In this thesis, we propose a new time division duplex (TDD)-based MAC protocol for WDM/Ethernet passive optical network (WE-PON) architecture over tree topology. On this architecture, single light source is reused at optical network termination (ONT) to modulate upstream signals for bidirectional communication. Once adopting such a technology, splitting ratio is significantly limited due to amplitude squeezing effect (ASE) at ONT. To address this problem, we propose a novel MAC protocol applying time division duplex (TDD) technology. As doing so, maximum 16 subscribers per wavelength can be serviced in the optical layer. But downstream bandwidth is inevitably taken away for upstream traffic in the network layer.
To compensate downstream bandwidth used for up-traffic, we propose dynamic bandwidth sharing algorithms according to three cases: 1) adaptive threshold adjustment (ATA) and dynamic bandwidth algorithm (DBA) is provided in generating downstream frames in order to promptly response user request and 2) the up/down fair service algorithm based on ATA give both upstream and downstream traffic a equal right to be treated equally for user request and 3) finally QoS provisioning for downstream traffic supports guaranteed services for differentiated priority traffic under up/down fair service algorithm
We used OPNET to simulate the network performance under various configurations of network parameters. The simulation results of MAC protocol with ATA_DBA in TDD-based WE-PON are close to ASE-based WE-PON with ATA_SBA in queueing delay, queue size, and link utilization. Also, upgraded ATA algorithm for up/down fair service ensures fairness in setting the threshold, higher bandwidth utilization compared to ASE-based WE-PON especially on environment of asynchronous traffic, and QoS for downstream traffic.
PON은 채널 다중화 방식에 따라 크게 TDM-PON과 WDM-PON 두 가지로 분류 할 수 있다. TDM-PON의 대표주자라 할 수 있는 E-PON은 기존의 이더넷 프레임을 그대로 수용하면서도 저렴한 가격으로 초고속인터넷 서비스를 가능하게 한다. E-PON은 현재 상/하향 각각 1Gbps 대역폭을 제공하고 있지만 앞으로 지속될 것으로 전망되는 대용량 멀티미디어 서비스에 대한 가입자들의 요구를 충족시키기에는 부족하다. 한편, 하나의 파장을 여러 가입자가 시분할 방식으로 공유하는 E-PON과는 달리, 각각의 가입자당 전용파장 하나씩을 할당해 최대 가입자당 1Gbps 충분한 대역폭을 제공하는 WDM-PON 기술이 제안 되었으며 현재 상용화 및 표준화 직전 단계에 있다. 이는 가입자에게 충분한 대역폭을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 OLT와 ONT간 논리적인 point-to-point 연결을 통해 보안성 및 프로토콜의 투명성을 보장할 수 있다. 하지만 고가의 설비 및 서비스 비용 때문에 현 단계에서 완전 수용하기가 어렵다. 따라서 이 두 방식을 절충한 WDM/TDM Hybrid-PON 방식이 대두되었다. 이는 다수 파장을 제공하여 추가적인 대역폭을 확장을 제공하는 동시에 E-PON처럼 파장당 여러 가입자를 수용할 수 있어서 가입자당 채널 비용을 대폭 낮출수가 있다.
본 논문에서는 한국전자통신연구원의 WDM-PON 기술팀에서 개발한 WDM/TDM Hybrid-PON의 일종인 WDM/Ethernet-PON의 구조를 먼저 소개한다. 이 구조는 OLT에서 단일 광원을 사용하고 ONT내 RSOA의 포화 입력 레벨 이상에서 진폭 압착 효과(Amplitude Squeezing Effect)를 이용하여 하향 파워를 상향신호 전송에 재이용하는 양방향 전송 방식을 채택하고 있다. 그러나 진폭 압착 효과를 이용하는 기존의 시스템은 Loop-back 전송을 위한 진폭 압착 과정 및 OLT내의 광출력 제한 때문에 불가피하게 파장당 4가입자 이상을 수용하기가 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 기존 WE-PON의 MAC 프로토콜에 시분할 이중화 기술을 적용한 새로운 방식을 제안한다. 본 방식에서는 광계층에서 파장당 최대 16가입자까지 수용 할 수가 있다. 일단 제안된 MAC 프로토콜을 기존의 진폭 압착 효과를 이용하는 WE-PON에 도입하면, 하향 대역폭의 일부는 상향 트래픽을 위한 타임 윈도우에 할당 되어야한다. 이러한 자원 할당을 보완하기 위하여 동적 대역 할당(DBA) 및 임계값(Threshold) 결정 메커니즘을 도입하였다.
제안된 프로콜의 성능 검증하기 위하여, OPNET을 이용하여 적응적 임계값 조절(ATA) 방식에서 동적 대역 할당 및 임계값 결정 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 특히 ATA_DBA 알고리즘을 사용하는 본 방식은 상/하향 비대칭적 트래픽 상황에서 queueing delay, queue size 등에서 기존 진폭 압착 효과 방식을 사용하는 ASE_SBA에 버금가는 성능을 보였다. 뿐만 아니라, 하향 트래픽에 우선순위에 따른 차별화 하여 특정 고객 대하여 QoS를 보장하도록 하였다.
