With decrease in the cost of optical fibers and components, passive optical network (PON) draws attention for the next-generation mobile backhaul from industries. PON is a point-to-multipoint optical access network without active components from the residential side to the CO. With bandwidth gain of optical fiber and passive components, PON offers virtually unlimited capacity and low maintenance cost. With the property of collimated light, it can transport bandwidth-intensive applications over 20 km. Among various PONs, Ethernet-based PON (E-PON) is one of the most successfully deployed broadband access solutions carrying existing Ethernet frame and compatible with IEEE 802.3. The inherited benefits PON provides such as wide bandwidth, low cost, and high scalability make EPON more suitable for the mobile mobile backhaul.
The rapid growth of broadband Internet and multimedia services for residential and small business customers, on the other hand, IEEE 802.16 (WiMAX) emerges to provide the broadband wireless access (BWA) to rural areas where the existing copper-based infrastructures such as T-1/E-1 and DSL is unreachable [66]. With advantages of high transmission rate, cost-effective deployment, and QoS, WiMAX is a viable technology to be used to economically provide the broadband access anywhere [67].
The integration of optical and wireless networks presents a compelling solution for broadband access due to their complementary features of wide bandwidth and user mobility, respectively. Optical fiber technologies can provide broadband access services through the huge bandwidth gain of optical fibers, whereas mobile wireless technology can provide mobility to users. For successful convergence of EPON and WiMAX, there are some technical issues to resolve a transmission scheduling and QoS support in the MAC layer. In particular, the independent scheduling (IS) mechanism to transmit data between EPON and WiMAX can cause performance degradation.
As system integration of EPON and WiMAX, this thesis first investigates three possible integrated architectures: independent ONU-BS (IOB), combined ONU-BS (COB), and hybrid ONU-BS (HOB). We then emphasize on reducing the packet delay and supporting QoS in integrated architecture of EPON and WiMAX. The independent scheduling mechanism between EPON and WiMAX is compelled to induce the longer ETE packet delay without sharing information of bandwidth reservation and QoS mapping. Therefore, we propose a centralized scheduling (CS) mechanism to resolve such a problem originated from no cooperation of the data transmission and inefficient integrated architectures. In that sense, we provides the feasible scheduling mechanism to be directly applicable to EPON and WiMAX system.
In addition, it is imperative to provide End-To-End (ETE) Quality-of-Service (QoS) due to the heterogeneous MAC nature of EPON and WiMAX. To address this issue, this thesis proposes a novel QoS-enabled transmission mechanism (QETM) operated on a specially devised hybrid Optical Network Units (ONU)-Base Station (BS) architecture for QoS support between EPON and WiMAX.
For providing a variety of wireless services to the vicinity of end users for cost-effective and flexible connection, the WDM/Ethernet-PON is lastly presented for the WiMAX backhaul to support 3G, Digital Multimedia Broadcasting (DMB), and WiBro services over the metro-ring networks.
Contributions in this thesis, for example, the integrated architectures of EPON and WiMAX, Centralized scheduling mechanism, supporting QoS continuity, and an extension to the EPON to the mobile backhaul over the metro-ring network, are applicable to a design guideline for fixed-mobile convergence to satisfy a variety of performance requirements. Design guideline and related mechanisms introduced in this thesis are expected to be utilized by network operator and service providers who want to operate and develop wired and wireless networks to provide cost-efficient and revenue generating infrastructures. These are also can be a reference for researcher and network vendors who design and develop ONU-BS systems.
음성 서비스가 무선 트래픽의 주류를 이뤘던 과거와는 달리 현재는 무선인터넷, 모바일 IPTV, 화상통화, PTP (Point-To-Point) 서비스 같은 고속 데이터 서비스에 대한 무선 가입자들의 트래픽 요구가 급속히 증가하고 있다. 이러한 변화에 따라 셀사이트에서 추가적인 대역폭 증가 압박이 가해지고 있다. 현재 모바일 백홀 은 T-1/E-1 회선과 DSL (Digital Subscriber Line) 기반으로 구성되어 있다. T-1/E-1은 안정적인 QoS(Quality of Service)를 제공하지만 확장성이 떨어진다. 또한 날로 증가하는 사용자의 트래픽 요구를 수용하기 위해서는 회선을 증설하여 용량을 증가 하는데 비용과 시간이 많이 든다. 한편, DSL은 유럽을 중심으로 가장 많이 보급되어 있는 초고속 전용선이다. 기존의 전화선을 그대로 이용하여 T-1/E-1 회선에 비하면 더욱 저렴한 비용과 빠른 속도를 제공하나 같은 사용료를 지불하고도 사용 시간과 지역에 따라 제각기 다른 전송 속도를 나타내는 단점이 있다.
통신사업자와 장비 사업자들은 기존 기술의 용량 한계를 극복하고 비용 출혈을 최소화하면서 무선 백홀을 구축할 수 있는 해법을 찾고 있다. 기존 액세스 솔루션들은 급속히 증가하는 가입자 트래픽을 모두 수용하지 못하고 조만간 포화 될 것이다. 이러한 상황에 돌파구를 열어줄 솔루션이 Passive Optical Network (PON) 기술이다. PON은 광섬유의 대역이득으로 획기적인 네트워크 용량을 제공하고 유지 및 보수 비용이 저렴하여 기존 무선 백홀을 대체할 기술로 주목되고 있다. PON은 수동소자를 사용하여 전화국에 위치한 OLT(Optical Line Terminal)와 가입자에 위치한 ONU(Optical Network Unit)를 점대다점으로 광섬유로 연결하는 구조다. 그 중에서도 Ethernet PON (EPON)은 네트워크 용량이 크고, TDM(A) 기술을 이용하여 경제적인 채널을 제공하여 사업자들이 가장 선호하는 광가입자망 기술 중에 하나다.
한편, 광대역 인터넷 및 멀티미디어 서비스의 급속한 성장에 편승해 WiMAX 기술이 등장 했다. 이로 인해 T-1/E-1과 DSL과 같이 기존 구리선 기반 인프라로는 도달하기 어려운 산간벽지에 광대역 무선 서비스가 가능하게 되었다. WiMAX는 높은 전송률, 저렴한 설비 비용, 안정적인 QoS를 제공하면서 장소에 구애 받지 않고 광대역 무선 액세스를 제공하는 매력적인 기술로 자리매김 하고 있다.
EPON가 WiMAX의 결합은 다음과 같은 상호 보완적인 시너지 효과를 가져온다. 첫 번째, EPON은 이동성은 없지만, 광섬유의 높은 대역이득으로 대용량 유선 가입자 서비스를 제공한다. 반면, WiMAX는 무선 스펙트럼 때문에 기지국(BS) 용량이 제한되지만 이동성을 제공한다. 두 번째, 넓은 서비스 영역 제공이다. T-1/E-1과 DSL의 경우 전송 거리가 길어야 5km내인 반면에 EPON의 경우 최대 20km까지 서비스 가능하다. 이는 기존 망에서 서비스 영역확장에 쓰이는 중계기 증설에 필요한 비용과 시간을 줄인다. 마지막으로, 합리적인 전송용량의 조화이다. 가격대 성능이 우수하여 상업적으로 가장 널리 사용되는 16분기 EPON의 경우 하향 65Mbps 전송 용량을 가진다. 이는 현재 서비스 중인 WiMAX 기지국 최대 전송 용량인 70Mbps와 거의 일치하여, 두 기술의 결합시 용량 차이에서 발생하는 병목 현상 (Bottleneck)을 최소화 시킬 수 있다.
EPON과 WiMAX의 성공적인 결합을 위해서는, MAC (Media Access Control) 계층에서 전송 스케줄링 및 QoS 제공 등의 기술적 이슈가 해결 되어야 한다. 특히, EPON과 WiMAX간 독립적으로 대역폭을 예약하고 전송하는 Independent Scheduling (IS) 기법은 통합망의 심각한 성능 저하를 유발한다.
EPON과 WiMAX 시스템 결합 형태로, 본 논문은 우선 Independent ONU-BS(IOB), Combined ONU-BS (COB), 그리고 Hybrid ONU-BS (HOB) 세 구조를 제안한다. 그 후, EPON-WIMAX 결합 구조에 기반하여 패킷 지연을 줄이는 방안과 ONU와 BS간 QoS를 제공하는 방안을 살펴본다. EPON과 WiMAX간 대역폭 예약 및 QoS 매핑 정보를 공유하지 않는 IS 방식은 통합망에서 패킷 지연을 초래한다. ONU와 BS간 비협업과 비효율적인 결합 구조에서 발생하는 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문은 Centralized Scheduling (CS) 기법을 제안한다. 한편, EPON과 WiMAX구간의 이질적인 MAC특성 때문에 QoS (Quality of Service) 단절되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 EPON과 WiMAX간 QoS를 제공하기 위해 특별히 고안한 HOB 구조와 QoS 전송 프로토콜 (QETM)을 살펴 본다. 마지막으로, 사용자에서 경제적이고 효율적인 무선 서비스를 위해, WDM/Ethernet-PON이 3G, DMB (Digital Multimedia Broadcasting), 와이브로 서비스를 제공하기 위한 무선 백홀의 한 응용으로서 소개 된다.
본 논문에서 소개하는 EPON-WiMAX 결합망의 다양한 구조, CS 스케줄링기법, QoS 연속성 제공 기법, 메트로링망 기반 모바일 백홀로의 확장 방안은 다양한 성능 요구를 만족시키는 유-무선 통합망 설계 가이드라인이 될 수 있다. 본 논문에서 제안하는 EPON-WiMAX 통합망과 핵심 메커니즘은 향후 광대역 유-무선 통합망을 효율적으로 구축하고 운영하려는 네트워크 사업자 및 운영자, 그리고 유-무선 통합 장치를 설계하고 제작하려는 연구소 및 기업들에게 설계 지침으로 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.
