10G GPON 및 10G EPON XGS-PON XG-PON 정보

5G 또는 Wi-Fi 6의 인기와 보급은 기업 및 홈 네트워크를 지원하는 주요 기술인 PON에 큰 도전이 되고 있습니다. 그러나 10G PON은 자체적인 FTTH(Fibre To The Home) 및 FTTB(Fiber To The Building) 시대를 수용하고 있습니다. 이 문서에서는 10G PON 기술의 진화를 소개하고, 10G PON 표준에 대해 논의하며, 10G PON 구성 요소의 주요 기술을 분석합니다.

• PON, 10G EPON 및 10G GPON이란 무엇인가요?

PON은 수동 광 네트워크의 약자로, 능동 전자 장비가 없는 OLT(광 회선 단말기)와 ONU(광 네트워크 장치) 사이의 광 분배 네트워크(ODN)를 말합니다. PON 네트워크는 포인트 투 멀티포인트 구조의 단일 광섬유 양방향 광 액세스 네트워크를 채택하며, 네트워크 측의 광 회선 단말기(OLT), 광 분배 네트워크(ODN) 및 외부(사용자 또는 고객) 광 네트워크 장치(ONU)로 구성됩니다.

10G EPON은 IEEE 802.3av에서 지정한 10Gbit/s 이더넷의 표준 전송에 해당하는 패시브 광 네트워크입니다. 이 표준 버전은 두 가지 구성을 지원합니다. 하나는 양방향 10Gbit/s 데이터 속도로 작동하는 대칭형이고, 다른 하나는 다운스트림(공급자에서 고객) 방향에서 10Gbit/s로 작동하는 비대칭형입니다. 업스트림 방향에서 1Gbit/s로 작동하는 비대칭. 10G GPON에 비해 10G EPON은 1:128의 분할 비율로 더 강력한 분할 기능을 가지고 있으며 더 많은 사용자에게 서비스를 제공할 수 있습니다.

10G-PON(일명 xg-pon)은 2010년 컴퓨터 네트워크용 데이터 링크 표준입니다. 10G-PON은 업스트림과 다운스트림 대역폭이 비대칭인 구성(업스트림 2.5Gbps, 다운스트림 10Gbps)을 가지고 있습니다. 중앙 사무실에서 단일 모드 광섬유 가닥이 외부 환경에 가까운 패시브 광 분배기로 연결되어 광 전력을 사용자 또는 클라이언트에 대한 여러 독립 경로로 분할합니다.

• 10G EPON 및 10G GPON의 진화

GPON은 국제전기통신연합 전기통신 표준화 부문(ITU-T)에서 추진하는 PON 표준 기술입니다. GPON 사양이 개선되고 장비의 성숙도가 높아짐에 따라 미국 Verizon, 프랑스 텔레콤(FT), 영국 텔레콤(BT), 도이치 텔레콤(DT 및 기타 주요 제조업체), 이탈리아 텔레커뮤니케이션(TI) 등 유럽과 미국의 통신 사업자가 GPON 기술을 채택하기로 결정했습니다. 차이나 모바일 외에도 차이나 텔레콤, 차이나유니콤과 같은 중국 통신 사업자들도 GPON 네트워크를 구축하고 있습니다.

GPON은 역사는 짧지만 빠르게 발전하고 있으며 더 빠른 속도와 표준화로 인해 EPON을 능가할 것으로 예상됩니다. 시장 조사 회사 Ovum의 조사에 따르면 2012년 GPON 광선로 단말기(OLT) 출하량은 EPON을 제치고 주류 PON 기술이 되었습니다.

ITU-T는 FSAN(풀 서비스 액세스 네트워크) 조직과 협력하여 GPON 및 NG-PON(차세대 PON)에 대한 표준을 개발하고 있습니다. 2010년부터 2012년까지 ITU-T는 G.987 시리즈 XG-PON(10기가비트 수동 광 네트워크) 표준 문서를 연속적으로 발표했습니다. 2009년에 전기전자기술자협회(IEEE)는 10G EPON을 위한 IEEE 802.3av 표준을 발표했습니다.

• 10G-EPON 표준

IEEE 802.3av는 10G-EPON의 표준입니다. EPON의 IEEE 802.3ah 표준을 계승하지만 전송 속도가 변경됩니다. 10G EPON은 다운스트림 방향(공급자에서 고객으로)에서는 10Gbit/s로, 업스트림 방향에서는 1Gbit/s 또는 10Gbit/s로 작동합니다. PCS 레이어(물리적 코딩 하위 레이어)에서 10Gbit/s 속도는 64B/66B 인코딩을 사용하는 지점 간 10G 이더넷 표준을 기반으로 하며, 1Gbit/s의 업스트림에서는 EPON과 같은 8B/10B 인코딩 방식이 사용됩니다. 10G EPON을 위한 순방향 오류 수정(FEC) 인코딩은 필수 기능입니다.

10G EPON에서 사용하는 RS(리드-솔로몬) 인코딩 파라미터는 전자의 오류 수정 기능이 16바이트로 업그레이드되었기 때문에 EPON과 다릅니다. 10G-EPO는 기본적으로 EPON 시스템의 MPCP (Multi-Point Control Protocol) 프로토콜을 따르며 10G-EPON 장비의 성숙과 시장 진입을 가속화합니다. 10G EPON은 광 분배 네트워크 (ODN)의 공유 요구 사항을 기반으로 꾸준히 발전하고 있습니다. EPON과 10G-EPON이 함께 구축되면 파장 분할 다중화 (WDM) 기술이 10G-EPON에 적용되어 서로 다른 광 파장에서 EPON 및 10G-EPON 광 신호를 필터링합니다.

• 10G GPON 표준

1. 1 NG-PON의 두 가지 기간

ITU-T에 따르면 NG-PON은 두 단계를 거쳤는데, 하나는 GPON 표준을 확장하고 기존 ODN과 호환되는 NG-PON1 단계이고, 다른 하나는 기존 GPON 표준과 네트워크 제한을 없애는 NG-PON2 단계입니다. XG-PON은 NG-PON1에 속합니다. 비대칭 시스템(업링크 2.5Gbit/s, 다운링크 10Gbit/s)을 XG-PON1이라고 하고, 업링크 10Gbit/s, 다운링크 10Gbit/s 대칭 시스템을 XG-PON2라고 합니다. 이후 다음과 같이도 알려져 있습니다. xgs-pon. 그러나 실제 적용의 필요성을 고려할 때 XG-PON2의 표준 공식화는 끝났습니다. 후속 표준 XG-PON은 비대칭 패시브 광 네트워크 시스템입니다.

또한 ITU-T는 GPON ONT 관리 제어 인터페이스(OMCI)를 확장하여 ITU-T 광 액세스 네트워크 단말 관리의 기본 표준으로 사용되는 새로운 OMCI 표준 G.988을 제정했습니다. XG-PON은 근본적으로 G-PON의 고급 버전입니다. 고속, 큰 분할 비율, 네트워크 진화 등의 측면에서 성능이 향상되었습니다. 더 많은 사용자에게 서비스를 제공하고 사용자에게 더 높은 대역폭을 제공할 수 있습니다.

1. 2 10G GPON의 기술적 특징

10G GPON(XG-PON이라고도 함)의 일반 및 물리적 요구사항은 G.987.1 및 G.987.2 표준에 명시되어 있습니다. XG-PON의 데이터 전송 속도는 업링크의 경우 2.5Gbit/s, 다운링크의 경우 10Gbit/s이며, 회선 인코딩은 NRZ(non-return to zero) 인코딩입니다. OLT와 광 네트워크 장치(ONU) 장비 간의 멀티태스킹 전송을 위해 10G GPON에서 사용되는 기술은 GPON과 동일합니다. 둘 다 업링크용 시분할 다중 액세스(TDMA) 모드와 다운링크용 TDM 모드입니다. 그러나 XG-PON은 최소 1:64의 광 분할 비율을 지원하므로 GPON보다 더 많은 ONU를 지원합니다.

XG-PON의 전송 융합(TC) 계층 표준은 G.987.3에 표준화되어 있으며, XGTC(XG-PON 전송 융합) 계층 구조는 GPON의 구조와 일치합니다. 그러나 인터넷 접속 속도와 사용자가 증가함에 따라 정상적으로 작동하려면 XGTC의 기술 사양을 수정해야 합니다. 개정된 표준은 ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID 등의 비트 폭을 규정하고 PON-ID를 추가하며 FEC, 스크램블링 및 PLOAM(물리 계층 OAM) 정보의 코딩 길이를 늘립니다. 더 중요한 것은 대역폭 할당이 단어 단위로 변경되고 XGEM(XG-PON 캡슐화 방식) 채널 구조로 인해 암호화 관련 필드 폭이 증가한다는 점입니다.

• 1G PON과의 공존에 관하여

G.987 표준에 기반한 GPON 및 XG-PON은 WDM(파장 분할 다중화) 구성 요소를 통해 동일한 외부 장치에서 1Gbit/s 및 10Gbit/s GPON 시스템을 동시에 실행할 수 있습니다. 마찬가지로 802.3av 표준은 1Gbit/s 및 10Gbit/s EPON 시스템의 동시 작동도 매우 중요하게 생각합니다. XG-PON과 10G-EPON이 ODN에서 각각 1G PON 및 1G EPON과 공존하기 위해서는 신구 시스템의 진화와 공존을 고려한 설계가 필요하므로 광학 장치의 설계가 특히 중요합니다.

10Gbit/s(초당 기가비트)에 이르는 다운링크 및 업링크 속도 업데이트, 처프 현상을 방지하기 위한 레이저 광원 선택 방법, 70°C 환경에서 안정적이고 균형 잡힌 광 출력 신호를 달성하는 방법 등의 문제는 OLT 광 트랜시버 모듈의 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 그 중에서도 OLT 신호 수신은 업링크 전송 속도를 제공하기 위해 광 네트워크 단말기(ONT)에 더 비싼 버스트 모드 레이저를 사용해야 합니다. 그림 1은 G.987에서 GPON과 XG-PON의 공존 네트워크를 보여줍니다.

• 10G PON의 파장 할당

각 전송 표준은 고유한 파장 범위를 사용합니다. 10G-EPON의 업링크 중심 파장은 1270nm와 1310nm로 구성됩니다. 기존 EPON과의 상호 운용성을 고려하여 업링크 1Gbit/s 중심 파장은 1310nm, 10Gbit/s 중심 파장은 1270nm, 다운링크는 1577nm로 구성됩니다. XG-PON의 경우 업링크 중심 파장은 1270nm, 다운링크는 1577nm로 구성되며, 이는 10G-EPON의 10G/10G 시스템과 동일합니다. 그림 2는 GPON, XG-PON/10G-EPON의 파장 할당에 대해 설명합니다.

• 10G PON용 광학 장비

PON 장비의 핵심 구성 요소는 광 트랜시버 모듈과 PON MAC 칩입니다. PON 광 트랜시버 모듈은 광 네트워크의 광학 구성 요소로 레이저, 드라이버, 증폭기, 클럭 데이터 복구 회로(클럭 데이터 복구, CDR), 시리얼라이저/디시리얼라이저(SerDes)로 구성됩니다.

PON MAC 칩은 PON 신호 데이터를 처리하는 칩입니다. 10G-EPON의 PON MAC에는 이미 전용 애플리케이션 집적 회로(ASIC) 칩이 있으며, 대부분은 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이)입니다. 그러나 이미 기능 및 성능에 대한 요구 사항을 충족합니다. 느리게 발전하고 있는 XG-PON의 경우, G.987 표준은 다양한 ODN 수준에서 애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위해 네 가지 유형의 광 전력 예산을 정의합니다. 이 네 가지 사양은 그림 3에 나와 있습니다. 그 중 E2 레벨의 최대 채널 삽입 손실은 35dB이며, 이는 XG-PON이 광 트랜시버 모듈에 대한 엄격한 요구 사항을 가지고 있음을 보여줍니다. 따라서 XG-PON의 광 트랜시버 모듈은 전체 수동 광 네트워크 (10G-GPON) 시스템에서 중요한 역할을합니다.

• 10G PON의 광학 디바이스 기술

1. 1 광 트랜시버 기술

현재 시중에 나와 있는 대부분의 XG-PON OLT 광 트랜시버 모듈은 채널 삽입 손실(dB) 측면에서 N2 레벨에 속하며, 출력 전력은 각각 +4~+8dBm, +10.5~+12.5dBm으로 나뉩니다. XG-PON OLT 광학 모듈의 작동 파장 범위는 1575nm ~ 1580nm입니다. 이 범위 내에서 레이저 광원은 20킬로미터(km)를 전송할 수 있습니다.

외부 변조 레이저(EML)는 외부 변조로 인해 발생하는 처프를 방지하기 위해 모듈로 설계되는 경우가 많습니다. 동시에 반도체 레이저 광원과 함께 사용되는 반도체 외부 변조기의 기술은 최근 몇 년 동안 지속적으로 개선되었습니다. 레이저와 동일한 기판과 통합된 외부 변조 레이저는 성능과 품질 측면에서 성숙한 단계에 도달했습니다. 가장 큰 장점은 작은 크기와 간편한 패키징입니다.

1. 2 10G PON의 광 변조기 기술

레이저의 외부 변조는 신호가 변조될 때 매개변수를 변경하는 것을 말합니다. 레이저를 외부 변조기에 삽입하면 변조기의 전기 광학 또는 위상차를 사용하여 출력 광도 및 기타 파라미터를 변경합니다. 레이저는 정적 DC 상태에서만 작동하기 때문에 레이저의 외부 변조는 처프를 줄이고 신호 전송 성능을 향상시킬 수 있습니다. 현재 10Gbit/s 광통신 시스템에서 중장거리 전송에 사용되는 외부 광 변조기는 대부분 EAM과 MZM입니다. 전자는 전기 광학 효과를 활용하는 반도체 전기 흡수 변조기의 약자이며, 후자는 위상차 효과를 활용하는 반도체입니다. 마하-젠더 변조기(MZM).

EAM은 독일 물리학자 발터 프란츠와 러시아 물리학자 레오니드 켈디쉬의 이름을 딴 프란츠-켈디쉬 효과에 기반합니다. 전압을 사용하여 빛의 강도를 변조하고 역 바이어스 전압으로 전기장을 가하여 EAM의 에너지 레벨을 변경합니다. 입사광을 흡수하여 빛의 변형, 변조. 특히 레이저 다이오드(LD)와 EAM은 동일한 기판 위에 제작됩니다. 이러한 설계 구조는 높은 변조율, 낮은 구동 전압 및 작은 크기라는 장점을 가지고 있어 반도체 레이저와 통합할 수 있고 패키징 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 이러한 외부 광 변조기는 실제 애플리케이션에서 널리 사용되고 있습니다.

마하-젠더 변조기는 위상차의 변화를 활용하여 광 변조를 달성합니다. 이 방법은 다음과 같이 작동합니다. 먼저 삽입된 광원을 두 개의 경로로 분할한 다음, 분리된 광 신호를 출력에서 재통합하고 마지막으로 외부 바이어스 전압으로 위상 조정을 수행합니다. 이 변조 모드는 처프 파라미터를 0에 가까운 작은 값으로 줄일 수 있어 고속 및 장거리 광섬유 신호 전송에 매우 적합합니다. 그러나 높은 비용으로 인해 제조업체로부터 많은 관심을 끌지 못했습니다.

1. 3 10G PON의 광학 드라이버 기술

10Gbit/s 광 트랜시버 모듈의 경우 레이저 다이오드의 대역폭, 처프 및 분산 외에도 고온이 또 다른 핵심 요소입니다. 초기에는 레이저 다이오드와 IC에 적용된 미성숙한 기술로 인해 심각한 열 영향이 발생하여 레이저 다이오드의 품질이 저하되었을 뿐만 아니라 PD(PIN 검출기)의 노이즈도 증가했습니다. 또한 초고온은 광 수신의 동적 범위를 감소시키고 전송 거리를 단축시킬 수 있습니다.

현재 일부 XG-PON OLT 광 트랜시버 모듈은 XFP(10기가비트 소형 플러그형)로, DFB-LD의 구동 전류와 외부 변조 및 온도 제어 시스템이 필요합니다. DFB-LD가 제공해야 하는 바이어스 전류는 DML의 3배 이상입니다. 따라서 실온에서는 단위 시간당 전체 XFP에 축적된 열을 방출하기 어렵습니다. 70°C 환경에서 조명 출력 신호의 안정적인 균형을 유지하는 방법은 제조업체의 기술력에 큰 도전 과제입니다.

1. 4 광 증폭기 기술

일반적으로 광 트랜시버 모듈의 신호 수신은 TIA(트랜스 임피던스 증폭기)와 제한 증폭기가 있는 광 수신기를 통해 이루어집니다. TIA가 있는 광 트랜시버는 수신된 광 신호를 전압 신호로 변환한 다음 제한 증폭기로 전송합니다. 마지막으로 제한 증폭기에 의해 증폭되어 직렬 데이터를 출력합니다.

ONU의 동적 주파수 응답을 개선하기 위해 자동 이득 제어(AGC) 기술이 적용된 평균 판독 검출기가 10G EPON OLT/ONU 광 트랜시버에 설계되어 있습니다. 그러나 GPON 광 트랜시버는 버스트 모드에서 광 신호를 수신합니다. 다른 ONU에 대한 트랜시버의 응답 시간은 256ns 미만입니다. 이 경우 256ns 요구 사항을 충족하려면 응답 시간이 짧은 자동 이득 제어 방법을 사용해야 합니다. 자동 이득 제어 기능이 있는 피크 감지기는 회로를 처리하는 한 가지 방법입니다.

• XGS-PON이란 무엇인가요?

XG-PON과 XGS-PON은 모두 GPON 시리즈에 속합니다. XGS-PON은 XG-PON의 기술적 진화입니다.

XG-PON과 XGS-PON은 모두 10G PON입니다. 주요 차이점은 XG-PON은 비대칭 PON이며 PON 포트의 업링크/다운링크 속도는 2.5G/10G이고, XGS-PON은 대칭 PON이며 PON 포트의 업링크/다운링크 속도는 10G/10G라는 점입니다.

현재 사용 중인 주요 PON 기술은 비대칭 PON인 GPON과 XG-PON입니다. 1선 도시를 예로 들면, OLT의 업스트림 트래픽은 평균적으로 다운스트림 트래픽의 22%에 불과합니다. 따라서 비대칭 PON의 기술적 특성은 기본적으로 사용자의 요구를 충족합니다. 더 중요한 것은 비대칭 PON의 업 링크 속도가 낮고 ONU의 레이저와 같은 전송 구성 요소 비용이 낮기 때문에 장비 가격이 그에 상응하여 낮다는 것입니다.

하지만 사용자의 요구는 다양합니다. 라이브 스트리밍, 비디오 감시 및 기타 서비스가 증가함에 따라 점점 더 많은 시나리오에서 사용자는 업링크 대역폭에 더 많은 관심을 기울이고 있으며 가정용 전용 회선은 대칭적인 업링크/다운링크 회로를 제공해야 합니다. 이러한 비즈니스는 XGS-PON에 대한 수요를 촉진합니다.

XGS-PON은 GPON과 XG-PON의 기술적 진화이며 GPON, XG-PON 및 XGS-PON의 ONU 하이브리드 액세스를 지원합니다.

1. 1 XGS-PON과 XG-PON의 공존

XG-PON과 마찬가지로 XGS-PON의 다운링크는 브로드캐스트 모드를 채택하고 업링크는 TDMA 모드를 채택합니다.

XGS-PON과 XG-PON의 다운링크 파장 및 다운링크 속도가 동일하기 때문에 XGS-PON의 다운링크는 XGS-PON ONU와 XG-PON ONU를 구분하지 않습니다. 광 분배기는 동일한 ODN 링크에서 다운링크 광 신호를 각 XG(S)-PON(XG-PON 및 XGS-PON) ONU에 브로드캐스트하고 각 ONU는 자체 신호를 수신하고 다른 신호를 버리도록 선택합니다.

XGS-PON은 자연스럽게 두 개의 ONU, 즉 XG-PON과 XGS-PON의 하이브리드 액세스를 지원한다는 것을 알 수 있습니다.

1. 2 XGS-PON과 GPON의 공존

업스트림/다운스트림 파장이 GPON과 다르기 때문에 XGS-PON은 콤보 솔루션을 사용하여 ODN을 GPON과 공유합니다. XGS-PON의 콤보 옵티컬 모듈은 GPON 옵티컬 모듈, XGS-PON 옵티컬 모듈 및 WDM 컴바이너를 통합합니다.

업스트림 방향에서 광 신호가 XGS-PON 조합 포트에 들어간 후 WDM은 파장에 따라 GPON 신호와 XGS-PON 신호를 필터링 한 다음 신호를 다른 채널로 보냅니다.

다운링크 방향에서는 GPON 채널과 XGS-PON 채널의 신호가 WDM을 통해 다중화되고, 혼합된 신호는 ODN을 통해 ONU로 다운링크됩니다. 파장이 다르기 때문에 각기 다른 유형의 ONU는 내부 필터를 통해 신호를 수신하는 데 필요한 파장을 선택합니다.

XGS-PON은 당연히 XG-PON과의 공존을 지원하기 때문에 XGS-PON의 Combo 솔루션은 GPON, XG-PON 및 XGS-PON의 세 가지 유형의 ONU 하이브리드 액세스를 지원합니다. XGS-PON 콤보 광 모듈은 3 모드 콤보 광 모듈이라고도합니다 (XG-PON 콤보 광 모듈은 GPON 및 XG-PON ONU의 하이브리드 액세스를 지원하기 때문에 듀얼 모드 콤보 광 모듈이라고합니다).

요약

네트워크 속도에 대한 요구가 계속 증가함에 따라 기존 표준에서 더 빠른 새 기술이 파생되고 있습니다. 10G-PON은 G-PON 공급업체의 차세대 초고속 기능으로, 설치된 G-PON 사용자 장비와 동일한 네트워크에서 공존하도록 설계되었습니다. IEEE에서 정의한 EPON과 ITU에서 정의한 GPON은 모두 10G PON의 시대를 열고 있습니다. 현재 FTTH(파이버 투 홈)에 사용되는 주류 PON 기술은 EPON과 GPON이며, 10G PON 기술은 주로 복도(파이버 투 복도)에 사용됩니다.

장비 비용과 장비 성숙도의 영향을 받아 현재 XGS-PON의 장비 가격은 XG-PON보다 훨씬 높습니다. 그 중 OLT(콤보 사용자 보드 포함)의 단가는 약 20%, ONU의 단가는 50% 이상 높습니다.

주거 전용 회선은 대칭적인 업스트림/다운스트림 회로를 제공해야 하지만, 대부분의 주거 승객 전용 회선의 실제 트래픽은 여전히 다음 회선에 의해 지배되고 있습니다. 사용자가 업링크 대역폭에 더 많은 관심을 기울이는 시나리오가 점점 더 많아지고 있습니다. 그러나 XG-PON을 통해 접속할 수 없는 서비스는 거의 없으며 반드시 XGS-PON을 통해 접속해야 합니다.

XGS-PON 조합 솔루션은 호환성이 우수하기 때문에 XGS-PON OLT (결합 된 사용자 보드 포함)의 단가는 XG-PON보다 훨씬 높지 않습니다. 1, 2선 도시 및 지방 수도(본사 전용선의 업링크 트래픽이 일반적으로 높음)에 소량의 XGS-PON OLT 장비를 배치할 수 있으며, 사용자의 실제 업링크 대역폭 요구 사항에 따라 XGS-PON ONU를 장착할 수 있습니다.