO 시스템이란 광신호의 전송을 위한 물리적 매체로써 유선 광선로를 이용하지 않고 자유 공간을 이용하는 광전송 시스템을 의미한다. 이와 같이, 광전송을 위한 물리적 매체로써 자유공간을 이용하는 광전송 시스템은 새로운 광통신망을 구축하고자 할 때 새로운 광선로를 포설하지 않고도 광통신망을 구축할 수 있어서 광선로 포설에 소요되는 경비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 광통신망의 구축 시간을 단축할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 FSO 시스템은 특히 상공업 집중지역 환경에서 효과적인 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 어떤 기업체가 서로 다른 인근 건물들에 위치한 직원들을 서로 연결시켜주는 근거리 통신망(LAN)을 구축하기를 원한다 고 하자. 만약, 이 기업체가 광통신을 할 경우 광섬유 케이블을 이용한 개인 전용선의 설치에만 의존한다면, LAN 구축에 있어서 망설치공사 완료까지라는 불가피한 지연이 발생할 뿐만이 아니라, 케이블을 설치하는 공사대금면에서의 막대한 비용지출이 발생할 것이다. 만약 상공업 집중지역이, 바로 길 건너에 위치한 다른 건물들내의 직원들간의 망연결에 대하여 다수의 규제 승인과 개별통신에서의 통신중단에 대한 많은 비용이 요구될 수 있는 도시속에 위치하고 있다면, 그 공사대금과 지연은 더욱 커질 가능성이 있다.

이러한 FSO 시스템은 건물주변내 또는 그 주변(예를 들어, 지붕 또는 창문) 또는 통신연결할 장소에 저전력 레이저 송수신기를 간단히 설치함으로써 통신링크가 형성될 수 있기 때문에, 효율적인 대체안을 제공해 준다. 대체로, FSO 시스템은 24시간 내에 설치될 수 있으며, 그 설치에 있어서 보통은 복잡한 정부승인을 필요로 하지 않는다. FSO 시스템은 음성, 영상, 및 데이터신호 또는 이들의 조합을 매우 높은 전송율로 전송할 수 있다. 또한, FSO 시스템은 상공업 집중지역 전체에서 분산되어 있는 기업체 직원들간에 스트리밍 매체, 영상 회의, 및 온-라인 공동연구를 제공하는 것 뿐만이 아니라, 기업체의 단일 인터넷 링크로서도 역할을 할 수 있다.

그러나, FSO 시스템의 하나의 중대한 결함이 있는데, 그것은 발생할 수 있는 대기장애에 대한 취약성이다. 즉, 강수, 짙은 안개, 낮게 덮인 구름, 및 스모그들은 FSO 시스템의 가시계 신호의 송/수신을 방해하는 각종의 대기장애로 작용한다. 최근까지, 다양한 FSO 시스템 제공자들은 무선 주파수(RF)/마이크로파 예비 시스템 에 의지함으로써 상기 결함에 대한 보완을 시도해 왔으며, 그 구체적 기술은 미국특허 제6,763,195호 및 제6,889,009호 등에 상세히 개시되어 있다. 그런데, 이러한 예비 시스템을 구비할 경우, 그로 인한 비용의 증가와 장비의 복잡성 때문에 FSO 시스템이 제공하는 상기 장점이 상쇄되는 문제가 발생한다. 또한, 상기와 같은 RF/마이크로파 여분 시스템이 설치되면, FSO 통신 시스템에서의 통신중단이 생길 때까지 여분의 시스템은 유휴상태로 남아있게 된다. 또한, 여분 시스템이 유휴상태에 있는 경우에서도, 역시 순조로운 시스템작동의 현상유지와 관련된 비용이 소모되는 문제점이 발생한다.

한편, 한국특허출원 제2000-53129호에는, 가시광 영역에서 동작하는 레이저 또는 발광 다이오드를 이용하여 광학계 상호간의 정렬을 수행하는 기능을 가진 FSO 장치가 개시되어 있다. 이 광통신 장치는 기존의 광통신 시스템의 본체 상단에 가시광원을 갖는 광정렬 시스템을 부착한 것으로서 광송수신기의 정렬을 용이하게 할 수 있다는 효과를 갖는다. 그러나, 광학적 정렬이 잘 이루어졌어도, 기상상태가 악화되면 전송품질의 저하가 오므로, 전송품질이 저하될 경우, 광학적 정렬이 문제인지, 기상상태의 악화가 문제인지 정확히 판단할 수 없다는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 별도의 복잡한 여분의 시스템을 갖추지 않더라도 고품질의 데이터의 전송을 유지할 수 있는 FSO 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 광학적 정렬이 틀어진 경우 에, 기상상태 때문인지 정렬상태 때문인지의 여부를 쉽게 판단하여 문제해결에 용이하게 대처할 수 있는 FSO 시스템의 성능 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 FSO 시스템의 성능 최적화 장치는: 광신호를 자유공간을 통하여 전송하기 위한 발광부를 가지는 제1 통신 단말기와, 상기 제1 통신 단말기의 발광부로부터 자유공간을 통해 전달된 광신호를 수신하기 위한 수광부를 가지는 제2 통신 단말기를 포함하는 FSO 시스템의 성능을 최적화하기 위한 장치로서,

상기 제1 통신 단말기의 발광부에서 광을 분기하여 광원으로 사용하기 위한 커플러와;

상기 커플러의 인근에 위치하여 상기 커플러에서 나온 분기광을 수광하기 위한 수광부와;

상기 수광부에서 측정된 광강도를 이용하여 광손실을 계산하고, 이를 기초로 상기 제1 통신 단말기에 포함된 발광부의 광출력 및 전송속도를 조절하는 연산제어부;

를 구비하는 환경감시모듈로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 FSO 시스템의 성능 최적화 방법은: 상기한 환경감시모듈로 이루어진 FSO 시스템 성능 최적화 장치를 이용하여 실제 전송환경과 동일한 환경 하에서의 광손실을 검출하여 광손실값이 임계값1을 넘으면 FEC(Forward Error Correcting; 순방향 오류정정) 기능을 활성화하고, 시간이 지나면서 다시 광전송 성능이 악화되면 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력을 높이고, 이 광출력이 최대가 되어도 에러가 발생하면 전송속도를 낮추어 저속으로 전송 동작을 시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 도면에서 동일 참조부호는 동일 구성요소를 나타내며, 이에 대한 중복설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 환경감시모듈로 이루어진 FSO 시스템의 성능 최적화 장치를 구비한 FSO의 개략적 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 자유공간을 통한 광신호의 전송은 제1 통신 단말기(200)와 제2 통신 단말기(300) 사이에서 이루어진다. 제1 통신 단말기(200)와 제2 통신 단말기(300)는 주로 이격된 빌딩들에 설치되는데, 그들 사이의 거리는 대략 1km 정도이다. 제1 통신 단말기(200)는 레이저 등의 발광부(210)를 포함하고 있으며, 제2 통신 단말기(300)는 제1 통신 단말기(200)의 발광부(210)로부터 자유공간을 통해 전달된 광신호를 수신하기 위한 수광부(320)를 가진다. 한편, 제1 통신 단말기(200)에는 FSO 시스템의 성능을 최적화하기 위한 장치로서 환경감시모듈(100)이 설치된다. 환경감시모듈(100)의 광원(110)은 제1 통신 단말기(200)의 발광부(210)에 1:99의 커플러(미도시)를 이용, 분기하여 사용한다. 한편, 환경감시모듈(100)의 광원(110)에서 나온 광은 1m 거리에 있는 환경감시모듈(100)의 수광부(120)에 의해 검출되어 광손실이 측정된다. 환경감시모듈(100) 내에서의 광손실은 지오메트릭 로스(geometric loss)로 인한 차이도 보정하여 실제 전송거리에서의 광손실을 계산에 의해 얻을 수 있는데, 이러한 작업은 환경감시모듈(100)의 수광부(120)와 제1 통신 단말기(200)에 양단이 연결된 연산제어부(130)에서 이루어진다. 여기서, 지오메트릭 로스는, 제1 통신 단말기(200)의 발광부(210)에서 나온 빔(beam)이 제2 통신 단말기(300)의 수광부(320)로 진행하여 감에 따라 빔 직경이 점점 커져 발산이 됨에 따라 송신단의 광출력이 온전히 수신단에 전달되지 못하고 광세기가 줄어드는 것을 의미한다. 환경감시모듈(100)에서는 FSO 시스템에서의 실제 전송거리보다 훨씬 작은 거리를 진행하므로 이런 손실이 없다. 따라서, 환경감시모듈(100)에서 측정한 손실값을 보정해줘야 실제 FSO시스템에서의 손실값을 계산할 수 있다. FSO 시스템의 제1 통신 단말기(200)와 제2 통신 단말기(300)에서의 광파워는 다음과 같은 관계가 있다.

여기서, d_r과 d_t는 각각 수신부와 송신부직경, D는 발산각도, R은 전송거리(즉, 제1 통신 단말기(200)의 발광부(210)에서 제2 통신 단말기(300)의 수광부(320)까지의 거리), a는 환경에 따라 달라지는 광손실값이다.

따라서, 지오메트릭 로스 G(dB)는 다음과 같이 표현할 수 있다.

측정된 광손실값이 a이고, 빔확산각을 0.5mrad라고 했을 때, 전송거리에 따른 (입력파워/출력파워)값을 도 2의 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 더 상세히 설명하면, 그래프에서 x축은 FSO 시스템의 전송거리, y축은 수신단에서의 광파워를 레이저 출력으로 나눈 값(Pr/Pt)이다. 도 2를 참조하면, 환경감시모듈(100)에서 광손실 a를 측정한 후, 이 값을 이용하여 제2 통신 단말기(300)의 수광부(320)에서의 광파워를 계산할 수 있다.

이 때, 링크 버짓(link budget)의 정확한 계산에는 레이저 파워, 시스템 로스, 지오메트릭 로스, 검출기에서의 신호강도, 검출기감도, 공기링크마진과 같은 사항들이 고려되어야 한다.

이와 같이 실제 FSO 시스템에서의 손실값을 계산한 후에는, 연산제어부(130)에서 그 손실값을 임계값1과 비교하고 BER를 임계값2와 비교하며, 그 결과를 반영하여 제1 통신 단말기(200)의 발광부(210)의 광출력 및 신호 전송속도를 조절하여 최적의 전송품질을 유치할 수 있게 한다. 이 과정은 후술할 도 4의 설명부분에서 다시 언급하기로 한다.

도 3은 양방향 통신이 가능한 FSO 시스템에서 양쪽 단말기에 모두 환경감시모듈을 설치한 경우를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 제1 통신 단 말기(200)와 제2 통신 단말기(300)의 각각에 환경감시모듈(100)이 설치되어 있다. 또한, 제1 통신 단말기(200)에 발광부(210)뿐만 아니라 수광부(220)가 구비되어 있으며, 제2 통신 단말기(300)에도 발광부(310)뿐만 아니라 수광부(320)가 구비되어 있어서, 제1 통신 단말기(200)와 제2 통신 단말기(300) 사이에 양방향의 통신이 가능하다.

도 4는 본 발명의 FSO 시스템의 성능 최적화 방법을 나타내는 알고리즘이다. 이 알고리즘은 도 1에 도시된 FSO 시스템에 적용되는 것이다. 도 4를 참조하면, 우선, 환경감시모듈에서 측정한 광손실로부터 계산한 실제 전송거리에서의 광손실이 임계값1보다 큰지 비교하는 단계(S100)를 거친다. 실제 전송거리에서의 광손실을 계산하는 방법은 상술하였으므로 중복을 피하기 위해 생략한다. 여기서, 임계값1은 FSO 시스템에서 전송에러를 일으키기 시작하는 손실값을 말한다. 예를 들어, 시스템 설계 시에, 레이저 출력이 10dBm이고, 수신기 감도가 -40dBm이면, 다음 관계를 만족시켜야 하므로, 임계값1은 50dB가 된다.

이어서, 광손실값이 임계값1보다 크다면 BER(Bit Error Rate)를 임계값2와 비교하고, 임계값 1보다 작다면 S100 단계로 진행한다. 이 때, BER가 임계값2보다 크다면 FEC 기능을 활성화하고, BER가 임계값2보다 작다면 FEC 기능을 비활성화한 다(S110). 여기서, 임계값2는 10^-9의 값을 갖도록 설정된다. 통상적으로 광섬유를 이용한 광통신 시스템의 전송시험 시 KT(Korea Telecom)의 규격은 BER이 10^-12이하일 것을 요구한다. 그러나, FSO 시스템에서는 아직 규격이 정립되지 않았고 광손실이 광섬유를 이용한 광통신 시스템의 경우보다 매우 크므로, 본 발명에서는 임계값2를 10^-9으로 설정한 것이다. S110 단계에서 BER가 임계값2보다 클 경우 전송에러가 발생하므로 FEC 기능을 작동시키는 절차에 들어가게 된다.

그 다음, BER가 임계값2보다 커서 FEC 기능을 활성화된 상태에서, 시간을 경과시켜 가면서 BER를 임계값2와 비교하여, BER가 임계값2보다 크다면 BER를 임계값2와 비교하는 단계를 지속하고, BER가 임계값2보다 작다면 S100 단계로 진행한다(S120).

이어서, BER를 임계값2와 지속적으로 비교하여 BER가 임계값2보다 큰 경우에는 상기 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력을 점차 높이고, BER가 임계값2보다 작은 경우에는 그 광출력을 점차 낮춘다(S130). 이와 같이 광출력을 점차 변화시킬 때, 그 변화단위는 시스템 제작자에게 일임할 수 있는데, 이를 0.5dB로 또는 0.1dB로 설정할 수 있다. 이 알고리즘에서 루프(loop)를 이루고 있으므로 원하는 BER값이 나올 때까지 광출력을 높이거나 낮추는 작업이 진행된다.

그 다음, 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력이 최소인 경우 S120 단계로 진행하고, 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력이 최소와 최대의 사이에 있는 경우 S130 단계로 진행하고, 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력이 최대인 경우 BER를 임계값2와 비교하는 단계로 보낸다(S140, S150). 이어서, BER를 임계값2와 비교한 결과, BER가 임계값2보다 크다면 광신호의 전송속도를 낮추고, BER가 임계값2보다 작다면 광신호의 전송속도를 높이는 단계를 진행한다(S160).

그 다음, FSO 시스템의 전송속도가 최대이면 S130 단계로 진행하고, FSO 시스템의 전송속도가 최소와 최대의 사이에 있는 경우 S160 단계로 진행하고, 상기 FSO 시스템의 전송속도가 최소이면 알람경보를 발생시킨 후 S160 단계로 진행한다(S170, S180, S190).

더 상세히 설명하자면, 위에서 언급한 광출력의 최대값은 발광부의 레이저의 최대 출력을 말한다. 처음에는 출력을 좀 줄여서 사용하다가 안개 등으로 인해 광손실이 점점 커지게 되면 레이저 출력을 점차 높이게 되고 레이저 출력이 최대이면 더 이상 높일 수 없게 된다. 그런 경우에는 다음 단계인 전송속도를 줄여 전송에러를 줄이는 절차에 들어간다. 광출력의 최소값도 레이저 출력이 더 이상 줄어들 수 없는 값을 말한다. 한편, 전송속도는 시스템에 따라 다른데, 예를 들어, 제작한 FSO 시스템의 성능이 155Mbps(Mega bit per second), 2.5Gbps(Giga bit per second), 10Gbps 3종류의 전송속도를 선택할 수 있다고 가정하면, 최대 및 최소 값은 각각 10Gbps, 155Mbps가 된다. 따라서 광출력과 전송속도는 모두 설계 혹은 제작된 FSO 시스템에서 초기부터 정해지는 값이다.

위와 같은 작동 알고리즘을 요약하여 정리하면 다음과 같다. 즉, 환경감시모듈에서 측정된 광손실값을 기초로 실제 전송거리에서의 광손실값을 계산해 내고, 계산된 광손실값이 임계값1을 넘으면 FEC 기능을 활성화시킨다. 시간이 경과하면서 전송환경이 악화되면 광출력을 높이고, 최대 출력으로 해도 전송에러가 발생하면, 전송속도를 낮추어 저속으로 전송동작을 시킨다. 이와 같이 순차적으로 작동시키고 광손실값이 작아지면 그 역순으로 진행시킨다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 기상상태를 실시간으로 검출하여 그 상태에 따라 전송조건을 자동 조절하기 때문에 FSO 시스템에서 최적의 전송 품질을 유지할 수 있다.

또한, 환경감시모듈을 사용하면, 실제 FSO 시스템을 설치하기 전에 광손실을 측정할 수 있고 FSO 시스템의 정렬상태와 관계없이 기상상태를 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르지 않은 시스템에서는 정렬이 틀어져서 전송품질이 나빠진 경우 그것이 기상상태에 기인한 것인지 아니면 정렬상태에 기인한 것인지를 알기 어려우나, 본 발명의 경우 이를 손쉽게 알 수 있다.

Claims

광신호를 자유공간을 통하여 전송하기 위한 발광부를 가지는 제1 통신 단말기와, 상기 제1 통신 단말기의 발광부로부터 자유공간을 통해 전달된 광신호를 수신하기 위한 수광부를 가지는 제2 통신 단말기를 포함하는 FSO 시스템의 성능을 최적화하기 위한 장치에 있어서,

상기 제1 통신 단말기의 발광부에서 광을 분기하여 광원으로 사용하기 위한 커플러와;

상기 커플러의 인근에 위치하여 상기 커플러에서 나온 분기광을 수광하기 위한 수광부와;

상기 수광부에서 측정된 광강도를 이용하여 광손실을 계산하고, 이를 기초로 상기 제1 통신 단말기에 포함된 발광부의 광출력 및 전송속도를 조절하는 연산제어부;

를 구비하는 환경감시모듈로 이루어진 FSO 시스템의 성능 최적화 장치.
광신호를 자유공간을 통하여 전송하기 위한 발광부를 가지는 제1 통신 단말기와, 상기 제1 통신 단말기의 발광부로부터 자유공간을 통해 전달된 광신호를 수신하기 위한 수광부를 가지는 제2 통신 단말기를 포함하는 FSO 시스템의 성능을 최적화하기 위한 방법에 있어서,

(a) 상기 제1 통신 단말기의 발광부에서 광을 분기하여 광원으로 사용하는 단계와;

(b) 상기 분기된 광원에서 나온 광의 강도를 인근에서 측정하고, 상기 제1 통신 단말기와 제2 통신 단말기 사이의 전송거리와 빔 확산도를 고려하여 보정된 광손실값을 구하는 단계와;

(c) 상기 광손실값이 상기 FSO 시스템에서 전송에러를 일으키기 시작하는 임계값1보다 큰지 판단하는 단계와;

(d) 상기 광손실값이 임계값 1보다 크다면 BER를 임계값2와 비교하고, 임계값 1보다 작다면 (c) 단계로 진행하는 단계와(단, 임계값2는 10^-9);

(e) BER가 임계값2보다 크다면 FEC 기능을 활성화하고, BER가 임계값2보다 작다면 FEC 기능을 비활성화하는 단계와;

(f) BER가 임계값2보다 커서 FEC 기능을 활성화된 상태에서, BER를 임계값2와 비교하여, BER가 임계값2보다 크다면 BER를 임계값2와 비교하는 단계를 지속하고, BER가 임계값2보다 작다면 (c) 단계로 진행하는 단계와;

(g) BER를 임계값2와 지속적으로 비교하여 BER가 임계값2보다 큰 경우에는 상기 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력을 점차 높이고, BER가 임계값2보다 작은 경우에는 그 광출력을 점차 낮추는 단계와;

(h) 상기 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력이 최소인 경우 (f) 단계로 진행하고, 상기 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력이 최소와 최대의 사이에 있는 경우 (g) 단계로 진행하고, 상기 제1 통신 단말기의 발광부의 광출력이 최대인 경우 BER를 임계값2와 비교하는 단계와;

(i) 상기 (h) 단계에서 BER를 임계값2와 비교한 결과, BER가 임계값2보다 크다면 광신호의 전송속도를 낮추고, BER가 임계값2보다 작다면 광신호의 전송속도를 높이는 단계와;

(j) 상기 FSO 시스템의 전송속도가 최대이면 (g) 단계로 진행하고, 상기 FSO 시스템의 전송속도가 최소와 최대의 사이에 있는 경우 (i) 단계로 진행하고, 상기 FSO 시스템의 전송속도가 최소이면 알람경보를 발생시킨 후 (i) 단계로 진행하는 단계;

를 구비하는 FSO 시스템의 성능 최적화 방법.