QoS 보장하는 서비스엔 FTTH가 제격, PON / WDM-PON

요즘 PON 기술공부에 한참 빠져들고 있다.

FTTH를 원하는 구조, 더 다양해진 콘텐츠에 응하는, 투자 대비 고효율을 창출하는 PON 기술이 화두가 되고 있다.

관리적인 측면에서는 다소 무리가 있는 듯 하지만, 그 기술로 인한 앞으로의 기대감은 상상을 초월하는 정도이다.

앞으로 ISP 및 MSO에서 앞다투어 적용할 것으로 보이며, Ethernet 환경을 기반으로 하는 FTTH 서비스가 더욱 더 활성화 될 것으로 보인다.

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QoS 보장하는 서비스엔 FTTH가 ‘제격’

표준화 기술 ‘진척’…광케이블 가입자까지 제공해야

박형진│KT차세대 통신망 연구소 책임연구원

FTTH 서비스 제공을 위한 망 구성은 서로 다른 형태의 다중화 방법을 이용해 다양한 형태의 망 구조를 가질 수 있는데, 크게 3가지로 Home Run, AON(Active Optive Network), PON(Passive Optical Network)으로 분류할 수 있다. 여기에서는 이같이 FTTH 기술로 대표되는 망 구성 방식을 짚어본다.

FTTH 기술은 가입자망 환경에서 광케이블을 전화국에서 가입자 댁내까지 연결해 고속의 데이터 서비스를 제공하는 기술 전반을 말한다.
과거에는 광케이블을 모든 가입자에게 연결하기 위해 필요한 막대한 투자비 때문에 FTTH 기술이 먼 미래 기술처럼 생각되었지만, 최근 초고속인터넷 시장이 포화상태에 접어들면서 신규 수익원을 찾던 통신사업자들이 고부가가치를 지닌 TPS(Triple Play Service)에 주력하면서부터 FTTH 서비스에 대한 필요성이 제기되기 시작했다. TPS의 경우, 고급 영상 서비스를 제공하기 위해 최소 대역폭이 각 연결 가입자까지 보장돼야 한다는 특징을 갖는다.
예를 들어 HD(High Definition)급 영상을 각 가입자에게 제공할 때 국내 TV 보유 대수가 약 1.5대/세대인 점을 감안하면, 최소 60Mbps 정도의 대역폭이 보장되는 액세스망 기술이 필요하다. 따라서 지금까지 xDSL 기술을 이용해 제공된 서비스는 best effort형 서비스 트래픽만 수용했던 것에 비해 QoS가 요구되는 네트워크 인프라의 개념을 갖춰야 한다는 요구사항이 나오고 있다. 이는 향후 제공될 서비스가 지금까지 이뤄져 왔던 시설투자형 서비스와는 다르게 부가가치형 네트워크 서비스의 형태로 전환되고 있음을 예고하는 것이다.
이와 같은 맥락에서 FTTH 기술에 대한 정의를 내려보면, TPS 제공을 위해 대역폭과 QoS가 보장된 광섬유 기반의 액세스 네트워크 구조를 가지며 고부가가치의 QoS 보장형 신규 서비스를 즉시 제공할 수 있는 궁극적인 서비스 플랫폼이라고 정의할 수 있을 것이다.

FTTH 서비스 제공을 위한 망 구성

FTTH가 요구하는 막대한 망 구축 비용에도 불구하고 가입자 트래픽이 꾸준히 증가하고 있는 것과 향후 나타날 신규 서비스를 수용하기 위한 방안으로 인해 FTTH는 다른 망 구조(FTTC, HFC, Wireless LAN)에 비해 훨씬 뛰어나다. 그러나 FTTH 기술은 아직 표준화 정립 중이거나 개발 중에 있는 기술이기 때문에 아직 특정 기술을 단정하기에는 무리가 따른다.
FTTH 서비스 제공을 위한 망 구성은 서로 다른 형태의 다중화 방법을 이용해 다양한 형태의 망 구조를 가질 수 있는데 크게 3가지 Home Run, Active Optive Network(AON), Passive Optical Network(PON)) 방식으로 분류할 수 있다.
Home Run 구조를 가진 FTTH 망을 점대점 구조(PTP)라고도 부르는데, 국사에서 각 가입자 댁내까지 광케이블이 포설돼 있는 망 구조를 말한다. 각 가입자는 특정 광 링크를 점유하게 되므로 가입자간 충돌(Contention)이 발생하지 않는다. 하지만 자원의 공유 정도는 가장 낮아 투자 비용은 증가한다.
망 구성 측면에서 볼 때 PTP FTTH는 매우 단순하고 명쾌하지만, 국사에서 댁내까지 2N 또는 N개의 광케이블 포설이 필요하다. 그리고 장치 측면에서는 2N개의 광 모듈을 필요로 한다. 이는 너무 많은 광케이블이 소요돼 간선망 및 분배, 배선망에서의 광 선로, 분배함의 수요능력을 초과하게 되고 고가의 광 모듈로 인한 구축비용이 막대할 것으로 예상된다.
AON은 가입자 지역 내의 적절한 위치 즉, Cabinet, Shelter, CEV(Controlled Environment Vault) 또는 전주에 이더넷 스위칭 기능을 수행하는 능동소자를 수용한 RN(Remote Node)를 배치하고, 이곳으로부터 각 가입자들에게 광케이블을 통해 연결하는 방식이다. 이때 국사에서 RN까지의 연결 구간은 단일 광케이블을 통해 연결되기 때문에 가입자망 환경에서 광 간선 구간 및 광 인입 구간 내 광케이블을 줄일 수 있는 효과를 얻게 된다.
AON 방식은 IEEE802.3 표준에서 정의한 이더넷 통신 기술을 사용하며, 광케이블 특성은 5km 이상의 연결거리를 보장하는 100B-FX 또는 100/1000B-LX를 사용할 수 있다. 또한 이더넷 패킷을 스위칭함으로써 목적지까지 데이터를 전달하는 방법을 사용하기 때문에 스위칭 노드간에는 점대점의 MAC(Medium Access Control) 기능을 수행하게 된다.
이와 같은 방식은 기존의 이더넷 기술을 그대로 채용함으로써 FTTH만의 고유한 MAC의 기술이 필요하지 않아 비교적 저렴한 기술이라고 볼 수 있다. 더불어 능동소자를 사용하기 때문에 국사에서 가입자까지의 거리가 멀어도 전송 신호 크기를 RN에서 재생시키기 때문에 전송에 문제가 없다.
그러나 외부환경에 능동 소자를 둔다는 점은 운용관리 측면에서 많은 문제를 발생시킨다. 먼저 RN에 전원을 공급해야 하고, RN 설치를 위한 상면을 확보해야 하는 문제가 있다. 또 한 가지는 외부 환경에 RN이 설치돼 있기 때문에 장애 고장에 대처하기 위한 운용관리 사항이 많다. 이것은 OPEX(Operational Expense) 상승 요인으로 작용해 TCO(Total Cost of Ownership) 관점에서 볼 때 효과적이지 못한 단점을 안고 있다.

<그림 1> FTTH 기술

기존 망 구성의 대안, PON

PON(Passive Optical Network)은 AON과 Home Run 방식이 가지고 있는 문제점들에 대한 대안이라고 볼 수 있는데, 외부 환경에 능동소자 대신 전원이 필요하지 않은 수동 광소자를 사용해 국사에서 RN까지 연결되는 단일 광케이블을 분기시켜 가입자들에게 연결하는 방식이다. 이는 광케이블 소요를 억제시킴과 동시에 외부 환경에 능동 소자들을 제거함으로써 FTTH 서비스 제공에 가장 적합한 기술로 기대를 모으고 있다.
PON 방식은 크게 TDMA-PON 방식과 WDM-PON 방식으로 분류될 수 있다. 우선 TDMA-PON은 하향으로 모든 데이터들을 브로드캐스팅하고 상향으로는 각 가입자 데이터들을 TDMA(Time Division Multiple Access)함으로써 데이터 충돌없이 고속의 서비스를 제공하게 된다.
TDMA-PON 방식은 ATM-PON 기술과 Ethernet-PON 기술로 구분된다. ATM-PON은 T1와 OC-3 사이의 ‘sweet spot’에 목표를 두고 last mile의 병목현상을 극복하고자 하는 기술로 ITU의 G.983.x 시리즈로 제일 먼저 표준화된 기술이다. 이 기술은 ATM을 백본으로 활용하고 있는 미국에서 FTTP(Fiber To The Premises) 솔루션으로 채택돼 대규모 시범서비스를 진행 중에 있다. 그러나 국내에서는 IP 방식의 백본망으로 대부분의 데이터 서비스가 제공되고 있기 때문에 ATM 기능은 가격적인 부담으로만 작용했다. 그래서 현재는 기존 이더넷 기능을 그대로 수용하고 있는 E-PON 기술이 TDMA-PON 방식에 많이 고려되고 있는 실정이다.
비록 Ethernet-PON은 가변적인 패킷들을 전달하지만, ATM에 비해 오버헤드(overhead) 차지 비율이 훨씬 낮아 ATM-PON에 비해 상당히 높은 전송 속도를 제공할 수 있다. 현재 상용화된 장비들은 상하향 최대 1Gbps까지의 속도를 지원할 수 있도록 구현돼 있다. E-PON 기술은 점대다점 형태로 통신이 이뤄지기 때문에 상향 데이터들에 대해 데이터 충돌을 방지해 주는 TDMA 기능과 가입자들이 상향 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있도록 DBA(Dynamic Bandwidth Allocation) 기능이 제공되며, 하향으로는 브로드캐스트 되는 데이터에 대해 보안 기능이 필요하다.
이러한 기능들은 E-PON MAC에서 모두 수행하고 있으며, 광전-전광 변환 기능은 E-PON 광 트랜시버에서 수행하고 있다. E-PON에서 사용되는 수동 RN을 스플리터(splitter)라고 부르는데, 단일 스플리터를 통해 연결 가능한 가입자는 최대 32 가입자가 된다. E-PON은 EFM 표준화 그룹을 통해 표준화가 완료됨으로써 현재는 IEEE802.3ah으로 제정된 상태이다.
WDM-PON 방식의 광케이블 연결 토폴로지는 TDMA-PON과 유사하지만, 단일 파장을 가입자들이 공유하고 있는 TDMA-PON과는 달리 가입자당 고유의 광 파장을 할당해 각 파장을 통해 가입자와 국사간에 논리적으로 점대점의 전용채널을 형성한다는 특징을 갖는다. 가입자당 고유의 광 파장을 사용하기 때문에 지금까지 나온 기술에 비해 가장 높은 속도를 제공할 수 있다.
지금 현재 상용화된 WDM-PON 방식에서는 가입자당 상하향 100Mbps의 대역을 제공함으로써 총 4Gbps의 대칭 속도를 제공하게 된다. 또한 물리적으로 완전히 분리된 파장 대역을 사용함으로써 보안성이 탁월하다. 그러므로 WDM-PON은 TPS 형태의 신규 서비스를 제공하기 위한 가장 안정적인 기술이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

WDN-PON이 자리 잡는다

그동안 기간망 구간에서 대규모의 트래픽을 전송하는 수단으로 활용돼 왔던 WDM 기술이 가입자망에 적용 가능하게 된 것은 광소자에 대한 꾸준한 가격 하락을 유도한 기술적 혁신에 있다. 가입자가 어느 광 파장을 사용할 것인지를 정해주지 않아도 자동적으로 파장이 결정되는 Colorless 특성이 그 대표적인 예가 된다.
이로 인한 광소자의 양산성 확보는 FTTH 서비스 확대에 따라 광소자의 가격을 더욱 낮출 수 있는 요소로 작용할 것이다. 뿐만 아니라 광 핵심 부품에 대한 국산화 및 집적화, 저전력화와 같은 기술적 도전을 극복할 때 WDM-PON이 FTTH의 궁극적 솔루션으로서 자리잡게 될 것이다. 표준화 측면에서 볼 때 WDM-PON 기술은 아직 초기 단계이며, 현재 FSAN WG에서 표준화 방향을 정하고 있는 중이다.
앞에서 기술한 FTTH 기술들 외에 FTTH 서비스를 위해 고려되어야 할 부분은 광케이블을 구내망 환경에서 가입자에게까지 연결하기 위한 기술이다. 전화선을 이용한 VDSL 기술과는 달리 기축 아파트 및 일반 주택의 경우 기존에 없던 광케이블을 가입자에게 제공해야 하기 때문에 구내망 기술은 다양한 가입자 환경 내에 광케이블 보급여부를 좌우한다. 또한 외부환경에 놓이는 Outside Plant 측면에서 볼 때, 비록 광케이블 소요량을 최소화하는 PON 기술을 사용하더라도 FTTH 서비스가 본격적으로 제공되기 시작하는 시점에서는 광 케이블 관로가 증축되어야 할 것으로 예상되기 때문에 이를 위한 경제적 증축 방안이 강구돼야 할 것이다.

<그림 2> FTTH 망 구성 방식 모델

제공 : DB포탈사이트 DBguide.net