수동 광통신망

수동 광통신망(PON; Passive Optical Network) 또는 간략히 PON은 광케이블망을 통해 최종사용자에게 신호를 전달하는 시스템이다. 이 시스템은 PON이 어느 위치에서 종말 처리되느냐에 따라, FTTC, FTTB 또는 FTTH 등으로 나뉘어진다. PON은 통신회사에 설치되어 있는 한 대의 OLT와 가입자 부근에 설치되어 있는 다수의 ONU로 구성되는데, 대개 최대 32개의 ONU가 한 대의 OLT에 연결될 수 있다. PON에서 passive 즉 '수동'이란 일단 신호가 네트워크를 통해 지나가기 시작하면 광 전송을 위해 전력 에너지 또는 활성 전자 부품이 더 이상 필요 없다는 것을 의미한다.

일본에서는 일본전시전화국, 즉 NTT가 루슨트테크놀로지스 제품을 이용하여 전 시스템에 걸쳐 PON을 설치할 계획을 하고 있다.

개요

PON은 하나의 단독형 시스템에서, 하향으로 622Mbps, 상향으로 155Mbps의 대역폭을 사용자에게 제공할 수 있으며, 이 대역폭은 다수의 PON 사용자들에게 할당될 수 있다. PON은 또한 케이블TV 시스템과 같은 대규모 시스템과 인근의 빌딩 또는 동축케이블을 이용하는 가정용 이더넷 네트워크 사이에서 트렁크로 이용될 수도 있다. PON은 기업, SOHO(Small Office Home Office) 및 일반가정에까지 광섬유에 기반한 초고속 서비스를 제공하는 광가입자망 기술로 수동소자로 광통신망을 구성하는 방식을 택하였기 때문에 수동형(Passive) 광 네트워크 라고도 부르며, PON의 일반적인 구조는 CO(Central Office)에 OLT(Optical Line Terminatio 설치되고, 1:N의 광분 기기(Optical Star Coupler)를 통하여 OLT에 다수의 가입자 장치인 ONU(Optical Network Unit)가 연결되는 형태이다. 예를 들면 32대의 ONU가 공유하는 경우 전송 속도가 1Gbps의 PON이라면 1 가입자당 최저 30Mbps 정도의 대역을 확보할 수 있다. 기존 광통신망이 백본망에서 가입자까지 일대일 연결방식인 데 비해 PON은 일정 거리까지는 하나의 광 선로를 깔고 그 이후부터는 분배기를 이용해 여러 개로 회선을 분배하기 때문에 구축 비용이 저렴한 장점이 있으며, 1:N 연결방식이므로 OLT 사이트의 광 폭주를 줄여주며, 고가의 OLT 장비 비용을 많은 가입자들이 나누어 부담하는 효과를 낼 수 있다.

등장 배경

PON은 B-PON(Broadband PON), G-PON(Gigabit PON), GE-PON(Gigabit Ethernet PON)의 세 가지 방식이 이용되고 있다. B-PON은 최초로 실용화된 국제 표준(ITU-T 제정) 사양으로 1999년 6월에 NTT가 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 전용선 서비스로 상용화하였고, B-PON은 기존의 모든 전기통신 서비스를 수용하는 것을 목적으로 하며, 전화의 음성이나 모든 이더넷 데이터 신호를 고정 길이인 ATM 셀에 분할하여 전송하는 구조이다. GE-PON이 등장할 때까지 FTTH에 적용되었으며, 현재도 사용 중에 있다. 하지만, B-PON은 ATM 채용에 따른 몇 가지 문제점을 내포하고 있으며, 이중 대표적인 것이 가변 길이인 이더넷 프레임의 수용 효율 저하로 저비용화가 곤란하다는 점이다. 이를 해소하기 위해 ITU-T가 새로운 국제 표준화 규격으로 제정한 것이 G-PON이다. G-PON은 모든 전기통신 서비스를 수용한다는 B-PON의 목적은 그대로 살리되, 이더넷 프레임을 효율적으로 수용하기 위해 ATM 이외의 서비스를 GEM(G-PON Encapsulation Method)이라는 새로운 가 변장 프레임에 수용하는 방식을 채택하였다. GEM 프레임은 종래의 전기 통신 서비스의 기본 시간 단위와 같은 주기로 정의하였기 때문에 전화나 전용선 같은 기존 서비스도 효율적으로 수용할 수 있는 장점이 있다. GE-PON은 FTTH를 저가에 고속으로 실현할 수 있는 최신 기술로 2004년 6월 관련 표준인 IEEE 802.3 ah가 고속 광접속 방식의 하나로 만들어졌으며, 일본에서는 2004년 후반부터 GE-PON을 채용한 상용 서비스가 시작되었다.

특징

• 광 선로의 공유에 의한 설치비용 절감

1. PON은 스플리터와 같은 수동소자(별도의 전원 공급 불필요함)를 사용한다.
2. 광케이블 하나를 다수의 ONU가 공유하는 경제적 구축 기술
3. 기존의 FTTH 에서처럼 1대1로 광케이블을 연결했을 때보다 비용 절감 가능하다.
4. 광 송수신 장치와 광케이블 비용의 상당 부분을 절감할 수 있다.

• 수동소자 사용에 의한 유지비용 절감 : 별도의 전원공급이 필요 없는 수동소자 만이 전송로에 사용되어 유지비용 낮다.
• 전송 거리가 긴 편 : xDLS은 전송 거리가 약 4km 이내이나, PON은 10~20km 정도도 가능하다.

• 데이터 전송

PON에서 데이터 전송은 양방향 트래픽이다. 고객에서 ISP로 전송되는데, 여기서 광 결합기는 TDM(Time Division Multiplexing)을 통해 고객 데이터를 단일 신호로 결합하는 것을 업스트림 데이터 전송 이라고 하고, ISP에서 고객으로 전송되며, 광 분배기는 신호를 분할하여 모든 구내로 브로드 캐스트하고, 고객 측의 암호화 및 인증 측정에 따라 전송된 신호에서 데이터에 액세스할 수 있는 사람이 결정되는 다운 스트림 데이터 전송 이 있다.

PON 전송 구조

• 1대 다수 형태 : 집중 국사에 1개의 OLT(Optical Line Terminal)를 두고 하나의 광섬유에 의해, 그 중간 지점에 광 결합점(Optical Splitter, 전원공급이 불필요한 수동소자)을 두어, 하향 : 광 분배기(1:N), 상향 : TDMA 등에 의한 광 결합기(N:1), 다수의 ONU(Optical Network Unit) 또는 ONT(Optical Network Terminal)들이 연결되는, Point-to-Multi point (1대 다수, PTMP, 1:32 등) 형태로 구성
• 상 하향 비대칭 경쟁방식(Contention Method)

1. 하향 전송 : 단방향 브로드캐스팅 방식이다.
2. 상향 전송 : 시분할(TDMA, TDM-PON) 또는 파장 분할(WDM, WDM-PON) 등의 다원접속 방식에 의해 각 ONU/ONT가 경쟁한다.

1. OLT(Optical Line Terminal) : 국사 내에 설치되어 백본망과 가입자망을 서로 연결하는 광가입자망 구성 장치는 가입자 광신호를 국사 측에서 종단하는 역할을 하며, Ont 상호 간에는 직접적인 통신을 하지 않으며, OLT 제어를 통해서만 통신이 가능하다.
2. ONU(Optical Network Unit) : 주거용 가입자 밀집 지역의 중심부에 설치하는 소규모 옥외/옥내용 광통신 장치 이며, 주로 통신 시설용 캐비넷 등에 의해 수용된다.
3. ONT(Optical Network Terminal) : 최종 종단 장치로 PC와 연결할 수 있는 일명 광모뎀이라고도 말한다.

AON, PON 차이점

AON(Active Optical Network) 과 PON의 구별은 광신호를 분기시키는 데(전원을 필요로 하는) Active Equipment를 필요로 하느냐, 필요로 하지 않느냐로 나눈다.

Key : A; Data or voice for a single curstomer, V; video for multiple customers

• Ethernet Switch나 Router와 같은 Active Equipment로 광신호를 분기 시켜 광 통신 네트워크를 구성하는 것이 바로 AON 이다.
• 이처럼 AON 의 경우에는 광신호를 분기시키는데 Ethernet Switch나 Router 같은 고가의 장비가 필요하며, 이것은 통신 사업자로 하여금 가입자망을 구축하는데 상당한 부담감을 준다.

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• 반면, PON의 경우에는 광신호를 분기시키는데 저가의 Splitter만 있으면 되므로 확장성 및 관리를 하는 데 있어 AON 보다 유리하다.
• 따라서, 통신사업자들은 광가입자망(Optical Access Network)을 구축하는데 PON 방식을 사용한다.

PON 구분

B-PON(Broadband - PON)

1. 최초의 PON 방식으로 기본 프레임으로 ATM 셀을 기반으로 하는 광가입자망 구성 기술
2. 1990년대 초 FSAN에 의해 최초로 소개된 바 있고, 지금은 기술이 다소 진부하고 저속이다.
3. 상대적으로 높은 오버헤드가 있다(53바이트 ATM 셀 내 5바이트 헤더).

기본 프레임(ATM 셀)  : ATM 방식을 통한 QoS 보장이다.
전송속도 (하향/상향) : 155Mbps / 155Mbps, 622Mbps / 155Mbps (가장 많이 사용), 622Mbps / 622Mbps, 1.25 Gbps / 155Mbps, 1.25 Gbps / 622Mbps
사용 파장 대역        : 하향 1,490nm, 상향 1,310nm (데이터/음성) (2개의 광코아), 하향 1550nm (비디오 방송 전송), 따라서, 전화국은 2개 광원/1개 광수신기, 댁내는 1개의 광원/2개
광수신기 필요하다.
선로부호 : 스크램블된 복 극성 NRZ 신호
전송 거리 : 20km
분기율   : 1:32 (64는 선택사양)
관련 표준 : (표준화 완료) ITU-T G.983.1~8 (1999년)

G-PON(Gigabit - PON)

• B-PON의 한계를 극복하고자 2001년 FSAN에서 표준화를 시작한 PON 표준이다.

기본프레임 : ATM / Ethernet 등 동시 수용한다.
전송속도   :
G-PON      : 하향 1.25 Gbps / 상향 (155Mbps, 622Mbps, 1.25 Gbps), 하향  2.5 Gbps / 상향 (155Mbps, 622Mbps, 1.25 Gbps, 2.5 Gbps)
XG-PON     : 하향 10Gbps   / 상향  2.5 Gbps
전송거리   : 논리적으로 OLT 및 ONU 간에 최대 60km. 단, ONU 간에는 최대 20km
분기율     : 1 : 64 (1개 OLT에 최대 64개 ONU)
전송구조   : 점 대다 중점 구조(PMP)

• 주요 특징 : B-PON 또는 E-PON의 속도한계의 극복하고, 125㎲ 주기의 프레임 전송 제어 지원하며, 가변 길이 프레임 ATM뿐만 아니라, GEM(GPON Encapsulation Method) 프레이밍 방식을 이용하여 IP/Ethernet/TDM 등 지원한다. 또한 사용자 트래픽 군집화(Aggregate) 가능하다.
• 계층구조

G-PON TC (GTC) Layer : 사용자 데이터를 PMD 계층으로 적응시키고, G-PON 망 관리를 위한 기본 기능 수행한다.

GE-PON(Gigabit Ethernet - PON)

GE-PON은 고속성이 최대 장점이며 이를 이용한 고품질의 IP 영상 전송, IP 전화, 화상 전화 서비스가 가능하다. GE-PON의 특징은 크게 PON 기술의 채용, 1Gbps의 고속 전송, 이더넷 프레임 상태로의 송수신을 꼽을 수 있다. PON 시스템을 채용하기 때문에 이용자당 도입 비용을 절감할 수 있으며, 이더넷 프레임 상에서 송수신함으로써 장비의 단순화가 가능하고, 또한 기존 LAN 및 이더넷 부품 이용이 가능해져 저가 장비의 제작이 가능하다. GE-PON의 표준화 작업은 이더넷을 접속망에 적용한다는 목적으로 시작되었으며 정식 명칭은 EPON이지만 기가비트를 강조하기 위해서 GE-PON으로 부르는 것이 일반적이다. GE-PON은 표준 규격을 따르는 제품끼리의 상호 접속성의 확보가 용이하기 때문에 브로드밴드 라우터나 ADSL 모뎀에서와같이 경쟁에 의한 제품의 다양화 및 저가격화가 이루어질 가능성이 높다.

E-PON(Ethernet - PON)

• 스플리터와 같은 수동소자만을 사용하여 광케이블 하나를 다수의 가입자 ONU가 공유토록 하는 이더넷 기반의 수동광가입자망 기술을 말한다.
• LAN 및 WAN에 많이 설치된 기존의 이더넷 시설과의 호환성이 높으며, 프레임 구조가 IP 데이터를 싣기에 용이한 이더넷 프레임을 갖는 기술이다.
• 하향 통신은 브로드캐스팅, 상향 통신은 프레임 스케쥴링 기법에 의한다.

전송속도     : 상/하향 1.25Gbps/1.25Gbps
선로부호     : 8B/10B
다중접속     : TDMA
기본 프레임  : 이더넷 프레임
분기율       : 1:16 이상
전송 거리     : 10m / 20km
사용 파장 대역 (B-PON과 유사)
데이터, 음성 : 상향 1310nm, 하향 1490nm
비디오 : 1,550nm(다채널 비디오)

• ATM PON (B-PON) 방식과 비교되는 장점 : 최대 1518바이트까지의 가변 길이 전송, 최대 65535바이트의 가변 길이인 IP 패킷 전달에 유리하고, 높은 대역, 광대역 전송 가능하며, 투자 및 유지보수 비용이 저렴하다.

WDM PON(Wavelength Division Multiplexing - PON)

가입자 또는 서비스별로 파장을 다중화하는 WDM 방식을 사용하여 다수의 ONU(Optical Network Units)가 하나의 광섬유에 여러 개의 광 링크(Optical link)를 수용하여 경제적으로 광가입자망을 구축하는 기술을 말한다.

하향은 WDM, 상향은 WDMA
전송속도     :  제한 없음
파장 대역     :  상향 L Band, 하향 C Band
기본 프레임  :  계층 2 프로토콜이 투명한 전송 (Protocol Transparency)
분기율       :  1:32, 1:64
대역 확장 방법 :  파장 추가만으로 가능
연결 형태     :  OLT -- 광케이블 -- 스플리터 -- ONU
OLT에 가입자 수 만큼 광 송수신기 사용 필요
주요 표준화 단체 : FSAN에서 2004.6~  표준화 추진 중 

TDM-PON(Time Division Multiplexing - PON)

• 수동 광가입자망 구현방식 중 시분할에 의해 가입자별로 할당된 시간에 데이터의 송수신을 수행하는 방식이다.
• 장점 : CO(Central Office)에서 하나의 광원으로 여러 가입자를 수용할 수 있으며, 기존 전달망에서 많은 성숙된 표준 및 기술, 비용 우위를 가지고 있다.
• 단점 : 시간 분할에 의해 가능한 대역폭을 최대로 활용할 수 없고, 중앙 집 중국에서 모든 가입자에게 정보가 분산되므로 보안성이 약하다.

계층 2 프로토콜별 구분

B-PON  :  ATM PON
G.983 (B-PON)  : 하향 (155M, 622Mbps) / 상향 (155M, 622Mbps, 1.25 Gbps)

G-PON  :  Ethernet 및 ATM PON  (B-PON의 확장)
G.984 (G-PON)  : 하향 2.488 Gbps / 상향 1.244 Gbps
G.987 (XG-PON) : 하향 10G / 상향 2.5 G 또는 하향 10G / 상향 10G

E-PON  : Ethernet PON
E-PON     (802.3ah EFM) : 하향 1G / 상향 1G
10G E-PON (802.3 av)     : 하향 10G / 상향 1G 또는 10G

계층 2 프로토콜이 투명
WDM-PON

하향/상향 전송방식별 구분

• TDMA 방식 (하향 TDM, 상향 TDMA) : TDM-PON (B-PON / G-PON / XG-PON / E-PON / 10G-EPON), 하향은 TDM 브로드캐스팅 방식, 상향은 TDMA 다원접속 방식으로 상향, 하향에 각 1파장씩 사용한다.
• WDMA 방식 (하향 WDM, 상향 WDMA) : WDM-PON, 하향은 WDM 브로드캐스팅 방식, 상향은 WDMA 다원접속 방식으로 가입자별로 별도의 광 파장 사용한다.

PON 기술방식별 비교

구분	B-PON	G-PON/XG-PON	E-PON	WDM-POM
기본프레임	ATM	ATM or Ethernet	Ethernet	Transparent
전송행태	ATM 셀(53 byte)	Generic Frame(125us 프레임)	Ethernet Frame(64~1514 byte)	Transparent한 전송형태
표준화	ITU-T G.983x	ITU-T G.984, G.987	IEEE 802.3ah, 802.3av	-
상향 다중접속	TDMA	TDMA	TDMA	WDMA
특징	* 뛰어난 Qos * 높은비용 * 멀티미디어 서비스지원	* 뛰어난 Qos * 높은 비용 * 멀티미디어 서비스지원	* IP와의 접목 용이 * 낮은비용	* 각 가입자에세 독립된 파장을 할당
제공서비스	PoTS, Data, 영상	Any-type(B-PON, SDH 등)	VoIP, Data, 영상 등	B, G, E-PON에서 제공하는 모든 서비스
핵심요소	다양한 서비스	-	비용 경쟁력	고정 Bandwidth

전망

2006년부터 국내 인터넷 포털 사이트들을 중심으로 동영상 콘텐츠 서비스 경쟁이 본격화되고 있으며 메신저와 VoIP를 연동하는 서비스도 선을 보이고, 통신사업자들은 IPTV 서비스를 본격적으로 시행하며 트리플 플레이 서비스에 박차를 가하고 있는데, 이러한 광대역 서비스의 증가와 인터넷의 수요를 가입자에게 원활하게 제공하기 위해서는 이론적으로 무제한의 데이터를 처리할 수 있는 광 가입자 접속망과 코어 망 시스템의 구축이 필수적으로 광 네트워크 기술의 진화는 광 스위치­PON­광 터미널로 이어지는 코어 망에서 가입자망까지 모두 완전 광화(All Optical Network: AON)를 추구하는 방향으로 나아갈 것이다. PON을 이용한 광가입자망 구축은 초고속화/대용량화 및 실시간화라는 시장 욕구를 만족시켜줄 뚜렷한 대안으로, PON의 진화 경로는 기존 동선의 활용에서부터 완전 광 화까지 비용 및 기술 측면에서 자연스럽게 이어질 수 있기 때문에 PON 기술의 진화는 기술적 안정성과 경제적 측면에서 가능성이 상당히 높은 시나리오로 볼 수 있다. PON의 경우 ATM­PON에서 WDM­PON의 진화가 단순히 순차적으로만 진행되지 않을 수도 있고, 이들 간의 경제성을 비교한 여러 분석을 종합하여 보면, 기술 대안간 뚜렷한 비용 우위를 보이는 것은 아니라는 결과가 도출되기 때문에 다양한 PON 기술이 기술적으로는 진화재 일지라도 경제적으로는 진화 재가 아닌 경쟁재 로서 혼재할 가능성도 높다.

해외 통신사업자의 경우 단기적으로 경제적 효과가 높은 G-PON, E-PON 중심의 투자를 하는 반면, 국내 통신사업자들은 단기적으로는 비용 부담이 있으나 완전광화를 실현할 수 있는 WDM-PON 기술에 상대적으로 과감한 투자를 하고 있으며, 기술적으로도 앞선 것으로 평가받고 있어 특히, 우리나라의 경우 초고속 통신 서비스에 대한 소비자들의 인지도가 높고 고품질 서비스에 대한 요구도 상당히 높아 VDSL 및 PON에 기반한 FTTH 구조의 풀 서비스(full service) 시장의 잠재력은 충분여 코어 망 인프라에 대한 충분한 용량확보와 적극적인 투자로 고속통신에 대한 환경이 갖추어진다면 광가입자망 구축의 도입이 조기에 활성화될 수 있을 것이다. 풀 서비스에 대한 수요가 어느 정도 될 것인가와 함께 이에 대응하여 얼마나 경제적인 비용으로 가입자 서비스가 가능한가가 광가입자망의 시장도입과 그 진화속도를 결정할 것이다.

참고자료

• 정보통신기술용어해설, 〈PON Passive Optical Network 수동 광가입자망〉,《KT월드》, 2017-03-15</ref>
• 〈PON (passive optical network) ; 수동 광통신망〉,《텀즈》
• 정보서비스팀 문병주 팀장, 〈광네트워크〉,《ITA 정보서비스》
• 조성민 팀장 등 3명, 〈광가입자망 표준화 및 시장 동향〉,《넷매니아스》
• 둔탱이, 〈대형건물에서의 구간별 PON(Passive Optical Network), AON(Active Optical Network) 구성도를 그리고 설명〉,《티스토리》, 2015-09-20

같이 보기

• 광통신망
• 네트워크

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