Optical Mobile Network

  NTT DOCOMO Technology Report Optical Mobile Network

Optical Transport Technology

- Core Network

Optical 전송은 낮은 전송 손실과 큰 대역폭을 제공하는 기능이 있다. 파장의 수백만 분할 멀티플렉싱을 사용하여 하나의 광섬유에 멀티플렉스 할 수 있다. 현재 단일 파장은 10, 40 또는 100Gbps를 전송할 수 있다. 그렇기에 단일 광섬유 쌍은 쉽게 각각의 수십 Tbps를 전송할 수 있다. 광 스위칭 기술, 즉 광 회로 스위칭 (OCS), 광 패킷 스위칭 (OPS)와 광 버스트 스위칭 (OBS)인 3가지 유형이 있다. OBS는 실제로 이전 두가지의 하이브리드이다. OCS 기술은 sub-wave-length에서 실제 데이터 스트림으로 스위치할 수 있다. 파장과 파장밴드 레벨은 광 레벨이다. OPS는 IP 패킷 스위칭과 같은 원리를 사용하기 때문에 가장 멀티플렉싱한 유연성에 달한다. IT는 광 도메인에서 버퍼링과 광 네트워크에서 비싸 광 도메인의 패킷 프로세싱을 요구하지만, 이런 문제를 극복하기 위한 적극적인 연구가 있다. OBS, 하이브리드 OCS 및 OPS는 교환과 싱글 패킷보다 멀티플 패킷의 데이터 전송 가속 그리고 가속 패킷 유닛에서의 스위칭을 수행한다. OBS 문제는 데이터가 전송되기 전에, 소스에서 목적지까지 전송경로를 확보하고 예약해야하기 때문에 전송 경로를 확보할 때 중간 네트워크 노드에서 충돌을 피하는 방법이 복잡해질 수 있다. 이러한 이유로 OBS는 아직 대규모 네트워크에서 사용되지 않는다. 광 스위칭 기술은 아직 연구 단계이다. 현재 네트워크에서 고속 광 링크위에서의 사용자 전송 라우팅과 스위칭은 전자적으로 이루어진다. 즉 광 신호 라우팅 및 스위칭을 위한 전기 신호로 변환후 광섬유에 의해 전송 광신호로 변환되어 받는다. 이 전기에 광학/광(OEO) 변환과 전자 처리는 네트워크 용량과 네트워크에서 end to end 데이터 전송에서의 지연의 요구에서 이루어진다. 현재 LTE/Evoled Packet Core (EPC) mobile 네트워크 아키텍쳐는 이 방법으로 전자 라우터 및 광 섬유를 연결하는 전송 네트워크에 포함되어 있다. 그래서 완벽하게 현재의 mobile 네트워크 아키텍쳥서 광 전송 기능의 이점을 활용하지 않고 현재의 광 전송 개선 장비는 OMN 설계에 중요한 문제이다.

 

- Access Network

수동 광 네트워크 (PON)는 광 전송 네트워크의 종단부같은 광 접속 네트워크에서 널리 사용된다. Time-Division-Multiplexing PON (TDM-PON)는 높은 비용 효율로 인해 Fiber To the HOME (FTTH) 서비스에서 주로 사용된다. IEEE와 ITU-T 또한 고정 네트워크 트래픽 증가를 지원하기 위해 TDM-PON 발전을 추진하고 있다.

 

10G Ethernet PON (EPON)는 공식적으로 2009년 9월 IEEE 802.3av 표준되엇다. 10G EPON는 10 Gbps 에 802.3ah 표준의 업 링크 및 다운 링크 대역폭을 확대하고 10 G EPON 광 네트워크 유닛 (ONU)와 1 G EPON의 ONU가 동일 PON에서 공존할 수 있도록 좋은 호환성을 가지고 있다.

 

병행적으로 ITU-T는 ITU- G.987 표준에서 새 서비스의 대역폭 증가 요구를 지원하기 위해 Next-Generation PON (NG-PON)를 정의 했다. NG-PON는 두가지 방식으로 나눌수 있다.

 

Phase 1 : NG-PON1

NG-PON 1은 10 Gbps 다운링크와 1 Gbps 업링크를 지원하기위한  Gigabit-PON (GPON)시스템 을 위한 중간 업그레이드이다.

 

Phase 2 : NG-PON2

NG-PON 2는 WDM-PON과 같은 광 네트워크의 완전히 새로운 유형을 사용한 long-term solution이다. NG-PON 2는 다운링크와 업링크 모두 10 Gbps를 지원한다.

 

이미 언급한 바와 같이, 10G EPON 및 NG-PON 1은 TDM 기술과 모든 ONU들 간에 용량 공유 기술을 사용한다. 또한 10G PON 은 향후 모바일 백홀 트래픽 지지에서의 용량 제한을 제공한다.  LTE-Advanced 는 다운링크에서 최대 1 Gbps를 지원한다. 그렇기에 LTE-Advanced base station의 백홀 접속 트래픽은 1 Gbps보다 높아야한다. 일반적으로 하나의 base station은 멀티플 섹터를 수용한다. 추가로 하나의 기지국에 필요한 백홀 네트워크 용량 증가가 된다. 그래서 하나의 10G PON 링크는 오직 하나의 기지국에만 적용이 된다. 이러한 이유로 10G EPON과 NG-PON 1 기술은 향후 모바일 백홀 액세스 네트워크에 대해 실용되지 않는다. 이러한 이유로 DOCOMO Communication Labratories Europe GmbH (hereinafter referred to as "DOCOMO Euro-Labs")는 미래의 모바일 백홀 액세스 네트워크를 위한 광학 액세스 기술로 WDM-PON을 연구하고 있다. WDM-PON에서 각 ONU는 높은용량과 긴 거리 ONU간 높은 보안을 위해 파장이 할당되고 쉽게 업그레이드한다.

 

OMN Architecture

최신 광 네트워킹 기술을 기반으로 향후 OMN에 대한  DOCOMO Euro-Labs' vision은 그림 1에 표시된다.

OCS 의 한 유형으로 람다 스위칭은 ultra-high-speed스위칭과 필요한 터널링을 지원하기위해 사용된다. OPS 또한 총 트래픽에 사용된다. 이 방법에서 기존 모바일 네트워크 노드의 일부를 포함한다. Mobility Management Entity (MME), Packet data network Gateway (PGW) 그리고 Serving Gateway (SGW)는 통합적으로 광 전송으로 표시된다. MME_O, PGW_O 그리고 SGW_O로 각각 표시된다. 네트워크 용량을 증가하고 에너지 소비를 줄이는 한편 호환성을 유지한다. 실질적으로 광 전송 계층은유저 데이터 흐름 관리와 같은 데이터 전송과 기능적인 스위칭을 제공한다. 유저 데이터 흐름 관리는 MME_O에서 PGW_O그리고 SGW_O에 의해서 처리된다. 액세스 네트워크는 코어 네트워크보다 더 효율적인 광 솔루션이 필요하다. 그렇기에 메트로 링 네트워크와 함께 PON 기술 사용은 유망된다. 액세스 네트워크 디자인은  향후 무선 액세스 기술(CoMP와 같은)을 지원하기위해 기능적으로 고려되야 한다.

OMN Solution Proposal

- Optical Mobility Management

추가로 운영 관리및 유지보수 (OAM), 네트워크 회복력 및 QoS 보장과 같은 고정 네트워크의 일반적인 요구 사항뿐만 아니라 모바일 네트워크는 반드시 유저 장치가 이동성을 지원해야 한다. 위치 등록의 이동성 관리 기능, 핸드오버와 페이징같은 이 요구사항은 모바일 네트워크에서 구현된다. 기존 네트워크에서 이러한 기능이 전기적인 도메인에서 수행된다. 하지만 이것은 향후 광학 모바일 네트워크에 효율적이지 않을수 있다. 특히 핸드오버를 들어, 터널 관리 및 데이터 전송에 필요한 많은 OEO 변환 및 전기적인 도메인 처리 에너지소비와 지연이 소개된다.  앞에서 언급한 바와 같이 OEO 전환 및 OMN의 전자적 처리의 수를 줄이는 것은 DOCOMO Euro-Labs의 중요한 연구 주제이다. OMN에서 사용자 데이터 흐름 관리에 대한 DOCOMO Euro-Labs 디자인은 그림 2에 나와 있다. OMN 아키텍쳐에서 L1과 L2 레이어와 같은 프로토콜에서 낮은 레이어에서 터널이 구현된다. 그렇기에 터널 디자인은 광 스위칭 기술에 대해 추가적인 연구가 필요하다.

1) Tunneling Protocol

  LTE/EPC 표준 터널에서 사용자 데이터 전송은 General Packet Radio Service (GPRS) Tunneling Protocol (GTP)를 사용하여 식별된다. 인터넷에서와 같은 외부 데이터 패킷은 PGW에 의해 각각의 GTP 터널을 통해 전송한 다음 radio base station (eNodeB)로 전송된다. 네트워크에서 사용자가 현 지역에서 다른 eNodeB로 이동하는 경우 GTP 터널이 SGW와 PGW에 의해 재구성되고 사용자 데이터 흐름이 스위치된다. (Fig.2 (1) and (2)))) 그림 2에서 LTE/EPC 모델은 보여준다. GTP 프로토콜이 User Datagram Protocol (UDP) 와 Internet Protocol (IP)의 상단에 있다. SGW는 GTP, UDP 그리고 IP 프로토콜은 각 패킷에 대해 처리를 하며, 반드시 올바르게 전달되어야 한다. OMN 아키텍쳐에서 하위 레이어 프로토콜에서 사용자 데이터를 운반하는 터널이 정의된다.그렇기에 SGW_O에 의한 사용자 데이터의 전송 처리는 오직 하위 레이어 프로토콜과 같이 이루어진다. 이 GTP 터널 처리에 비해 IP, UDP 및 GTP 레이어에서 SGW_O에 필요한 사용자 패킷에 대한 오버헤드 감소, OEO 변환과 전기적 도메인 처리를 줄일수 있다.

 

 광 레이어에 있는 모바일 유저의 추적을 알기 위해서 광 스위칭 기술과 사용자 데이터 흐름 제어, 광 네트워크 전송과 스위치는 다른 사용자의 데이터를 식별하기 위해 필요하고 개별 사용자 데이터를 광 레이어에 별도의 흐름으로 스위치 할 수 있어야 한다. Optical Cross Connectors (OXC), Optical Add/Drop Multiplexers (OADM), and reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers (ROADM)과 같은 OCS 기술은 1.25 ~ 100 Gbps 광채널에서 파장이나 부 파장 레벨에서 스위치 할 수 있어야 한다. 이를 사용하여 광 패킷은 광 전송 네트워크 (OTN)에서 다른 광채널로 부터 다중화와 역다중화 될 수 있다. 그러나 OTN에서 각 채널의 최소 대역폭은 1.25 Gbps이거나 광 채널 데이터 유닛 (ODU)는 0이다. 따라서 음성 통화 21 ~ 320Kbps 와 같은 개별 사용자 데이터 흐름 스위치를 적용하기에는 OCS 기술이 너무 크다.

 

반대로 OPS 네트워크는 사용자 패킷 단위로 데이터 흐름을 스위치할 수 있다, 매우 유연한 전환 단위는 모바일 트래픽의 동적 단위에 매우 적합하다.  위 분석을 바탕으로 DOCOMO Euro-Labs는 광 레이어에 있는 사용자 데이터 흐름 제어를 구현하는 사용자 데이터 흐름 제어 매커니즘을 설계하고 있다. 다음 정보는 그림 2에 도시화된 광 패킷 제어 헤더에 포함되어 있다.

 

- Optical tunnel ID

- QoS parameters

- User data flow ID

 

  광 패킷을 전송할 때 광 전송과 광 전환에서 광 터널 ID와 QoS 파라미터는 사용자이다.  광 터널을 적용하기위한 SGW_O에서 사용자 데이터 흐름 ID는 사용자이며, 이는 다음 전송 목적지(eNodeB_O 나 PGW_O)로 이끌어 준다. 사용자가 이동할때 사용자 데이터 흐름 ID 및 광 터널 ID만 SGW_O 맵핑 테이블에 수정하기위해 필요하다. 이 메인 파라미터는 광 패킷 헤더에서 포함되고 있다. 그렇기에 페이로드는 전기적 처리나 OEO 변환없이 광 전환기와 라우터에 의해 스위치된다. 이 매커니즘 디자인은 U-Plane뿐만 아니라 광 네트워크 노드 SGW_O, PGW_O 그리고 eNodeB_O의 C-Plane도 포함되고 있다. C-Plane의 문제는 그림 3에서 보여지고 있다. 이동성 제어 노드 (MME_O)와 광 네트워크 노드 (SGW_O, PGW_O 그리고 eNodeB) 사이에 인터페이스를 포함하고 있으며, 그리고 OPS 사이에 광 네트워크 노드에서 외부적인 인터페이스 광 전송 장치 및 제어 기능. U-Plane 디자인과 함께 이런한 디자인으로 작업할 예정이다.

Supporting Future Wireless Access Technologies with Optical Technology

1) Issue with the Mobile Backhaul Network

  LTE-Advanced와 향후 라디오 액세스 기술에 대해 CoMP 전송과 수신 시스템은 사용자 장비 (UE) 처리량을 향상 시킬수 있는 핵심 기술로 연구되어 왔다. CoMP를 통해 다중 Base Station (BS)은 많은 UE중 한명을 제공하기 위해 조정되며, 가상 안테나 수의 증가에 의해서 Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) 멀티플렉싱 이득과 더 효율적인 간섭을 달성한다. 단일 주파수를 재사용하는 셀룰러 네트워크에서 이 기술은 UE 처리량을 증가하도록 도와준다. 특히 셀 경계에서 인접 셀 간섭이 심각하게 성능을 제한할 수 있는 곳에서는 기지국이 CoMP를 사용하여 Channel State Information (CSI)와 같은 셀 정보를 공유하고, 다른 백홀 네트워크를 통한 사용자 데이터는 모바일 백홀 네트워크 트래픽의 량이 우수하게 증가한다. 따라서 모바일 백홀 네트워크를 통한 데이터의 정보와 양은 CoMP 기술에 사용되는 기지국의 수가 CoMP에 사용에 따라 달라진다.

 

또한 데이터 통신 서비스 UE를 제공하면, 백홀 네트워크에서 고정된 시간동안 새로운 지연 제약 조건 도입이 고정된 시간동안 모든 교환 정보는 반드시 완료되야 한다. 이 지연 제약은 사용자 장비의 이동성에 따라 다르지만 1 ~ 5ms로 범위된다. 타당성 조사는 이미 그림 4에 도시 된 바와 같이 모바일 백홀 네트워크에서 Remote Radio Heads (RRH)와 기지국내 조정은 이미 3GPP에서 실시되고 있다. 모바일 백홀 네트워크의 문제가 비교적 작은 위치를 그림4 (a)에 표시. 이러한 경우, 신호 정보 (CSI 등) 및 사용자 데이터 교환은  모바일 백홀 네트워크에서 용량이나 지연과 같은 문제를 피하고 하나의 기지국에서 쉽게 적용할 수 있다.

 한편 DOCOMO Euro-Labs는 CoMP가 넓은 범위에 적용할 수 있도록 하기위해 이러한 모바일 백홀 문제를 검토하고 있다. 특히 그림 4(b)는 다른 기지국에 속한 섹터에 자리잡고 있다. UE 제공을 위해 정보 공유와 모바일 백홀 네트워크를 통한 정보와 데이터를 공유하여 다중 기지국 사이의 CoMP를 구현하는 것이다.

 CoMP에서 조정된 기지국간 참여시 모바일 백홀 네트워크에서 기지국은 사용자 데이터의 많은 양과 신호  (CSI 등) CoMP 성능은 (용량과 지연) 모바일 백홀 네트워크에 크게 의존한다. 그래서 CoMP를 지원하기 위해 모바일 백홀 네트워크 성능이 향상되야 한다.

 

2)  Implementing the Physical X2 Link With WDM-PON

  모바일 백홀 네트워크의 성능을 향상시킬수 있는 가장 효과적인 방법중 하나는 기지국 사이에 물리적 연결 구성 (물리적 X2 link)을 구현하는 것이다.  가장 중요한 요소는 사용자 장치에 의해 수신된 신호 세기와 간섭 레벨에 영향을 미치는 장 중요한 요소는 이웃 기지국들로부터의 간섭이며, 대부분의 경우 CoMP에 대한 사용자 데이터와 신호 교환은 이웃 기지국과 함께 이루어진다. 많은 경우 그림 5와 같이 되며, 기지국은 스위칭 노드에 의해 수용되고 X2 인터페이스는 하드웨어 비용을 최소화 할 수 있는 코어 네트워크와 공유된다. 3GPP 규격에 따르면, X2 인터페이스의 지연은 평균 10ms이며, CoMP를 지원하지 않는 LTE 시스템은 최대 20ms가 되야 한다.

그렇기에 X2 인터페이스의 기존 구현은 그림 5에 도시된 바와 같은 문제가아니다. LTE 시스템에서 X2 인터페이스를 사용하는 경우는 제어 신호 교환과 핸드오버에 대한 데이터 전송을 하는데에 한계가 있으며, 짧은 지연 시간을 필요로 하지 않는다.

 

 

기존 X2 인터페이스 구현을 사용하여 기지국 사이의 CoMP를 구현하려고 하면, X2 인터페이스의 지연과 용량은 명확하게 제한되고 CoMP의 지연 요구사항을 지원하지 않는다. 이런 이유로 모바일 백홀 네트워크 디자인 에서 기지국과 물리적 X2 링크 구현 사이에 직접적인 링크를 되돌릴 필요가 있었다.

또한 작은 셀 크기를 사용한 향후 모바일 네트워크, 더 많은 정보는 많은 핸드오버로 인해 더 빠른 속도로 교환해야 한다. 이는 향후 모바일 백홀 네트워크의 물리적 X2 링크를 구축할 필요에서 중요한 요소이다.

현재 사용할수 있는 한가지 가능한 물리적 X2 링크 솔루션은 상업적으로 point-to-point 마이크로웨이브 링크를 사용하여 두 기지국을 연결하는 것이다. 이 많은 마이크로웨이브 연결뿐만 아니라 네트워크에 있는 모든 기지국을 연결하기 위해 마이크로웨이브 주파수를 사용하기 위한 라이센스에 대한 추가적인 하드웨어가 필요하고 기지국 증설에 많은 비용이 증가한다. 이는 LTE-Advanced에 따른 더 빠른 네트워크와 1 Gbps 보다 높은 속도에 달성하기 어려우며 마이크로웨이브 band에도 제한된다.

 

대체 솔루션으로, 밀리미터 파 같은 고주파수가 고려 될 수 있지만, 현재 마이크로웨이브보다 더 비용이 소요된다. 무선 기술은 point-to-point 무런 링크 사용에 상관없이 외부 환경에 민감하지 않고 광섬유 링크에 비해 품질을 보장할 수 없다. 성능적인 측면에서, 광섬유 링크의 X2 인터페이스를 제공하는것이 바람직하다. 하지만 전용 섬유 X2 링크는 새 설치 비용 측면에서 실용적이지 않다. 기지국 사이에 물리적 링크에 대해 TDM-PON을 사용한 것을 최근에 제안하고 있다. 이 방법으로 광 커플러는 광 도메인의 X2 인터페이스 신호를 분배할 Remote Node (RN)에 사용된다. 이 경우 신호가 직접 내부 RN을 무시하고 중앙 스위칭 요소나 Optical Line Terminal (OLT) 를 통해 직접 이동하지 않기 때문에 X2 인터페이스의 지연이 감소 할 수 있다. 그러나 이 방식으로 신호가 이웃의 4개나 여섯개의 기지국인 미리 정의된 기지국 그룹에 방송되어 있으므로 기지국간 신호는 기지국들로 보내지며, 신호가 필요하지 않는다. 이 때문에 X2 링크 데이터 속도의 분배와 제한에서  Signal-to-Noise Ratio (SNR)의 손실이 발생한다. DOCOMO Euro-Labs는 CoMP를 지원하기 위해 X2 링크 에 대한 만족과 요구사항을 구현하기 위해  WDM 기반의 모바일 백홀 네트워크의 설계 및 최적화를 연구하고 있다. 그림 6은 기존의 WDM-PON을 보여준다. 그림 7은 실제 X2 링크를 사용하여 제안된 WDM 기반의 모바일 백홀 액세스 네트워크를 보여준다. 이 설계에 사용되는 모든 구성 요소는 기존 WDM-PON과 호환하며, 가변 파장 레이저는 ONU에 무색 광원으로 사용된다. 이 제안에 중요한 측면은 다음과 같다.

 - X2 신호를 전송하기 위해 별도의 가변 파장 레이저 광원을 사용

 

 - N x N arrayed Waveguide Grating (AWG) 에 부착 된 수동 광 커플러를 사용하여 광 도메인에 있는 X2 신호 전송

 

물리적 X2 point-to-point 통신은 src ONU는 가변 파장 레이저를 사용하여 des ONU에 할당 된 파장 X2 신호를 이용한 변조를 생성하고 일반적인 광섬유를 통해 전송하여 수행된다.  AWG 업 링크 출력이 결합하여 수동 광 커플러가 장착되어 있는 메인 다운 링크 포트에 주입된다. 따라서 광도메인에서 X2 신호는 자동적으로 des ONU에 파장에 따라 라우팅된다. 이 경로는 광 결합기 및 AWG와 같은 수동적인 장치를 사용하여 수행되며, 액티브 구성 요소가 RN에 필요하지 않는다. 그렇기에 또한 OP 처리가 없고 섬유 전송 거리가 기존 링크보다 짧아 졌다. 그림 7과 같이 X2 인터페이스 상에서 지연이 매우 짧아 졌다. 짧은 섬유 전송 거리도 섬유 전송 손실을 감소 시키며, 고 전송 데이터 속도를 허용한다. 이러한 이득으로  그림 6과 7과 같이C-Band와 L-Band가 아닌 다른 파장 대역은 X2 인터페이스 상에서 사용될 수 있다. 저잡음 증폭기는 이 밴드에서 사용할 수 없지만 이는 섬유의 X2 링크 전송 손실이 적기 때문에 큰 문제점이 아니다. 이런 특징으로 물리적 X2 링크는 대용량, 낮은 지연의 point-to-point 링크를 제공해야 한다. point-to-point 전송에서 Super-luminescent Light Emitting Diode (SLED)와 같은 wide-band 광원은 모든 X2 인터페이스 신호의 모든 방송 대신 가변 파장 레이저의 point-to-point 전송을 위한 설계 에 사용하는 경우 싱글 PON의 ONU의 광 도메인에서 수행 할 수 있다. 광 대역 광 src는 그림 7과 같이 되도록 X2 신호 광 스프리터가 장착된 모든 ONU에게 분배되는 싱글 밴드의 모든 파장을 포함한다. 일반적으로 SLED는 가변 파장 레이저보다 저렴하다. 그래서 경제적으로 두 가지 광학 송신기를 시행하는게 가능하다.