KR20010046639A

KR20010046639A - 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템

Info

Publication number: KR20010046639A
Application number: KR1019990050482A
Authority: KR
Inventors: 유경식; 박남규
Original assignee: 박남규
Priority date: 1999-11-13
Filing date: 1999-11-13
Publication date: 2001-06-15

Abstract

본 발명은 다중접속 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 광대역 광펄스 발생수단과; 전송할 데이터를 수신함과 아울러 상기 광대역 광펄스 발생수단으로부터 광펄스를 수신하고, 광학적으로 직교하는 코드에 대응하여 수신 광펄스의 파장에 따라 서로 다른 시간지연을 갖게 하는 수단에 의해 상기 코드를 포함한 광신호를 생성하는 인코더와; 상기 광신호의 전송선과; 상기 인코더와 공간적으로 거울대칭된 구조를 가지며, 상기 전송된 광신호를 수신하여 이에 포함된 데이터를 감지하는 디코더를 구비하는 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템을 제공한다.

Description

광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템 {Optical code division multiple access network system}

본 발명은 다중접속 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템에 관한 것이다.

최근, 컴퓨터 통신은 점차 고속화되고 있으며, 멀티미디어 기반의 동영상이나 자료를 전송하기 위해서는 수 기가비트(Giga bit) 이상의 전송 용량(throughput)이 요구된다. 단일모드 광섬유(Single mode fiber; SMF) 는 약 25㎔에 달하는 대역폭(bandwidth)을 가지고 있어 이러한 고속 정보 전송에 적합한 매체이다. 하지만, 현재의 전기적 신호처리 기술로 네트워크를 운용할 경우에는 속도의 한계가 있기 때문에, SMF의 넓은 대역폭을 충분히 활용하기 위해서는 광 신호와 전기적 신호간의 변환 없이 곧바로 광 영역에서 신호를 처리하는 광 신호 처리 기술이 요구된다. 이를 위해, 높은 전송 용량을 지원하는 초고속 근거리 통신망(Local Area Network; "LAN")을 고려할 때 가장 중요한 것은 매체 접속 프로토콜(medium access protocol)의 선택이며, 광학적 코드분할 다중접속방식(Optical Code Division Multiple Access; "OCDMA")은 적절한 대안이 될 수 있다.

정보의 전송과 이의 처리가 고속으로 이루어지기 위해서는, 복잡한 접속 처리(access processing)나 자료(data)의 버퍼링(buffering) 등의 지연요소가 없어야 한다. 이러한 지연요소는 전체 네트워크 시스템의 성능저하를 야기하게 된다. 기존의 LAN 매체 접속제어(Medium Access Control; "MAC")기술인 이더넷(Ethernet)이나 FDDI(Fiber Distributed Data Interface)에서는 상기의 지연요소에 의해 정보전송과 그 처리의 고속화에 걸림돌이 되어 왔다.

하지만, OCDMA는 다음과 같은 특징을 지니므로 상기 문제점을 어느 정도 해소할 수 있다.

OCDMA는 자료의 병렬 전송이 가능하다. 이는 많은 동시 사용자들이 지연 없이 바로 네트워크를 사용할 수 있음을 의미한다. 또한, 네트워크 전체를 동기화 (synchronization)시킬 필요가 없기 때문에, 네트워크의 구성이 간단해지며, 새로운 코드를 할당하는 것만으로 새로운 사용자를 지원할 수 있으므로 사용자의 출입이 자유롭다.

OCDMA는 각각의 사용자에게 코드워드(codeword)를 할당하고, 이 코드워드를 광 영역에서 생성하고, 해독함으로써 정보를 전송하는 방식이다. OCDMA 시스템의 전체적인 성능은 각각의 사용자에게 할당되는 코드에 의해서 전적으로 좌우된다고 할 수 있기 때문에 그 동안 많은 연구가 있어 왔다. 그 중에서 OOC(Optical Orthogonal Code)는 사레이. J. A. 등에 의해서 소개되었는데, 이는 광섬유 네트워크 상에서의 비동기식 CDMA 통신방식을 이해하는데 있어서 핵심이 되는 개념이다. OOC는 (0,1)로 이루어진 1차원 수열로서 자기상관(auto-correlation)과 교차상관(cross-correlation)이 준직교(quasi-orthogonal)적인 성질을 갖고 있으며, 비교적 우수한 카디널러티(cardinality)를 갖는다. 하지만, 이런 1차원 코드가 많은 동시 사용자를 지원하기 위해서 그 코드의 길이가 급격히 늘어나야 한다는 단점이 있다. 코드의 길이가 늘어나게 되면, 그만큼 많은 대역 폭(bandwidth)이 소모될 뿐 아니라 코드를 식별하기 위한 처리과정이 복잡해지고 시간도 오래 걸리게 되어 고속 통신에는 적합하지 않다.

많은 동시 사용자를 수용할 수 있는 고속 통신에 CDMA와 같은 확산대역(spread spectrum) 통신방식이 사용되기 위해서는 코드의 길이가 지나치게 길어져서는 안 된다. 최근에는 이러한 조건에 맞는 코드로서 2차원 코드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 즉, OOC를 "시간" 상에서 직교특성(orthogonal property)을 가진 1차원 코드로 본다면, "시간"과 "공간" 상에서 직교 특성을 지닌 2차원 코드나, "시간"과 "파장" 상에서 직교특성을 지닌 2차원 코드를 생각해 볼 수 있다. 더 나아가서는 "시간", "공간", "파장" 모두에서 직교특성을 지닌 3차원 코드도 가능할 것이다.

일반적으로, 2차원 광코드는 주어진 수신 에러율(bit error rate)에 대해 1차원 OOC보다 더 많은 사용자를 수용할 수 있을 뿐 아니라 코드길이 및 펄스폭의 요건도 많이 완화된다. 그러나, 고차원의 경우 코드 패밀리를 만들어내는 것이 어려우며, 코드워드는 행렬형태로 처리되어야 한다. 최근 파하러(Fahallah) 등은 칩 동기화(chip synchronization) 등의 몇몇 문제를 해결하는 동시에 시간과 주파수영역에서의 효율을 증대하는 데 성공하였다. 그럼에도 불구하고, 요구되는 많은 수의 파장들을 도입하면 하드웨어 세트의 구성이 어려울 뿐 아니라 넓은 파장 분리에 의해 야기되는 전송 군 지연(transmission group delay)을 보상하기도 어려워진다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 다양한 시스템 변화환경에 쉽게 대처할 수 있는 OCDMA방식의 광통신 시스템을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 4파장 시스템의 광 CDMA 인코더(encoder)의 개략적인 구성도;

도 2는 도 1의 인코더 및 이에 대응하는 디코더구조를 대상으로 수치 시뮬레이션을 사용하여 본 발명의 코드에 대한 수신 에러율을 나타낸 그래프;

도 3은 종래기술과 본 발명을 각각 적용할 경우에, 수신 에러율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 광대역 광펄스 발생수단과; 전송할 데이터를 수신함과 아울러 상기 광대역 광펄스 발생수단으로부터 광펄스를 수신하고, 광학적으로 직교하는 코드에 대응하여 수신 광펄스의 파장에 따라 서로 다른 시간지연을 갖게 하는 수단에 의해 상기 코드를 포함한 광신호를 생성하는 인코더와; 상기 광신호의 전송선과; 상기 인코더와 공간적으로 거울대칭된 구조를 가지며, 상기 전송된 광신호를 수신하여 이에 포함된 데이터를 감지하는 디코더를 구비하는 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 다른 시간지연을 갖게 하는 수단이 브래그 격자 또는 도파로열 격자인 것이 바람직하다.

또한, 상기 코드는:

시간과 파장 영역에서 자기상관과 교차상관이 각각 λ_a=0, λ_c=1인 조건을 만족하며,

c개의 파장과 N개의 코드길이를 갖는 c×N 행렬의 2차원 코드군 M에 있어서,

상기 c×N 행렬에서 1×N 행렬 형태로 각각 분리하여 '0행렬'을 포함한 N+1개의 수직패턴을 형성한 후, 광펄스의 N위치를 표기하여 c×1행렬로 축약된 변환코드를 얻어 코딩하여 형성된다.

이 때, 상기 c×1행렬로 축약된 변환코드는 다른 코드와 해밍상관의 특성을 갖는다.

각 사용자에 대해 등간격인 서로 다른 격자세트를 채용한 파아러 등의 기술의 단점을 극복하기 위해 본 발명은 서로 다른 사용자들에 그들의 상대적 위치가 구별된 브래그 격자세트 등을 모든 사용자가 갖도록 하였다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 코드는 파장-시간 확산된 코드라고 일컬어질 수 있다. 만약, 적절히 조절되기만 한다면, 파장에 의존하는 광섬유 굴절율에 의해 발생하는 파장간 군 지연이 디코더 구조 내에서 보상될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 4파장 시스템의 광 CDMA 인코더(encoder)의 개략적인 구성도이다. 도 1에 따르면, 4개의 파장(λ₀, λ₁, λ₂, λ₃)에 해당하는 2차원 코드 매트릭스에 대응하는 위치에 반사형 브래그 격자들(130, 132, 134, 136)이 마련되어 있다. 광원(100)에서 나오는 광대역 펄스(broadnand pulse)는 서큐레이터(circulator; 120)을 통해 반사형 브래그 격자들(130, 132, 134, 136)로 입사된다. 브래그 격자들(130, 132, 134, 136)은 입사 펄스의 파장에 따라 서로 다른 시간 지연을 주면서 이들을 반사시켜 네트워크(110)에 분산된 펄스들이 입사된다.

한편, 상기 인코더에 대응되는 디코더(decoder)는 인코더와 대칭되는 구조를 갖는데, 디코더 내에서의 브래그 격자들의 위치는, 인코더의 코드워드에 대응하여 위치한 브래그 격자들의 상대적인 순서와 전송선에서의 군 분산지연(group dispersion delay)에 따라 결정된다. 파장별로 퍼진 펄스들은 디코더에서 하나의 큰 펄스로 모아진다. 이러한 구성은 통신 상의 다른 사용자에 대한 데이터 내용의 보안유지를 향상시키는데, 그 이유는 퍼진 광신호들을 정확히 디코딩하기 위해서는 사용자가 지연선의 모든 길이 및 파장 선택 격자들의 순서를 맞추기 때문이다.

다음, 본 발명의 시스템에서 사용되는 코드의 생성에 대해 알아본다.

본 시스템에서 이상적인 상관관계(λ_a=0, λ_c=1)가 만족할 것이 요구된다. 여기서, λ_a및λ_c는 각각 2차원 자기상관관계 및 교차상관관계이다. 파장-시간 확산된 코드를 나타내기 위해, M 세트의 w×N 행렬들인 C를 설정한다. 여기서, w는 사용된 브래그 파장의 수(λ₀, λ₁, …, λ_w-1)이며, N은 타임칩(즉, 코드길이)이며, M은 동시 사용자의 수이다. 이러한 표시방법에서, 코드 행렬은 바이너리 (0, 1) 원소들 구성되는데, c_ij=0는 광펄스가 없음을, c_ij=1은 i번째 파장과 j번째 타임칩에 광펄스가 있음을 의미한다. 각 칼럼의 웨이트는 그 위치에서 브래그 격자가 있는지의 여부에 따라 1 또는 0이 된다. 또한, 코드 행렬은 자기상관조건을 만족시키기 위해 각 열에 많아야 "1"이 한 개가 있도록 제한된다. 이러한 조건하에서, c_xy=1이면, j=y, 1≤i≤w(i≠x) 또는 i=x, i≤j≤N(j≠y)에 대해 c_ij는 0이 된다.

따라서, 상기 코드행렬의 수직패턴인 칼럼 벡터는 다음 수학식 1과 같은 형태로 표시될 수 있다.

여기서, j≠i인 경우에 δ(j-i)=0이며, j=i인 경우에 δ(j-i)=1이다.

이와 같은 표시에 있어서, 2차원 코드 행렬의 단순화가 변환규칙에 의한 차원축소를 통해 가능하다. 반대로 적당한 1차원 수열을 2차원 코드행렬로 변환하는 것도 가능하다. 변호나 후에, 상관관계식은 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있는데, 여기서 a=b≠0인 경우에 h'[a, b]=1이며, a≠b이거나 a=b=0인 경우에 h'[a, b]=0이다. 이는 a=b=0인 경우를 제외하고는, 해밍상관관계의 변형으로 생각할 수 있다.

이 수식의 중요성은, 1차원 코드 패밀리의 멤버들이 훌륭한 해밍상관 관계의 성질을 만족할 경우, 수학식 1의 매핑을 통해 1차원 코드 패밀리로부터 2차원 코드워드를 생성할 수 있다는 것이다. 수학식 1과 렘펠(Lempel) 등의 1차원 수열(참고문헌: "최적 해밍 상관관계 성질을 갖는 수열들의 패밀리", IEEE, 1974, IT-20, pp. 90-94)을 이용하여, w≤N=pⁿ-1 및 M≤N+1이고 p는 소수, k, n은 양의 정수 (1≤k≤n)의 조건에서 M개의 w×N 2차원 행렬을 얻을 수 있다. 이 1차원 패밀리의 멤버들의 각각은 p^k의 알파벳 사이즈가 넘는 pⁿ-1의 길이를 가지며, 그 자체가 해밍상관관계의 의미에서 최적화된 수열이다. 1차원 수열에서 x번째 알파벳인 i_x(0≤i_x≤w-1)은 다파장 2차원 코드 행렬의 x번째 0이 아닌 칼럼벡터 v(i_x)로 변환된다. 물리적인 의미에서, 이는 브래그 격자 라인 인코더의 x번째 위치에 놓인 λ_ix의 브래그 격자와 동등하다. 이러한 응용에 대해 다른 알파벳들은 의미가 없으며, 영 칼럼벡터로 변환되는데 이는 광학 지연선을 나타낸다. 이러한 알고리즘에 의해 형성된 2차원 코드 행렬들이 λ_a=0, λ_c=1의 상관관계를 만족한다는 것은 쉽게 입증될 수 있다. 여기서, 코드 패밀리의 웨이트는 같지 않다는 것에 주목해야 한다. w 코드워드는 w-1의 웨이트를 가지는 반면에 다른 N-w+1의 코드워드는 w의 웨이트를 가진다. 따라서, 코드 패밀리의 웨이트가 같다고 한정한다면, M의 최대값은 N-w+1이 된다. 동일 채널을 공유하는 10명의 동시사용자(M=10)가 있고 할당 주파수가 4개(c=4)인 간단한 경우에 대해서, 코드 길이 N=15(p=2, k=n=4)는 모든 사용자를 지원할 수 있을 정도로 충분하다.

도 1의 인코더 및 이에 대응하는 디코더구조를 대상으로 수치 시뮬레이션을 사용하여 본 발명의 코드에 대한 수신 에러율(bit error rate; BER)을 조사하였다. 도 2는 시뮬레이션의 결과를 나타내며, 코드 길이 63 및 127에서 8 파장의 경우에 대한 이론적 BER 곡선을 함께 나타내었다. 도 2에서, 모든 시뮬레이션 결과는 점으로 표시되었다.

한편, G. C. 양(Yang) 등의 연구결과(참고문헌: Yang. G. C. 및 KWONG. W. C. "광섬유 망에서 다파장 CDMA와 WDMA+CDMA의 성능비교", IEEE, 1997, COM-45, pp. 1426-1433)와 본 발명의 코드를 이용한 결과에서 BER을 11개 및 13개의 파장에 대해 비교한 그래프를 도 3에 나타내었다.

시간/파장 광 CDMA 네트워크에서 코드워드로서 사용될 수 있는 2차원 코드 패밀리를 제공함으로써, 종래기술에 의한 코드보다 우수한 성능을 보였다. 필요한 파장수를 줄일 수 있으며, 디코더에서 전송선 분산의 보상이 가능하므로 광 CDMA의 응용분야를 비동기 고속 LAN(Local Area Network)까지 확장시킬 수 있다.

Claims

광대역 광펄스 발생수단과;

전송할 데이터를 수신함과 아울러 상기 광대역 광펄스 발생수단으로부터 광펄스를 수신하고, 광학적으로 직교하는 코드에 대응하여 수신 광펄스의 파장에 따라 서로 다른 시간지연을 갖게 하는 수단에 의해 상기 코드를 포함한 광신호를 생성하는 인코더와;

상기 광신호의 전송선과;

상기 인코더와 공간적으로 거울대칭된 구조를 가지며, 상기 전송된 광신호를 수신하여 이에 포함된 데이터를 감지하는 디코더를 구비하는 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다른 시간지연을 갖게 하는 수단이 브래그 격자 또는 도파로열 격자인 것을 특징으로 하는 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템.
제1항에 있어서, 상기 코드가:

시간과 파장 영역에서 자기상관과 교차상관이 각각 λ_a=0, λ_c=1인 조건을 만족하며,

c개의 파장과 N개의 코드길이를 갖는 c×N 행렬의 2차원 코드군 M에 있어서,

상기 c×N 행렬에서 1×N 행렬 형태로 각각 분리하여 '0행렬'을 포함한 N+1개의 수직패턴을 형성한 후, 광펄스의 N위치를 표기하여 c×1행렬로 축약된 변환코드를 얻어 코딩하여 형성된 것을 특징으로 하는 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템.
제3항에 있어서, 상기 c×1행렬로 축약된 변환코드는 다른 코드와 해밍상관의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 광학적 코드분할 다중접속 통신 시스템.