Recently, there has been an explosive growth of the Internet traffic, driven primarily by a rapid increase of Internet subscribers as well as a various multimedia services such as voice, video, and data. The use of wavelength division multiplexing (WDM) technology has substantially increased the capacity of backbone networks. By exploiting the WDM technology, optical networks have expanded from backbone networks to metropolitan networks to deliver high bandwidth services to the users in a seamless fashion with reduced cost. At the same time, the performance of end-users computing equipment has reached gigahertz speeds.
However, in access networks, digital subscriber line (DSL) and cable modem technologies which are the most widely deployed broadband solutions today can not provide relatively enough bandwidth for rich multimedia and real-time services. As a result, a bottleneck occurs between the backbone networks and the high-capacity local area networks (LANs). A new technology is required what is inexpensive, simple, scalable, and capable of delivering voice, data and video services to an end user over a single network. The passive optical network (PON) can potentially offer the most cost-effective solution as the optical network is shared between a number of end users. PONs have significant advantage over competing access technologies as it easily allow upgrades in bandwidth and the number of users making it a future-proof solution for service providers. In addition, advanced functionalities have to added over the existing PON system.
This dissertation addresses an advanced functionality that is local networking capability over the legacy PON infrastructure. As more and more users are connected to PON environment, local networking has become an important part of the access networks. Current PON systems can this internetworking by the use of a router attached to an optical line terminal (OLT) in conjunction with a scheme called shared LAN emulation. There has been a few methods proposed so far to provide this functionality in a different way. In this dissertation, a new PON architecture is proposed where both broadband access and local networking are enable using wavelength-switchable transceivers.
This dissertation mainly studies the following three topics: system architecture, transmission schemes based on time division multiple access (TDMA), and dynamic bandwidth allocation (DBA) in proposed PON architecture. First, we study a new PON system (called LAN-PON) which can work more efficiently in a dynamic environment by using high-speed wavelength switchable transceivers. Wavelength-switchable transceivers are used at optical network units (ONUs) to change from broadband access mode to local networking mode or vise versa at high-speed. The LAN-PON consists of ONUs which is composed of coarse WDMs (CWDMs) and high-speed tunable transceivers, remote node (RN) with redirection function and isolation, and the OLT. By taking the effect of switching time on the broadband access and local networking, the best achievable performances with an optimal transmitter can be predicted.
Second, this dissertation proposes two transmission schemes which are deflection and mini-slot transmission scheme based on TDMA in LAN-PON. When an ONU distributes local packets in local networking mode, some ONUs cannot receive them because they are either in the broadband access mode or in the middle of a switching time. Therefore, the LAN-PON needs a new transmission scheme to receive the local traffic at all ONUs. The switching time between two modes has a significant impact on the throughput and average end-to-end delay of local traffic. Although both transmission schemes are affected by the switching time, the deflection scheme is more sensitive to the switching time than the mini-slot scheme. Thus, mini-slot transmission is a better option for the LAN-PON system.
Third, a new DBA scheme in proposed LAN-PON architecture is studied. In fixed TDMA scheme, every ONU receives a fixed timeslot. However, it has the drawback that no statistical multiplexing between the ONUs is possible. Since the local traffic has a high degree of burstiness in access networks, some timeslots overflow even under very light load, resulting in packets being delayed for several timeslot periods. Moreover, some timeslots are not filled completely even if the traffic load is very high. This results in the bandwidth being underutilized. A dynamic scheme which reduces the timeslot size when there is no data would allow the excess bandwidth to be used by high-loaded ONUs. The IEEE 802.3ah task force adopted the medium access control (MAC) frame format for control messages. Correspondingly, a new DBA scheme in LAN-PON is modified to use multipoint control protocol (MPCP) control frames. Upon receiving a REPORT messages of broadband access traffic and local networking traffic from an ONU, the DBA agent at the OLT calculates first the new bandwidth for broadband traffic and then grants the remaining bandwidth for local traffic. The DBA algorithm provides statistical multiplexing for the ONUs. The improvement in multiplexing gain compared to the fixed TDMA scheme.
A major contribution of this dissertation is to suggest design guideline for a new PON system for broadband access service and local customer internetworking using wavelength-switchable transceivers. Proposed PON system architecture and related MAC protocols including transmission and bandwidth allocation introduced in this dissertation are expected to be utilized by network service providers who serve and operate new emerging services such as LAN service over the existing PON infrastructures. These are also expected to be used a reference for researchers and network venders who design and develop PON systems.
최근 인터넷 사용자의 중가로 인한 인터넷 트래픽의 중가와 음성/데이터/동영상과 같은 다양한 멀티미디어 서비스의 영향으로 사용자측의 통신대역 요구량이 큰 폭으로 증가하였고，서비스 제공자 측면에서도 보다 수요성 있는 서비스 창출을 위해서는 방대한 대역폭이 요구된다. 이에 대응한 백본망에서는 대규모의 데이터 트래픽을 하나의 광섬유에 여러 파장을 동시에 사용하여 전송하는 파장 분할 다중화 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 기술을 이용해 테라급까지 대역폭을 증가시켜 해결하고 있다. 최근에는 WDM 기술이 대도시 지역 망에도 서서히 적용되고 있으며，이에 따라 네트워크 용량이 늘어나고 있다.동시에 근거리지역 망 (Local Area Network, LAN) 영역에서도 망의 전송속도가 10Mbps 혹은 100Mbps급에서 출발하여 Gbps급까지 향상되고 있다.
이에 반해 가입자망의 전송속도는 디지털 가입자 장치 (Digital Subscriber Line, xDSL) 기술의 경우에 수십 Mbps이며，이론상 30Mbps까지 가능한 케이블 모뎀도 실제로는 1Mbps에 머물고 있는 현실이다. 사용자 계충에 따라 다양한 대역폭 수요가 발생하며 현재의 Mbps급의 가입자망을 가입자당 lOMbsp에서 lGbps로 확대함으로써 사용자 요구에 따라 알맞은 대역폭을 제공할 수 있는 가입자망 구축이 요구된다. 이렇듯 갈수록 심화되는 가입자망의 병목현상을 줄이고，다양한 서비스 품질을 지원하면서 고속화된 데이터전송을 위해 새로운 광 가입자망 기술이 최근들어 각광을 받고있다. 이러한 광 가입자망 기술은 수동형 광 가입자망 (Passive Optical Network, PON), 능동형 광 가입자망 (Active Optical Network, AON) 등의 기술을 기반으로 하며，현재 가입자에게 서비스를 제공하고 있으며 또한 보다 진보적인 가입자망 기술에 대한 집중적인 연구개발이 추진되고 있다. 이러한 광 가입자망을 구현하기 위한 방안으로서 현재 광 가입자망 기술 수준，가입자의 형태, 지리적 조건，서비스 품질，경제성 등을 고려해 볼때 수동형 광 가입자망이 현실성 있는 구현 방안으로 주목받고 있다.
PON이란 기존 동선이나 동축 케이블이 아닌 광 케이블을 이용하여 기업이나 일반가정에까지 최대 Gbps 급의 초고속 광대역 서비스를 제공할 수 있도록 하는 광 가입자망 구축 기술의 하나로，수동형 광 스플리터 (passive optical splitter)를 이용하여 하나의 광 전송로 종단장치 (Optical Line Terminal, OLT)가 다수의 광 통신망유니트 (Optical Network Unit, ONU)에 접속할 수 있도록 하는 방식이다. PON 기술은 하나의 총 대역폭을 여러 가입자들이 공유할 수 있도록 분기가 가능한 트리 형태의 점대다 (point-to-Miiultipoint，P2MP) 토폴로지를 지원하므로 광선로 구축 비용이 다른 방식들과 비교하여 적게 소요되며, 스플리터와 같은 수동형 장치를 사용하기 때문에 전력 공급 문제나 유지，보수등을 걱정 할 필요가 없는 경제적인 장점이 있어 오랫동안 통신 사업자들이 관심을 가져왔다.
기존의 PON구조에서 ONU가 전송하는 모든 트래픽은 단지 OLT에서만 수신될 수 있으며，ONU들은 다른 ONU가 전송하는 트래픽을 알지 못한다. 다시말해, 그동안의 PON 시스템은 광대역 서비스，즉 ONU에서 전송하여 OLT를 통해 백본망으로 향하는 상향트래픽을 서비스하는 기능을 해왔다. 이와 더불어 하나의 OLT에 의해 서비스 되어지는 ONU들간의 통신은 다양한 PON 서비스중에 새롭게 떠오르는 네트워크 서비스이다. 특히 ONU에 연결된 가입자수가 많아지며 커버리지가 넓어지는 FTTB (Fiber-To-The-Building) 혹은 FTTN(Fiber-To-The-Node)로 이루어진 망에서는 꼭 필요한 PON 시스템의 부가 기능이다. 이러한 기능은 IEEE 802.3ah에서는 PON의 프로토콜 스택 구조에서 LAN 에뮬레이션 기능을 제공하기 위한 방안들이 제안되었다. 이 기능은 라우터나 802.1D 브리지 기능이 추가된 OLT가ONU 로부터 전달된 로컬트래픽을 다시 하향채널을 통해 전송하도록 하는 것이다. 그러나 이러한 OLT에서의 shared LAN 에뮬레이션 기능은 상향과 하향 채널의 일부분을 로컬 트래픽을 전송하기 위해 사용하기 때문에 기존의 광대역 서비스를 위한 대역폭의 회생을 갖게 오게되며 따라서 광대역 서비스를 위한 대역폭이 작아지는 결과를 가져오게 된다.또한 OLT가 LAN 에뮬레이션 기능 및 로컬 트래픽을 위한 프로세싱과 버퍼등이 있어야 하기 때문에 복잡해지는 단점을 갖게된다. 그러므로 이러한 단점을 해결하고 로컬 트래픽 전송 기능을 갖는 광계층에서의 해결 방안들이 제안되고 있다.
이러한 로컬 트래픽 전송 기능을 광계층내에서 해결하려는 방안은 여러가지 광 부품을 이용하여 전송 기능을 부가하는 형태로 연구되고 있다. 이중에서 각각의 ONU내에 비용이 저렴한 광스위치를 이용하여 광대역 서비스와 로컬 서비스를 제공하는 PON 구조가 제안 되었다. 제안된 PON구조는 광스위치의 동작을 통해 각각 광대역 서비스와 로컬 서비스를 제공하는 모드로 변화하며 광대역 서비스가 제공되고 다음 사이클의 광대역 트래픽을 전송하는 시간이 돌아오기 전까지의 기다리는 시간을 로컬 서비스를 위해 전송하는 것이 특징이다. 이와 같은 방법으로 상향 대역폭을 효율적으로 사용하여 두 서비스를 제공해주는 구조이다. 그러나 이 구조는 광대역 서비스와 로컬 서비스가 자주 발생하는 일반적인 네트워크 상황에서는 스위칭 시간의 오버헤드로 인해 그 성능이 크게 저하되어 사용할 수 없다. 이러한 스위칭 시간의 속도를 향상시키며 두 서비스가 동적으로 발생하는 일반적인 상황에서도 사용할 수 있는 새로운 LAN-PON 구조를 본 논문에서 제안하였다.
본 논문은 수동형 광 가입자망 기반의 광대역 서비스와 로컬지역 가입자간의 데이터를 전송하는 서비스가 가능한 새로운 수동형 광 가입자망 시스템 구조를 제안하고 이러한 LAN-PON 시스템에서 시간분할 다중 접속 기반의 우회 전송방식과 미니슬랏 전송방식을 제안하고 성능을 검증하였으며 MPCP를 기반으로 한 동적 대역폭 할당 방식을 다루었다.
먼저 2장에서는 광 가입자망 기술의 출현 이유와 경제성을 고려한 PON 기술을 소개하고 지금까지 상용화된 PON의 구조들을 살펴 보았다. PON 기반의 새로운 로컬 서비스의 출현과 이에 대응한 광 계층에서의 여러가지 제안된 방안들에 대해 알아보았다. 또한 파장 스위칭이 가능한 송수신기와 필터링이 가능한 CWDM을 사용한 ONU와 재전송(redirection) 기능을 갖는 원격노드(Remote Node, RN), 그리고 OLT로 구성된 새로운 LAN-PON 시스템 구조를 제안하였다. 또한 실험을 통해 최적의 성능을 얻을 수 있는 스위칭 시간 등에 대해 살펴 보았다.
3장에서는 ONU내에서 파장을 스위칭하므로써 광대역 서비스와 로컬 서비스를 제공해주는 새로운 LAN-PON 구조에서 시간 분할 다중 접속 (Time Division Multiple Access, TDMA) 기반의 두가지 새로운 전송 방식을 제안하고 그에 대한 성능을 살펴보았다. LAN-PON에서는 광대역 서비스를 전송하고 수신하고 있을때와 두 서비스 사이를 스위칭하고 있을때의 상황에 있는 ONU는 다른 ONU에서 전송된 로컬 트래픽을 직접 수신하지 못한다. 이러한 직접 수신 가능하지 못한 로컬 트래픽을 발신 ONU는 다른 ONU를 통해 수신 ONU까지 전송하는 우회 전송방식과 발신 ONU외 전송 타임 슬랏을 두개로 나누어 전송하는 미니슬랏 전송방식을 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 로컬 트래픽에 대한 두방식의 처리율과 지연시간，지터 등의 성능을 살펴 보았으며, 그 결과 우회 전송방식은 스위칭 시간에 민감하게 성능이 변하였으며，미니슬랏 방식은 스위칭시간이 성능에 많은 영향을 미치지 않았다. 특히 우회 전송방식의 경우 스위칭 시간이 길어질수록 각각의 ONU에 유입되는 우회 로컬 트래픽이 증가함에 따라 지연시간이 갑자기 늘어나며 처리율도 급격히 떨어졌다. 반면에 미니슬랏 전송방식의 경우 우회 트래픽의 범람(flooding)이 생성되지 않기때문에 스위칭 시간에 많은 영향을 받지 않고 지연시간 및 기타 성능이 우회 전송방식보다 좋아짐을 볼수 있다. 또한 비교적 짧은 스위칭 시간이 적용된 두 전송방식의 LAN-PON이 활용할 수 있는 대역폭은 TDMA기반의 기존 PON에 비해 두배 가까이 되며 지연시간은 전체 제공로드중 로컬 트래픽의 비율이 높으면 높을수록 휠씬 향상됨을 알수 있다. 다시 말해，로컬 트래픽이 많이 생성되는 환경하에서는 제안한 LAN-PON시스템의 효과를 크게 볼수 있으며 나아가서는 비용절감의 효과도 낼수 있다.
4장에서는，TDMA 기반 전송방식의 문제점인 대역폭의 비효율성 문제를 해결하고자 LAN-PON에 적용 가능한 동적 대역폭 할당(Dynamic Bandwidth Allocation, DBA) 알고리즘을 제안하였다. 가입자 망에서는 로컬 트래픽이 버스트의 특성을 가지며 ONU별로 트래픽이 비균등하게 분포되어 있으므로 인해서 DBA 기능이 우선적으로 제공되어야 한다. 기존의 PON에서는 IEEE 802.3ah에서 표준화된 MPCP(MultiPoint Control Protocol)를 이용하여 DBA를 제공해주고 있다. 마찬가지로 제안된 LAN-PON 구조에서도 MPCP를 이용하여 각각 ONU별로 광대역 서비스의 트래픽 큐 정보와 로컬 서비스의 트래픽 큐 정보를 OLT에 전송하며 OLT의 DBA 모듈에서는 우선적으로 광대역 서비스의 대역폭을 할당해 주고 나머지 대역폭을 로컬 서비스를 위해 할당하였다. 이와 같은 할당방식으로 인해 로컬 서비스의 대역폭은 3장에서 설명한 스위칭 시간의 영향과 더불어 광대역 서비스의 대역폭의 영향을 받게 된다. 그러나 사용하지 않는 다른 ONU의 대역폭을 활용할 수 있기 때문에 좀더 효율적으로 대역폭을 사용할 수 있게 되었다. LAN-PON 시뮬레이션을 통해 광대역 서비스 트래픽보다 로컬 서비스 트래픽이 더 많은 환경에서는 TDMA 기반의 방식들보다 DBA 알고리즘을 적용하면 더 좋은 성능이 나옴을 알수 있다.
본 논문의 LAN-PON이 제공하는 기능은 기존의 PON 시스템에 꼭 필요한 부가기능으로서 이러한 기능은 로컬 트래픽의 양(즉 가입자의 수，집선율，거리，속도)에 따라 경제적이고 효율적으로 사용할 수 있다. 이러한 논문 연구 결과를 통해 새로 제안한 LAN-PON 시스템은 광대역 서비스와 로컬 서비스를 제공해 줄수 있으며 본 논문에서 소개하는 LAN-PON 시스템 구조 및 전송 프로토콜 방안는 다양한 성능 요구를 만족시키는 PON 시스템의 설계 가이드라인이 될 수 있다. 마지막으로 제안한 시스템 설계 방안은 향후 광 가입자망을 구축하고 운영하려는 망 사업자 및 운영자, 그리고 PON 시스템을 설계하고 개발하려는 연구소 및 기업들에게 개발 방향을 제시하며 설계 지침으로서 활용이 가능할 것으로 기대된다.
