KR101498501B1

KR101498501B1 - 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 ｅ-ｐｏｎ 시스템 및 이를 위한 통신 방법

Info

Publication number: KR101498501B1
Application number: KR20130164752A
Authority: KR
Inventors: 정복래
Original assignee: 성결대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-03-05

Abstract

본 발명은 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템 및 이를 위한 통신 방법에 관한 것으로, 동일한 네트워크 내에 포함되며 서로 데이터 통신이 이루어지는 제1ONU 및 제2ONU; 상기 제1ONU 또는 제2ONU로부터 데이터를 전송받으며, 상기 제1ONU로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷과 상기 제2ONU로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷을 각각 XOR 인코딩을 하는 OLT; 및 상기 OLT로부터 전달되는 XOR 인코딩된 데이터를 전달받아 상기 제1ONU 및 제2ONU로 각각 전달시키는 분배기가 포함되어 구성된다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 소스를 가진 발신지에서 출발한 정보를 모두 원하는 목적지로 전송하기 원할 경우, 비트 열로 구성된 패킷의 정보를 배타적 논리합(XOR)을 통한 네트워크 코딩으로 결합하여 전송하면 ONU간 정보 교환 시 피더링크(Feeder Link)을 통과하는 패킷 처리량을 줄여 전송 효율을 높이고, 그 결과 PON 외부에서 들어오는 인터넷 트래픽을 수용할 수 있도록 상대적으로 확장된 대역폭을 제공하여 인터넷 트래픽의 전송 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 Ｅ-ＰＯＮ 시스템 및 이를 위한 통신 방법{E-PON System based on Packet Burst apply to Network Coding and Communication Method thereof}

본 발명은 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템 및 이를 위한 통신 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 E-PON 지역 통신에 대하여 패킷 버스트 개념의 네트워크 코딩을 적용함으로써 하향으로 전달되는 지역 패킷 량을 줄이고 외부 인터넷 트래픽의 전송 품질을 보장할 수 있도록 하는 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템 및 이를 위한 통신 방법에 관한 것이다.

최근 광가입자망 상용화에 가장 큰 영향을 미쳤던 가격과 기술적인 장벽이 점차 해소되면서 PON(Passive Optical Network)은 차세대 가입자망의 중심 기술로 자리 잡게 되었다.

PON은 광섬유의 높은 대역 이득을 제공하는 동시에 전원 공급이 필요 없는 수동소자를 사용하여 유지보수 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

게다가, 전화국에서 가입자 간 전송거리가 20km가 넘어 2km 제약의 불편함이 있었던 과거 DSL(Digital Subscriber Line)에 비해 확장된 서비스 영역을 제공한다.

또한, 단일 광케이블에 연결된 다수의 ONU(Optical Network Unit)가 광분배기를 통해 공유하는 구조이므로, 기존의 홈런(Homerun) 방식의 FTTH(Fiber To The Home) 구현 방식에 비해 전화국과 가입자가 1대 1로 광케이블을 연결할 필요가 없다. 이는 광케이블과 광 송수신 장치의 비용을 상당히 절감시킨다.

여러 PON 기술 중에서도 E-PON(Ethernet-Passive Optical Network)은 근거리통신망(LAN)의 주류를 차지하는 이더넷(Ethernet) 프로토콜을 그대로 사용하면서 IP(Internet Protocol) 와의 연동성이 우수하여 차세대 가입자망 시스템으로서의 조건을 두루 갖추고 있다.

한편, 실시간 스트리밍 서비스, P2P TV와 같은 초고속 멀티미디어 서비스에 대한 사용자의 욕구가 증가함에 따라 PON 내부에서도 이러한 종류의 서비스 트래픽이 증가하고 있다.

멀티캐스트 네트워크에 특성에 적합한 이러한 서비스들은 ONU에 속한 가입자들이 서로 원하는 멀티미디어 소스를 두고 있기 때문에 같은 PON 내부에 속한 다른 ONU 가입자에게 패킷을 전송하기 위해서는 반드시 통신국사에 있는 OLT(Optical Line Terminal)를 거쳐 내려와야 한다.

따라서 PON 내부 지역 가입자들이 멀티캐스트 기반 멀티미디어 전송 빈도가 늘어날수록 PON 외부에서 들어오는 인터넷 트래픽을 위한 하향 링크 대역폭은 줄어들 것이다.

E-PON에서 ONU간 통신 방법은 단순히 OLT에서 상향으로 올라오는 패킷을 받아 다시 하향 목적지로 전달하는 절차를 제공한다.

종래의 E-PON 시스템의 기본 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, E-PON은 OLT(10)가 국사 내에 설치되어 있으며, 여기에서 단일 광섬유로 이어진 피더링크가 20km 떨어진 수동 소자로 구성된 분배기(Splitter/Combiner; 70)와 연결되어 있다.

상기 분배기에서 1~2km 거리에는 ONU(30, 50)가 아파트 혹은 빌딩 내에 설치되어 있어 근처에 있는 다수의 가입자가 초고속 인터넷 서비스를 제공받을 수 있다.

하향 방향으로는 분배기(70)에 의해 광 신호(혹은 패킷)가 모든 ONU(30, 50)로 브로드캐스트 되고 이 신호를 받는 ONU(30, 50)는 목적지 LLID(Logical Link Identifier)가 자신의 것과 일치하는 패킷만 받아들이고 나머지는 모두 폐기한다.

상향 신호의 경우 OLT(10)의 중재에 의해 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식으로 ONU(30, 50)가 고정 또는 가변 길이의 Time Window를 할당받고 순차적으로 전송함으로써 그 안에 포함된 많은 패킷이 충돌없이 OLT(10)로 전송된다.

그러나 이 기능 자체로는 ONU(30, 50)간 멀티미디어 공유로 인한 하향 대역폭의 희생을 효과적으로 막기 힘든 문제점이 있었다.

더욱이, 하향 트래픽에는 ONU(30, 50)의 버퍼 서비스 시점과 기간을 제어하는 GATE 메시지가 포함되어 있으며, 만약 GATE 메시지가 ONU(30, 50)간 통신에 의해 지연되거나 손실된다면 상향 트래픽의 QoS(Qualiy of Service)에도 심각한 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0738559호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 서로 다른 소스를 가진 발신지에서 출발한 정보를 모두 원하는 목적지로 전송하기 원할 경우, 비트 열로 구성된 패킷의 정보를 배타적 논리합(XOR)을 통한 네트워크 코딩으로 결합하여 전송하면 ONU간 정보 교환 시 피더링크(Feeder Link)을 통과하는 패킷 처리량을 줄여 전송 효율을 높이고, 그 결과 PON 외부에서 들어오는 인터넷 트래픽을 수용할 수 있도록 상대적으로 확장된 대역폭을 제공하여 인터넷 트래픽의 전송 품질을 개선할 수 있는 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템 및 이를 위한 통신 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템은 동일한 네트워크 내에 포함되며 서로 데이터 통신이 이루어지는 제1ONU 및 제2ONU; 상기 제1ONU 또는 제2ONU로부터 데이터를 전송받으며, 상기 제1ONU로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷과 상기 제2ONU로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷을 각각 XOR 인코딩을 하는 OLT; 및 상기 OLT로부터 전달되는 XOR 인코딩된 데이터를 전달받아 상기 제1ONU 및 제2ONU로 각각 전달시키는 분배기;가 포함되어 구성된다.

상기 분배기로부터 XOR 인코딩된 데이터를 전달받은 제1ONU 또는 제2ONU는 각각 XOR 을 수행하여 전달받을 데이터를 복원시킬 수 있다.

상기 OLT는 제1ONU 또는 제2ONU로부터 패킷 데이터를 수신받는 제1수신부; 상기 제1수신부를 통해 수신된 패킷 데이터가 저장되는 제1저장부; 및 상기 제1저장부에 패킷 데이터가 저장된 이후에 상기 제1수신부를 통해 수신된 패킷 데이터와 상기 제1저장부에 저장된 패킷 데이터를 전달받아 XOR을 수행하는 인코더부;가 포함될 수 있다.

상기 OLT에는 상기 인코더부를 통해 XOR이 수행된 패킷 데이터와 제2수신부를 통해 수신된 외부 데이터가 저장되는 제2저장부; 및 상기 제2저장부에 저장된 데이터를 분배기로 전달시키는 송신부가 포함되어 구성될 수 있다.

그리고, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신 방법은 (a) 제1ONU 또는 제2ONU로부터 전송된 데이터를 OLT에서 수신받는 전달단계; (b) 상기 수신단계를 통하여 제1ONU로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷과 제2ONU로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷을 XOR 인코딩하는 코딩단계; 및 (c) 상기 코딩단계를 통해 XOR 인코딩된 데이터를 OLT로부터 전달받아 상기 제1ONU 및 제2ONU로 각각 전달시키는 분배단계를 포함한다.

상기 코딩단계에서는 제1수신부에서 제1ONU 또는 제2ONU로부터 패킷 데이터를 수신받는 수신단계; 상기 수신단계를 통해 수신된 패킷 데이터가 제1저장부에 저장되는 저장단계; 및 상기 저장단계를 통해 제1저장부에 패킷 데이터가 저장된 이후에 제1수신부를 통해 수신된 패킷 데이터와 제1저장부에 저장된 패킷 데이터를 전달받아 인코더부에서 XOR을 수행하는 인코딩단계;를 포함할 수 있다.

상기 인코딩단계 이후에는 인코더부를 통해 XOR이 수행된 패킷 데이터와 제2수신부를 통해 수신된 외부 데이터가 제2저장부에 저장되는 재저장단계; 및 상기 재저장단계를 통해 제2저장부에 저장된 데이터를 송신부를 통해 분배기로 전달시키는 송신단계를 포함할 수 있다.

상기 분배단계 이후에는 제1ONU 또는 제2ONU에서 상기 분배기로부터 전달받은 XOR 인코딩된 데이터를 각각 XOR 을 수행하여 복원시키는 복원단계를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템 및 이를 위한 통신 방법에 따르면, 서로 다른 소스를 가진 발신지에서 출발한 정보를 모두 원하는 목적지로 전송하기 원할 경우, 비트 열로 구성된 패킷의 정보를 배타적 논리합(XOR)을 통한 네트워크 코딩으로 결합하여 전송하면 ONU간 정보 교환 시 피더링크(Feeder Link)을 통과하는 패킷 처리량을 줄여 전송 효율을 높이고, 그 결과 PON 외부에서 들어오는 인터넷 트래픽을 수용할 수 있도록 상대적으로 확장된 대역폭을 제공하여 인터넷 트래픽의 전송 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 E-PON 시스템을 도시한 예시도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 네트워크 코딩이 적용된 네트워크를 설명하기 위하여 도시한 예시도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템을 도시한 예시도이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템을 도시한 블록도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템의 통신 방법을 설명하기 위하여 도시한 플로우차트이며,
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템에 의한 시뮬레이션 결과를 도시한 예시도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 네트워크 코딩이 적용된 네트워크를 설명하기 위하여 도시한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템을 도시한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템을 도시한 블록도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템의 통신 방법을 설명하기 위하여 도시한 플로우차트이며, 도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 E-PON 시스템에 의한 시뮬레이션 결과를 도시한 예시도이다.

먼저 본 발명의 따른 E-PON 시스템에 사용되는 네트워크 코딩이 적용된 네트워크는 도 2에 도시한 바와 같이, 출발지 S1과 S2가 목적지 D1 및 D2에 각각 패킷 X와 Y를 모두 전송할 때 중간 노드 V와 W에서는 전송된 둘 이상의 정보를 결합하고 하나의 정보로 생성하여 다음 노드로 전송한다.

즉, 기존의 멀티캐스트 방식에서는 출발지 S1과 S2가 목적지 D1 및 D2에 각각 패킷 X와 Y를 모두 전송할 때 중간 노드 V와 W에서 전송받은 두 패킷을 복사하여 각각의 목적지인 D1과 D2에 전송하므로 이 구간의 대역은 두 개의 패킷을 전송하는데 쓰이게 되었다.

그러나, 네트워크 코딩이 적용된 멀티캐스트 방식의 네트워크의 경우, V 노드에서 두 개의 패킷을 결합하여 하나의 패킷으로 전송함으로써 V-W 구간은 하나의 패킷을 전송하는 대역만 사용하게 된다.

따라서, 두 패킷을 동시에 전송하고자 할 때, 일반적인 멀티캐스트 방식은 V-W 구간에서 두 번의 전송이 필요하지만, 네트워크 코딩이 적용된 멀티캐스트 방식은 V-W 구간에서 한 번의 전송으로 두 패킷을 전송할 수 있어서 대역 자원을 반감시키는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 E-PON(Passive Optical Network based on Ethernet; Ethernet-PON) 시스템은 도 3에 도시한 바와 같이, OLT(Optical Line Terminal; 100), 제1ONU(Optical Network Unit; 300), 제2ONU(500) 및 분배기(Splitter/Combiner; 700)가 포함되어 구성된다.

상기 OLT(100)는 도 4에 도시한 바와 같이, 제1수신부(110), 제2저장부(120), 인코더부(130), 제2저장부(140), 제2수신부(150) 및 송신부(160)가 포함되어 구성된다.

상기 제1수신부(110)는 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)로부터 패킷 데이터를 수신받는다.

상기 제1저장부(120)에는 상기 제1수신부(110)를 통해 수신된 패킷 데이터가 저장된다.

상기 인코더부(130)는 상기 제1저장부(120)에 패킷 데이터가 저장된 이후에 상기 제1수신부(110)를 통해 이어서 수신된 패킷 데이터와 상기 제1저장부(120)에 저장된 이전에 수신된 패킷 데이터를 전달받아 XOR을 수행한다.

그리고, 상기 OLT(100)에는 외부 네트워크 데이터가 수신되는 제2수신부(150)가 구비되며, 상기 제2저장부(140)는 상기 인코더부(130)를 통해 XOR이 수행된 패킷 데이터와 제2수신부(150)를 통해 수신된 외부 네트워크 데이터가 저장된다.

상기 송신부(160)는 상기 제2저장부(140)에 저장된 데이터를 분배기(700)로 전달시킨다.

상기 OLT(100)는 국사 내에 설치되는 서비스 제공자 측의 광 회선 단말로써, 적어도 한 종류 이상의 네트워크와 연결될 수 있으며, 네트워크는 IP 네트워크, ATM 네트워크, PSTN 네트워크 또는 Video/Audio 네트워크 등이 될 수 있다.

상기 OLT(100)는 네트워크로부터 수신되는 이더넷 프레임을 처리하여, 광신호로 변환하여 광 네트워크를 통해 분배기(700)로 전송한다.

상기 OLT(100)는 이더넷 프레임을 수신하여 IEEE 802.1D 표준에 의거한 MAC 프로토콜 처리한다.

상기 OLT(100)는 MAC 처리된 이더넷 프레임을 광 네트워크에 적합하도록 라인 코딩을 수행하고, 고속 직렬 통신을 위해 직렬 신호로 변환되어 광 네트워크를 통해 분배기(700)로 출력한다.

이러한, 광신호는 1490nm의 광신호로 변환하여 광 네트워크 구간으로 전송되며, 1490nm의 광신호는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 다중화되어 수Km ~ 20Km 정도의 거리로 전송될 수 있다.

상기 분배기(700)는 OLT(100)로부터 수신되는 광신호를 1~2km 거리에 있는 적어도 하나 이상의 가입자들 측의 광 네트워크 유닛인 ONU(300, 500)로 분기하며, 최대 32분기까지 분기 되어 각 가입자의 ONU(300, 500)로 광신호를 전송한다.

상기 ONU(300, 500)는 아파트 혹은 빌딩 내에 설치되어 있어 근처에 있는 수많은 가입자가 초고속 인터넷 서비스를 제공받을 수 있다.

상기 ONU(300, 500)는 상기 분배기(700)에 의해 분기 된 광신호를 수신하여, 전기적 신호인 병렬 데이터로 변환한다.

그리고, ONU(300, 500)는 병렬 데이터를 라인 디코딩하고, 맥 처리를 수행하여 이더넷 프레임 또는 IP 패킷 형태로 가입자 단말 장치(미도시)로 전송한다.

즉, 하향 방향으로는 분배기(700)에 의해 광 신호(혹은 패킷)가 모든 ONU(300, 500)로 브로드캐스트 되고 이 신호를 받는 ONU(300, 500)는 목적지 LLID(Logical Link Identifier)가 자신의 것과 일치하는 패킷만 받아들이고 나머지는 모두 폐기한다.

한편, ONU(300, 500)로부터 OLT(100)로 향하는 상향 데이터는, 하나의 OLT(100)에 최대 32개의 ONU(300, 500)가 연결될 수 있는데, 이러한 구조에서 동시에 데이터가 집중될 수 있음으로 데이터 충돌에 의한 에러가 발생할 수 있다.

이러한, E-PON 시스템에서 데이터 충돌과 같은 문제를 해결하기 위하여, OLT(100)는 MPCP(Multi Point Control Protocol)를 기반으로 각각의 ONU(300, 500)에 시간을 할당하고, 각 ONU(300, 500)는 자신에게 할당된 시간에만 상향으로 데이터를 전송한다.

즉, 상향 신호의 경우 OLT(100)의 중재에 의해 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식으로 ONU(300, 500)가 고정 또는 가변 길이의 Time Window를 할당받고 순차적으로 전송함으로써 그 안에 포함된 수많은 패킷이 충돌없이 OLT로 전송된다.

MPCP는 마스터/슬레이브 방식의 MAC 제어 프로토콜이며, 대역폭 요청과 할당, 상향 데이터 전송 시 충돌 회피, ONU(300, 500)의 자동 검색(Auto-Discovery) 기능 및 레인징(Ranging) 기능 등을 처리하는 것이다.

그리고, MPCP는 등록(Registration) 과정, 레인징(Ranging) 과정 및 대역폭 할당(Data Bandwidth Width Allocation :DBA) 과정을 포함한다.

본 발명에서는 ONU의 예시로 제1ONU(300)와 제2ONU(500)의 2개를 예로 들었으나 이에 한정되는 것은 아니며 2개 이상으로 구성될 수 있다.

본 발명에 다른 네트워크 코딩을 적용한 E-PON에서 ONU간 통신이 이루어지는 과정은 다음과 같다.

먼저, 제1ONU(300)와 제2ONU(500)는 각각 패킷 P1과 P2를 가지고 있으며, 서로 상대편 ONU에 있는 P2와 P1을 각각 받기 원한다.

여기서, 각각의 ONU(300, 500)에서부터 유출되는 패킷은 단일 흐름이며 PON 외부에서 유입되는 네트워크 트래픽은 고려하지 않았다.

제1ONU(300)는 패킷 P1을 목적지인 제2ONU(500)로 보내기 위해 제2ONU(500)의 LLID를 P1의 헤더에 삽입하고 OLT(100)로 전달하고, 제2ONU(500)는 패킷 P2을 목적지인 제1ONU(300)로 보내기 위해 제1ONU(300)의 LLID를 P2의 헤더에 삽입하고 OLT(100)로 전달한다.

두 개의 패킷이 OLT(100)에 도착 되면 두 패킷은 비트단위로 XOR 하여 네트워크 코딩된 P1

P2 라는 새로운 패킷으로 인코딩(Encoding) 된다.

이 패킷은 분배기(700)를 통해 제1ONU(300)와 제2ONU(500) 모두에게 브로드캐스트 된다.

상기 P1

P2를 받은 제1ONU(300)는 기존에 자신이 가지고 있는 P1과 전달받은 P1

P2를 XOR 하여 P2를 복원(Decoding)할 수 있다.

같은 방법으로 P1

P2를 전달받은 제2ONU(500)도 기존에 자신이 가지고 있던 P2와 P1

P2를 XOR 하여 P1을 복원할 수 있다.

이 경우 제1ONU(300)와 제2ONU(500)는 상대방의 정보를 공유하기 위해 총 3번의 패킷 전송이 발생하며, 특히 OLT(100)와 분배기(700) 사이의 피더링크 구간에서는 단 한 번의 패킷 전송만 일어난다.

따라서, 본 발명의 따른 네트워크 코딩을 E-PON에 적용했을 때 패킷 처리량의 이득을 볼 수 있는 부분이 바로 이곳이다.

이를 3개의 ONU 간의 데이터 공유로 확장해 보면, OLT(100)와 분배기(700) 사이의 피더링크 구간의 전송 횟수는 2번이 될 것이다.

이를 N개의 ONU를 가진 네트워크 코딩을 적용한 E-PON으로 확장하면 전송 이득 G는 간단히 수학식 1과 같이 일반화할 수 있다.

수학식 1에 의하면, 임의의 두 ONU가 양방향 통신을 원할 때 네트워크 코딩이 가져오는 이득은 최대 200%가 되며 N이 증가할수록 이값은 감소한다.

참고로, 외부의 네트워크에서 유입되는 인터넷 트래픽은 PON 내부 트래픽 양에 관계없이 서비스 제공자와 계약한 QoS가 보장되어야 한다.

그러나 상, 하향 패킷 흐름에 대하여 공정 서비스 원칙을 기본으로 할 때, 상대적으로 네트워크에 부하를 많이 주는 멀티미디어 및 P2P 서비스가 PON 내부에서 증가되면 외부의 네트워크에서 유입되는 인터넷 트래픽의 전송 품질은 떨어질 수밖에 없다.

이러한 상황에서 본 발명에 따른 네트워크 코딩은 E-PON 시스템의 전송 효율을 향상시키고 실질적으로 링크 용량을 증가시키는데 사용할 수 있다.

따라서 하향 링크의 대역폭을 ONU간 통신 트래픽과 함께 공유하는 인터넷 서비스의 품질 저하를 줄일 수 있다.

네트워크 코딩의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 부분 중에 하나는 인코딩 기능을 하는 노드의 위치와 처리 과정에 있다.

본 발명에 따른 E-PON 시스템의 인코딩 노드는 다수의 패킷 흐름이 유입되는 OLT(100)로 선택하는 것이 바람직하다.

따라서 유입되는 패킷들을 어떻게 처리하여 네트워크 코딩된 패킷을 만들어 낼 수 있는 지가 인코딩 노드 설계의 핵심이 된다.

ONU(300, 500)로부터 발생하는 상향 트래픽의 형태는 기본적으로 TDMA 방식에 따라 각 ONU(300, 500)에 특정한 시간 윈도우를 할당받아 그 안을 각각의 ONU 제공 부하만큼의 패킷으로 채워 넣은 것이다.

그러므로 OLT(100)로 들어오는 패킷들의 순서는 첫 번째 ONU로 시작해 N 개의 ONU에서 이르고 다시 첫 번째 ONU로 차례로 회전한다.

도 4에 도시한 바와 같이, OLT(100)에서 네트워크 인코딩 기능이 수행되도록 블록도가 구성되며, 여기서 유입된 패킷은 모두 네트워크 코딩될 패킷임을 가정한다.

임의의 ONU에서 발생 된 패킷들의 묶음을 버스트(Burst)라고 정의하고 k번째 ONU로부터 형성된 Burst를 Bk라고 표기하자. 여기서 0≤k≤N-1이다.

고정 대역폭 할당 정책을 따르는 E-PON에서 각각의 ONU에 할당되는 버스트 길이 T_B는 수학식 2와 같이 구할 수 있다.

여기서 , T_CT, T_G는 각각 E-PON 사이클 시간과 Burst간 중첩 방지를 위한 보호 시간을 나타낸다.

네트워크 코딩되기 전과 후의 버스트 길이가 T_B로 동일하다고 할 때, OLT(100)에 들어온 버스트들이 네트워크 코딩되는 과정은 다음과 같다.

먼저, 최초에 k=0인 버스트, B0가 도착한다(S110).

이 시점에서 B0와 같이 연산할 가수(Addend)가 아직 존재하지 않으므로, B0는 일단 제1저장부(Augend queue; 120)에 저장되어 대기한다(S120).

그 후, B1이 도착하면(S130), 제1저장부(120)는 T_B 시간 동안 저장된 B0을 유출시켜 인코더부(Encoder; 130)로 보낸다.

여기서, 인접한 두 개의 버스트 간의 XOR로 인코딩되며, 실제로 물리계층(PHY)에서는 B0와 B1안에 들어있는 각각의 패킷(Packet)들이 서로 XOR로 결합 된 패킷 버스트 A

B를 만들어 낸다(S140).

이와 동시에 B1은 B2와 연산 될 피가수로 다시 사용되기 위해 제1저장부(120)에 저장된다(S150).

이 같은 방식으로 B2가 도착하면 B1

B2가 생성되고 B2는 제1저장부(120)에 저장되어 다음번에 사용될 피가수 버스트가 된다.

이를 N개 ONU로부터 발생 된 버스트들로 연장하면 마지막에는 B(N-2)

B(N-1)가 생성되며 총 N-1개의 네트워크 코딩된 버스트들이 발생하게 된다.

이렇게 인코딩된 버스트들은 제2수신부(150)를 통해 PON 외부의 네트워크에서 유입되는 인터넷 트래픽과 제2저장부(140)에서 합류되어(S160), 송신부(160)를 통해 ONU로 전달되게 된다(S170).

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 시스템의 성능 평가는 OPNET Modeler를 사용하여 다음과 같은 환경과 방법으로 시뮬레이션 되었다. 기본적으로 E-PON은 2개 또는 16개의 ONU로 구성된다.

OLT와 분배기 그리고, 분배기와 ONU 사이의 거리는 각각 20km, 2km 이며 피더링크 속도는 1Gb/s로 설정되었다.

E-PON 사이클 시간과 버스트 간 보호 시간은 각각 2ms, 5μs이며 OLT와 ONU에 속한 버퍼의 크기는 10Mbyte로 동일하다.

상향 혹은 하향으로 제공된 부하(Offered Load)는 0~1Gb/s에 해당하며, 0~1 사이의 정규화된 값으로 표현된다.

패킷은 포아송 분포로 도착하고, 이더넷 프레임의 길이는 1,518byte로 고정하였다.

모든 ONU로부터 유출되는 패킷은 단일 흐름이며, 이는 네트워크 코딩의 적용 또는 미적용 둘 중 하나의 속성만 갖는다.

그리고 특정 부하와 시간 동안 ONU에서 유출된 평균 패킷 양은 동일하다.

우선, 하향 외부 트래픽의 유입을 고려하지 않은 상태에서 PON 지역 데이터 공유를 원하는 2개 또는 16개의 ONU를 네트워크 코딩의 적용할 경우(with NC)와 그렇지 않은 경우(without NC)를 비교하였다.

도 6에 도시한 바와 같이, 네트워크 코딩을 적용한 E-PON은 그렇지 않은 경우에 비하여 N에 따른 Throughput이 감소 되었음을 관찰할 수 있다.

특히, N=2이고 네트워크 코딩을 적용한 시스템의 경우 네트워크 코딩을 적용하지 않은 것에 비하여 50%의 Throughput 감소를 왔으며 N=16로 증가할 때는 감소의 격차가 상당히 줄어든다.

다음으로 도 7에 도시한 바와 같이, OLT와 분배기 사이의 Delay 성능을 보여주고 있다.

도 7에서와 같이 네트워크 코딩을 적용한 시스템이 그렇지 않은 것에 비해 항상 작은 Delay 값을 유지하고 있다. 게다가, 그 이득의 정도는 고 부하로 갈수록 증가하고 있으며 N=2일 때 최대의 편차로 벌어진다.

위 두 결과를 분석해 보면, 네트워크 코딩을 적용한 시스템은 제2저장부(140)에 유입되는 패킷의 양이 미적용한 경우에 비해 상당히 줄어들었고 그 영향에 의해 피더링크에서의 Throughput과 Delay 성능의 개선을 가져왔다.

이번에는 성능 개선의 효과가 큰 N=2만 고려하여 하향 트래픽을 추가로 투입해 보았다.

상향 부하는 각각 0.3에서 0.5로 증가시킨 다음 네트워크 코딩을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 하향 트래픽의 증가에 따른 영향을 살펴보자.

도 8은 피더링크에 유입된 인터넷 트래픽과 PON 내부 트래픽 중에 인터넷 트래픽의 패킷만 추출하여 Throughput을 측정한 것이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 네트워크 코딩을 적용한 경우는 하향 부하 0.3과 0.5의 증감에 관계없이 인터넷 트래픽의 Throughput이 그렇지 않은 것에 비해 항상 성능 우위에 있다.

뿐만 아니라 네트워크 코딩을 적용하지 않는 경우, 상향 부하가 0.3에서 0.5로 증가했을 때 하향 부하 0.5 이상에서 인터넷 트래픽의 Throughput의 감소의 차이가 현격히 크게 나타난다.

도 9는 네트워크 코딩을 적용한 시스템에서 인터넷 트래픽의 Delay 성능을 측정한 것이다.

0.4 이하의 비교적 낮은 부하에서는 네트워크 코딩을 적용한 시스템과 그렇지 않은 시스템의 Delay 격차가 거의 나지 않다가 어떤 임계점을 넘어가면서 그 차이가 확연히 들어난다.

도 8과 유사하게 네트워크 코딩을 적용하지 않는 경우, Delay가 급격히 증가하는 임계 부하의 시점이 미적용의 경우보다 더 앞서 있다.

도 8 및 도 9의 두 그림을 통하여 네트워크 코딩을 적용한 시스템은 PON 내부 트래픽의 증가에도 불구하고 인터넷 트래픽의 Throughput과 Delay에 성능에 영향을 덜 미친다는 것을 알 수 있다.

이는 네트워크 코딩이 시스템의 전송 효율을 향상시키고 링크 용량을 증가 시켜서 하향 링크의 대역폭을 ONU간 통신 트래픽과 함께 공유하는 외부 인터넷 서비스의 품질 저하를 줄이는 효과를 나타낸다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 기존의 E-PON 시스템의 전송 효율을 증가시킬 수 있는 네트워크 코딩 기술을 적용하는 방법을 제안한다. 가입자망에 부담을 주는 멀티미디어 및 P2P 통신요구가 PON 내부에서 증가되는 추세인데 네트워크 코딩을 이용하면 기존의 방식에 비해 상대적으로 적은 수의 패킷으로 원하는 데이터를 교환할 수 있다.

제안된 패킷 burst 개념의 네트워크 코딩을 적용한 E-PON 시스템은 지역 통신에 있어서 전송 효율을 향상시키고 실질적으로 링크 용량을 증대시키는 효과를 가져왔다.

따라서 링크 대역폭을 PON 내부 트래픽과 함께 공유하는 인터넷 서비스의 품질 저하를 줄일 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 발명에 따른 단계 S110 내지 단계 S170에 따른 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신 방법을 프로그램화하여 컴퓨터가 읽을 수 있도록 시디롬, 메모리, ROM, EEPROM 등의 기록매체에 저장시킬 수도 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

100; OLT 300: 제1ONU
500: 제2ONU 700: 분배기

Claims

동일한 네트워크 내에 포함되며 서로 데이터 통신이 이루어지는 제1ONU(300) 및 제2ONU(500);
상기 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)로부터 데이터를 전송받으며, 상기 제1ONU(300)로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷과 상기 제2ONU(500)로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷을 각각 XOR 인코딩을 하는 OLT(100); 및
상기 OLT(100)로부터 전달되는 XOR 인코딩된 데이터를 전달받아 상기 제1ONU(300) 및 제2ONU(500)로 각각 전달시키는 분배기(700);
가 포함되어 구성된 것을 특징으로 한 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 분배기(700)로부터 XOR 인코딩된 데이터를 전달받은 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)는 각각 XOR 을 수행하여 전달받을 데이터를 복원시키는 것을 특징으로 한 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 OLT(100)는 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)로부터 패킷 데이터를 수신받는 제1수신부(110); 상기 제1수신부(110)를 통해 수신된 패킷 데이터가 저장되는 제1저장부(120); 및 상기 제1저장부(120)에 패킷 데이터가 저장된 이후에 상기 제1수신부(110)를 통해 수신된 패킷 데이터와 상기 제1저장부(120)에 저장된 패킷 데이터를 전달받아 XOR을 수행하는 인코더부(130);가 포함된 것을 특징으로 한 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 OLT(100)에는 상기 인코더부(130)를 통해 XOR이 수행된 패킷 데이터와 제2수신부(150)를 통해 수신된 외부 데이터가 저장되는 제2저장부(140); 및 상기 제2저장부(140)에 저장된 데이터를 분배기(700)로 전달시키는 송신부(160)가 포함되어 구성된 것을 특징으로 한 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템.
(a) 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)로부터 전송된 데이터를 OLT(100)에서 수신받는 전달단계;
(b) 상기 수신단계를 통하여 제1ONU(300)로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷과 제2ONU(500)로부터 전송된 데이터를 이루는 패킷을 XOR 인코딩하는 코딩단계; 및
(c) 상기 코딩단계를 통해 XOR 인코딩된 데이터를 OLT(100)로부터 전달받아 상기 제1ONU(300) 및 제2ONU(500)로 각각 전달시키는 분배단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 코딩단계에서는 제1수신부(110)에서 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)로부터 패킷 데이터를 수신받는 수신단계; 상기 수신단계를 통해 수신된 패킷 데이터가 제1저장부(120)에 저장되는 저장단계; 및 상기 저장단계를 통해 제1저장부(120)에 패킷 데이터가 저장된 이후에 제1수신부(110)를 통해 수신된 패킷 데이터와 제1저장부(120)에 저장된 패킷 데이터를 전달받아 인코더부(130)에서 XOR을 수행하는 인코딩단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 인코딩단계 이후에는 인코더부(130)를 통해 XOR이 수행된 패킷 데이터와 제2수신부(150)를 통해 수신된 외부 데이터가 제2저장부(140)에 저장되는 재저장단계; 및 상기 재저장단계를 통해 제2저장부(140)에 저장된 데이터를 송신부(160)를 통해 분배기(700)로 전달시키는 송신단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 분배단계 이후에는 제1ONU(300) 또는 제2ONU(500)에서 상기 분배기(700)로부터 전달받은 XOR 인코딩된 데이터를 각각 XOR 을 수행하여 복원시키는 복원단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신 방법.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 네트워크 코딩을 적용한 패킷 버스트 기반의 E-PON 시스템을 위한 통신을 수행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.