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40/100기가 광전송 핵심 기술 ‘코히어런트’
차세대 코히어런트 100G 광전송 기술
2010년 11월 10일 18:16:29 데이터넷 webmaster@datanet.co.kr

알카텔-루슨트는 새롭게 부상하고 있는 ‘차세대 코히어런트(next-generation coherent)’ 광통신 기술을 활용해 단일 파장으로 초당 100기가비트를 전송할 수 있는 상용 솔루션을 업계 최초로 출시했다. 이는 광전송 기술 수준을 한 차원 업그레이드 시키는 중요한 계기로, 차세대 코히어런트 100G 광전송 기술에 대해 살펴본다. <편집자>

   



박은철
한국알카텔-루슨트 부장
euncheol.park@alcatel-lucent.com

IP 기반의 비디오 멀티 애플리케이션 서비스 및 웹 2.0 서비스가 활성화됨에 따라 통신사업자들의 네트워크 대역폭 요구도 지속적으로 증가하고 있다. 시장조사기관인 피라미드리서치와 라이트리딩은 전 세계 데이터 트래픽이 2013년까지 매년 131% 증가할 것으로 전망하고 있다.

유튜브, 아이튠즈, 마이스페이스, 페이스북에 이어 구글TV, 애플TV와 같은 IPTV 그리고 HDTV, VoD 및 게임의 등장은 기존의 전송 서비스 대역폭을 10Gbit/s에서 40Gbit/s, 그리고 100Gbit/s까지 요구하고 있다. 예를 들어 유튜브는 하루에 1억 번의 다운로드가 이뤄지고 트래픽 양은 1페타바이트라고 한다.

1페타바이트는 우리가 현재 사용하고 있는 신호 중 가장 빠른 전송 속도인 10Gbit/s의 10만배가 되는 트래픽 양이다. 이러한 트래픽 증가에 비해 통신사업자의 수익 증가는 미미한 편이라 기존 전송망의 성능과 품질은 유지하면서 보다 비용효율적인 솔루션 도입을 고민할 수밖에 없게 됐다.

   

<그림 1> 트래픽 증가 및 통신사업자 수익 흐름 전망


전송속도 증가에 따라 ‘분산’ 고려해야
기본적으로 전송망은 대용량 신호를 최대한 장거리로 보내고 단위 비트당전송 비용을 절감하는데 목표를 두고 있다. 대용량 신호를 장거리 전송 시 고려해야 할 중요한 요소로는 케이블의 손실 특성, 분산 특성 및 비선형 효과들이 있다.

이 중 전송속도가 2.5Gbit/s → 10Gbit/s → 40Gbit/s → 100Gbit/s로 증가하면서 심각하게 고려해야 하는 요소가 바로 ‘분산’이다. 분산은 크게 MD(Modal Dispersion), CD(Chromatic Dispersion), PMD(Polarization Mode Dispersion)의 세 가지로 나눠지는데 MD는 멀티모드 광과 멀티모드 케이블에서만 고려하고 장거리 전송에서는 고려하지 않아도 된다. 2.5Gbit/s 망이 10Gbit/s 망으로 바뀌면서 CD를 고려하게 되고, CD로 인해 발생하는 문제 해결을 위해 DCM(Dispersion Compensation Module)이 도입됐다.

2년 전부터 40Gbit/s 인터페이스에 대한 수요가 등장하면서 ODB, CS-RZ, NRZ-DPSK, PDM-QPSK, DQPSK 등의 새로운 전송 신호 변조 양식이 언급되기 시작했다. 10Gbit/s 신호를 수용하면서 고려한 CD 외에도 PMD가 새로운 고민거리로 떠올랐고, CD를 보상하기 위한 진보된 기술로는 TDCM(Tunable Dispersion Compensation Module)이 도입되고 PMD를 해결하는 PMDC (Polarization Mode Dispersion Compensator)가 개발됐다.

이처럼 100Gbit/s 인터페이스가 등장하면서 CD와 PMD는 장거리 전송 시 반드시 고려해야 할 중요한 요소다. 전송거리는 전송하고자 하는 신호 대역폭의 제곱에 반비례하고, PMD의 제곱에도 반비례한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
 
           전송거리(L) = 104,000 / [ (대역폭)2 × CD ]
           전송거리(L) = 10,000 / [ (대역폭)2 × (PMD)2 ]

CD는 대역폭의 제곱에 비례해 40Gbit/s 신호는 10Gbit/s 신호 대비 16배로, 100Gbit/s 신호는 10Gbit/s 신호 대비 100배로 CD가 증가하게 된다. PMD는 대역폭에 비례하므로 40Gbit/s 신호는 10Gbit/s 신호 대비 4배, 100Gbit/s 신호는 10Gbit/s 신호 대비 10배로 PMD가 늘어나게 된다. 따라서 전송거리를 산출해보면 100Gbit/s 신호는 일반적인 단일모드 광섬유를 사용할 경우 CD 고려 시에는 약 250m 정도만 전송이 가능하며 PMD를 고려하면 편광모드 분산 지수가 0.25인 단일 모드 광섬유를 사용할 경우 약 3km 전송이 가능하다.

분산이란 빛이 퍼지는 현상으로 <그림 2>의 왼쪽에서는 정해진 시간 ‘T’ 내에 신호가 도달해 그 비트가 ‘1’인지 ‘0’인지 판별이 가능한데 반해 오른쪽에서는 정해진 시간 ‘T’ 내에 여러 신호가 섞여 있어 이 신호가 ‘1’인지 ‘0’인지 판별이 불가능하다. 모든 신호는 정해진 시간 내에 처리돼야 하는데 신호가 분산돼 퍼져서 도달하게 되면 문제가 생겨 에러가 발생하고 통신품질이 저하되게 된다.

   

<그림 2> CD에 따른 신호 왜곡


현재 대부분의 전송망들은 10Gbit/s를 기준으로 설계돼 있어 40Gbit/s나 100Gbit/s 인터페이스를 도입하더라도 기존 10Gbit/s 망을 변경하지 않고도 수용이 가능해야 한다는 전제 조건을 갖는다. CD는 대역폭의 제곱에 비례, PMD는 대역폭에 비례하므로 전송 대역폭을 증가시키기 위해 40Gbit/s나 100Gbit/s를 도입하게 되면 대역폭은 그대로 두고 신호 변조 횟수를 10Gbaud/s나 이와 비슷한 횟수로 줄여야 한다.

예를 들어 155Mbit/s, 622Mbit/s, 2.5Gbit/s, 10Gbit/s 신호에서 전송되는 정보의 대역폭을 사람에, 전송신호 변조 횟수를 승용차에 비유한다면 지금까지는 승용차 한 대에 한 사람만 타고 다니는 나홀로 차량이었다. 그러나 광섬유라는 도로는 그대로 두고 더 많은 사람이 이용할 수 있도록 하려면 승용차 한 대에 두 사람 또는 네 사람씩 타야 한다. 그래야 차량 증가 없이 더 많은 사람들이 다닐 수 있게 되는 것이다.

지금까지는 광전송에서 신호를 전송하는 레이저 다이오드(LD)를 켰다껐다를 반복하는 OOK(On-Off-Keying)라는 방식을 사용해 광 신호가 있으면 ‘1’로 인식하고 광 신호가 검출되지 않으면 ‘0’으로 인식했다. 이 방식을 이용하면 100Gbit/s 신호를 보내기 위해 1초에 1000억번의 레이저 다이오드를 켰다껐다 반복해야 한다. 그러나 고속으로 동작하는 부품이 필요하고 변조 횟수가 많아지면서 결국 CD 및 PMD가 심각해 전송이 불가능하게 된다.

레이저 다이오드에서 나오는 광 신호를 변조할 수 있는 방법은 기본적으로 3가지가 있다. 첫 번째는 현재 사용중인 광 신호의 세기를 조절하는 방법이며, 두 번째는 사인파의 형태를 갖는 광 신호의 위상(Phase)을 사용하는 방법이고, 세 번째는 빛의 횡파와 종파를 모두 사용하는 것이다.

   

<그림 3> 광 신호 변조 방법


100G PDM-QPSK 기술
알카텔-루슨트는 100G 신호를 전송하는데 POLMUX-QPSK(Polarization-Multiplexed Quadrature Phase Shift Keying)라는 방식을 사용한다. 이것은 광 신호의 횡파와 종파 그리고 위상을 함께 사용해 신호를 한 번 변조할 때 한 번에 4개 비트의 신호를 전송하게 된다. 즉 한 대의 차량에 네 사람이 타고 가는 것과 같은 원리다. 따라서 실제 신호는 100Gbit/s지만 변조 횟수는 4분의 1로 줄어든 25Gbaud/s가 되며, 실제로는 FEC(Forward Error Correction) 기능이 추가돼 28Gbaud/s가 된다. 기존 40Gb/s에 사용된 PDM-QPSK 전송 기술은 1세대 PDM-QPSK 전송방식이라 불리며 성능과 품질 측면에서 제약사항들이 있었다.

그러나 이러한 문제를 해결하기 위해 최적의 신호 변조 기술과 수신 감지 기술을 사용하고, 벨연구소에서 개발한 초고속 DSP (Digital Signal Processing) 기술까지 결합해 보다 효율적인 전력 소모량과 컴팩트 디자인을 갖춘 솔루션을 개발하게 됐다. 이 세 가지 기술들의 혼합체가 바로 코히어런트(Coherent)로, 현재 40Gb/s와 100Gb/s 광전송 핵심 기술로 손꼽히고 있다. 알카텔-루슨트에서 세계 최초로 상용망에 적용한 100G PDM-QPSK 기술의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

● 위상편이변조
   

<그림 4> 위상편이변조 방식

위상의 변화를 다양하게 해 한 위상에 여러 비트 표현이 가능하므로 광 신호를 변조할 때 광 신호의 위상 을 0, π/2, π, 3π/2로 구분해 각 위상에 따라 ‘00’, ‘01’, ‘10’, ‘11’로 구분하고 한꺼번에 2개의 비트를 보내는 효과를 얻을 수 있다. 실제 신호를 처리할 때에도 2개의 비트가 하나의 심볼로 처리돼 하나의 위상이 2비트 값을 나타낸다.

그렇게 되면 광전송 속도는 그대로 유지하면서 변조 횟수를 100Gbaud/s에서 50Gbaud/s로 줄여 CD와 PMD를 각각 1/4과 1/2로 줄일 수 있다. 위상을 계속 늘리면 하나의 신호에 여러 비트들을 전송할 수 있으나 위상차가 작아져 잡음에 의한 신호 지연이 자주 발생할 우려가 있다. 또한 회로가 너무 복잡해지고 가격을 급격하게 상승시키는 요인이 될 수 있다. 

● 편광분할다중화(PDM)
초고속 광전송 신호를 보다 안정적이고 효율적으로 보내려면 10Gbit/s에 가깝게 변조 횟수를 줄여야 한다. 그러나 위상편이 변조만 거친 단계에서는 변조 횟수가 50Gbaud/s로, 10Gbit/s 신호에 비해 5배나 높다. 이것을 절반으로 줄일 수 있는 방법이 바로 편광분할다중화(PDM: Polarization Division Multiplexing)다.

PDM이란 <그림 5>와 같이 진행 방향으로 서로 직각을 이루는 편광모드를 이용해 신호를 전송하는 방식이다. 하나의 편광모드에 2비트씩 보내면 한꺼번에 모두 4비트를 보내게 돼 변조 횟수를 50Gbaud/s에서 25Gbaud/s로 줄이는 방법이다. 100Gbit/s의 전체 변조 횟수는 1/4인 25Gbaud/s가 돼 CD 허용범위는 160ps/nm 그리고 편광모드 분산 허용범위는 4ps/√Km까지 증가해 고속 전송에 적합한 형태로 바뀌게 된다.

   

<그림 5> 편광분할다중화 방식


● 코히어런트 수신 감지 기술
통신에서 사용되는 코히어런트(coherent)의 의미는 두 신호간의 위상관계가 고정됐다는 뜻이다. 다시 말하면 송신 신호와 수신 신호의 위상이 동기화돼야 하는 방식을 말한다.

코히어런트 검출방식은 광 신호가 광섬유 안에서 멀리 전송될 때 신호의 세기가 약해져도 신호의 위상을 검출해 신호를 수신할 수 있어 빛의 세기로 신호를 수신하는 것보다 훨씬 효율적이다. 또한 초고속 DSP 엔진을 사용해 수신된 신호의 CD와 PMD를 전기적으로 처리할 수 있어 장거리 전송에 적합하다.

코히어런트 적용 광전송 솔루션 도입 확산
100Gb/s 전송에 대한 연구는 오래 전부터 계속돼 왔으며 최초의 100Gb/s 광전송 시험은 2007년 11월 미국의 대표적 통신사업자인 버라이존의 실제 서비스 망에서 성공적으로 이뤄져 100Gb/s 광전송 시대를 여는 계기가 됐다. 이후 스페인 텔레포니카와 일본 소프트뱅크 텔레콤 등 전 세계 주요 통신사업자들은 성공적으로 시험을 마치고 코히어런트 기술이 적용된 알카텔-루슨트 ROADM 장비인 1830 PSS 솔루션을 도입하기도 했다.

지난 7월 알카텔-루슨트는 새롭게 부상하고 있는 ‘차세대 코히어런트’ 광통신 기술을 활용해 단일 파장으로 초당 100기가비트를 전송할 수 있는 상용 솔루션을 업계 최초로 출시했다. 이는 광전송 기술 수준을 한 차원 업그레이드 시키는 중요한 계기가 됐다.

차세대 코히어런트 기술은 100G 광통신에서 한 단계 업그레이드된 개념으로 비디오 스트리밍, 웹 애플리케이션, 클라우드 컴퓨팅, IPTV, HDTV 서비스 등으로 급증하는 대역폭 수요에 대비하기 위해 개발됐다. 아울러 전송에 필요한 소모 전력 및 상면적, 네트워크 복잡성을 대폭 줄여준다.

특히 40G 그리고 100G까지의 채널 전송 속도를 모두 지원하는 강점을 갖고 있어 기존 백본 및 메트로 망에서 추가 개선 사항 없이 새로운 100G 광 플랫폼(DWDM)을 구축하려는 통신사업자들에게 이상적이다. 이 기술은 알카텔-루슨트의 ROADM 장비인 1830 PSS, 그리고 1626LM 등의 DWDM 솔루션에 구현돼 있으며, 88채널을 지원하는 1830 PSS의 경우 최대 8.8Tbps의 전송 속도를 제공한다.

국내에서도 KT, SK텔레콤, LG유플러스 등 주요 통신사업자들이 100G 인터페이스 도입을 위해 코히어런트 기술이 적용된 광전송 솔루션 도입을 적극 검토하고 있어 도입이 본격화될 전망이다.

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