수동 광통신망

3. 기술 방식

PON은 OLT(Optical Line Terminal)와 다수의 ONU(Optical Network Unit) 사이를 연결하는 방식의 특성상, 데이터가 흐르는 방향에 따라 다른 전송 기술을 사용한다.

• 다운스트림 (OLT → ONU): OLT는 모든 ONU에게 동일한 광 신호를 지속적으로 보내는 연속 모드(Continuous Mode, CM) 방식을 사용한다. 이 때문에 다운스트림 채널에는 항상 신호가 흐르며, 각 ONU는 자신에게 오는 데이터만 골라서 수신한다. 모든 ONU가 동일한 신호를 받기 때문에, 도청을 방지하기 위해 데이터 암호화가 필요하며, MACsec 같은 기술이 사용될 수 있다.^[58] (자세한 내용은 연속 모드 (CM) - 다운스트림 섹션 참조)
• 업스트림 (ONU → OLT): 여러 ONU가 동시에 신호를 보내면 충돌이 발생하므로, 각 ONU는 짧은 시간 동안 데이터를 집중해서 보내는 버스트 모드(Burst Mode, BM) 방식을 사용한다. 또한, 각 ONU에게 신호를 보낼 수 있는 시간대를 할당하는 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA) 기술을 통해 채널을 공유한다.^[58] OLT는 각 ONU까지의 거리에 따른 신호 지연 시간 차이를 보정하고, 데이터 전송 순서와 시간을 제어한다. (자세한 내용은 시분할 다중 접속 (TDMA) - 업스트림 섹션 참조)

• 시분할 다중화(Time Division Multiplexing, TDM): 시간을 나누어 여러 신호를 전송하는 방식.
• 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA): 업스트림 전송에서 여러 ONU가 시간을 나누어 채널을 공유하는 방식.
• 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM): 빛의 파장을 나누어 다운스트림과 업스트림 신호 또는 여러 채널을 동시에 전송하는 방식. (자세한 내용은 파장 분할 다중화 (WDM) 섹션 참조)
• 광 부호 분할 다중화(Optical Code Division Multiplexing, OCDM): 광 신호에 고유한 코드를 부여하여 다중화하는 방식.

3. 1. 파장 분할 다중화 (WDM)

3. 2. 시분할 다중 접속 (TDMA) - 업스트림

• 비상태 보고 (NSR: Non-Status Reporting) DBA: OLT는 각 ONU에 지속적으로 약간의 추가 대역폭을 할당한다. ONU가 보낼 데이터가 없으면 할당된 시간에 유휴 프레임(idle frame)을 전송한다. OLT는 유휴 프레임 수신 여부를 관찰하여, 유휴 프레임이 오지 않으면 해당 ONU의 트래픽이 증가한 것으로 판단하고 대역폭 할당을 늘린다. 반대로 유휴 프레임이 많이 관찰되면 대역폭 할당을 줄인다. NSR 방식은 ONU 측의 구현이 간단하다는 장점이 있지만, OLT가 여러 ONU의 실제 요구량을 정확히 알 수 없어 최적의 대역폭 분배가 어려울 수 있다는 단점이 있다.
• 상태 보고 (SR: Status Reporting) DBA: OLT는 주기적으로 각 ONU에게 현재 전송 대기 중인 데이터 양(백로그)을 보고하도록 요청(폴링)한다. ONU는 각 트래픽 클래스별 전송 컨테이너(T-CONT)의 백로그 상태를 OLT에 보고한다. OLT는 각 ONU와의 서비스 수준 계약(SLA)과 보고된 백로그 정보를 종합하여 PON 전체의 가용 대역폭을 최적으로 분배한다. SR 방식은 NSR보다 복잡하지만, 더 정교하고 효율적인 대역폭 관리가 가능하다.

3. 3. 연속 모드 (CM) - 다운스트림

3. 4. 구성 요소

• 광 회선 종단 장치(OLT): 서비스 제공자의 중앙 사무실(허브)에 위치하며, PON과 서비스 제공자의 코어 네트워크 사이의 인터페이스 역할을 한다. OLT는 일반적으로 고속 이더넷, 기가비트 이더넷, 10기가비트 이더넷을 통한 IP 트래픽, SDH/SONET과 같은 표준 TDM 인터페이스, ATM UNI 등을 처리한다.
• 광 네트워크 유닛(ONU) 또는 광 네트워크 터미널(ONT): 최종 사용자 가까이에 위치하는 다수의 사용자 노드이다. ONU는 PON을 종단하고 사용자에게 음성(POTS 또는 VoIP), 데이터(이더넷, V.35), 비디오, 원격 측정 등 다양한 서비스 인터페이스를 제공한다. ITU-T에서는 단일 가입자에게 서비스를 제공하는 ONU를 ONT라고 칭한다. 다중 가입자 유닛(MTU) 환경에서는 ONU가 DSL, 동축 케이블, G.hn 또는 이더넷 등을 통해 각 가입자 구내 장치로 연결될 수 있다.
• 광 분배 네트워크(ODN): OLT와 ONU 사이를 연결하는 광섬유와 수동 광 분배기(스플리터)로 구성된다. ODN은 전력을 소비하지 않는 수동 소자만을 사용한다.

• 광 분배기(스플리터): 빔 분할기를 사용하여 하나의 광 신호를 여러 개(보통 16, 32개에서 최대 256개)로 분할한다. 전력을 사용하지 않으며, 스위칭이나 버퍼링 기능은 없다. 평면 광파 회로(PLC) 또는 융합 양추형 테이퍼(FBT) 기술로 제작될 수 있다.^[43]
• 파장 분할 다중화기/역다중화기(WDM): 광 신호의 파장에 따라 전력을 분할하거나 결합하는 소자이다. 특히 고밀도 파장 분할 다중화기(DWDM)는 최소 4개 이상의 파장으로 전력을 분할한다. WDM은 '파장' 분할기 및 결합기로 생각할 수 있다.
• 파장 비의존성 결합기(WIC): 광 신호의 파장과 관계없이 전력을 분할하거나 결합하는 수동 광 소자이다. 단일 광섬유를 통한 양방향(이중) 전송과 같이 광 신호를 동시에 결합하고 분할할 수 있다. 파장 비의존성 결합기는 '전력' 분할기 및 결합기로 생각할 수 있다.
• 광 아이솔레이터: 특정 파장 범위의 빛을 한 방향으로는 낮은 손실로 통과시키고, 반대 방향으로는 높은 손실(격리)을 제공하는 2포트 수동 소자이다. 레이저 다이오드 모듈 및 광 증폭기에 통합되어 다중 경로 반사로 인해 발생하는 잡음을 줄이는 데 사용된다.
• 광 서큘레이터: 광 아이솔레이터와 유사하게 작동하지만, 역방향으로 진행하는 광 신호가 손실되지 않고 제3의 포트로 출력되도록 한다. 양방향 전송에 사용되며, 진행 방향에 따라 광 전력을 분배하고 분리하는 분기 소자 역할을 한다.
• 광섬유 필터: 특정 파장 범위의 빛만 통과시키거나(또는 반사시키거나) 하는 파장 선택적 소자이다. 파장 의존적인 손실, 분리, 반사 손실 특성을 제공하는 2개 이상의 포트를 가진다.

4. 주요 규격

수동 광통신망(PON) 기술은 주로 두 개의 주요 표준 단체인 국제 전기 통신 연합의 통신 표준화 부문(ITU-T)과 미국 전기 전자 학회 (IEEE)에 의해 표준화된다. 이들 표준은 통신 사업자 및 장비 제조업체들의 협력을 통해 개발되며, 각 규격은 전송 속도, 사용하는 광 파장, 데이터 전송 프레임 형식, 최대 전송 가능 거리, 그리고 하나의 광 회선을 공유할 수 있는 최대 사용자 수(분기 수) 등에서 차이를 보인다.^{[59][60][61][62][63][64][65]} 또한, 통신 사업자가 독자적으로 개발하여 사용하는 규격도 존재한다.

다음 표는 주요 PON 규격들의 특징을 요약한 것이다.

4. 1. ITU-T 규격

• B-PON (Broadband PON): ITU-T G.983 표준에 기반하며, 초기에는 비동기 전송 모드(ATM)를 사용했기 때문에 APON(ATM PON)이라고 불렸다. 이후 개선을 거쳐 B-PON으로 명칭이 변경되었다.^[13] 일반적으로 하향 622Mbit/s(OC-12), 상향 155Mbit/s(OC-3) 속도를 제공하며, 더 높은 속도도 지원 가능하다.

• G-PON (Gigabit-capable PON): 2003년에 처음 정의된 ITU-T G.984 표준으로, BPON에 비해 더 큰 가변 길이 패킷을 사용하여 대역폭과 효율성을 높였다.^[14] 일반적으로 하향 2.488Gbit/s, 상향 1.244Gbit/s 속도를 제공한다. GPON 캡슐화 방식(GEM, GPON Encapsulation Method)은 사용자 트래픽을 효율적으로 패키징할 수 있게 해준다. G-PON은 전 세계적으로 널리 구축되고 있다.^[13]

• XG-PON (10 Gigabit PON): 2010년에 정의된 ITU-T G.987 표준으로, 하향 10Gbit/s, 상향 2.5Gbit/s 속도를 지원한다. 프레임 구조는 G-PON과 유사하며, 동일한 광 분배망(ODN)에서 G-PON 장비와 공존할 수 있도록 설계되었다.^[16]

• XGS-PON (10 Gigabit-capable Symmetric PON): 2016년에 처음 승인된 ITU-T G.9807.1 표준으로, 하향 및 상향 모두 최대 10Gbit/s의 대칭적인 속도를 제공하는 기술이다.^[17]

• NG-PON2 (Next Generation PON2): ITU-T G.989 표준 시리즈로 정의되며, 여러 개의 파장을 사용하여 전송 용량을 늘리는 TWDM-PON(Time and Wavelength Division Multiplexed PON) 기술을 기반으로 한다. 최대 하향 40Gbit/s, 상향 40Gbit/s 속도를 지원하며, 기존의 G-PON, GE-PON, 10G-EPON, XG-PON과 같은 다른 PON 기술과 동일한 광케이블 인프라에서 공존할 수 있다.

• HSP (Higher Speed PON): ITU-T G.9804 표준 시리즈로 정의되며, 50G-PON 기술을 포함한다. 비대칭 50G-PON(하향 50G, 상향 25G/12.5G)은 2021년 9월,^[18][19] 대칭 50G-PON은 2022년 9월에 승인되었다.^[20] 50G-PON은 주로 5G 이동통신 기지국의 백홀 회선 등에 활용될 것으로 예상된다. 2024년 터키에서 첫 50G-PON 시험이 이루어졌다.^[21]

4. 2. IEEE 규격

4. 3. 기타 규격

• 최대 전송 속도: 하향 49Mbps, 상향 49Mbps
• 사용 파장: 하향 1300nm대, 상향 1300nm대, 영상 전송용 1500nm대
• 최장 전송 거리: 20km
• 최대 분기 수: 32
• 지원 서비스: POTS(일반 전화), ISDN(기본 인터페이스), 전용선(128kbps, 1.5Mbps)

5. 보안

수동 광통신망(PON)은 다운스트림 신호가 특정 광 네트워크 유닛(ONU)뿐만 아니라 해당 광 회선 종단 장치(OLT)에 연결된 모든 ONU로 브로드캐스트되는 구조적 특징이 있다.^[58] 즉, OLT에서 내려오는 신호는 광섬유를 공유하는 모든 ONU에 도달한다. 이 때문에 각 ONU는 자신에게 할당된 패킷의 헤더 정보를 확인하여 해당 데이터만 수신하지만, 악의적인 사용자가 주소 정보를 위조해 다른 ONU로 향하는 데이터를 도청할 가능성이 있다.^[58]

이러한 도청 위험을 방지하기 위해 상위 레이어에서 데이터를 암호화하는 기술이 사용된다.^[6] 대표적으로 MACsec (IEEE 802.1AE) 같은 표준으로 데이터를 암호화하여 보안을 강화한다.^[58]

한편, 보안 강화를 위해 2009년에는 미국 공군의 SIPRNet 요구 사항을 만족시키기 위해 기가비트 수동 광 통신망(GPON) 기술과 보호 배포 시스템(PDS)을 결합한 보안 수동 광 통신망(SPON)이 개발되기도 했다.^[27] 미국 연방 정부는 PDS 관련 규정 변경과 친환경 기술 도입 의무화에 따라 액티브 이더넷 및 별도 암호화 장치의 대안으로 SPON을 고려했고, 미국 육군부는 2013 회계연도까지 이 기술을 도입하도록 지시했다.^{[28][29][30][31]} 이 기술은 텔로스사 같은 기업을 통해 미군에 판매되었다.^{[28][29][30][31]}

그러나 GPON 기술 자체의 보안 취약점도 지적되고 있다. 특히 Fiber to the x 환경에 쓰이는 GPON은 광 신호를 의도적으로 주입해 네트워크 기능을 마비시키는 서비스 거부 공격(DoS)에 취약할 수 있으며, 이는 현재 상용 기술로는 완전히 해결되지 않은 문제점으로 지적된다.^[32][33]

6. 기타 기술

DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specification) 프로비저닝 온 EPON(Ethernet Passive Optical Network), 즉 DPoE(DOCSIS Provisioning of EPON^eng)는 기존 이더넷 PON(EPON, GEPON 또는 10G-EPON) 미디어 접근 제어(MAC) 및 물리 계층(PHY) 표준에서 DOCSIS 서비스 계층 인터페이스를 구현하는 CableLabs의 규격이다. 간단히 말해 기존 EPON 장비에서 DOCSIS 운영 관리 유지보수 및 프로비저닝(OAMP) 기능을 구현하는 것이다. 이를 통해 EPON OLT가 DOCSIS CMTS(Cable Modem Termination System) 플랫폼(DPoE 용어로는 DPoE 시스템)처럼 보이고 작동하게 한다. CMTS와 동일한 IP 서비스 기능을 제공하는 것 외에도, DPoE는 비즈니스 고객을 위한 이더넷 서비스 제공을 위해 Metro Ethernet Forum (MEF) 9 및 14 서비스를 지원한다.

컴캐스트의 엑스피니티^[50] 및 차터의 스펙트럼^[51]은 신규 건설 및 농촌 지역 확장을 포함한 새로 구축된 지역에서 10G-EPON과 함께 DPoE를 사용하고 있다.

광섬유 기반 무선 주파수(RFoG, Radio Frequency over Glass^eng)는 기존에 구리선(주로 HFC)을 통해 전송되던 RF 신호를 PON을 통해 전송하는 수동 광 네트워크의 한 유형이다. 순방향(downstream)에서 RFoG는 독립적인 P2MP(Point-to-Multipoint) 시스템이거나, GEPON/EPON과 같은 기존 PON에 대한 광학적 오버레이(overlay) 형태로 구현된다. RFoG의 오버레이는 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 기반으로 하며, 이는 단일 광섬유 가닥에서 여러 파장을 수동으로 결합하는 방식이다. 역방향(upstream) RF 지원은 업스트림 또는 리턴 RF 신호를 PON 리턴 파장과는 별개의 파장으로 전송하여 제공된다. 케이블 및 통신 기술자 협회(SCTE) 인터페이스 실무 소위원회(IPS) 워크 그룹 5는 현재 IPS 910 RF over Glass 표준을 개발하고 있다. RFoG는 기존 RF 변조 기술과의 역호환성을 제공하지만, RF 기반 서비스에 대한 추가적인 대역폭을 제공하지는 않는다. 아직 완료되지 않았지만, RFoG 표준은 실제로는 서로 호환되지 않는 여러 표준화된 옵션의 집합이다(즉, 동일한 PON에서 혼합하여 사용할 수 없음). 일부 표준은 다른 PON과 상호 운용될 수 있지만, 다른 표준은 그렇지 않을 수 있다. 이 기술은 광섬유만 사용할 수 있거나 구리선 사용이 불가능하거나 비현실적인 위치에서 RF 기술을 지원하는 수단을 제공한다. 주로 케이블 TV 사업자와 기존 HFC 네트워크를 대상으로 하지만, 버라이즌, 프론티어 커뮤니케이션스, 지플리 파이버와 같이 HFC 네트워크를 소유하거나 구축한 적이 없는 통신 사업자들도 광섬유를 통해 유료 TV 서비스를 제공하기 위해 이 기술을 사용한다.

파장 분할 다중화 PON(WDM-PON)은 일부 회사에서 개발 중인 비표준 수동 광 통신망 기술이다.

WDM-PON의 여러 파장은 동일한 물리적 인프라에서 공존하는 여러 가상의 PON으로 광 네트워크 장치(ONU)를 분리하는 데 사용될 수 있다.^[42] 또는 파장을 통계적 다중화를 통해 집합적으로 사용하여 효율적인 파장 활용과 ONU가 경험하는 지연 시간을 줄일 수도 있다.

WDM-PON에 대한 공통 표준이나 이 용어에 대한 만장일치로 합의된 정의는 없다. 일부 정의에 따르면 WDM-PON은 각 ONU에 전용 파장을 할당하는 방식을 의미한다. 다른 더 넓은 정의에서는 PON의 어느 한 방향으로든 둘 이상의 파장을 사용하는 것을 WDM-PON이라고 제안한다. 이러한 정의의 불일치로 인해 WDM-PON 공급업체 목록을 객관적으로 제시하기 어렵다.

PON은 기존의 구리 기반 접속망보다 더 높은 대역폭을 제공한다. WDM-PON은 각 ONU가 자신에게 할당된 파장만 수신하기 때문에 더 나은 개인 정보 보호와 확장성을 제공한다.

• '''장점''': OLT와 ONU 간의 P2P(Point-to-Point) 연결이 파장 영역에서 실현되므로, MAC 계층이 단순화되어 P2MP 미디어 접근 제어가 필요하지 않다. WDM-PON에서는 각 파장이 서로 다른 속도와 프로토콜로 작동할 수 있어, 손쉽게 확장 가능한 업그레이드가 가능하다.
• '''과제''': 초기 설치 비용과 WDM 구성 요소의 비용이 높다. 또한 파장이 주변 온도 변화에 따라 변동하는 경향이 있어 온도 제어가 또 다른 과제이다.

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