SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 미래부품소재기술특집 윤천주 (C.J. Youn) 광인터넷부품연구실선임연구원 백용순 (Y.S. Baek) 광인터넷부품연구실책임연구원 김종회 (J.H. Kim) 광인터넷부품연구실실장. Ⅰ. 서론 Ⅱ. SDN을위한광통신핵심부품기술 Ⅲ. SDN을위한디지털신호처리기술 Ⅳ. 결론 최근대규모데이터센터설립, 클라우드컴퓨팅의확산등 ICT(Information and Communication Technology) 기반다양한비즈니스요구증가에따라 SDN (Software Defined Networking) 에대한관심이크게증가하고있다. 본고에서는망의구성과동작을개방화하고소프트웨어로유연하게인프라를제어및관리할수있는 SDN 기술이광통신망에도입되어구현될때요구되는광통신의핵심요소기술들의동향을분석한다. 그중에서도차세대 ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) 기술, 100G 급이상의라인사이드광트랜시버와클라이언터사이드광트랜시버기술, 변조방식과전송속도를유연하게가변할수있는디지털신호처리기술들의현황및동향에대해서기술한다. 2013 한국전자통신연구원 43
Ⅰ. 서론 최근스마트기기의급속한확산에따른대량의모바일트래픽증가로인하여, 네트워크서비스사업자에게다양한응용서비스로부터발생하는통신망에서의대용량트래픽을효율적으로제어하고관리하기위한해결방안이요구되고있는상황이다. 우선적으로신규장비를도입하여시스템용량을확충하고있으나, 이에따른설비투자비용과다양한응용서비스제공을위한운용비용의증가때문에네트워크서비스사업자의수익성 이감소하는상황에직면해있다 [1]. 따라서향후네트워크고도화의주요경향은네트워크전송용량을증대시키면서동시에네트워크효율성을향상시킬수있는기술을이용하여신규설비투자비용및운용비용을절감하는것이될것이다. 최근전송용량을증대시키는방안으로고속의디지털코히어런트기술이개발됨에따라대역폭활용도를높이면서 100Gb/s 이상의대용량전송기술이상용화되었으나, 여전히다중계층, 다중도메인및다양한서비스공급자로부터의장비를거치면서전달되는대용량트래픽을효율적으로관리하는방안이요구되고있다. 이에따라네트워크서비스사업자들은그효율적인방안으로 ( 그림 1) 과같이소프트웨어로제어되는중앙집중식관리방식의 SDN(Software Defined Networking) 기술을요구하고있다. 여기서, 응용프로그램 (API: Application Program Interface) 은네트워크를관리하기위한소프트웨어로서, 네트워크모니터링을통하여축약된정보로부터요구되는서비스에적합한경로를설정하고전송용량등을계산하여서비스를제공한다. 따라서, 데이터전송네트워크에서의주요한경향은네트워크운용을소프트웨어로제어하고관리하기위한 SDN 기술의도입이다. 이는대용량의트래픽을처리하기위한최적의네트워크구조를창출하여분산처리, 저장, 스위칭, 라우팅및전송소자등을동적으로제어 ( 그림 1) 중앙집중식소프트웨어제어계통을갖는광네트워크개념도. 하는기술로서, 추가적인비용이요구되는장비확장에의존하기보다는기존네트워크자원을활용하여변화된요구사항에자동적으로대응하기위한기술이다. 일반적으로제어영역을데이터영역에서분리하는방법은다중계층및다중도메인에서운용되는매우다양한네트워크자원들을효율적으로관리하는수단을제공할수있다 [2]. 광통신네트워크에서도 SDN 기술을도입하기위한논의가활발히진행되고있으며, 특히데이터전송의급속한증가로인하여전달망및데이터센터에서의트래픽관리가중요한사안으로부각되고있기때문에 ( 그림 2) 에서와같이네트워크상위계층에서논의되어왔던 SDN 을광전송계층에적용하여전달망및데이터센터내부혹은데이터센터간대용량데이터전송을효율적으로제어하고관리, 전송하기위한방법이널리연구되고있다 [3]. SDN 기술을광전송계층에도입하기위한핵심요소기술은대역폭가변이가능한 CDC-ROADM (Colorless, Directionless, and Contentionless- Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing) 기술과대역폭가변과더불어전송거리, 변조방식, 전송속도등의요구조건이가변가능한광송수신기술이다. 이 44 전자통신동향분석제 28 권제 4 호 2013 년 8 월
< 자료 >: OFC/NFOEC, 2013, PDP5B.1 ( 그림 2) 소프트웨어로제어하고관리되는데이터센터를시험하기위한구성 러한핵심요소기술은네트워크운용상황을모니터링하고제어계층에서그정보를수집하고분석하여서비스요구사항에적합하도록네트워크자원을할당함으로써가용대역폭의네트워크자원활용을극대화하고네트워크운용을효율적으로관리할수있는기능을제공한다. 본고에서는이러한광통신망에서 SDN 도입시요구되는핵심요소기술들을구현하기위한방법및소자를논의하고기술개발동향을분석한다. 특히, 네트워크상황을모니터링하고이를반영하여최적의경로를설정하고트래픽을분산하는 CDC-ROADM 기술에관하여기술하고, 소프트웨어로제어가가능하고전송용량, 전송거리, 변조방식등의변수의조합을통하여네트워 크서비스요구사항에동적으로대응할수있는광트랜시버부품에관하여구체적으로기술한다. Ⅱ. SDN을위한광통신핵심부품기술 1. ROADM 기술가. ROADM이란통신망은초기장거리전송기반의점대점 (point-topoint) 방식에서도시간통신을주축으로하는메트로망에는링구조가도입되었고, 향후보다효율적인망운용을위해메쉬 (mesh) 형태의네트워크구조로발전이 윤천주외 / SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 45
( 그림 3) 광전달망에서의 OADM의위치및그기능진행중이다. 또한인터넷을기반으로한데이터통신패턴의급격한변화를수용하기위해서는물리계층에서부터소프트웨어에의해자유롭게경로설정, 망관리등이가능하게할수있는시스템의도입이요구되고있으며이러한기능의수행에필요한핵심장치가 ROADM (Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer) 이다. 메트로망에서는전송대역폭을늘리기위해다채널의신호를하나의광섬유를통해전달하는 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 방식을채택하고있으며각노드에서는필요한신호를추출 (drop) 해내고노드에서생산된신호를삽입 (add) 하는기능을수행하는것이필요한데이러한작업을수행하는장치를 OADM(Optical Add Drop Multiplexer) 이라한다 (( 그림 3) 참조 ) ROADM 은이러한광전송망의필수기능인신호의삽입 / 추출 / 경로제어기능을원격지에서자동으로통제할수있는장치를말한다. 이러한 ROADM 은전달망의발전에따라유연성향상을위해여러세대로발전을거듭하고있으며다음절에서는이러한 ROADM 의발전방향에대해살펴본다. ( 그림 4) 1세대 ROADM의구성도채널을삽입 / 추출하는기능을담당하였다. ( 그림 4) 에서보듯이각포트별로고정된파장을필요에따라스위치를이용하여추출또는삽입하는기능을수행한다, 이러한 1세대 ROADM 구성을위해서는 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기반의 AWG(Arrayed Waveguide Grating), 2x1 스위치어레이, VOA(Variable Optical Attenuator) 어레이등이핵심부품으로사용된다. 또한 V-MUX(V-Multiplexer) 와파장차단기어레이를이용한구성도가능하다. 일반적으로한노드에도달하는신호의경로수를자유도라하는데데이터트래픽이증가함에따라 ( 그림 5) 에서와같이자유도 3 이상의메쉬형태의메트로망구 나. ROADM 의발전 1 세대 ROADM 은주로링네트워크구조에서필요한 ( 그림 5) 2 세대 ROADM 의구성도 46 전자통신동향분석제 28 권제 4 호 2013 년 8 월
( 그림 6) 벌크광학계를이용한 WSS 구조도 ( 그림 7) 3 세대 ROADM 의구성도 성이도입된다. 이러한노드에서효율적인신호처리와비용절감을위해파장선택스위치 (WSS: Wavelength Selective Switch) 와파장가변트랜스폰더가도입되기시작한다. 파장선택스위치란하나의포트로다채널광원의입력시여러개의출력포트로자유로이파장 (Colorless) 과경로 (Directionless) 를선택하여출력할수있는장치를말한다. 이러한파장선택스위치의도입으로운영자는메쉬네트워크상에서필요에따라마음대로파장별경로선택이가능하게된다. 파장선택스위치는 ( 그림 6) 에서보듯이다채널의입력신호를파장별로분기한뒤경로선택을위한스위치를동작시켜출력포트를정하는방식으로동작하며파장분기 / 결합은주로벌크광학계를이용하며스위칭엔진으로는 MEMS(Micro Electro Mechanical System), LC(Liquid Crystal), LCoS (Liquid Crystal on Silicon) 등이주로사용된다 [4]. 그러나이러한 2세대 ROADM 에서도일정경로로특정파장이할당되어있을때다른경로를이용하여동일한파장을이용한통신이불가능한문제를가지고있다. 따라서새로운경로에반드시특정파장을사용해야할경우기존경로의통신파장을변경해야하는문제가발생 (contention) 하는데네트워크가복잡해질수록이러한파장재설정의문제는간단치않아진다. 이러한문제점을해결하기위해 ( 그림 7) 에서와같이노드상의트랜스폰더들을하나의뱅크로묶고각노드와멀티캐스트스 위치를이용해서연결하면위에제기된문제를해결할수있으며이러한기능을 contentionless라부른다. 이러한기능을수행할수있는 ROADM 을편의상 3세대로지칭한다. 3세대 ROADM 에서도경로선택및신호의삽입 / 추출은여전히파장선택스위치가담당한다. 멀티캐스트스위치란 M방향의자유도를가지는노드에서 N개의삽입 / 추출포트를할당할때 MxN WSS의역할을하는소자로구현되며이를통해 colorless, directionless, contentionless를구현하는 CDC-ROADM 을구성할수있다. 멀티캐스트스위치를구성하는 MxN WSS는여러가지방식이제안된상태이며, 이중 PLC 기반의광분기기와스위치를이용한조합이현재가장유력한방안으로개발중이다. 한편통신대역폭의폭발적인증가에따라전송효율향상을위해다양한변조방식이도입되고있으며채널별변조속도또한증가하고있어기존에고정된채널간격 ( 예로 50GHz) 을채택하는 DWDM 구조로는이러한다양한변조방식을효율적으로수용하기어렵다. 따라서좀더좁은채널간격 ( 예로 12.5GHz) 을채택하여신호의변조방식또는속도에따라채널간격을유연하게활용할수있으며스펙트럼효율을증가시킬수있는 ( 그림 8) 에서와같이 flexible-grid 기술의도입이전망된다. ROADM 은채널별로경로변경, 삽입, 추출을하는장 윤천주외 / SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 47
2. 클라이언트사이드 (Client Side) 광부품기술 < 자료 >: IEEE Comm. Mag., Feb. 2012, pp. S12 ( 그림 8) Flexible Grid 개념도 치이기때문에이러한 flexible grid 기술을수용할수있는 ROADM 장치가요구된다 [5]. 이러한 flexible grid 기술을갖는 ROADM 구현을위해서는 flexible grid 수용이가능한 WSS 와멀티캐스트스위치가필요하며 LC, LCoS 를이용한스위칭엔진과콘트롤러를통해구현가능하다. 이상에서살펴본바와같이네트워크의대역폭및복잡도증가에따라 ROADM 은지속적으로발전하고있으며네트워크운용의다양한요구의수용이가능해짐에따라 ROADM 은 SDN 구성의핵심요소로발전할것이다. 현재미국, 일본을시작으로 ROADM 이활발하게도입되고있으며국내에서도보급이진행중이며네트워크상태에따라성능대비비용이최적화된여러세대 ROADM 이동시에사용되고있는실정이다. 그리고스마트폰, IPTV, 클라우드컴퓨팅등다양한초고속데이터수요의발생에따라가입자망, 데이터센터등으로 ROADM 의적용범위가넓혀질것으로전망된다. 10Gbe neteork ~10km ( 그림 9) 클라이언트네트워크 Datacenter Ethernet terminal 클라이언트네트워크란 ( 그림 9) 에서와같이일반적으로이더넷을기반으로하는기업망을의미하였으나근래에들어모든통신이이더넷을기반으로발전함에따라넓은의미에서는전달망으로전해지기위해집속되는모든데이터신호를의미한다. 그중에서도데이터통신의발전에따라대용량데이터센터간의통신이가장큰화두로떠오르고있다. 오늘날멀티미디어데이터의홍수속에대용량데이터센터의건설이계속되고있으며이러한통신량을뒷받침하기위해클라이언트용트랜시버개발이매우중요하다. 클라이언트용트랜시버가가져야할가장중요한특성은소형화와저전력소모이다. 데이터센터의특성상막대한양의데이터를처리해야하기때문에하나의라인카드가가지는데이터처리용량이매우중요하다. 제한된라인카드의면적에서처리용량을늘리기위해서는설치면적의감소와발열량을줄이는것이다. 따라서클라이언트용트랜시버는고속화되면서도소형화, 저전력화를구현하는것이가장필요하다. 이더넷통신에대한표준은 IEEE에서이루어지고있으며현재거리별로 40G, 100G까지표준화가완료된상태이고금년부터 400G에대한표준화가추진될예정이다. 40/100G 이더넷에대한거리별표준화현황을살펴보면 < 표1> 과같다 [6]. 10km이상의 100G 이더넷신호의전송에는단일모드광섬유를매개체로 1.3um 대역의 800GHz 채널간격을가진 NRZ(Non Return to Zero) 포맷을가진 < 표 1> IEEE의 40G/100G 표준화현황 40 GbE 100 GbE 1m B.P 40GBASE-KR4 7m Copper Cable 40GBASE-CR4 100GBASE-CR10 100m MMF 40GBASE-SR4 100GBASE-SR10 10km SMF 40GBASE-LR4 100GBASE-LR4 40km SMF 100GBASE-ER4 48 전자통신동향분석제 28 권제 4 호 2013 년 8 월
다. 그리고레이저들을구동하기위한드라이버 IC 와수신부데이터를복원하기위한 CDR(Clock and Data Recovery) 어레이, SerDes/ 제어기등으로구성된전자소자도트랜시버에포함된다. 3. 라인사이드 (Line Side) 광부품기술 SDN 기술이광전달망에활용되기위하여요구되는 ( 그림 10) 트랜시버규격별라인카드실장예상도 광송수신기술은유한한파장대역폭을효율적으로사용하여자원활용을극대화하기위하여대역폭가변및파장가변기술, 서비스품질요구조건에따른전송거리를가변할수있는기술및이를제공하기위한광트랜시버기술로서, 코히어런트광전송기술과디지털신호처리기술을이용하여제공될수있다. 현재, 코히어런트광전송기술은 100Gb/s 대용량광전송을실현하기위한기반기술로선택되어상용화가이루어지고있다 [8]. ( 그림 11) 100G 클라이언트트랜시버개념도 25Gbps 속도의 4채널이사용된다. 현재 CFP 형태의트랜시버가 Finisar, JDSU, Oclaro 등을통해상용화되어있다. 하지만앞서언급한바와같이클라이언트용트랜시버의가장중요한요소인소형화, 저전력화를위해차기버전의트랜시버개발이필요하며현재개발진행중이다. ( 그림 10) 에서와같이장착밀도를 2배, 4배또는 8배까지증가시킬수있는 CFP2, CFP4 타입의트랜시버가차세대클라이언트트랜시버타입이될예정이다 [7]. 100G 클라이언트트랜시버는 ( 그림 11) 에서보듯이표준화규격에따라 4 채널의광원, 광원들을결합시키는 AWG-Mux(Arrayed Waveguide Grating-Multiplexer) 인 광송신기와 4 채널의광원들을분리시키는 AWG- Demux(Arrayed Waveguide Grating-Demultiplexer) 와 4 채널의 PD 어레이로구성된광수신기로구성되어있 < 자료 >: ECOC 2012, We.3.A.3 ( 그림 12) 소프트웨어제어를위한광트랜시버를구성하는광 front-end 윤천주외 / SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 49
이와같이, 소프트웨어로제어되고관리되는코히어런트광전송기술은소프트웨어로정의되는유연한광통신네트워크를실현할수있으며, 이는광통신네트워크를유연하고탄력적으로운용하는기술에서 SDN 을지원하는기술로진화하고있다 [9]-[11]. 이를위하여필수적으로요구되는단계가소프트웨어제어에적합한부품을집적하여광트랜시버로개발하는단계로서, 선 행적으로 ( 그림 12) 와같이광트랜시버를위한광 front-end 가개발되어야한다 [12]. 여기서, 광송신부에서요구되는핵심부품은파장가변레이저 (TLD: Tunable Laser Diode) 와 IQ 광변조기이고, 광수신부에서요구되는핵심부품은고속광검출기어레이칩, 90 광하이브리드, 파장가변 LO(Local Oscillator) 레이저이다. 각핵심부품들의프로토타입은대부분개발이완료되었으나향후집적도를향상시키기위하여크기를줄이고전력소모를개선하는문제가있으며, 특히저가격모듈을상용화하는것이가장중요한과제로남아있다. ( 그림 13) 는코히어런트광트랜시버타입의진화방향을나타낸것이다. 현재 OIF(Optical Internetworking Forum) 에서코히어런트 100G 트랜시버는 178 x 127mm의크기와 80W 이내의전력소모를갖는것으로논의되었지만향후 CFP(CForm factor Pluggable) < 자료 >: Challenges and key technologies for coherent metro 100G transceivers, Lightwave Mag., Nov. 1, 2012, ( 그림 13) 코히런트광트랜시버의가격과크기방향 < 자료 >: ECOC 2012, We.3.A.3 ( 그림 14) DAC와 DSP를송신부에내장하여상용화된코히어런트광트랜시버 (140x82 mm, <32W) 타입의크기, 더나아가 CFP2 (106x42 mm, <12W) 타입의크기로진화해야할것이다. 이러한집적화된초소형의광부품들을위해고정밀집적도가가능한광부품핵심기술개발이요구되고있다. 기존의광트랜시버는선택된광부품에따라기능이고정되는반면, 최근의코히어런트광트랜시버와디지털신호처리를이용하면소프트웨어제어로전송거리, 전송용량및스펙트럼효율성과같은변수들사이의조절을제공하는유연한광트랜시버개발이가능하다. 최근 Ciena 는 ( 그림 14) 에서보듯이 100Gb/s DWDM 용광트랜시버를기반으로하여국제산업체표준화단체인 OIF 의권고안에따라앞서언급한유연한광트랜시버를개발하였다 [13]. 여기서, DAC(Digital to Analog Converter) 와 DSP(Digital Signal Processor) 를추가함에따라 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 로부터 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 까지변조방식의가변을지원하고펄스파형생성및전기적인전처리분산보상을제공함으로써동작의유연성을극대화할수있었다. 이는 DP-QPSK, DP-16QAM 변조방식을지원함으로써 50, 100 및 200 Gb/s를단일캐리어로제공한다. 앞서언급한바와같이, 소프트웨어제어를위한광트 50 전자통신동향분석제 28 권제 4 호 2013 년 8 월
< 자료 >: Datasheet, Fujitsu s 100G coherent transceiver ( 그림 16) 100G 코히런트송수신기구조 100Gb/s급의광전송을위한변조방법으로서코히런트광검출을이용한이중편광직교위상천이 (DP-QPSK) 방식을채택하였다 [14]. ( 그림 16) 에서보듯이 DP-QPSK 변조방식의광송신기에서는디지털이진신호가광변조기의구동신호로바로사용될수있다. < 자료 >: ECOC 2012, We.3.A0.3 ( 그림 15) 소프트웨어제어를지원할수있는코히어런트광트랜시버의유연성랜시버는전송거리, 전송용량및대역폭에서의유연성을요구하기때문에변조방식, 심볼속도, 캐리어개수의조절을통하여요구사항을충족시켜야한다. 여기서, 최대심볼속도는 ADC(Analog to Digital Converter) 와 DAC 의최대샘플링속도와아날로그부품들의가용대역폭에의하여제한된다. ( 그림 15) 의위부분같이, 심볼속도가고정되어할당대역폭의크기가일정한경우데이터속도는변조방식에따라가변될수있는반면, ( 그림 15) 의아래부분과같이일정한전송용량이요구될경우심볼속도와변조방식을가변하여대역폭을조절할수있다. III. SDN을위한디지털신호처리기술 1. 디지털신호처리를이용한광변조와광검출기술최근광네트워크산업체단체표준 OIF 에서는 그러나 100Gb/s 이상인 400Gb/s 및 1Tb/s급의전송속도를구현하기위해서는 QPSK 이상의멀티레벨변조방식과여러개의광캐리어를필요로하며이진신호가아닌전기적멀티레벨변조신호가요구된다. 또한전기적멀티레벨신호를생성하기위해서송신기에고속 DAC 를이용한방법이효율적으로사용될수있다. 한편 DAC 를이용하지않고가변필터들과광변조기어레이구조를이용하여몇가지의변조방식을만들수있는멀티포맷광변조기기술도제안되었지만복잡성과가격경쟁력측면에서여기서는생략한다 [15]. 그리고광신호의세기를측정하여광신호를검출하는직접광검출방식과달리코히어런트광검출방식은광세기뿐아니라광신호의위상을추적하여광신호를검출한다. ( 그림 17) 에서보듯이하나의광캐리어에서광송신기와광수신기에디지털신호처리와고속 DAC 및 ADC 기술을도입하여편광다중화된여러레벨의 QAM 신호들이하나의광 I/Q 변조기를사용하여생성될수있으며코히런트광수신기를이용하여광검출될수있다. 디지털신호처리를이용한 QAM 광송신기에서이진 윤천주외 / SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 51
( 그림 17) 편광다중 QAM (a) 송신기 (b) 수신기구성도 신호는 FEC(Forward Error Correction) 부호화기로입력되며 FEC 부호화된이진신호는원하는 QAM 신호로매핑된다. 다음전송성능을개선하기위한여러종류의디지털스펙트럼변형기술이사용될수있다. 스펙트럼변형후의디지털 QAM 신호들의동위상 (inphase) 과직교 (quadrature) 위상성분들은 DAC 에의해멀티레벨의아날로그신호로변환된다. 이멀티레벨의전기적아날로그신호들은광 I/Q 변조기로연결되어광영역에서광 QAM 신호가생성되어광섬유를통하여전송된다. 따라서, 하나의편광다중광 I/Q 변조기만사용하여여러종류의편광다중광 QAM 신호를생성할수있다. 디지털신호처리를포함한디지털코히런트수신기구성도를 ( 그림 17(b)) 에나타내었다. 입력편관다중광 I/Q 신호는편광및위상다중광하이브리들통해광로컬오실레이터와코히어런트하게섞이게된다. 코히런트광수신기는 X-편광과 Y-편광성분별로분리시키 며다시편광성분당수신된광신호의동위상과직교위상성분으로분리시켜서광검출한다. 광검출기에의해검출된아날로그신호들은아날로그 / 디지털변환기에디지털화되며다음수신디지털신호처리부로보내진다. 수신부 DSP에서는 QAM 변조포맷에따라다른복조및복호기술이수행되며코히런트수신기의 frontend 부분인코히런트광수신기는여러종류의 QAM 변조포맷에관계없이공통적으로사용될수있다. 수신디지털신호처리부는광섬유색분산 (CD: Chromatic Dispersion) 보상부, 계속변화하는광신호의편광상태를처리하기위한적응등화부 (Adaptive Equalization), 클럭신호의위상을복원하기위한위상복원부 (Clock Recovery), QAM 신호를복조하여이진신호로바꾸기위한 QAM 매핑부와 FEC 코드를복호화하는 FEC decoding부등으로구성될수있다. 광섬유색분산보상부는광섬유의색분산값과전송거리에따라다른타입으로구현될수있고 2 x 2 적응등화부는 52 전자통신동향분석제 28 권제 4 호 2013 년 8 월
연속적인광신호의편광트래킹, 편광모드분산보상등을위해적응형으로동작하게된다. 또한적응등화부는여러개의 ROADM 의통과로인한협대역필터링효과로인한광신호열화를완화시키는기능을포함할수있다. 2. 속도가변형디지털신호처리기술 SDN 기술이광네트워크에효율적으로도입되기위해서는서비스요구조건에따라다양하게구성될수있는광송수신기가요구된다. ( 그림 18) 에변조방식, FEC 오버해드, 심볼속도, 광캐리어파장, 광캐리어수, 전송속도등의여러가변요구조건에따라다양하게구성될수있는광트랜시버의개념도를나타내었다. 또한각각의변수들의증가와감소는광신호의전송성능을결정하므로서비스요구사항에적합하게변수를설계해야한다. 예를들어, QPSK 대신에 16-QAM을선택하는것은전송용량을 2배증가시키지만 QPSK에비해 16- QAM은 OSNR(Optical Signal-to-Noise Ratio) 요구조건이높으므로전송거리가감소한다. 따라서, SDN 을 위한광트랜시버는서비스요구조건, 네트워크상황, 네트워크효율성등을고려하여여러가지의전송속도, 변조방식, 캐리어수, 심볼속도의다양한조합으로동작될것이다. 전송속도, 변조방식등을가변할수있는속도가변형광송수신기는 3-1절 ) 에서설명된편광다중 QAM 송수신기에서디지털신호처리기술부만약간변경하여쉽게구현될수있다. 심볼속도가일정할때변조방식을변화시키면비트속도가변하게되며 ( 비트속도가변형광송수신기 ) 또는전체비트속도를일정하게유지하면서심볼속도를바꾸어 ( 심볼속도가변형광송수신기 ) 속도를가변할수있다. ITU(International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) 에서정의하는 OTN 스위치는 ODU (Optical Data Unit) 으로입력되는트래픽을전송 OTN(Opitical Transport Network) 프레임형태로캡슐화할것이다. 보통의 ODU 크기는 2.5G (ODU1), 10G(ODU2), 40G(ODU3), 100G(ODU4) 이며가변크기의 ODU 도 ITU-T G.709에정의되어있으며 400G 이상으로확장될것이다 [16]. 따라서이여러가지의트래픽들은해당하는비트속도에서동작하는비트속도가변형광송수신기를이용하여전송될수있다. < 자료 >: IEEE Comm. Mag., Mar. 2013, p. 36. ( 그림 18) 다양한구성을가질수있는광트랜시버의기능개념도 ( 그림 19) 속도가변형송수신기의 (a) 송신디지털신호처리부 (b) 수신디지털신호처리부 윤천주외 / SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 53
( 그림 19) 에디지털신호처리부를약간변경하여속도가변형송수신기를구현한것을나타내었다. 속도가변은 QPSK, 8-QAM, 16-QAM 등의여러 QAM 변조방식들에서하나를선택하여구현될수있다. 단일속도의 QAM 광송수신기인 ( 그림 17) 과비교하여속도가변 QAM 광송수신기구현을위해요구되는추가적인디지털신호처리기능은작은것을볼수있으며이것은 QAM 매핑과디매핑에요구되는계산량은다른디지털신호처리부보다작기때문이다. 또한디지털신호처리부의변경을위한비용은다른광전부품들의가격에비교하여상대적으로낮으므로큰비용증가없이속도가변형 QAM 광송수신기를구현할수있다. 한편좀더세밀한속도가변을위해특정변조포맷을선택하는방법대신시간영역하이브리드 QAM 방법을이용하여속도를가변할수있는방법이제안되었다 [17, 18]. 이것은다른스펙트럼효율을가진두개의다른 QAM 변조포맷을각 TDM 프레임내에할당하여구현할수있다. 예를들어세개의타임슬롯을가진하나의 TDM 프레임내에첫두타임슬롯에는 32-QAM (5 b/symbol 의스펙트럼효율 ) 신호를할당하고나머지한타임슬롯에는 64-QAM(6 b/symbol 의스펙트럼효율 ) 을할당하여 5.33 b/symbol 의스펙트럼효율을갖도록구현할수있다. 심볼속도가일정할때 ( 그림 20) 에서보듯이더높은레벨의변조방식을사용하면광신호를전송할수있는거리는감소하게된다. 따라서전송속도가변형광송수신기는각광채널에대해서전송거리에근거하여채널별전송용량을최적화할수있다. 짧은전송거리의트래픽에대해서는전송용량을최대화하기위하여높은레벨의변조포맷을사용하고장거리의트래픽에대해서는광전변환을최소화하기위해낮은레벨의전송포맷을선택할수있다. 광신호가차지하는대역폭은심볼속도에의해결정되므로심볼속도가일정할때광채널의대역폭은일정하게된다. 따라서고정심볼속도의속도가변형광송수신기는고정채널간격을사용하는 RODAM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) 을보유한광네트워크에서도사용될수있다. 심볼속도를변화시켜전송속도를가변하는가변심볼속도 ( 고정비트속도 ) 광송수신기는사용하는광신호의대역폭이심볼속도에따라다르게된다. 단거리트래픽에대해서는높은레벨의변조포맷을사용하면서심볼속도를낮추어광신호의대역폭을좁게사용하며장거리트래픽에대해서는낮은레벨의변조포맷을사용하면서심볼속도를증가시켜광신호의대역폭을넓게사용할수있다. 네트워크의자원을효율적으로사용하기위해서가변심볼속도광송수신기를사용할경우에는최근에연구되고있고앞절에서설명한 flex-grid 기술을갖는 ROADM 과같은대역폭가변채널라우팅기술과함께사용되어야한다 [19]. III. 결론 < 자료 >: IEEE Comm. Mag., Mar. 2013, p.46 ( 그림 20) 변조방식에따른전송거리 (40GBaud와 50GHz 채널간격가정 ) 차세대광통신네트워크기술의핵심이되는 SDN 기술이광네트워크에도입시필요한광통신핵심요소기술에대해서소개하였다. 최적의경로를설정하고트래 54 전자통신동향분석제 28 권제 4 호 2013 년 8 월
픽을분산하여전송할수있는 CDC-ROADM 기술, 고속클라이언트사이드트랜시버및라인사이드트랜시버기술에관하여살펴보았다. 또한네트워크서비스요구사항에따라전송용량, 전송거리, 변조방식등을동적및소프트웨어적으로유연하게대응할수있는디지털신호처리기술에대하여기술하였다. 본분야의기술발전속도는매우빠르므로빠른시간내에차세대광통신네트워크의핵심부품및전송기술에대한원천기술확보및상용화에대한노력이중요할것이다. 용어해설 SDN 망의구성과동작을개방화하고네트워킹기술을컴퓨팅기술로모델링하여소프트웨어 ( 프로그램 ) 에의하여망의제어및관리를용이하게하는기술 ROADM 파장분할다중화시스템에서파장계층에서트랙픽을스위칭할수있는광애드 / 드롭다중화기를말하며파장선택스위칭모듈을이용하여구현됨. 전송광섬유에서파장다중화된채널의하나또는여러광채널을전기신호로변환없이추가하거나추출할수있는기술 약어정리 ADC Analog-to-Digital Converter API Application Program Interface AWG-Mux Arrayed Waveguide Grating-Multiplexer AWG-Demux Arrayed Waveguide Grating- Demultiplexer CD Chromatic Dispersion CDC Colorless, Directionless, and Contentionless CDR Clock and Data Recovery CFP C Form-factor Pluggable DAC Digital-to-Analog Converter DP-QPSK Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying DSP Digital Signal Processing DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing FEC Forward Error Correction ITU International Telecommunication Union ITU-T LD LO ODU OIF OLO OSNR OTN QAM QPSK ROADM ROSA SDN TIA TLD TOSA 참고문헌 ITU Telecommunication Standardization Sector Laser Diode Local Oscillator Optical Data Unit Optical Internetworking Forum Optical Local Oscillator Optical Signal-to-Noise Ratio Optical Transport Network Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer Receiver Optical Sub-Assembly Software Defined Netwoking Trans-Impedance Amplifier Tunable Laser Diode Transmitter Optical Sub-Assembly [1] Y. Ito, A New Paradigm in Optical Communications And Networks, IEEE Comm. Mag., 2013, pp. 24-26. [2] S. Gringeri et al, Extending Software Defined Network Principles to Include Optical Transport, IEEE Comm. Mag., 2013, pp. 32-40. [3] J. Zhang et al, First Demonstration of enhanced Software Defined Networking (esdn) over elastic Grid (egrid) Optical Networks for Data Center Service Migration, OFC/NFOEC 13, 2013, PDP5B.1. [4] P. Colbourne and B Collings, ROADM Switching Technologies, OFC 2011, OTuD1. [5] S. Perrin, Building a Fully Flexible Optical Layer with Next-Generation ROADMs, Heavy Reading 2011, WP. [6] http://www.ieee802.org/3/ba. [7] C. Cole, Next Generation CFP Module, OFC 2012, NTu1F.1. [8] M. Birk et al., Coherent 100 Gb/s PM-QPSK Field Trial, IEEE Comm. Mag., 2010, pp. 52-60. [9] D. J. Geisler et al, Bandwidth scalable, coherent transmitter based on the parallel synthesis of multiple 윤천주외 / SDN 구현을위한광통신핵심요소기술 55
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