Win-Win Tech - 100배 빠른 광 인터넷 기술
WIN-WIN TECH는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
인터넷 기술은 구리선 기반으로 10Mbps급 서비스 제공이 가능한 xDSL에서 시작되어 광섬유를 이용하는 FTTH 기반의 광 LAN, PON(EPON, GPON)으로 진화하고 있으며, 나아가 고속화, 광역화 가능한 NG-PON으로 발전하고 있다( 그림 1 참조).
광 LAN은 전화국과 가입자 사이에 고속 이더넷 스위치(FES)를 사용하여 인터넷 서비스 제공하나, 급전이 필요하므로 유지관리가 어렵고 신뢰성도 떨어지는 단점을 갖는다.
이에 비해 FTTH-PON은 전화국 장비인 OLT와 가입자 댁내장치인 ONT가 사용되며, 특히 이 구간에 급전없이 사용가능한 방식이므로 수동형 광가입자망(Passive Optical Network: PON)이라 한다.
현재의 FTTH-PON 기술인 EPON, GPON은 시분할다중 방식을 적용하여 하나의 전송채널을 32 또는 64 가입자가 나눠 사용하기 때문에, 보편적으로 제공하는 가입자당 접속속도는 100Mbps이며, 전송자원의 공유로 인해 동시접속시에 보장가능한 접속속도는 30Mbps로 제한되기 때문에, 실감 미디어 중심의 다양한 방송통신 융합형 서비스 제공이 불가능하다.
이러한 단점을 극복하기 위해 현재보다 10배 빠른 1기가급 접속속도를 제공하는 ‘기가 인터넷 서비스’ 범위가 확대·진행되고 있다. 이를 통해 기가 인터넷 서비스 가능지역은 2014년 현재 25%에서 2017년에는 90%에 이를 전망이다.
적극적인 정부정책 및 기술개발로 인해 우리나라는 인구 100명당 광 인터넷 가입자 수가 21.6으로 OECD국가 중 단연 1위를 차지하고 있다( 그림 2 참조).
하지만, 2020년 전후로 50억 인터넷 인구, 1,000억대의 접속기기, 8K급 비디오 콘텐츠, 5G 이동통신 및 사물인터넷 활성화에 따른 Traffic Big Bang으로 가입자당 현재의 100Mbps보다 100배 빠른 10Gbps 이상의 인터넷 접속속도가 필요하게 될 전망이다.01
(01 8K급 UHD 콘텐츠 비압축 전송시 요구되는 전송용량은 72Gb/s이며, 5G 이동통신 서비스를 위해 디지털 유닛과 무선유닛 사이 구간에 필요한 전송용량은 2Tb/s에 이를 전망이다.)
이러한 요구에 부합하기 위해 한국전자통신연구원(ETRI)을 중심으로 현재 대비 100배 빠른 10Gbps의 인터넷 접속속도를 보장할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
이는 현재 DVD 한 장 분량의 영화 1편을 다운로드 받는 데 6분 40초 걸리던 것을 단 4초만에 끝낼 수 있는 것으로 정보통신 전 분야에 걸친 큰 파급효과가 예상된다.
본 기술은 전화국내에 있는 광선로 종단장치(OLT)와 댁내의 광네트워크 단말장치(ONT)내 광모듈 그리고 이들을 연결해 주는 광링크 기술이 그 핵심이다.
특히 고유한 파장(빛의 색깔)을 가지면서, 초당 10기가비트(Gb) 신호전송이 가능한 레이저를 사용하여 전화국으로부터 인터넷 사용자까지 광섬유로 직접 연결함으로써 통신품질을 보장할 수 있게 하였다.
여기에 사용한 핵심기술은 다음과 같이 세가지로 요약할 수 있다( 그림 3 참조).
1 고속화 기술
전화국사 장치인 OLT 장비에는 어레이 광원을 적용한 직접화 기술을 통해 소형화 및 저가화하고, 가입자 댁내장치인 ONT에 저가형 파장가변 레이저를 사용하여 세계최초·최고 수준인 가입자당 10Gbps 대역폭 보장이 가능하다.
광송수신 모듈인 트랜시버 가격의 60% 이상을 차지하는 광송신 서브어셈블리의 가격절감을 위해 4채널 어레이 레이저 칩과 이를 다른 광학소자와 직접 연결할 수 있는 기술을 개발하여 저가화뿐만 아니라, 조립공정 단순화, 멀티채널 어레이 사용으로 고집적화를 달성하였다.
또한 댁내장치에 사용되는 저가형 파장가변 레이저는 폴리머와 저가형 광원을 사용하여 파장을 가변할 수 있는 메커니즘을 채택하고 있으며, 동작속도는 10Gbps에 이른다.
그림 4 와 같이 외부공진기 형태의 레이저로서 광반도체의 한쪽 면은 전반사, 다른 한쪽 면에는 폴리머 격자거울로 구성되며, 폴리머 격자의 주기를 온도변화로 조절하여 발진파장이 가변된다.
파장 가변범위는 15nm 내외로 제한적이긴 하지만, 다른 방식에 비해 1/2 이하로 저가화가 가능하기 때문에 차세대 광 인터넷 솔루션으로 적합하다.
2 지능화 기술
댁내장치에 사용되는 파장가변 레이저는 별도의 부가적인 장비나 교정없이 전원인가시 곧바로 동작해야 하는데, 이를 위해 전화국으로부터 내려오는 신호의 파장을 인식하는 기술 그리고 자동으로 이에 대응되는 파장을 찾아가는 기술을 바탕으로 상하향 통신채널을 갖추게 된다.
3 광역화 기술
기존의 FTTH-PON 기반의 인터넷기술은 전송거리가 20km로 제한되었으나, 본 기술개발을 통해 개발된 Reach Extender를 통해 60km 이상의 세계 최고수준의 서비스 커버리지를 확보하였다.
또한 본 방식을 사용하여 전송거리 확장뿐만 아니라, 광선로 용량 증대를 위해 파장분할 다중기술을 적용하게 되면 광선로 비용도 절감할 수 있게 된다.
예를 들어, 기존의 EPON이나 GPON 한 회선으로는 광섬유 한가닥으로 32 또는 64 분기하여 사용하였으나, Reach Extender와 파장분할 다중기술을 함께 이용하면 광섬유 한가닥으로 2,000분기 이상 가능하므로 그만큼 광선로 비용을 절감할 수 있게 된다.
이러한 기술은 다음과 같이 일반 및 비즈니스 가입자용 인터넷서비스, 5G 이동통신망 및 데이터 센터를 적용하여 그 가치를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
① 가입자용 인터넷 서비스
다양한 Entertainment 서비스를 원활히 제공하기 위해서는 그림5에 나타낸 바와 같이 가입자 접속속도가 최소 1Gbps에서 10Gbps까지 필요하며, 고품질 실감 미디어 수요증가에 따라 가입자용 인터넷망의 고속화는 가속될 전망이다( 그림 5 참조).
특히, 8K급 UHD(Ultra High Definition) 콘텐츠(비압축 데이터 ~72Gbps)의 무손실 중계방송을 위해서는 현장과 방송중계 국간 80Gbps(10Gbps×8채널)의 전송용량 필요하며, 향후 등장할 50인치급 Electronic Holography 동영상 상영을 위해서는 수백 Tbps의 전송용량 필요하다.
② 5G 이동통신
5세대 이동통신에서는 모바일 단말당 1Gb/s 이상의 무선 접속 속도가 요구되므로, 이를 클라우드 기지국(8×8 MIMO 적용) 기반으로 서비스할 경우 디지털 유닛과 무선유닛간에는 100Gbps 광회선 20개가 필요하게 되는 등 그 수요가 크게 증가할 전망이다.
③ 데이터센터
다양한 신규 서비스를 위해 데이터 센터가 고도화되어야 하며, 서버간, 서버-스위치간 광연결은 2~3년내 40-100Gbps로 증가할 전망이다.
광 인터넷 기술은 국내산업이 활성화되고, 글로벌 경쟁력을 갖추었다고 인식되어 왔으나, 기존 기술은 핵심부품에 대한 수입의존도가 높기 때문에 중국 등 후발국과의 가격경쟁력 확보가 늘 문제점으로 지적되어왔다.
그렇지만 이번에 순수 국내기술로 가입자당 10Gbps 접속속도를 보장하는 차세대 광 인터넷 기술에 대한 개발을 통해 가격과 성능의 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것으로 기대된다.