KR100918395B1 - 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광가입자망 장치 - Google Patents

Abstract

T-LD를 OLT의 씨드 광원으로 이용하며 WS-PS 구조의 RN과 RSOA 방식의 ONT를 이용함으로써 용량 확충 및 서비스 차별화를 할 수 있는 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치가 개시되어 있다. 광 회선 단말은 하향 신호를 전송하는 파장 가변형 광 송신 장치, 상기 파장 가변형 광 송신 장치로부터의 상기 하향 신호의 파장을 다중화하여 하향 전송하는 파장 결합기, 상위 스위치 포트와의 연결을 제공하고 상기 파장 결합기로부터 유입되는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하는 확장형 파장분배 구조의 광 수신장치를 구비한다. 원격 노드는 입력 파장을 분배하는 파장 분배 결합기 및 상기 파장 분배 결합기에 결합되어 입력 파워를 분배하는 파워 분배 결합기를 포함한다. 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치는 유입되는 하향 신호에 상향 신호를 재 변조하는 방식으로 상향 데이터를 전송한다.

파장 분할 다중, 시분할 다중, 수동형 광 입자망

Description

진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치{Evolutionary WDM/TDM hybrid PON apparatus}

본 발명은 파장 분할 다중(wavelength division multiple; 이하 WDM라 함)/시분할 다중(time division multiple; 이하 TDM라 함) 수동형 광 가입자 망(passive optical network; 이하 PON라 함) 장치에 관한 것으로서, 경제적 실용성을 갖추고 차세대 가입자 망으로 진화하기 위한 확장이 용이한 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT차세대핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-401-02, 과제명: 초고속 광가입자망 기술개발].

Fiber-to-the-home(FTTH) 방식의 하나인 PON은 원격 노드(remote node; 이하RN라 함)에 수동형 장치를 두고 국사(central office)와 가입자 댁내(optical network terminal; 이하 ONT라 함) 사이를 연결하는 방법이다. PON를 크게 구분하면 국사에서 RN 까지를 공급망이라 하고, RN에서 가입자 까지를 분배망이라 한다. 또한 국사에서 다수 개로 분기되는 과정에서 하나의 광 코어로 분기되어 RN과 연결 되어 서비스되는 영역을 하나는 PON 세그먼트라고 하며, 실제로 대형 국사에는 수십 개 이상의 PON 세그먼트를 관리하여야 한다.

이러한 PON 방식 중에서 TDM-PON은 가입자 간의 부하 평형(load balancing)이 유연하지만 링크의 효율이 감소하고, WDM-PON은 링크의 활용을 극대화할 수 있는 반면, 고정적이므로 유연성이 낮다. 또한 광 전송 기술 및 링크 기술의 발달로 인하여 WDM 링크 당 10 기가, 100 기가 등 실험적으로 테라급의 전송 용량을 가지고 있으며, 데이터 링크 계층에서도 100 기가급 링크 연구 및 실험이 활발히 진행되고 있는 반면 아직 까지 가입자의 서비스 요구량은 이에 미치지 못하고 있다.

결국, 광-링크와 사용자의 단위 서비스 요구량의 GAP가 존재하기 때문에 전통적인 점대점 WDM-PON이 궁극적인 모델이라고 하더라도, 점대점 WDM-PON으로 진화하는 과정에는 WDM 링크를 많은 가입자가 효율적으로 공유함으로써 비용 절감이나 링크의 효율성을 제고할 수 있는 방안이 요구된다. 이러한 요구에 따라 최근에는 WDM-PON 망에서 성숙된 TDM 기술을 접목하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 도 1은 현재 까지 제안된 다수의 WDM/TDM 구조들의 특징을 모아 몇 개의 모델로 구성된 도면이다.

도 1의 101은 광 회선 단말(optical line terminal; 이하 OLT라 함, 110)에서 고정 파장 (fixed laser diodes; F-LD)을 사용하고 다수의 파장으로 다중화된 신호가 RN(120)에 있는 WDM 분배기와 파워 분배기(power splitter; 이하 PS라 함, 124)를 거쳐 ONT(130)로 분배되는 WS-PS(WDM split-power split) 분배 구조이다. 물리적으로 복잡한 구조인 것 같지만, 논리적으로 파장 당 독립적인 TDM 기술이 접 목된 방식이다. 따라서, 하향 전송에 있어서 단순한 구조로 인한 장점이 있으며, 상향 전송에 있어서 동적 대역 할당 기술을 이용한다면 파장 내의 가입자들 간의 통계적 다중화 효과를 얻을 수 있다. 기존의 TDM-PON의 필드-deployed 망을 변경없이 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 하나의 고정된 파장 자원 내에서 ONT(130) 간의 통계적 다중화가 가능한 반면 전체적인 네트워크 상에서 통계적인 다중화 효과를 얻을 수 없다. 즉, w1 파장에 연결된 ONT들(130)이 상향 데이터의 총합이 링크 최대 처리율을 초과하고 w2 파장에 연결된 ONT들(130)의 상향 트래픽 양이 적어도 구조상 w2 파장의 지원을 활용할 수 있는 방법이 없다는 제한을 가진다. 또한 고정 파장을 OLT에서 광원으로 이용하는 구조적인 제한으로 인하여 점진적 진화 구조를 따르지 못한다.

도 1의 102는 OLT(110)에서 F-LD를 이용하고 다중화된 신호가 RN(120)에 있는 PS(122)를 통해 ONT(130)로 분기되는 구조를 가진다. ONT(130)에서는 OLT(110)의 모든 파장의 수신이 가능하므로 선택적으로 적어도 하나의 필터링을 통하여 데이터를 수집할 수 있으며, 또한 적어도 하나의 송신용 파장-가변-광송신 장치(Tunable laser diodes; T-LD)를 갖는 ONT(130)에서 필요 시에 원하는 파장 대역에 데이터를 보낼 수 있다.

RN(120)의 AWG(arrayed waveguide grating)에서 아무런 파장에 대한 제약이 없으므로 자유 파장 공유(free wavelength sharing) 구조라고 할 수 있다. 유연한 구조임에는 틀림이 없으나, ONT(130)에서 T-LD와 WDM 필터를 이용하는 비용 문제가 있으며, 각 ONT(130) 간의 다수 파장 간의 송수신 제어를 위한 복잡한 프로토콜을 필요로 한다. 무엇보다도 OLT(110)와 ONT(130) 간의 위상적 완전성(Topological integrity)을 깨뜨리는 문제가 발생할 수 있다.

도 1의 103과 같은 동적 파장 할당 방식은 기존에 전개되어 있는 망을 그대로 유지하면서 유연하고 효과적인 구조를 제공하고 있다. 동적 파장 할당 모델에서는 M개의 파장 가변 레이저를 입력으로 하여 주기형(Cyclic) AWG(114)의 M개의 출력 포트 각각에 N/M개의 단위로 가입자에게 분배된다. 이때, 가입자 장치는 M 개 파장 단위의 연속 수신 범위를 가지고 있다면, OLT(110)의 어느 T-LD(112)로 네크워크 상의 어느 가입자로의 접속이 가능하다. 또한 하향으로 DWDM(dense WDM) 방식을 이용하고 상향으로 CWDM(Coarse WDM) 방식을 이용하여 네트워크의 성능과 비용 측면에서의 측면에서의 균형을 이루고자 하였다.

단, 가입자 장치에서 OLT의 AWG의 FSR(Free Spectral Range) 특성에 맞는 필터를 서로 다른 방식 별로 가지고 있어야 하므로, ONT(130) inventory 문제가 발생할 가능성이 있으며, 상하향 서로 다른 파장 대역을 사용한다면, OLT(110)의 상위 스위치 연결 시에 물리적 연결성과 위상적 완전성을 보장하기 어렵다.

도 1의 104와 같은 파장 공유 방식은 이러한 FSR inventory 문제를 해결하기 위하여 ONT(130)에서 RSOA 등의 방식을 이용한다. 동적 파장 할당 방식과 마찬가지로 OLT(110)에서 파장 가변 레이저(112)와 M×M 주기형 AWG(114)를 이용하며, 각 M개의 출력 포트와 연결되는 RN(120)에서는 1×N의 AWG(122)를 연결하며, 각 파장 별로 가입자가 배정되어 있다. 따라서, OLT의 각 파장 가변 레이저에서는 각 PON 세그먼트에 연결된 N 가입자 중에서 N/M 가입자에게 서비스가 가능하다.

이러한 파장 공유 방식은 파장 가변 레이저와 RSOA 방식을 이용하여 경제적 실용성과 ONT(130)의 inventory 문제를 해결하는 등 많은 이점이 있지만, 네트워크의 진화를 위한 확장이 어렵다는 단점이 있다. 네크워크의 진화는 가입자의 수용 증대와 OLT(110)의 씨드 광원의 확충을 기본으로 한다. 가입자가 파장 별로 할당이 되므로 가입자를 늘리기 위해서는 파장을 증가하여야 하며, 파장을 증가하기 위해서는 레이저를 모두 교체하여야 한다. 또한 OLT(110)의 씨드 광원을 확충하기 위하여 주기형 AWG(114)의 입력에 WDM 결합기를 두고 다수의 레이저를 연결하여야 하는데, 이때 파장 가변 레이저 간의 파장 충돌을 방지하는 방안이 요구되며, 무엇보다도 레이저를 추가하더라도 주기형 AWG(114)의 특성상 특정한 PON 세그먼트에 대한 서비스의 차별화가 어려운 문제가 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, WDM-PON의 고 대역 링크와 TDM-PON의 유연성을 모두 갖춘 망을 구성하기 위한 방안이 제안되었지만, 약간의 장단점이 있다. 도 1의 101의 구조는 간단한 구조이지만 고정 파장으로 인한 비용 낭비와 포트 활용도가 낮으며, 102의 구조는 유연한 망 구조이지만 네트워크 상의 복잡한 프로토콜과 고 비용의 ONT 등으로 인한 활용성이 낮다. 또한 103 및 104와 같은 파장 당 가입자 할당 방안은 가입자 수용 측면에서 파장의 개수로 인한 한계로 인하여 상대적으로 하나의 광 코어에 수용되는 가입자 수가 적으로므로 링크의 활용도가 낮다.

본 발명은 이와 같이 종래의 제품의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 T-LD를 OLT의 씨드 광원으로 이용하며 WS-PS 구조의 RN과 RSOA 방식의 ONT를 이용함으로써 용량 확충 및 서비스 차별화를 할 수 있는 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치는 하향 신호를 전송하는 파장 가변형 광 송신 장치, 상기 파장 가변형 광 송신 장치로부터의 상기 하향 신호의 파장을 다중화하여 하향 전송하는 파장 결합기, 상위 스위치 포트와의 연결을 제공하고 상기 파장 결합기로부터 유입되는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하는 확장형 파장분배 구조의 광 수신장치를 구비하는 광 회선 단말; 입력 파장을 분배하는 파장 분배 결합기 및 상기 파장 분배 결합기에 결합되어 입력 파워를 분배하는 파워 분배 결합기를 포함하는 원격 노드; 및 유입되는 하향 신호에 상향 신호를 재 변조하는 방식으로 상향 데이터를 전송하는 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

광 가입자 망은 유지 보수와 링크의 효율성에 있어서, 활용 가능성이 큰 차세대 가입자 망으로서 현재 많이 보급되어 있는 TDM-PON의 일종인 EPON에서 광 링 크의 용량을 극대화하기 위한 WDM-PON으로 추후 전개되어 진화할 것으로 예상된다. 하지만, 이러한 가입자의 서비스 대역과 현재 기술적인 WDM 광링크 대역을 비교해 보면, 아직도 많은 차이를 보이고 있으므로 PON의 진화가 급격히 발생하지 않을 것이다.

본 발명에서는 이러한 점진적 진화가 필요한 시기에 현재의 TDM-PON을 수용하면서 WDM 기술이 적용 가능한 방안으로 WDM/TDM 하이브리드 PON의 구체적인 모델을 제공한다. 특히, 디멀티플렉서 기반의 하향 파장 할당 방식의 두 가지 방안을 통하여 파장의 충돌을 방지하여 WDM 파장 대역들을 공유할 수 있으며, 상위 스위치와의 물리적 연결성과 위상적 완전성이 보장됨을 알 수 있다. 또한, 물리 계층에서의 동기화에 필요한 기능 구조를 제공하여 네트워크를 구성하는 OLT와 ONT의 물리 계층의 세부 기능을 검증함으로써, 추후 시스템의 기능 구현의 가능성을 타진해 보았다. 마지막으로, 본 발명에서 상향 및 하향의 분석적 데이터 전송 방식을 제공함으로써 상향 및 하향 데이터의 전송에 필요한 스케쥴링 또는 프로토콜에 필요한 정보를 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

OLT(200)에서 광원으로 이용되는 레이저(201)와 수신 광 검출기(203)는 물리적으로 하나씩 짝을 이루어 하나의 광 송수신기(201,203)로서 가입자에게 서비스를 제공하여야 함은 물론, 반대 측 L2 혹은 L3 스위치(206)의 하나의 포트와 물리적인 연결이 되어 메트로-백본망의 서비스 제공망과 연동이 되어야 하므로, OLT 시스템의 경제성과 실용성을 반영한 유연성 연결이 기술적으로 보장되어야 한다. 이와 동시에 OLT(200)의 스위치(206) 포트에 연결된 다수의 ONT(220) 간에 위상에 있어서, 하나의 ONT(220)가 스위치(206) 내에 하나의 포트에 독립적으로 연결되는 위상적 완전성이 보장되어야 한다.

이를 위하여, 본 발명에서는 T-LD(201)와 주기형 디멀티플렉서(304) 혹은 캐스케이드 디멀티플렉서(404) 방식을 이용하여 광 송수신기(203)와 스위치(206) 포트와 물리적 연결성을 보장함과 동시에, RSOA 기반 ONT(220)와 OLT 스위치(206) 포트 간의 위상적 완정성을 만족할 수 있는 네트워크 운용 구조를 제공하며, 네크워크 물리 계층에서의 구조를 설명하고, 이 구조에서 데이터 송수신을 위하여 필요한 동기화 절차가 설명된다.

본 발명에서는 상기한 종래 기술에 대한 장단점을 바탕으로 도 2에 도시된 바와 같은 경제적 실용성과 진화에 용이한 망 구조를 제공한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치를 나타낸 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치는 광 회선 단말(Optical Line Terminal; 이하 OLT라 함, 200), 원격 노드(207), 및 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치(220)를 포함한다.

OLT(200)는 하향 신호를 전송하는 파장 가변형 광 송신 장치(201), 상기 파장 가변형 광 송신 장치로부터의 상기 하향 신호의 파장을 다중화하여 하향 전송하는 파장 결합기(202), 상위 스위치 포트와의 연결을 제공하고 상기 파장 결합 기(202)로부터 유입되는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하는 확장형 파장분배 구조의 광 수신장치(203,204)를 구비한다. , 파장 가변형 광 송신 장치(201)는 원하는 파장 대역에 데이터를 보낼 수 있고 상기 OLT(200)의 스위치 포트수를 유동적으로 활용 가능하게 하는 가변 파장 레이저이다.

원격 노드(207)은 파장 분배 결합기(209) 및 파워 분배 결합기(208)를 포함한다. 파장 분배 결합기(209)는 입력 파장을 분배하고, 파워 분배 결합기(208)는 상기 파장 분배 결합기(209)에 결합되어 입력 파워를 분배한다.

다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치(220)는 유입되는 하향 신호에 상향 신호를 재 변조하는 방식으로 상향 데이터를 전송한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 위서부터 아래로 점차 용량이 증대하는 점진적 진화 구조를 예시하고 있다. 가장 상위의 경우에는 하나의 레이저(201)로 하나의 PON 세그먼트를 서비스하는 경우이며, 2개 및 4개의 레이저(201)가 사용되는 경우를 보이고 있다. 이때 중요한 사실은 OLT(200)의 형상이 바뀌어 서비스 용량의 변화가 발생하더라도 광 코어들이 포설되어 있는 구간이나 가입자 구간에는 아무런 변화가 없다는 점이다. 이는 실제로 광 가입자 망의 진화에 있어서 많은 경제적인 보상 이득을 가져다 줄 것으로 예상된다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, PON 세그먼트 별로 사용하는 광원의 수를 달리함으로써 차별화된 서비스를 제공할 수 있는 특징이 있다.

OLT(200)는 링크의 활용성을 높이기 위하여, 씨드 광원으로 T-LD(201)을 이용하여 M×1 파장 결합기(202)의 입력 포트에 연결된다. 수신부에서는 광 수신 기(203)가 1×M 파장 분배기(204)의 출력 포트와 연결된다. 이때, M개의 파장 가변 레이저로부터 파장 결합기(202)에 입력되는 파장이 동일하여 충돌이 발생하지 않아야 한다.

또한, 하나의 PON 세그먼트(205)에 파장 결합기(202)와 파장 분배기(204)의 입력 포트와 출력 포트의 수는 반드시 동일하여야 하며, 각각 하나씩 짝으로 도 2에 도시된 바와 같이 제2 층/제3 층 스위치(206)의 독립적인 포트로 연결된다. OLT(200)에서 T-LD(201)를 사용하는 이유 중의 하나가 이러한 OLT(200)의 스위치(206) 포트의 수를 유동적으로 활용하기 위한 것이로서, F-LD를 사용한다면, 하나의 PON 세그먼트 마다 총 파장 수인 N 개 만큼의 F-LD와 스위치 포트가 필요하므로, 만일 M 개의 PON 세그먼트(205)와 연결되기 위해서는 N×M 개의 F-LD와 스위치 포트가 필요하게 되어 비용이 많이 들게 된다.

스위치(206) 포트와의 물리적인 접속 이외에 제2 층/제3 층 스위치(206)로 연결되어 동작을 하기 위해서는 기본적이 규칙을 준수하여야 한다. 그 규칙은 IEEE에서 표준으로 규정하고 있는 브리지 규칙으로서 브리지에 연결된 모든 단말은 단 하나의 링크로만 브리지, 즉 스위치에 연결되어야 한다는 것이다. 만약 이를 어길 경우에는 스패닝-트리 알고리즘으로 인하여 둘 중에 하나의 포트가 무시되거나 스패닝-크리 알고리즘이 없는 경우, 무한 루프에 빠지는 경우가 발생하기도 한다. 이 규칙이 지켜질 경우에 이를 위상적 완전성이라 한다. 도 2에서 특정한 파장 가변 레이저와 광 수신기가 짝을 이루어 스위치에 연결되어 있는 경우를 가정하면, 그 파장 가변 레이저를 통하여 연결된 파장의 ONT들(220)은 반드시 짝이 되는 광 수신 기를 통하여 데이터를 송신하여야 만 위상적 완전성이 보장된다.

파장 결합기(202)에서 파장의 충돌을 방지하고, 스위치 포트와의 물리적 접속 및 위상적 완전성을 유지하기 위한 방식은 도 3 및 도 4에서 설명된다.

공급망을 통하여 분기된 광 선로에서 가입자의 수용 용량은 RN(207)의 분배 구조에서 결정된다. 기존의 TDM-PON 망을 그대로 유지하기 위하여 파워 분배 분배기(208)을 RN(207)에서 사용하는 것이 유리하지만, 파워 분배 만으로는 가입자 수용에 있어서 한계가 있으므로, 서비스 진화에 어려움이 있다. 또한 파워 분배는 파장 분배와 달리 파워의 손실이 분배율에 따라 증가하므로 분배를 충분히 할 수 없다. 따라서, RN(207)에 파장 분배 결합기(209)를 설치하는 것은 불가피할 것으로 예상된다.

결국 링크의 용량을 극대화하고 추후 가입자 망의 진화에 대비하여 미리 충분한 가입자 수용을 목표로 RN(207)에서 파장 분배와 파워 분배를 병행하여 사용하는 것이 유리하기 때문에, RN(207)에서는 미리 정의된 파장 대역과 최소 간격으로 1×N의 AWG(209)가 설치되어 있으며, 파장 별로 K 개의 파워 분배 결합기가 연결 구성될 수 있어야 한다. 따라서, RN(207)은 수동 분배 구조를 그대로 유지한다.

ONT(220)에서 가장 중요한 기준은 colorless 및 비용이다. WDM-PON에서는 상이한 파장을 사용하므로, 가입자 장치의 송수신 장치가 파장에 따른 호환의 문제가 발생할 가능성을 내재하고 있다. 따라서, WDM-PON에서 ONT 제작 및 설치 시에 파장에 따른 구분이 발생하는 inventory 문제를 반드시 해결하여야 한다. 그 방법으로, 본 발명에서는 RSOA 소자(210)를 채택한다. RSOA 방식은 어떠한 파장이 유입되더라 도 이를 그대로 증폭하여 유입되는 하향 신호에다가 상향 신호를 재 변조함으로써 전 방향 통신 연결을 유지할 수 있으므로, WDM과 같이 특정 파장 대역을 사용하는 경우에 Inventory 문제를 해결할 수 있는 방안으로 최근에 더욱 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 상향 및 하향이 동일한 파장을 사용하기 때문에, RN(207)에서 동일한 밴드의 상향, 하향 AWG로 운용이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 WDM 디멀티플렉서 기반의 하향 파장 할당 방식과 완벽한 호환을 이룬다. 왜냐하면 하향 파장으로 사용한 경우에 그 파장이 루프 백되어 상향 신호로 사용되기 때문에, 하향에서의 파장의 중복을 피한다면 상향 파장은 자동적으로 중복이 방지되는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

상기 광 수신 장치는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하고 상기 파장 결합기(302)와 확장형 파장 분배기로 동작하는 주기형 디멀티플렉서(304)를 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 주기형 디멀티플렉서(304)를 이용한 OLT를 나타낸 도면으로, OLT 스위치 포트와 물리적인 접속과 위상적 완전성을 유지하기 위한 하향 파장 할당 방식이다. 상기 주기형 디멀티플렉서(304)의 파장 분배에 따라 상기 파장 결합기(302)에 사용되는 상기 파장 가변형 광 송신 장치(301)의 순회 파장의 그룹을 결정한다.

데이터 전송 방법을 살펴 보면, OLT에서는 WDM 결합기(302)를 사용하여 M개의 입력 포트로부터 유입되는 파장을 다중화하여 하향 전송한다. 이때, 다중화된 파장은 서로 다른 파장이어야 한다. 이 구조에서 OLT의 WDM 결합기(302)의 입력 포트로부터 서로 배타적인 파장이 유입되는 원리는 입력 포트에 연결된 서로 다른 T- LD(301)의 가변 파장을 주기형 디멀티플렉서(304)의 출력 포트로 출력되는 서로 다른 파장과 동일하게 하는 방법이다. 이를 WDM 멀티플렉서 기반 하향 파장 할당 방식이라 명명한다.

즉, OLT(300)의 파장 가변 레이저(301)의 가변 파장은 RN(207)의 AWG와 매칭되는 파장을 사용하며, 각 파장 가변 레이저(301)에서 사용되는 파장은 상기 파장 가변 레이저와 짝을 이루는 수신 PD(303)의 수신 파장을 따르게 된다.

도식으로 표현하기 위하여, 몇 가지 가정을 들자면, 전체 파장은 1부터 N 까지 사용하며, 각 가변 파장 레이저(301)는 동일하게 N 개의 파장 가변이 가능하다. 또한, RN(207)에서는 1×N의 AWG(209)가 연결되어 있고, 각 파장에는 1×K 용량의 파워 분배 결합기(208)가 연결되어 RSOA 방식의 ONT와 연결된다. OLT(300)의 WDM 결합기(302)는 1×N의 최대 용량을 가지지만, 사용되는 형상에 따라서 M 개의 입력 포트를 가지게 된다. 수신을 위한 주기형 디멀티플렉서(304)는 1×M으로 구성되어 반드시 WDM 결합기(302)와 동일한 포트(M)을 유지하여야 한다.

이때, 주기형 디멀티플렉서(304)의 임의의 출력 포트 i에 연결된 PD(303)에서의 수신 파장들은 파장_오프셋+(i-1)ㆍ△(λ)+((n-1)ㆍFSR)으로서, n은 최소 1부터 최대 N/M이다. 여기에서 FSR은 디멀티플렉서 AWG의 주기 간격으로 Mㆍ△(λ)로 구해진다.

이 때, 파장_오프셋과 △(λ)를 파장의 일련 번호로 일반화하면, 주기형 디멀티플렉서 포트 i에서의 파장 집합인 파장_셋(i)는 다음의 수학식 1과 같이 구해진다.

파장_셋(i)=i+(n-1)ㆍM, 여기서 1≤n≤N/M

WDM 결합기(302)의 입력 포트 i의 가변 파장인 가변_파장(i)는 다음의 수학식 2와 같다.

가변_파장(i) = 파장_셋(i)

예를 들면, 32개의 파장을 네개의 파장 가변 레이저와 1×4 WDM 결합기, 4×1 주기형 디멀티플렉서(304)를 사용하여 분배한다고 가정하면, 상기 수학식 1 및 2에서와 같이 수신부의 주기형 디멀티플렉서(304)의 제1 출력 포트로 유입되는 파장은 (1, 5, 9, 13,....,29) 등으로 들어 올 것이며, 제2 포트로는 (2, 6, 10, 14, ...., 30) 등으로 들어 올 것이다. 따라서, WDM 결합기(302)의 제1 포트로 연결되는 파장 가변 레이저의 발진 파장은 (1, 5, 9, 13,....,29)의 파장 중에 선택적으로 가변이 되어야 하고, 제2 파장 가변 레이저에서는 2, 6, 10, 14 등의 가변 파장 후보가 정해진다. 제3 및 제4 파장 가변 레이저도 동일한 방식으로 서로 배타적으로 가변 파장의 후보 리스트가 정해진다.

이는 ONT(220)에서 하향 신호 파장을 그래로 이용하여 상향 데이터를 전송하는 구조에 가장 적합한 구조이다. 상기한 바와 같이, OLT(300)의 파장 가변 레이저(301)가 자신의 가변 파장 후보 내에서 가변되므로, 디멀티플렉서의 PD에서도 자동적으로 T-LD와 같은 파장 내에서 동작하기 때문에, T-LD(301)의 입력 포트와 PD(303)의 출력 포트와의 만남은 하나의 완벽한 송수신기로 동작이 된다. 또한, 하 나의 파장에 속한 모든 ONT들은 모두 OLT(300)의 정해진 PD(303)로만 수신이 되기 때문에, 위상적 완전성을 완벽히 유지한다.

도 4는 도 2에 도시된 OLT의 또 다른 예를 나타낸 도면으로서, 또 다른 디멀티플렉서 기반의 하향 파장 할당 방식으로 동작한다.

상기 광 수신 장치는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하고 상기 파장 결합기(402)와 확장형 파장 분배기로 동작하는 중첩 구조의 1×2 디멀티플렉서(404)를 포함한다. 상기 중첩 구조의 1×2 디멀티플렉서(404)를 통하여 중첩 단계로 다중화 파장을 분배하는 방식에 따라 상기 파장 결합기(402)에 사용되는 상기 파장 가변형 광 송신 장치(401)의 순회 파장의 그룹을 결정한다.

상기 주기형 디멀티플렉서(304)를 사용하는 것과는 달리, 1×2 디멀티플렉서(404)를 중첩(cascade)으로 사용하는 방식이며, WDM 결합기(402) 및 파장 가변 레이저(401) 등은 도 3과 동일한 구조 및 기능을 한다. 1×2 디멀티플렉서(404)는 입력으로 들어오는 파장을 두개의 그룹으로 교차적으로 나누는 기능을 갖는다. 이를 중첩하여 사용하면 점진적인 확장이 가능한 구조가 된다.

이때에는 도 4에 도시된 바와 같이, 단계적인 구조를 가지게 되는데, 어떤 임의의 단계에서 출력되는 파장 그룹의 집합 C(S_n, N)은 다음의 수학식 3과 같다. 여기서, n은 단계 번호를 가리킨다.

C(S_n, N) = {F(S_n, N), B(S_n, N)}

이 때, F(S_n, N) 및 B(S_n, N) 함수는 각각 입력되는 S_n에 대한 교차 함수를 가리킨다. 즉, 입력되는 S_n의 제1, 제3, 및 제5 입력은 F(S_n, N)이며, 제2, 제4, 및 제6 입력은 B(S_n, N)으로 표현된다. 이를 도식화하여 나타내면 아래와 같은 재귀함수인 수학식 4로 정의된다.

F(S_n, N) = {F(F(S_{n -1}, N, N), B(F(S_{n -1}, N), N}

B(S_n, N) = {F(B(S_{n -1}, N, N), B(B(S_{n -1}, N), N}, 여기서 n > 1

F(S₁, N) = (1, 3, 5, ...., N-1)

B(S₁, N) = (2, 4, 6, ...., N), 여기서 S₁ = N

예를 들면, 32개의 파장을 사용하는 경우, 각 단계에서 출력되는 파장은 다음의 수학식 5와 같다.

C(S₁, N) = {(1, 3, 5, 7, ...., 31), (2, 4, 6, 8, ...., 32)}

C(S₂, N) = {(1, 5, 9, ...., 29), (3, 7, 11, ...., 31), (2, 6, 10, ...., 30), (4, 8, 12, ...., 32)}

C(S₃, N) = {(1, 9, 17, 25), (5, 13, 21, 29), (3, 11, 19, 27), (8, 16, 24,32)}

만약, 1개의 1×2 디멀티플렉서(404) 만을 사용한다면, 한 단계이므로 제1 P수신 PD는 (1, 3, 5, 7, ...., 31), 제2 수신 PD는 (2, 4, 6, 8, ...., 32) 파장을 수신하므로 해당되는 파장 가변 레이저도 동일한 파장 가변 리스트를 가지면 된다. 만약 3 단계 중첩 1×2 디멀티플렉서(404) 라면 제1 수신 PD는 (1, 9, 17, 25), 제2 수신 PD는 (5, 13, 21, 29), 제3 수신 PD는 (3, 11, 19, 27) 파장, 마지막인 제8 수신 PD는 (8, 16, 24,32)를 수신하므로 각 대응하는 파장 가변 레이저는 자신의 파장 가변 범위 내에서 동작을 한다.

도 3 및 도 4에 나타낸 두가지 방안은 모두 디멀티플렉서 기반의 하향 파장 할당 방식의 구현 방식에 따른 것으로 모두 물리적인 연결성과 위상적 완전성을 보장한다. 하지만, 주기형 멀티플렉서 방식은 네크워크의 확장에 따라서 전체를 변경하여야 하는 반면, 중첩형 멀티플렉서 방식은 점진적 진화에 더욱 적합할 것으로 예상된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON의 OLT(500)와 ONT(520) 간의 물리 계층 기능 구조를 나타낸 도면이다.

상기 OLT(500)은 상기 다수의 RSOA 방식 ONT(520)의 온/오프에 따라 상향 신호를 전송하기 위한 버스트 모드 수신에 필요한 물리 계층 기능 구조를 갖는다. 상기 다수의 RSOA 방식 ONT(520)는 각각 상기 파장 가변형 광 송신 장치(201)의 동작에 따라 상기 상향 신호를 전송하기 위한 버스트 모드 수신에 필요한 물리 계층 기능 구조를 갖는다.

EPON OLT에서 하나의 파장에 하나의 파장에 파워 분배로 연결된 다수의 ONT(520)의 광원들로부터 상향 데이터를 충돌없이 수신하기 위하여, 버스트 모드 수신이 필요했던 것처럼, 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON에서도 하나의 파장에 다수의 ONT(520)가 연결되므로 버스트 모드 수단을 위한 물리 계층의 트래스임피던스 증폭기(Transimpedance Amplifier; TIA)(501), 리미팅 증폭기(Limiting Amplifier; LA)(502), 및 클럭 & 데이터 리커버리(clock & data recovery; CDR) 장치(503)가 필요하다. OLT(500)에서 사용되는 레이저는 EPON과 달리 파장 가변 레이저(504)FMF 이용하여 상기한 바와 같이 디멀티플렉서에 의해 결정된 여러 파장을 접속한다.

ONT에서는 별도의 광원을 사용하지 않고 하향으로 전송된 파장을 그대로 이용하여 상향 데이터를 전송하는 RSOA 소자(505)가 광원을 대신한다. 하지만, RSOA도 EPON의 ONT 광원과 마찬가지로 한 파장에 동시에 상향 데이터를 전송할 수 없는 이유로 버스트 모드로 동작하여야 하므로, 레이저 온/오프가 아닌 RSOA 온/오프를 통해 동일한 기능을 수행한다. ONT(520)의 수신부(506) 역시 EPON과 달리 버스트 모드로 동작한다. 그 이유는 OLT(500)에서 광원으로 파장 가변 광원을 사용하기 때문인데, 정해지 시간, 예를 들면 2 ms 내에 다수 번 파장이 변하므로, 이를 수신하는 ONT(520)의 수신부에서는 마치 버스트 모드로 OLT(500)에서 레이저 온/오프가 반복되는 것처럼 동작을 하기 때문에 버스트 모드 수신 기능을 가져야 한다.

상 하향에서 모두 버스트 모드로 동작을 하기 때문에, OLT(500)와 ONT(520) 간의 데이터 전송에 있어서도 기존의 WDM-PON이나 EPON과 다른 절차를 갖는다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치에서의 OLT와 ONT 간의 동기화 및 데이터 송수신 방법을 설명하는 도면이다.

상기 OLT는 파장의 가변에 따른 하향 동기화 시간 보상에 따라 상기 하향 신호를 전송한다. 상기 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치(220)는 각각은 필요한 RSOA 상향 동기화 시간 보상에 따라 상기 상향 신호를 전송한다.

하향 데이터의 수신 동기화는 파장이 천이되어 새로운 파장을 송출하는 시점에서 발생한다. 이 때에는 하향 데이터의 전송에 있어서 필요한 동기화 시간을 주어야 한다. 우선 파장의 가변에 필요한 시간(601)이 필요하고, 가변된 파장에 속한 ONT에서의 버스트 모드 수신의 동기화에 필요한 시간, 일정한 출력을 보상하기 위한 TIA 와 LA 등의 장치에서 수행되는 자동 이득 조절(AGC)에 따른 소요 시간(602) 및 클럭 및 데이터 복구 시간(603)이 필요하다. 데이터 하향에 필요한 동기화 시간은 한 파장에 속한 모든 ONT에서 필요하지만, 파장 가변 시간에 모두 발생하기 때문에, 한 번의 동기화 시간 만을 고려하면 된다. 상향 데이터의 동기화는 ONT의 RSOA가 온되어 상향 전송되는 시점에서 필요하다. RSOA 온에 필요한 시간(604)과 OLT에서 수신 동기화에 필요한 AGC(605) 및 CDR 시간(606)이 요구된다.

예를 들면, 하나의 파장 가변 레이저에서 4개의 파장을 담당하고 각 4개의 파장에서 8 분기 씩 전체 32 ONT를 관리한다고 가정하고, 모든 ONT가 활성화되어 있다고 한다면, 모든 ONT가 한번씩 상향 전송을 할 수 있는 시간 주기 동안에 상향으로는 32번의 상향 동기화가 발생하며, 하향으로는 파장의 수인 4번의 하향 동기화가 발생한다.

도 1은 종래의 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치를 나타낸 구성도이다.

도 3은 도 2에 도시된 OLT의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 4는 도 2에 도시된 OLT의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON의 OLT와 ONT 간의 물리 계층 기능 구조를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 진화형 WDM/TDM 하이브리드 PON 장치에서의 OLT와 ONT 간의 동기화 및 데이터 송수신 방법을 설명하는 도면이다.

Claims (12)

1. 하향 신호를 전송하는 파장 가변형 광 송신 장치, 상기 파장 가변형 광 송신 장치로부터의 상기 하향 신호의 파장을 다중화하여 하향 전송하는 파장 결합기, 상위 스위치 포트와의 연결을 제공하고 상기 파장 결합기로부터 유입되는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하는 확장형 파장분배 구조의 광 수신장치를 구비하는 광 회선 단말;

   입력 파장을 분배하는 파장 분배 결합기 및 상기 파장 분배 결합기에 결합되어 입력 파워를 분배하는 파워 분배 결합기를 포함하는 원격 노드; 및

   유입되는 하향 신호에 상향 신호를 재 변조하는 방식으로 상향 데이터를 전송하는 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치를 포함하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
2. 제1 항에 있어서, 파장 가변형 광 송신 장치는 원하는 파장 대역에 데이터를 보낼 수 있고 상기 광 회선 단말의 스위치 포트수를 유동적으로 활용 가능하게 하는 가변 파장 레이저인 것을 특징으로 하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 광 수신 장치는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하고 상기 파장 결합기와 확장형 파장 분배기로 동작하는 주기형 디멀티플렉서를 포함하 는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 주기형 디멀티플렉서의 파장 분배에 따라 상기 파장 결합기에 사용되는 상기 파장 가변형 광 송신 장치의 순회 파장의 그룹을 결정하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 광 수신 장치는 상기 다중화 파장들을 확장 분배하고 상기 파장 결합기와 확장형 파장 분배기로 동작하는 중첩 구조의 1×2 디멀티플렉서를 포함하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
6. 제5 항에 있어서, 상기 중첩 구조의 1×2 디멀티플렉서를 통하여 중첩 단계로 다중화 파장을 분배하는 방식에 따라 상기 파장 결합기에 사용되는 상기 파장 가변형 광 송신 장치의 순회 파장의 그룹을 결정하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
7. 제1 항에 있어서, 상기 광 회선 단말은 상기 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치의 온/오프에 따라 상향 신호를 전송하기 위한 버스트 모드 수신에 필요한 물리 계층 기능 구조를 갖는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
8. 제1 항에 있어서, 상기 광 회선 단말은 파장의 가변에 따른 하향 동기화 시간 보상에 따라 상기 하향 신호를 전송하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
9. 제1 항에 있어서, 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치의 각각은 상기 광 회전 단말의 스위치내에 하나의 포트에 독립적으로 연결되는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
10. 제1 항에 있어서, 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치의 각각은 하향으로 전송된 파장을 그대로 이용하여 상향 데이터를 전송하는 반사형 반도체 광학 증폭기 소자; 및

    상기 광 회선 단말로부터의 상기 하향 신호를 버스트 모드로 수신하는 수신부를 포함하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
11. 제1 항에 있어서, 상기 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치는 각각 상기 파장 가변형 광 송신 장치의 동작에 따라 상기 상향 신호를 전송하기 위한 버스트 모드 수신에 필요한 물리 계층 기능 구조를 갖는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.
12. 제1 항에 있어서, 상기 다수의 RSOA 방식 광망 종단 장치는 각각은 필요한 RSOA 상향 동기화 시간 보상에 따라 상기 상향 신호를 전송하는 진화형 파장 분할 다중/시분할 다중 하이브리드 수동형 광 가입자망 장치.

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