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잡음 최소화로 트리플 플레이 상시 서비스 ‘OK’ |
| VDSL2 네트워크 잡음 최소화 기법 |
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2008년 07월 04일 00:00:00 |
데이터넷
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디지털 가입자 회선(DSL)은 광대역 서비스를 제공하는 데 주로 사용하는 수단으로 트리플 플레이 서비스(TPS) 제공을 통해 투자 수익률을 높일 수 있다. 그러나 이러한 서비스에는 뛰어난 품질, 향상된 전용 대역폭, 우수한 서비스 품질 및 네트워크에 대한 상시 액세스가 요구된다는 문제가 있다. 이에 VDSL2 네트워크에서 운영되는 상시 서비스에 대한 잡음 영향 완화 방법을 살펴본다. <편집자>
 마누체르 라피 //
이카노스 전략 제품/기술 사업부 책임자
전 세계적으로 2억명이 사용하고 있는 디지털 가입자 회선(DSL)은 서비스 공급업체가 대중 시장에 광대역 서비스를 제공하는 데 주로 사용하는 수단이다. 서비스 공급업체는 DSL을 통해 수익을 높이는 트리플 플레이 서비스(TPS)를 제공함으로써 동(Copper) 인프라에 대한 투자 수익률을 높일 수 있다. 그러나 이러한 서비스에는 뛰어난 품질, 향상된 전용 대역폭, 우수한 서비스 품질(QoS) 및 네트워크에 대한 상시(always on) 액세스가 요구된다는 문제가 있다.
멀티미디어 서비스의 속도/도달 성능은 인접한 한 쌍의 구리선이나 다른 장애에 대한 전기 신호의 누화 결합에서 발생하는 VDSL2 회선의 잡음으로 인해 크게 영향을 받을 수 있다. 루프 잡음 특성은 DSL 회선의 온/오프 스위칭에 따라 대폭 변경될 수 있다. 기존의 SRA (Seamless Rate Adaptation) 및 비트스왑(bitswap) 기술은 데이터 속도를 바꿔 시간에 따라 변하는 루프 조건에 맞게 조정할 수 있지만 회선 및 관련된 오버헤드 채널의 무결성을 항상 유지하지 못하는 경우가 많으며, 이러한 상황은 잡음 마진(noise margin)이 심하게 저하되거나 네거티브 상태인 경우에는 더욱 두드러지게 나타난다.
서비스 공급업체에 필요한 것은 광대역 잡음이 갑작스럽게 변경될 때 데이터 속도를 동적으로 신속하게 조정할 수 있도록 하는 지능형 메커니즘이다. 이러한 유형의 RRA(Rapid Rate Adaptation) 전략은 IPTV 및 실시간 트리플 플레이 애플리케이션 같은 향상된 프리미엄 서비스를 견고하게 배포하는 데 필수적이다. 누화, 비정적 무선 간섭 교란자(disturber), 임펄스 잡음, 온도 변화 같은 DSL 회선의 일반적인 성능 저하 원인과 잡음 영향을 최소화해 향상된 서비스가 상시 제공될 수 있도록 유도하는 기법에 대해 살펴보자.
서비스 공급업체의 액세스 문제
현재 서비스 공급업체들은 엔드 투 엔드 IP 기반 xDSL 액세스 인프라에 TPS를 도입하고 있다. 일부 주요 서비스 공급업체들의 비즈니스 출시 전략에는 사용자가 콘텐츠를 언제 어디서든 즐길 수 있도록 통합률이 뛰어난 주문형 유비쿼터스 방식의 풍부한 서비스를 제공하는 경제적이면서 전력 효율과 안정성이 뛰어난 고밀도 VDSL2/ADSLx 콤보 카드를 도입하는 것이 포함돼 있다.
대역폭을 극대화하고 오류율을 최소화하며 견고성을 높이고 운영 효율을 개선하려면 모든 계층 레벨에서 xDSL 시스템의 비용 대비 성능을 최적화해야 한다. 서비스 공급업체가 보장된 서비스의 신뢰도와 안정성을 바탕으로 하는 최적화된 DSL 시스템을 활용하면 혁신적인 상품을 신속하게 도입할 수 있는 것은 물론 사용자당 평균 수익을 높이고 운영 및 자본 지출을 절감할 수 있게 된다.
소비자는 탁월한 QoS, 네트워크에 대한 상시 연결 기능, 뛰어난 안정성, 다양한 서비스 공급업체로부터 즉시 사용 가능한 콘텐츠 등을 원하고 있다. 이를 위해 서비스 사업자는 어떤 대가를 치르더라도 서비스 중단 및 회선 리트레인(line retrain)이 발생하지 않도록 해야 한다.
DSL 기술은 트리플 플레이 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 진화를 거듭하고 있다. ITU G.993.2 VDSL2 표준은 2006년 11월 승인됐다. 이전 세대의 xDSL에 비해 VDSL2는 여러 사업자의 다양한 대역폭 요구 사항을 효과적으로 해결하기 위해 수많은 개선 사항을 채택했다. 예를 들어 향상된 INP(Impulse Noise Protection), INM(Impulse Noise Monitoring), SRA, U0 PSD(Power Spectral Density) 쉐이핑을 비롯 트리플 플레이의 안정성을 높이기 위한 새로운 서비스 및 초기화 정책을 지원한다. 또한 긴급 속도 감소(SOS), 동적 속도 재분할(DRR), 누화 채널 제거 및 완화 기법 같은 고급 기술도 표준에 제안되고 있다.
뿐만 아니라 VDSL2는 프로필 개념을 사용해 다양한 배포 시나리오를 지원한다. 각 프로필은 특정 대역폭(8~30MHz)과 다양한 전력 및 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 마스크 제약 조건에 연결돼 있다. 아울러 각 프로필은 특정 도달율 및 속도에 최적화돼 있어 VDSL1의 범위를 확장해 달성 가능한 최대 비트율을 다른 모든 형태의 DSL보다 높게 끌어올리고 있다.
DSL에 구현될 수 있는 미래의 대역폭 및 적용 범위 개선 사항은 동적 스펙트럼 관리(DSM)와 같은 정교한 기술을 통해 도움을 얻게 된다. DSM은 동일한 바인더를 공유하는 DSL 쌍에 의해 수집된 누화를 완화한다. 보다 높은 수준의 DSM은 바인더를 공유하는 모든 사용자 간에는 일정한 형태의 조정이 필요하므로 이러한 기법은 매우 중요하다.
여러 업체에서 서로 다른 꼬임 쌍선을 운영하는 경우에 발생할 수 있는 루프 언번들링(loop unbundling)과 같은 비기술적인 문제는 중요한 DSM 병목 현상으로 작용한다. 따라서 이동통신업체에서 DSM을 완벽하게 활용하도록 하려면 이러한 문제를 반드시 해결해야 한다.
일반적인 성능 저하 원인
손상 신호는 가우시안 분포(Gaussian distribution)의 가산 랜덤 소스로 간주되는 경우가 많다. 예를 들어 비트 로딩 알고리즘은 일반적으로 가산 가우시안 잡음의 가정을 토대로 디자인됐다. 이러한 알고리즘에서는 다른 유형의 간섭에 대한 영향을 과소평가해 오류율이 과도하게 높아지게 된다. 또한 채널 추정 절차도 대개 정적 장애 상황에서 성능을 최적화하도록 디자인돼 있다.
하지만 이러한 알고리즘은 비정적(non-stationary), 준정적(quasi-stationary) 또는 시변(time-varying) 간섭을 추정하는 데에는 효과적이지 못하다. 이러한 DSL의 교육 절차는 대개 정적 또는 가산 가우시안 장애가 발생한 상황에서 루프 성능 및 견고성을 최적화하는 데에만 적합하다. 이렇게 되면 첨단 수신기가 임펄스 잡음 같은 다른 장애를 인식하지 못하게 된다. xDSL 성능 저하의 주된 원인은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있다.
● 내부 잡음 소스
내부에서 발생한 장애의 예로는 항상 존재하는 열 잡음, 양자화 잡음, 부품 비선형성 및 왜곡, 에코 누출 또는 트랜스 하이브리드 손실, 대역 제한 필터(ISI)로 인한 분산, 클러킹 잡음(예 : 위상 잡음 및 클럭 지터) 등이 있다. 알고리즘 및 신호 처리의 열악한 디자인, 정확도 및 성능 제한 역시 xDSL의 성능에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.
● 외부 (준)정적 잡음
일반적으로 ‘누화’라고 하는 이 잡음에는 T1 및 xDSL 같은 서비스 또는 원단 누화(FEXT) 및 근단 누화(NEXT) 같은 자체 잡음 소스에서 발생하는 간섭이 포함된다. 인접한 DSL 회선의 연속된 송신으로 인해 발생하는 누화 간섭은 원래 정적이지만 고객의 배선 또는 온도차가 변함에 따라 시간이 지나면서 바뀔 수 있다. 누화는 대개 DSL 시스템에서 발생하는 성능 저하의 주된 원인으로 꼽히고 있다.
● 외부 비정적 잡음
xDSL 시스템의 성능에 영향을 주는 비정적 잡음의 원인은 다양하다. 저하된 성능의 주된 원인은 다음과 같다.
- 회선에 발생한 전압 스파이크로 인한 임펄스 잡음. 일반적인 원인으로는 벼락, 변압기 서지, 가전기기 작동, 조명 스위치 온/오프 등이 있다. 반복성 임펄스 잡음(REIN) 역시 회선에 발생한(대개 파워 서플라이의 작동 주파수인 50Hz 또는 60Hz에서 발생) 잡음의 반복된 전압 스파이크 또는 서지로 인한 비정적 잡음이다. 임펄스 잡음은 순환 중복 검사(CRC) 오류를 일으키고 DSL 회선 리트레인을 유발해 서비스를 중단시킬 수 있다.
- 무선 주파수 간섭(RFI)은 일반적으로 스펙트럼의 비교적 협소한 부분으로 제한돼 있으며 임펄스 잡음 신호는 물론 신호에 대한 HAM 무선 교란 커플링으로 인해서도 발생한다. 이러한 사인 형태의 교란자가 확산되면 많은 톤에서 데이터 속도가 감소할 수 있다. RFI는 대개 DMT(Discrete Multi-Tone) 기반의 DSL 시스템에서 심볼의 작은 영역에만 영향을 주지만 잔존 기간이 임펄스 잡음의 경우보다 훨씬 길며 많은 DMT 심볼이 영향을 받게 된다. 이로 인해 인터리빙 또는 리드 솔로몬(Reed-Solomon) 패리티 요구 사항이 발생하는데, 이는 대기 시간이 낮은 애플리케이션(예 : VoIP)에는 적합하지 않다.
- 온/오프 후크 전환, 다이얼 펄스, 링잉 및 링 트립에 의해 발생하는 기존 전화 서비스(POTS) 시그널링
- 구리선에 미세한 절단 부분이 있으면 DSL 신호의 랜덤 미세 중단이 발생하게 된다. 안정적인 송신을 수행하려면 발생하는 CRC를 줄이도록 필터링 및 신호 처리를 조합해 사용한다.
- 작동중 및 작동 중지 사이를 이동하는 인접한 xDSL 서비스. 이 현상이 발생하면 바인더의 모뎀 스위치를 켜고 끌 때 정적 잡음에 갑작스러운 변화가 발생할 수 있다. 이는 누화 레벨 및 사용 가능한 잡음 마진에 따라 서비스 중단 및 회선 리트레인(재동기화 및 트레이닝)을 발생시킬 수 있다.
참고로 <그림 1>에서는 희생자(victim) 리시버의 다운스트림에 다양한 간섭 신호가 발생하는 중앙 사무소(CO)와 원격 터미널(RT)이 혼합된 배포 시나리오를 보여 준다.
DSL 네트워크 위한 잡음 완화 전략
DSL 시스템에서 발생하는 여러 가지 장애를 완화하기 위한 실제 전략은 매우 다양하다. 내부에서 발생하는 잡음 소스는 대개 CO 및 고객 댁내 장치(CPE)의 트랜시버 디자인에 의해 영향을 받으며 배포 실행을 통해서는 완화할 수 없다. 이 경우 평판이 좋은 제조업체의 시스템을 평가 및 사용하는 것이 바람직하다.
루프 장애 및 내부 잡음 소스에 대한 견고성은 시스템 디자인 지침 및 고급 DSL 송신 기술(예 : 어댑티브 TEQ, 어댑티브 에코 캔슬러, 어댑티브 하이브리드 및 프로그래머블 디지털/아날로그 필터)을 통해 개선할 수 있다. 누화 같은 외부 정적 잡음 제한은 네트워크 디자인에서 고려되는 경우가 많다.
스펙트럼 호환성은 송신 전력 PSD 마스크에 제한을 적용하는 방식으로 확보된다. 사업자는 인접한 회선에 대한 누화를 최소화하기 위해 송신 PSD와 관련된 파라미터를 제어한다. 고급 업스트림 및 다운스트림 전력 백오프 기법(UPBO/
DPBO)은 현재 널리 사용되고 있으며 G.993.2 VDSL2 표준에도 도입됐다.
● 동적 스펙트럼 관리
동적 스펙트럼 관리(SDM)는 누화를 가정한 상태에서 스펙트럼 호환성을 확보하기 위해 DSL 네트워크에서의 다중 사용자 전력 할당 또는 감지에 사용되는 일련의 기법으로 이뤄져 있다. DSM을 활용할 경우 누화는 송신 신호의 스펙트럼을 쉐이핑하는 방식으로 줄이거나 바인더 내에서 부분적으로 소거된다. 이러한 기법은 누화가 장애의 주된 원인으로 작용하는 배포 시나리오에 효과적이다. DSM 조정에는 다음과 같은 네 가지 레벨이 있다.
- DSM 레벨 0은 인접 회선의 성능을 고려하지 않고 개별 DSL 회선의 성능을 극대화하는 정적 스펙트럼 관리(SSM)에 해당한다.
- DSM 레벨 1은 누화 방지를 위해 사용되는 자율 전력 할당 관리를 처리한다.
- DSM 레벨 2는 누화 방지를 위한 인접 회선간의 조정된 전력 할당 관리다.
- DSM 레벨 3은 누화를 완화하는 데 사용되며, 송신기 또는 수신기가 나란히 배치돼 있는 경우에만 사용할 수 있다.
● 가상 잡음
가상 잡음은 회선의 안정성을 높이기 위해 G.993.2
(VDSL2) 표준에 도입된 또 다른 기법이다. 가상 잡음은 온 상태인 인접 회선 스위칭으로 인해 발생하는 누화의 영향을 받게 되는 톤 위에서 라인에 추가된다. <그림 2>처럼 잡음 마진은 가상 잡음을 수용하도록 조정된다.
잡음 마진은 대역폭의 가용성을 극대화하기 위해 누화의 영향을 받지 않은 톤에서 로우 상태를 유지할 수 있다. 가상 잡음은 누화의 연역적 정보를 알고 있는 경우 효과적이다. 대부분의 경우 간섭에 대한 정확한 정보는 연역적으로 사용할 수 없다. 가상 잡음 완화 기법은 동적 특성을 나타내지 않으며 비트 로딩을 보수적으로 만드는 경우가 많다.
● 인터리빙 및 리드 솔로몬 코딩
비정적 장애를 관리하는 기법 역시 다양하다. INP 오류 보정 전략은 프레이밍 파라미터를 표준에 지정된 다양한 값 중에서 선택할 수 있는 리드 솔로몬 코딩 및 인터리빙의 조합과 관련돼 있다. 잡음 마진이 향상되면 대개 데이터 속도가 줄어든다. 수신기는 본질적으로 오류율을 허용 가능한 제한 범위 내에 유지하기 위해 충분한 잡음 마진으로 작동한다.
따라서 대부분의 프레임을 초과 마진으로 실행해 데이터의 무결성을 유지하는 동시에 프레임의 일부만 임펄스 잡음에 의해 직접적인 영향을 받도록 한다. 늘어난 인터리버 메모리 같은 다른 결점은 대기 시간이 낮은 애플리케이션 및 대화형 애플리케이션에는 적합하지 않을 수 있다. 수신기에서 리드 솔로몬 코드워드에 대해 소거 디코딩을 수행하면 DSL 시스템의 인터리빙 지연을 크게 줄일 수 있다.
● SRA
VDSL2 표준에서는 회선의 잡음 프로필이 변경될 때 사용할 기법으로 SRA를 지정하고 있다. SRA는 회선에 충분한 잡음 마진이 유지되도록 회선 대역폭을 줄이는 역할을 한다. 회선의 잡음이 증가하는 경우 SRA는 회선을 끊지 않고(따라서 서비스가 중단되지 않음) 회선의 대역폭을 줄이는 데 사용된다.
느리거나 중간 정도의 속도로 변화하는 잡음의 경우 톤 리오더링, 비트스왑 또는 SRA가 포함된 어댑티브 기법이 하나 또는 임의의 조합된 형태로 주로 사용된다. 갑작스러운 심각한 잡음 상황에서는 위의 전략 중 어느 것도 효력이 발생되지 않는다. 이러한 상황에서는 ITU-T 표준에 SOS로 알려진 RRA(Rapid Rate Adaptation) 솔루션으로 링크를 유지하고 DSL 모뎀이 리트레인되지 않도록 하는 것이 가장 효과적인 완화 전략이다.
● RRA 기술
RRA는 서비스 공급업체가 과도한 시변 잡음 환경에서 링크의 견고함, 안정성 및 가용성을 유지할 수 있게 해주는 자동화된 지능형 솔루션이다. RRA는 또한 누화 증가 같은 갑작스럽거나 규모가 큰 광대역 잡음 변화에 대응해 회선 연결 중단 또는 리트레인 없이 데이터 속도를 신속하게 동적으로 조정할 수 있도록 하는 고급 기술이기도 하다. 그 결과 TPS의 품질이 최적화되고 변덕스럽게 변화하는 루프 조건을 관리할 수 있도록 광대역 연결이 크게 향상된다. RRA의 주요 이점은 다음과 같다.
- RRA는 트랜시버에서 회선 상태를 모니터링하고, 리트레인을 위해 서비스를 중단하지 않으면서 데이터 속도를 동적으로 조정할 수 있게 해준다. RRA는 잡음 환경이 허용 가능한 잡음 마진을 넘어 변화하더라도 링크의 무결성을 유지하는 데 도움을 준다. RRA는 xDSL 회선의 온/오프 스위칭으로 인한 바인더의 동적 누화에 대한 복원력이 뛰어나다.
- RRA는 갑작스러운 커다란 광대역 잡음 변화에 대한 견고성 및 속도 측면에서 SRA와 같은 다른 표준 메커니즘보다 성능이 뛰어나다. 특히 SRA의 효력이 발휘되지 않는 환경에서도 링크의 무결성을 유지할 수 있다.
RRA가 새로운 속도로 변경해 링크를 안정화하는 데 걸리는 총 시간은 SRA보다 훨씬 빠르다. 또한 동적 잡음 변화에 대한 응답 속도도 빠르다. 앞의 <표>에서는 갑작스러운 강력한 잡음 발생 시 이러한 기법의 효과를 중심으로 RRA와 SRA를 비교하고 있다.
● 트래픽에 민감한 애플리케이션
트리플 플레이의 대상 시장은 서비스 품질 및 안정성에 대한 기대치가 매우 높다. 비디오 서비스 같은 트래픽에 민감한 애플리케이션에서 틸팅(계단 현상)이 발생하지 않게 하려면 올바른 베어러 채널의 데이터 속도가 제품에서 사용할 수 있는 QoS 기능을 기반으로 변경되도록 우선순위 기반 알고리즘을 구현할 수 있다.
이렇게 하면 데이터 속도가 느려지더라도 우선순위가 높은 트래픽은 회선 상태에 따라 해당 대역폭을 유지하게 되고 우선순위가 낮은 트래픽 대역폭은 줄어들게 된다. RRA와 QoS를 함께 사용하면 사업자 및 서비스 공급업체의 심각하게 저하된 잡음 마진 환경에서도 탁월한 애플리케이션 인식 복원력을 제공하게 된다.
견고성 확보가 관건
TPS를 성공적으로 배포하려면 견고성을 높여야만 한다. 가상 잡음, 비트스왑, SRA, RRA 등과 같은 기술은 시스템의 안정성을 높여 주고 사업자가 동일한 제품으로 더 많은 고객을 확보할 수 있게 해준다. 이러한 기능은 향후 사업자들 사이에서 광범위하게 사용될 전망이다. |
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