During the last decade, the time-division-multiplexed passive optical network (TDM PON) has been massively deployed all around the world. However, to ensure the reliability of such a network, we should be able to detect and localize the fiber failure without delay. At present, the optical time-domain reflectometer (OTDR), which measures the loss traces in the transmission fiber by transmitting short optical pulses and analyzing their back-scattered signals, is typically used for this purpose. However, this technique can be too costly for the in-service monitoring of the TDM PON since it requires not only the installation of a blocking filter at every optical network unit (ONU) to prevent the saturation of the receiver by the OTDR pulse but also an additional light source for the generation of the OTDR pulse. To overcome these problems, a new type of the OTDR based on the correlation detection has recently been proposed. Since this OTDR utilizes the downstream signal itself as a probe pulse, it is possible to perform the in-service monitoring at the signal’s wavelength. However, due to the finite sampling length of the analog-to-digital converter used in the detection of the back-scattered signal, substantial background noises are generated in the process of calculating the autocorrelation function of the random data, which, in turn, limits the dynamic range of this correlation-based OTDR. In this thesis, we propose to mitigate this problem by superimposing a specific pseudo-noise (PN) sequence on the downstream signal. Thus, unlike in the previous method, the background noise can be reduced to a negligible level as we utilize a PN sequence with ideal correlation characteristics. However, the superimposed PN sequence can seriously deteriorate the sensitivity of the downstream receiver. To solve this problem, we apply 8b10b encoding for the downstream data and block the PN sequence at the downstream receiver by using a high-pass filter.
We evaluate the effectiveness of the proposed technique in a 1:64 TDM PON system. For this purpose, we optimize various design parameters of the proposed OTDR according to the target specifications. The optical link of the 1:64 TDM PON is emulated by using a 1:4 splitter and optical attenuators. The results show that the proposed technique can detect non-reflective events (caused by the connector loss, bending loss, and splicing loss, etc.) as well as reflective events in the 20-km long feeder fiber and reflective events in drop fibers. The spatial resolution and dynamic range of the proposed OTDR are measured to be better than 40 m and 30 dB, respectively. This correlation-based OTDR technique is well suited for the in-service monitoring of the TDM PON, since it utilizes the downstream light sources to generate the OTDR probe signals.
인터넷을 비롯한 각종 데이터 및 멀티미디어 서비스의 급격한 발전으로 인하여 가입자망에서도 대폭적인 전송용량의 증대가 요구되고 있고, 이런 수요에 부응하기 위하여 다양한 구조의 광 가입자망이 제안되었다[1]-[2]. 그 중에서도 특히 시분할다중방식 수동형 광가입자망(TDM PON: time-division-multiplexed passive optical network)은 이미 널리 사용되고 있는 대표적인 광 가입자망 구조이다. TDM PON은 각 가입자 별로 할당된 특정한 시간에 필요한 데이터의 송수신을 수행하는 방식으로써, 중앙 기지국(CO: Central Office)에서 하나의 광원을 사용하여 여러 가입자들을 수용할 수 있고, 비용 면에서도 많은 강점을 갖고 있는 구조이다.
이와 같은 대용량 광 가입자망에서 가장 중요하게 고려되어야 할 사항 중의 하나는 바로 망의 신뢰성이다. 일반적으로 광소자는 밀폐된 용기나 안전한 장소에 설치됨으로써 오류의 발생 빈도가 낮고, 오류가 발생하는 경우에도 동일한 소자를 사용하여 대체함으로써 보호 기능을 수행할 수 있지만, 주로 옥외에 포설되는 광섬유 선로는 여러 요인들에 의해 손상될 수 있다. 특히, 물리적 충격 등에 의한 광섬유의 손실 증가나 절단은 광신호의 전송 품질을 저하시키는 결정적인 원인이 된다. 따라서, 광섬유 손실의 증가, 광섬유의 절단, 광섬유의 연결 불량 등 광선로 상의 문제점을 신속하게 감지하고 복구하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 이와 같은 광선로 상의 문제점을 파악하기 위한 기술은 문제가 생긴 가입자 외에 시스템 내의 다른 가입자들의 서비스에는 영향을 끼치지 않아야 한다. 또한, 각 가입자에게 제공하는 서비스를 중단하지 않고도 광선로 상의 문제점을 실시간으로 파악할 수 있는 인-서비스(in-service) 감시 기술의 중요성이 부각되고 있다[3]-[6].
현재 포설된 광선로의 손실을 감시하는 데에 있어서 가장 널리 쓰이고 있는 방법은 광 시간영역 반사 측정기(OTDR: Optical Time Domain Reflectometer)를 사용하는 것이다. OTDR은 광선로에 폭이 수십 ps~ns인 짧은 광 펄스(Pulse)를 입력한 뒤 시간의 함수로 반사 되어서 되돌아 오는 후방 반사광의 분포를 측정하여 광선로 상에서 발생한 문제점을 파악한다. 이와 같은 OTDR 기술은 광가입자망의 광선로에서 발생하는 대부분의 문제점을 파악하기 위한 충분한 분해능(spatial resolution)과 동작범위(dynamic range)를 제공할 수 있다. 그러나, 기존의 OTDR기술을 사용하여 앞에서 언급한 바와 같이 각 가입자의 서비스를 중단하지 않고도 광선로 상에서 발생하는 문제점을 실시간으로 감시할 수 있는 in-service 감시 기능을 수행하기 위해서는 어려움이 있다. 즉, 기존 OTDR을 사용하여 이러한 in-service 감시 기능을 수행하기 위해서는 광가입자망에서 사용되는 상/하향 광신호들과는 다른 파장에서 동작하는 광 펄스를 OTDR의 probe신호로 사용해야 하기 때문이다. 그러나 이러한 방법을 사용하는 경우 광 가입자망의 각 수신단(ONU: Optical Network Unit)에서 OTDR 펄스에 의해 하향 신호용 광수신기가 포화(saturation)될 수 있으므로 모든 ONU에 OTDR펄스를 막기 위한 추가적인 광학 필터를 설치해야 하며, 데이터 전송에 쓰이는 광원 외에 짧은 OTDR 펄스를 생성하기 위한 고가의 광원을 추가적으로 사용해야만 한다. 또한, OTDR의 해상도(spatial resolution)를 개선하기 위해서는 폭이 좁은 광 펄스를 사용하여야 하는데, 펄스의 폭이 좁을수록 대역폭이 넓은 OTDR수신기가 필요하게 된다. 그러나, 넓은 대역폭을 갖는 수신기를 사용하면 결국 수신기에 입력되는 잡음의 양도 더 증가하기 때문에 OTDR의 동작범위(dynamic range)가 감소하게 된다. 따라서, 기존 방식의 OTDR을 사용하는 경우 spatial resolution과 dynamic range 사이에 trade-off 관계가 있음을 알 수 있다. 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하고, 인-서비스 감시기능을 수행하기 위하여 상관도(Cross-Correlation)에 기반한 OTDR 방법을 사용하고자 한다[7]-[10]. 이러한 OTDR은 폭이 좁은 광 펄스를 사용하는 대신 데이터를 전송하는 하향 광 신호 자체를 OTDR용 probe로 사용하고, 후방 반사되는 신호와의 cross-correlation을 이용하여 광선로 상에서 발생하는 문제점을 감시한다. 그러나, 이 방법을 사용하는 경우 OTDR에 사용되는 ADC의 memory 크기에 따라서 sampling 되는 데이터의 개수가 제한된다. 이렇게 제한 된 길이로 sampling 된 데이터의 cross-correlation 수행 시background noise가 수반되게 되고, 이로 인해 dynamic range가 많이 제한된다는 단점이 존재한다[11]. 이러한 dynamic range의 한계를 극복하기 위하여 본 논문에서는 하향 광신호 자체를 OTDR용 probe로 사용하는 대신 하향 신호에 특정한 형태의 PN(Pseudorandom Noise) 신호를 중첩시켜서 전송한 뒤, 반사되어 돌아오는 PN 신호와 보내진 PN 신호 사이의 cross-correlation을 분석하여 광선로의 문제점을 감시하는 방안을 제안한다. PN 신호는 일정하게 정해진 데이터의 길이 안에서 최대한 이상적인 자기상관관계를 갖도록 임의적으로 생성되는 sequence이고, shift register를 이용하여 생성하는 M-sequence가 가장 대표적인 PN 신호이다. 이와 같이 특정한 형태의 PN 신호를 사용하는 경우 random data인 하향 신호 자체를 사용하는 경우와 비교하여 background noise를 훨씬 낮출 수 있다. 하지만, 이와 같이 하향 신호에 임의의 PN 신호를 섞어서 데이터를 전송할 경우, PN 신호와 하향 신호가 서로 겹치는 주파수 대역에서는 하향 데이터 신호의 1-level에 modulation 된 형태로 나타나는 PN 신호가 noise와 같은 효과를 가지기 때문에 receiver의 sensitivity를 감소시킬 수 있다. 따라서 이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 PN 신호와 겹치는 주파수 대역의 하향신호 데이터를 최대한 줄이기 위하여 8b10b encoding을 하였고, receiver 단에서 high pass filter를 이용하여 PN신호를 필터링 하는 방법을 통하여 receiver의 sensitivity가 나빠지는 것을 보상해주었다. 이와 같은 방식의 PN 신호가 중첩된 cross-correlation OTDR을 구현하기 위하여 우선 이러한 OTDR의 성능에 영향을 미치는 각종 파라미터들을 분석하고 최적화하였다. 또한, 1:64 분할 TDM PON시스템의 광선로를 모사하여 구현된 OTDR의 성능을 실험적으로 검증하였다. 구현된 OTDR의 spatial resolution은 40 m, dynamic range는 30 dB 이상으로 측정되었으며, 하향 신호에 중첩되어 전송된 PN 신호가 하향 신호의 수신감도에 미치는 영향은 3 dB (@2.5 Gb/s, BER=10-9) 이하인 것으로 판단되었다. 이러한 결과는 제안된 바와 같이 PN 신호를 하향 신호에 중첩하여 사용함으로써 cross-correlation에 기반한 OTDR의 dynamic range를 1:64 분할 TDM PON 시스템에 적용할 수 있을 만큼 충분히 증가시킬 수 있음을 보여준다.