<363120C0CCBBF3C8AD2D49504F5720BCADBAF1BDBAB8A620C0A7C7D12E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "<363120C0CCBBF3C8AD2D49504F5720BCADBAF1BDBAB8A620C0A7C7D12E687770>"

미자 남
5 years ago
Views:

1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 10 pp , 이상화 1* 1 서원대학교정보통신공학과 Structural Design of Optical Access Network for OW Service Sang-Wha Lee 1* 1 Department of Information & Communication, Seowon University 요약본논문에서는 OW( over WDM) 서비스를위한광가입자망의구조설계에관한새로운아이디어를제공한다. 데이터를중간계층을거치지않고직접 WDM망을통해처리함으로써보다효율적으로망을구성할수있다. 파장단위로하는레이블스위칭방식을기반으로한 OW 광인터넷기술을이용하여대용량트래픽전달능력과레이블스위칭의 QoS 제공기능을네트워크종단사용자에게직접적으로제공한다. 또한가입자요구에따라액세스밴드폭을유동적으로지원하는 AON(Active Optical Network) 형태의광가입자망의기능도갖고있다. 여기에서제안한 OW 기반의광액세스네트워크는시뮬레이션을통하여가입자망에걸려있는끝단에서 BER(Bits Error Ratio) 특성을분석하여효율적인광가입자망의설계기준을제시한다. Abstract This paper presents a new idea of structural design of the optical access network for OW( over WDM) services. More efficient network can be constructed, because the packets are transmitted directly to the WDM without going through an intermediate layer of networks. The wavelength Routing is based on a label switching technology. The ability to transmission of high volume traffics and QoS capability of the optical label switching directly to the end user of the OW optical internet networks is provided. As in AON(Active Optical Network) flexible bandwidth on demand subscribers is allocated. By the Simulation of the proposed optical access networks to measure the BER(Bits Error Ratio) at the end of the nodes the network characteristics are analyzed. These results are based on the design of efficient optical network. Key Words : Optical Access Network, ATM(Asynchronous Transfer Mode), OW( Over WDM), SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 1. 서론 현재인터넷을통하여보다다양한서비스제공이가속화되고있다. 이미일반화되고있는각종정보제공뿐아니라, 전화, 전자상거래, 원격진료, 원격교육, 전자도서관, 전자박물관등의각종서비스도구체화되고있다. 따라서인터넷의수요는앞으로도지속적이고기하급수적으로증가될것이고, 이는산업전반에걸쳐직접적인큰변화를유발시킬것이다. 이와같은사실로볼때, 정보통신인프라구축이향후국가의경쟁력을크게좌우할것임은자명한사실이다. 우리나라도이에대비하기위해서국민개인당정보통신대역폭도획기적으로크게그리고신뢰성있게제공하기위해서인터넷정보보호기술및 QoS 기술개발이포함된차세대인터넷기술개발을도모하고있다. 차세대인터넷구현에있어서, 정보보호및 QoS 보장등의정보처리기술도중요하지만향후급증하는정보를처리할수있는대용량정보통신의통로를구성하는인프라구축도중요하다. 밴드폭확장을위해선택해야할방식에대해언급하면, 차세대인터넷의인프라구축은지금까지크게다음과같은세가지방식으로연구가이루어지고있다 [4]. * Corresponding Author : Sang-Wha Lee(Seowon Univ.) Tel: swl@seowon.ac.kr Received September 3, 2013 Revised (1st September 12, 2013, 2nd September 24, 2013) Accepted October 10,

2 - over ATM over SDH over WDM - over SDH over WDM - over WDM (OW). Fig. 1은차세대인터넷인프라구축을위한기본방식에대한특징을보여준다. [Fig. 1] The basic method for Internet Infrastructure OW 광인터넷인프라를구축하기위해서현재추구되고있는기존의방법을취할경우, 일반적으로광삽입 / 추출 (Optical Add/Drop), 광스위치 (Optical Switch), 파장변환기 (Wavelength Converter), 그리고광회선분배 (Optical Cross Connect) 등의고가의최첨단기술이요구되는장비들을필요로한다. 또한, 처리에요구되는패킷단위또는이에상응하는정도의 granularity를확보하기위해서백본용테라비트급라우터가도입되어야한다. 이백본라우터는처리용량이대용량이고초고속이되어야하며, 방대한주소정보체계를갖추어야하므로슈퍼컴퓨터급의고성능및고복잡도가요구된다. 이러한기존의 OW 광인터넷인프라구축방식은최첨단광장비에의존하게된다. (Internet Protocol) over ATM(Asynchronous Transfer Mode) over SDH(Synchronous Digital Hierarchy) over WDM(Wavelength Division Multiplexing) 방식은 ATM의장점인트래픽제어기능을유용하게사용하여멀티미디어서비스를 ATM망과 망을이용하여제공하려는배경에서출발하였다. 하지만 를 WDM 망에실어주기위해서 ATM과 SDH 계층을거쳐야하므로상당한기능중복및패킷처리오버헤드가발생한다. over SDH (over WDM) 방식도역시 SDH 계층을거치게되므로기능중복이발생하고비싼 SDH 장비가요구되므로처리가격증가등의비효율을피할수없다. over WDM 방식은 SDH의장점인망의유지, 보수및관리기능을 프로토콜과 WDM 망과의인터페이스를통하여담당하게함으로써, 데이터를중간계층을거치지않고직접 WDM 망을통해처리함으로써보다효율적으로망을구성하기위해서제안되었다 [8]. Fig. 2는 WDM망과의정합기술의발전방향을나타낸다. ATM SONET/ SDH PPP/ HDLC SONET/ SDH SONET/ SDH ATM Evolution Cost Reduction by removing redundancies such as Layer Mgt Protocol, OAM, etc. Transparancy for various formats and bit rates. Abundant Bandwidth. Telecommunication Network MPLS WDM Network SDL GbE Based Network Over WDM 2. 초고속망에서의대역폭활용도 초고속망구조의대역폭활용도는인갭슐레이션 (encapsulation) 을비교하는방법을통하여이루어지는데이를위하여각각의오버헤드를계산하였다. 아래의 Table 1 ~ Table 5는 패킷의크기가 350 바이트일경우에각각의망구조상에서발생하는오버헤드를계산한 Table이고 Table 6은서로상이한방식에대한오버헤드백분율을나타내는 Table이다. [Table 1] Overhead calculation for over ATM over SDH Packet Length Cumulative overhead Packet 350 0% LLC/SNAP 358 2% AAL % ATM % SDH % 1 STM1 provides 121 Mb/s capability [Table 2] Overhead calculation for over ATM over cell-based physical interface Packet Length Cumulative overhead Packet 350 0% LLC/SNAP 358 2% AAL % ATM % OADM % 1 155Mb/s C.B provides 126 Mb/s capability [Fig. 2] Technical development direction of WDM networks 5141

한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 [Table 3] Overhead calculation for over ATM over SDH Packet Length Cumulative overhead Packet 350 0% PPP/HDLC 358 2% SDH 371 6% 1 STM1 provides 146 Mb/s capability

3 한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 [Table 3] Overhead calculation for over ATM over SDH Packet Length Cumulative overhead Packet 350 0% PPP/HDLC 358 2% SDH 371 6% 1 STM1 provides 146 Mb/s capability [Table 4] Overhead calculation for over SDL directly over WDM Packet Length Cumulative overhead Packet 350 0% PPP 352 1% SDL 360 3% 1 STM1 provides 151 Mb/s capability [Table 5] Overhead calculation for Gigabit Ethernet Packet Length Cumulative overhead Packet 350 0% GbE % Line Code % 1 GbE link provides 902 Mb/s capacity 확장된가입자의액세스대역폭을수용하고가입자정보를다단계스위칭 / 라우팅을거치지않고한홉 (One Hop) 처리하여전송백본과곧바로연동할수있는시스템을구축할수있다. 본논문에서는현재국내외적으로추구되고있는것과는획기적으로다른방식으로, 파장단위로레이블스위칭방식을기반으로한 OW 광인터넷기술을제안한다. 제안된구조들은획기적인광정보식별자 (λ-tag) 방식의사용과트래픽처리부하를광적-전자적으로적절히기능분담시킴으로써위에서언급한고가의광장비및테라비트급라우팅장비가요구되지않는구조적단순함을갖고있다. 제안된방안은 OW기술자체가갖고있는성능및가격경쟁력위에, 기존의방식과는다른 OW실현방식을취함으로써추가적인성능및가격경쟁력을갖는다. 이방식은가입자트래픽의단순한수동적집중 / 분배기능을위주로하는 PON(Passive Optical Network) 방식과는달리, 가입자사이를능동적으로상호연결하며, 가입자요구에따라액세스밴드폭을유동적으로지원하는 AON(Active Optical Network) 형태의광가입자망이다. Fig.3은본논문에서제안하는광정보식별자를이용한광레이블액세스네트워크의구조도를보여준다. [Table 6] Link capacity and overhead percentage about variety Encapsulation methods Link capacity Encapsulation/Framing Overhead Mb/s Comments /ATM/SDH 22% 1944 STM-16 /ATM/Cell-Based 19% 2011 STM-16 /PPP/SDH 6% 2338 STM-16 /SDL 3% 2411 STM-16 /GbE 28% Gbs 3. 광레이블을이용한가입자망설계 데이터트래픽폭주현상이시간에따라지역적으로이동하는인터넷트래픽의특징을수용하고, 가입자에게수백 Mbps에서수십 Gbps의대역폭을필요에따라동적으로제공할수있는광가입자망기술이절실하게요구되고있다. 따라서테라비트급이상의트래픽처리를위한데이터처리중심의광가입자망설계를제안하게되었다. 이를위하여우선 DWDM 기술을활용하여대용량전달기능을위주로하는전송백본을개선시키고, 이어서 [Fig. 3] Optical label access network with OLX, OGX, and optical modem 제안된네트워크는백본에서메인링과연결되어있고메인링의각노드는또다른서브링과연결되어있는구조이다. 광인터넷백본에서 OXC 또는 OADM을통해서 OLX로도달하게되면광파장식별자를통한레이블스위칭이이루어지고어떤한노드의서브링에붙어있는 OGX에도달하게된다. Fig. 4는이러한 OLX와 OGX 의기능적구조를나타낸다. Fig. 5는패킷파장을교환하여패킷을라우팅하는람다레이블스위칭을보여준다. 5142

ONIC 622 Mbps ~ 10 Gbps ONIC ONIC 4-Channel Optical Splitter ONIC Optical Filter ONU Optical Fiber (622Mbps ~ 10Gbps) 10 Gbps Home Gateway Optical Fiber In-Door [Fig.

[Fig. 5] Packet routing through Lambda label switching OGX에도달한데이터는서브링에있는노드의파이버 (fiber) 로정합되어있는광모뎀을찾아서광전변환을하게된다. Fig. 6은광모뎀의기능적인구조를나타낸다.

4 ONIC 622 Mbps ~ 10 Gbps ONIC ONIC 4-Channel Optical Splitter ONIC Optical Filter ONU Optical Fiber (622Mbps ~ 10Gbps) 10 Gbps Home Gateway Optical Fiber In-Door [Fig. 7] ONU(Optical Network Unit), home gateway and equipped devices with ONIC(Optical Network Interface Card) [Fig. 4] Functional structure of OGX and OLX 광정보식별자를이용한레이블스위칭기술을바탕으로한광가입자망개발에필요한요소기술들은다음과같다. [Fig. 5] Packet routing through Lambda label switching OGX에도달한데이터는서브링에있는노드의파이버 (fiber) 로정합되어있는광모뎀을찾아서광전변환을하게된다. Fig. 6은광모뎀의기능적인구조를나타낸다. - λ-tag 광프레임헤더처리기술 : λ-tag OW 프로토콜개발및 10Gbps 광프레임헤더처리기개발 - λ-tag 광패킷라우팅기술 : 40Gbps급 λ-tag 광패킷라우터개발 - 비동기광패킷송수신기술 : 155 Mbps ~ 10 Gbps 비동기광패킷송수신기개발 - DWDM 정합기술 : 40 Gbps급 λ-tag 광패킷정합장치개발 - DWDM 광신호선별기술 : DWDM(10 GHz 128 채널 ) 광신호삽입 / 추출장치개발 - DWDM 광신호부반송파변복조기술 : 128 채널 DWDM 광신호부반송파변복조기개발 [Fig. 6] Functional Structure of optical modem 제안된네트워크는수평적또는수직적방향으로자체망의용량을쉽게증가시킬수있는구조적특성을갖는다. 이러한특징에의해서단위망을메쉬형태또는그물형태로연결하여인터넷의고유한특징인융통성있는통신로구성을유지할수있다. 그리고외부망과의연동성에대해서는, 네트워크의체계적구조 (hierarchical ring structure) 특성에의해서각단계 (level) 마다외부망과연동할수있도록되어있다. 그리고제안된망의백본 (main ring) 전체가불통될최악의경우에도자체망내의가입자들은외부망과의연동에의해간접연결이가능하므로통신속도는저하되지만연결성은확보된다. 이네트워크는우선대용량정보통신이우선적으로필요한집단의구성을위한망설계에적용할수있다. 즉, 5143

한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 각각의집단은본논문에서제안한 OLX의메인링부분에해당하고그밑에 OGX의링을구성하여가입자들을수용하면각집단을위한고유한망이구축된다. [Fig. 8] Group network structure with OXC Fig.

6 Tera bps 광인터넷네트워크를구축하면이단위집단망은 16,000 가입자에게 100 Mega bps 씩을제공할수있다. 한특성값의분석에부합한다. 따라서본논문에서는 VPItransmissionmaker_WDM을사용하여망의최상단 OLX(Optical Label Exchange) 와최하단의사용자모뎀 (User Modem) 이각각의종단점이된다.

5 한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 각각의집단은본논문에서제안한 OLX의메인링부분에해당하고그밑에 OGX의링을구성하여가입자들을수용하면각집단을위한고유한망이구축된다. [Fig. 8] Group network structure with OXC Fig. 8에보이는바와같이이초고속집단망은통신량의대부분이내부통신이차지하는특성을갖도록설계되며, 집단간의또는외부망과의통신을위해서집단통신망들은서로연동된다. 여기서집단망간의연동은초고속대용량트래픽에대한광파장단위의분배에의해서이루어지므로, 광신호의광전변환없이광파장단위의스위칭을하는광회선분배시스템이요구된다. 예를들면집단망을위한1.6 Tera bps 광인터넷네트워크를구축하면이단위집단망은 16,000 가입자에게 100 Mega bps 씩을제공할수있다. 한특성값의분석에부합한다. 따라서본논문에서는 VPItransmissionmaker_WDM을사용하여망의최상단 OLX(Optical Label Exchange) 와최하단의사용자모뎀 (User Modem) 이각각의종단점이된다. 각종단점은각기메인링 (Main Ring) 과하단서브링 (Sub Ring) 에속해있고, 전체적인신호전달방식은유사하다. 실험은서브링망내의가입자노드의개수가 5, 10, 15, 30개로증가하고, 가입자노드간의물리적인거리도 100m, 600m, 1.2Km, 2.4Km로증가할경우, OGX에서부터물리적으로가장먼거리에위치한최종단가입자노드에서의 BER 특성 (BER 대비 Received Power plot) 을파악하였다. Fig. 9는가입자노드가 5개인경우의시뮬레이션을위하여모델링한전송망의예를보여준다. Fig. 10은시뮬레이션에서사용한모듈들을보여준다. [Fig. 9] Simulation example 4. OGX 에서의광전송시뮬레이션실험 본논문에서제안하는광액세스네트워크의 OGX에물려있는가입자노드 (AN:Access Node) 의개수에따라서그리고거리에따른 BER(Bits Error Ratio) 특성을알아보기위해 VPI(Virtual Photonics Inc.) 에서제공하는광전송에따른분석을시도하는시뮬레이터인 Transmissionmaker_WDM을사용하였다. VPI에서제공하는 Transportmaker는 WDM 망에서각노드간의총파장수및트래픽요구에대한경제성, 효율성등을분석하는목적에부합하고, Cablemaker는 CATV방식의기술특성을검증하는시뮬레이터이다. Transmissionmaker _WDM은망전송시스템을구성하고사용할파장의특성, 각종비선형특성및실제물리적인거리를고려한전송특성의관찰을목적으로사용한다. 그러므로 Transmissionmaker_WDM은각광전송모듈을해당망의특성을고려하여선택하고물리적인광특성및전송거리를반영하여실제전송시중요한전송파라미터에대 [Fig. 10] Simulation modules 시뮬레이션실험에서사용한기본파라미터세팅값은다음과같다. - LaserRateEqSM : PowerNorm = 1e-3 W - BiasToThreshold = ModuleToThreshold = Centerfrequencydefault : THz - AN's centerfrequency : 195.9THz - i * ChannelSpacing, i= 1,2,3,4 - ChannelSpacing : 100e9 - BitrateDefault : 1.55e8 = 155Mbps - SamplerateDefault : 8*1.55e8 - Timewindow : 16/ 1.55e8 - Attenuator's loss : 20dB - Mux/Demux's insertion loss : 3 db 5144

6 - WDM_ADM_FBCcirc: FBG rejection = 30, circinsertionloss = 1 db - FBG Bandwidth = 40e9 (a):distance=100m (b):distance=600m (a):distance=100m (b):distance=600m (c): Distance=1.2KM (d): Distance=2.4KM [Fig. 13] BER characteristics in case of 15 access nodes (c): Distance=1.2KM (d): Distance=2.4KM [Fig. 11] BER characteristics in case of 5 access nodes (a):distance=100m (a):distance=100m (b):distance=600m (b):distance=600m [Fig. 14] BER characteristics in case of 30 access nodes (c): Distance=1.2KM (d): Distance=2.4KM [Fig. 12] BER characteristics in case of 10 access nodes 실험에서제안한액세스망의가입자노드간의거리는전송성능에절대적인영향이있음을보여준다. 특히가입자노드가 30개인경우는물론이고최소 15개노드이상으로구성되는전송망에전체 BER이거리에거의무관하게포화되는현상을보여주었다. 이는가입자망의가입자노드가능동적인기능을갖추고있다고해도실제적으로물리적인거리제한때문에가입자망이 15개이상의노드로구성되면망의최종단에서 BER 특성상실 5145

7 한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 제로전송이쉽지않음을의미한다. 결론적으로 15개이상의노드를가진가입자망에서는증폭기를통해전송특성을개선하여야한다는것을의미한다. 이는가입자망의노드중일부가평균적인가입자노드간의거리에비해긴거리를두고위치해있다면이가입자노드로인해서전체망의전송효율을떨어뜨리는결정적인요인이될수있다. 따라서망을설계할때에는노드들의물리적제한요소와그에따르는노드간의최대허용거리및망구성의경제성을반드시고려하여야한다. 망에서실제사용자가획득할수있는전송특성을파악하기위해가입자노드의하단에광분기소자를배치하여시뮬레이션에서나온최대거리제한인 2.4km 상황에서전송된광신호의 BER 특성을분석하여망설계에반영하여야한다. 만약에광분기소자의물리적인손실률이적은것을사용하여망을구성하면멀리위치한노드에서도허용가입자수를조금은늘릴수는있을것이다. 이와같은과정을통해추후실제가입자망의트래픽요구량, 가입자노드간의물리적거리그리고가입자수를반영한정확한시뮬레이션을수행하여이의결과를망설계에반영하면효율적인망을구성할수있다. 5. 결론 본논문에는 OW에기반하여광파장을정보를이용해서라우팅하는광액세스네트워크의구조설계에대한새로운방법을제안하였다. 이방법을이용하면사용자요구에따른대역폭을할당할수있고또한파장정보를이용하여라우팅하기때문에가입자정보를다단계스위칭 / 라우팅과정을거치지않고직접전송백본과바로연동할수있는시스템기술이기때문에고가의전송장비등을필요로하지않는다. 이러한네트워크구축을위한첫단계로서시뮬레이션을통하여가입자망의노드끝단에서 BER 특성을분석하였는데네트워크의서브링에물려있는노드간의거리제약이있음을확인할수있었다. 실제적인네트워크설계시에는이러한사항을충분히고려하여야하고가입자수가많은경우에는증폭기등을사용하여야한다. 광을전송매체로사용하는차세대통신망의설계에있어서상위계층의성능지수는망전체의효율성및경제적인측면에많은영향을미치게된다. 또한각소자및시스템이가지고있는각종물리적시스템의성능제한요소도물리계층의전송여부를결정할수있는중요한고려사항이기때문에다양한기본적인망분석자료가필요하다. 이와더불어상위계층의다양한프로토콜의성능및파라미터의검증도전송망 자체에대한성능및신뢰도에영향을주기때문에이에대한내용도망설계및성능평가에있어반드시반영되어야할사항이다 References [1] G. Li, and R. Simha, On the Wavelength Assignment Problem in Multifiber WDM Star and Ring Networks. IEEE Infocom, pp , DOI: [2] Ganesh C. Sankaran, Krishna M. Sivalingam, ONU buffer reduction for power efficiency in Passive Optical Networks. Optical Switching and Networking, Volume 10, Issue 4, pp , November DOI: [3] Hui Cheng, Xingwei Wang, Shengxiang Yang, Min Huang, Jiannong Cao, QoS multicast tree construction in /DWDM optical internet by bio-inspired algorithms. Journal of Network and Computer Applications, Volume 33, Issue 4, pp , July DOI: [4] Kristin Rauschenbach, Cesar Santivanez, Convergence of and Optical Networking, Optical Fiber Telecommunications (Sixth Edition), pp , [5] Loukas Paraschis, Advancements in Metro Regional and Core Transport Network Architectures for the Next-Generation Internet, Optical Fiber Telecommunications (Sixth Edition), pp , [6] M. Andrews and L. Zhang, Wavelength assignment in optical networks with fixed fiber capacity, 31th International Colloquium, ICALP, pp , [7] Ning-Hai Bao, Le-Min Li, Hong-Fang Yu, Zhi-Zhong Zhang, Hong-Bin Luo, Power-aware provisioning strategy with shared path protection in optical WDM networks, Optical Fiber Technology, Volume 18, Issue 2, pp.81-87, March DOI: [8] Ramasamy Mariappan Jr., T. Ravi and R.S.D. Wahida Banu, An Efficient Traffic Model for -over-wdm Networks with QoS Parameters, The IUP Journal of Information Technology, Vol. VI, No. 3, pp , September 2010 [9] Vincent W.S. Chan, Novel Architectures for Streaming/ Routing in Optical Networks, Optical Fiber Telecommunications (Sixth Edition), pp , [10] Yongli Zhao, Xiaosong Yu, Yiming Yu, Jie Zhang, Lei 5146

Wang, Novel control plane framework and protocol extensions for Spectrum-Efficient Optical Transport Networks, Optical Switching and Networking, Volume 10, Issue 3, pp.211-222, July 2013.

8 Wang, Novel control plane framework and protocol extensions for Spectrum-Efficient Optical Transport Networks, Optical Switching and Networking, Volume 10, Issue 3, pp , July DOI: [11] Kim, Sun-Yeob, An Analysis of Receiving Sensitivity of PIN Receiver for Optical Communication System, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Volume 12, Issue 5, pp , DOI: [12] Kwon, Yoon-Koo and Kim, Chang-Bong, The Research on SMSR Yield Improvement of the Optical Transceiver Using Modulated DFB Laser, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Volume 12, Issue 5, pp , DOI: 이상화 (Sang-Wha Lee) [ 정회원 ] 1994년 10월 : 도르트문트대학교 ( 컴퓨터공학석사 ) 1998년 11월 : 도르트문트대학교 ( 컴퓨터공학박사 ) 2000년 2월 ~ 2002년 8월 : 한국전자통신연구원선임연구원 2002년 9월 ~ 현재 : 서원대학교정보통신공학과교수 2008년 7월 ~ 2009년 6월 : 한국전자통신연구원초빙연구원 < 관심분야 > 정보통신, 인공지능, 컴퓨터네트워크, RFID/USN 5147

歯A1.1함진호.ppt

歯A1.1함진호.ppt The Overall Architecture of Optical Internet ETRI ? ? Payload Header Header Recognition Processing, and Generation A 1 setup 1 1 C B 2 2 2 Delay line Synchronizer New Header D - : 20Km/sec, 1µsec200 A