For the cost-effective implementation of the access network, there have been substantial efforts to accommodate a variety of services in the same fiber infrastructure. For example, Full Service Access Network (FSAN) has been proposed to support various types of narrowband and broadband services in digital format. However, most of these efforts were focused on providing only the various types of wired services such as digital baseband and analog cable television (CATV) using the same fiber infrastructure. Recently, fiber network has also been deployed extensively for the wireless services. Thus, it would be extremely attractive if both wired and wireless services could be accommodated within the same fiber infrastructure. In this dissertation, a multi-purpose fiber-optic access network (MFAN) has been proposed to solve this problem. This network can support a wide variety of both wired and wireless services in the same fiber infrastructure including digital baseband, analog CATV, personal communication service (PCS), wireless local loop (WLL), and local multi-point communication service (LMCS). The results show that MFAN could support the independent operation of these services and minimize the cost of deploying fiber networks.
MFAN is designed to have a double-star architecture. This was to take advantage of the geographical characteristics of various wired and wireless services. For example, the remote base station (RBS) for PCS was located at the same site with the optical network unit (ONU) for both of digital bansband and analog CATV. The radio port (RP) for WLL and LMCS signals was placed at the remote node (RN). In this double-star network, intermediate frequencies (IF's) were used to access each RBS. Although this architecture requires up/down converters at each RBS, it offers many advantages. For example, it requires one optical source for all RBS, provides optical fiber gain, mitigate the frequency requirement of various optical and electrical components. The WLL and LMCS signals also utilized the IF's at around 3.5 GHz. This was because the sub-carrier multiplexed signals operating at the millimeter-wave frequencies could suffer from the fading effect caused by chromatic dispersion. The baseband signal was multiplexed in time domain and distributed to ONU's.
For demonstration, a passive MFAN was first implemented by using both of coarse WDM and SCM technologies. The implemented network accommodated 2.5-Gb/s digital baseband signal, 58-channel CATV signals, 4-IF PCS signals (for -120 subscribers), 30-MHz WLL signals, and 2.4-Gb/s LMCS signal. However, in this network, the baseband signal could degrade the carrier-to-noise ratio of CATV signal due to simulated Raman scattering. Thus, it was necessary to minimize the output power of baseband signal. Although a single laser was used for the transmission of both WLL and LMCS signals, these services could have sufficient dynamic ranges by optimizing their modulation indices. For the transmission of upstream PCS signals, low-cost LED's were used to minimize the impairments caused by the optical beat interference (OBI) noise. However, the passive MFAN could support only up to 8 ONU's due to OBI noise. To enhance the network scalability, an active MFAN was also demonstrated. In this network, an optical amplifier was used at the RN to compensate the splitting loss of downstream signals. For upstream transmission, low-speed transceivers and multiplexing circuits were used at the RN to avoid the OBI noise and improve power budget. As results, the active MFAN could support more than 64 ONU's.
As the traffic continues to increase, a coarse WDM network such as MFAN will eventually be evolved to a DWDM network. In fact, there is now growing interests on the passive optical network (PON) using DWDM technology. However, for its practical deployment, it is essential to reduce the network complexity and subsequent cost. To solve this problem, it has been proposed to implement WDM PON by using spectrum-slicing technique. This technique could be advantageous as it utilizes a low-cost LED at every subscriber's site. However, this technique has a serious limitation due to the inherently large slicing loss and low output power of LED. In this dissertation, this problem was mitigated by utilizing multiple peaks of spectrum-sliced light for the transmission of each channel, together with a forward-error correction (FEC) technique. The dispersion penalty, caused by using multiple peaks of the spectrum-sliced light, was suppressed by using the LED's operating in the 1.3-pm region and dispersion pre-compensation circuits (DPCC).
For demonstration, a bidirectional WDM PON was implemented by using spectrum-sliced LED's and cyclic arrayed waveguide gratings (AWG's). The results show that, when the transmission distance was 20 km, the proposed network could support more than 40 subscribers with 155-Mb/s channels (both upstream and downstream) over a single strand of fiber without using optical amplifiers. This network was also equipped with a new protection scheme tailored for the spectrum-sliced WDM PON. The proposed scheme, implemented simply by using a 2xN AWG and an on-off optical switch, could restore the downstream and upstream signals within 12 ms when a fiber cut occurs between the central office and remote node.
본 논문에서는 POTS, IP, ATM 등의 디지털 기저 신호, PCS 와 같은 이동통신 신호, WLL, LMCS 등과 같은 광대역 무선 신호, 아날로그 CATV 비디오 신호 등을 포함하는 다양한 가입자 서비스들을 동일 광섬유망(fiber infrastructure)에 수용할 수 있는 다목적 광섬유망(MFAN)에 관하여 논하였다. 수용되는 유무선 서비스들의 지리적 기술적 특성을 소화하기 위해 다목적 광섬유망의 구조를 이중 성형 구조로 설계하였고, 이를 경제적으로 구현하기 위하여 세 가지 유형의 광섬유망을 구현하여 그 성능을 분석 및 평가하였고, 구현된 망 내에서 모든 서비스가 독립적으로 운영할 수 있는 기술적 가능성을 살펴보았다. 또한, 망의 확장성을 분석하여 향후 망의 진화 방안에 대하여 논하였다. 한편, 상기 가입자 서비스가 IP와 같은 동일한 형식의 디지털 통신으로 변환되어 서비스하게 되는 경우에 효과적인 파장분할다중방식 수동형 광가입자망에 대하여 추가적으로 논하였다.
먼저 광섬유망 내에 수동형 소자만을 사용한 수동형 다목적 광섬유망을 구현하였다. 수동형 다목적 광섬유망은 이중 성형 구조를 사용하여 각 서비스의 지리적 요건을 해결하였다. 또한, 원격노드 내에 분기형 소자로 수동 소자만을 사용하므로 별도의 전력을 요구하지 않으며, 서비스의 유지 및 관리가 용이한 장점을 지닌다. 실험에서 수용된 서비스에는 2.5 Gbps속도의 디지털 기저신호와 58 채널의 아날로그 CATV방송 신호, 기지국 당 4 주파수 채널의 PCS신호(~120 동시가입자), 30 MHz급의 WLL신호, 2.5 Gb/s급의 LMCS신호 등이 있으며, 부반송파 다중화(SCM) 기술과 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 동시에 이용하여 3개의 광원만으로 모든 서비스의 운용이 가능하게 하였고, 광원을 직접 변조 함으로써 경제적인 가입자 망을 구현하였다. 서비스간의 선형 누화 성분은 2단 여과기로 이루어진 Coarse WDM을 사용함으로써 충분히 억제하였고, 광섬유내의 유도 라만 산란에 의한 비선형 누화 성분에 의해 디지털 기저신호가 CATV 신호의 성능에 영향을 주지 않도록 디지털 기저신호의 광전력을 적절히 제어하였다. 두 서비스를 부반송파 다중화하여 동일 광원을 사용함으로써 생긴 영향은 각 서비스의 광변조지수를 적절히 조절함으로써 최적화 하였다. 그 결과 수동형 광섬유망에 수용된 서비스들을 독립적으로 운영할 수 있는 기술적 가능성을 실험적으로 확인하였다.
다음으로 이중 성형 구조의 수동형 다목적 광섬유망에서 원격노드 내에 수동소자를 능동 소자로 교체함으로써 수동형 다목적 광섬유망의 단점을 보완하고 ONU의 수를 확장 시킬 수 있는 능동형 다목적 광섬유망을 구현하였다. ONU의 수가 증가할 경우 하향 방향은 링크내의 손실의 증가로 CATV 신호의 광전력 마진을 확보하기 힘들기 때문에 원격노드(RN)에 능동형 소자인 EDFA를 사용하였으며, 상향 방향은 각 ONU에서 올라온 빛이 간섭하여 발생하는 광비트간섭잡음를 제거하기 위해 원격노드에서 지역기지국의 수 만큼의 수신기 배열을 사용하였고, PCS신호들은 부반송파 다중화(SCM) 하고, 디지털 기저 신호는 시간 분할 다중화(TDM) 하여 각각 서로 다른 광원을 구동하여 상향 전송하였다. 또한, WLL 및 LMCS신호의 성능은 하향의 경우 수동형 다목적 광섬유망과 동일하나, 상향의 경우 링크 내의 손실이 줄어듦에 따라 좀 더 좋은 성능을 얻을 수 있었다. 서비스 간의 선형 누화 성분은 수동형 다목적 광섬유망과 마찬가지로 충분히 억제되어 다른 서비스의 열화를 가져 오지 않았고, 모든 서비스들이 각 서비스의 요구조건을 충분히 만족함을 확인하였다. 또한, 제안된 능동형 다목적의 확장성을 분석하였다. 64개의 ONU를 확보하기 위해서는 CATV신호를 위해서는 원격노드에 사용된 EDFA의 출력 광전력이 21 dBm이상이 되도록 설계하여야 하며, 디지털 기저신호를 위해서는 원격노드와 중앙기지국에서 광송수신기를 고속화된 광송수신기로 교체해야 함을 알 수 있었다. 반면, PCS신호를 위한 광송수신기들은 기존의 소자를 이용하더라도 함으로 상하향 모두 5 dB이상의 CNR 마진이 있음을 알 수 있었다. 따라서, 능동형 다목적 광섬유망은 비록 원격노드의 복잡도가 다소 증가하지만, ONU의 최대 64개까지 확장 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 서비스를 독립적으로 제공할 수 있는 구조이다.
다음으로 기저신호, 디지털 비디오, 아날로그 CATV방송과 같은 유선 서비스들과 이동통신, 광대역무선(WLL, LMCS)과 같은 무선 서비스들을 공간적으로 분리한 양방향 유무선 분리형 다목적 광섬유망을 제안하고 이를 구현하였다. 제안된 다목적 광섬유망에서는 유무선 서비스가 공간적으로 분리되어 있으므로 양 서비스 제공업자간의 정책적 제휴가 불필요하도록 할 뿐 아니라, 각 서비스간의 독립성이 보장되므로 경제적인 유무선 복합 가입자망을 구현하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 중앙기지국 및 ONU에서 소자들을 교체함으로써 양방향 다목적 광섬유망으로 유연하게 진화할 수 있음을 살펴보았다.
한편, 상기 다양한 서비스가 하나의 형식으로 각 지역기지국에 전송된 후 서비스되는 경우에 효과적인 파장분할다중방식 수동형 광가입자망을 경제적으로 구현하는 방안을 제시하였다. 송신기에는 저가인 발광다이오드를 사용하며, 부족된 광출력 특성을 다중화기 및 역다중화기로 사용되는 도파로형 회절격자의 주기적인 특성에 의해 발생되는 다중광출력을 이용함으로써 극복하였다. 또한, 이러한 다중광출력을 이용하는 스펙트럼분할방식 수동형 광가입자망은 광마진 뿐만 아니라 비트잡음 페털티 측면에서 유리한 것으로 분석되었다. 따라서, 오류정정코드를 사용하는 경우 155 Mb/s급의 고속 신호를 20 km 내의 40 가입자이상에게 양방향으로 제공할 수 있다. 또한, 전치분산보상회로와 오류정정부호를 동시에 이용하여 622 Mbps급으로 고속화 할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
마지막으로, 파장분할다중방식 수동형 광가입자망의 신뢰성을 확보하기 위해 추가적인 광섬유와 광스위치를 추가한 광선로 보호방안을 제안하고 이를 시연하였다. 제안된 망의 특징은 파장분할다중화기 및 역다중화기를 2xN도파로형 회절격자를 이용함으로써 정상상태에서 각 가입자에게 할당된 파장이 광선로 절단 후 다른 파장으로 자동 전환됨으로써 다중화/역다중화되게 된다. 따라서, 제안된 광선로 보호방안은 경제적으로 구성할 수 있을 뿐만 아니라 광전력 손실을 최소화 할 수 있는 장점을 지니고 있다. 실험을 통하여 제안된 망은 광전력 손실이 1 dB이내이며, 12 ms이내에서 망이 자동적으로 복구될 수 있음을 확인하였다.
