Optical Link Budget 계산법｜Tx Power·Rx Sensitivity·광손실 계산하기

광모듈이나 SFP 데이터시트를 보면 Tx Power, Receiver Sensitivity, Connector Loss, Fiber Attenuation 같은 값을 볼 수 있습니다.

이 값들을 이용하면 광케이블을 실제로 설치하기 전에 송신된 빛이 모든 손실을 거친 뒤에도 수신기에 충분히 도달하는지 계산할 수 있습니다.

이것을 Optical Link Budget 또는 광링크 버짓 계산이라고 합니다.

가장 기본적인 관계는 다음과 같습니다.

Tx Power(dBm) – Total Link Loss(dB) = Rx Power(dBm)

그리고 예상되는 Rx Power가 Receiver Sensitivity보다 충분히 강해야 정상적인 통신을 기대할 수 있습니다.

Optical Link Budget이란?

광송신기에서 출발한 빛은 광케이블을 지나면서 조금씩 약해집니다.

대표적인 손실원은

Fiber Loss
Connector Loss
Splice Loss
Splitter Loss
기타 Passive Component Loss

등입니다.

예를 들어 송신광파워가

-3dBm

이고 전체 광경로에서

8dB

손실이 발생했다면 예상 수신광파워는

-3dBm – 8dB = -11dBm

입니다.

수신기의 최소 Sensitivity가 -20dBm이라면 -11dBm은 그보다 훨씬 강한 신호이므로 일정한 여유가 존재합니다.

Power Budget과 Loss Budget은 같은 말일까?

실무에서는 비슷하게 사용되기도 하지만 계산할 때 구분하면 이해하기 쉽습니다.

Power Budget

광모듈이 허용할 수 있는 최대 손실량입니다.

기본 공식은

Power Budget = Minimum Tx Power – Receiver Sensitivity

입니다.

Link Loss Budget

실제 광경로에서 예상되는 손실을 모두 합한 값입니다.

Link Loss = Fiber Loss + Connector Loss + Splice Loss + Splitter Loss + 기타 손실

입니다.

따라서 기본적인 설계조건은

Link Loss + Engineering Margin ≤ Power Budget

이 되어야 합니다.

실제 광모듈 사양으로 계산해보자

다음과 같은 Single-mode 광모듈이 있다고 가정하겠습니다.

Minimum Tx Power = -5dBm

Receiver Sensitivity = -20dBm

Power Budget은

-5 – (-20)

= 15dB

입니다.

즉 최악의 송신출력 조건을 기준으로 광경로에서 약 15dB까지 손실을 허용할 수 있다는 의미입니다.

하지만 실제 설계에서 15dB를 전부 케이블과 Connector 손실로 사용하면 안 됩니다.

온도변화와 노화, 오염 등을 고려한 Margin이 필요하기 때문입니다.

Total Link Loss는 어떻게 계산할까?

대표 공식은 다음과 같습니다.

Total Link Loss = Fiber Loss + Connector Loss + Splice Loss + Passive Device Loss

여기에 설계여유까지 포함한다면

Design Loss = Total Link Loss + System Margin

으로 계산할 수 있습니다.

각 손실은 모두 dB 단위이므로 단순하게 더할 수 있습니다.

Fiber Loss 계산법

광섬유의 감쇠량은 일반적으로

dB/km

단위로 표시됩니다.

공식은 간단합니다.

Fiber Loss = Fiber Length(km) × Attenuation(dB/km)

예를 들어

광케이블 길이 = 10km

설계에 사용하는 감쇠값 = 0.35dB/km

라고 가정하면

10 × 0.35 = 3.5dB

입니다.

즉 Fiber 자체에서 약 3.5dB의 손실을 예상합니다.

실제 설계에서는 인터넷에 있는 대표값을 그대로 사용하는 것보다 사용할 Fiber와 Cable 제조사가 보증하는 최대 감쇠값을 적용하는 것이 안전합니다.

1310nm와 1550nm의 손실은 같을까?

같지 않습니다.

Single-mode Fiber는 파장에 따라 감쇠특성이 달라집니다.

예를 들어 특정 상용 Single-mode Fiber 제품에서는 1310nm보다 1550nm 영역에서 더 낮은 최대 감쇠값이 규정되기도 합니다.

따라서

10km Single-mode니까 무조건 몇 dB

처럼 계산하면 안 됩니다.

반드시

Fiber Type + Operating Wavelength + 제조사 Attenuation

을 함께 확인해야 합니다.

Connector Loss는 어떻게 계산할까?

광링크에는

SFP와 Patch Cord
Patch Panel
광분배함
중간 Adapter

등 여러 Connector 접속점이 존재할 수 있습니다.

예를 들어 실제로 Mated Connector Pair가 4개이고 설계손실을 접속점당

0.3dB

로 가정한다면

4 × 0.3 = 1.2dB

입니다.

Connector Loss는 제품과 시공방식에 따라 달라지므로 모든 Connector는 0.3dB라고 고정하면 안 됩니다.

Link Budget을 보수적으로 계산하려면 사용하는 Connector·Adapter 제조사가 보증하는 최대값이나 프로젝트의 설계기준을 적용하는 것이 좋습니다.

Splice Loss도 포함해야 한다

광케이블을 Fusion Splice로 연결한 부분에서도 작은 손실이 발생합니다.

예를 들어 Fusion Splice가 6개이고 설계상 한 곳에

0.1dB

를 반영한다면

6 × 0.1 = 0.6dB

입니다.

따라서 지금까지 계산한 손실은

Fiber = 3.5dB

Connector = 1.2dB

Splice = 0.6dB

이므로

Total Passive Loss = 3.5 + 1.2 + 0.6

= 5.3dB

입니다.

Splitter가 있다면 반드시 추가해야 한다

FTTH·PON 같은 시스템에는 Optical Splitter가 들어갈 수 있습니다.

Splitter는 하나의 광신호를 여러 경로로 나누기 때문에 비교적 큰 손실이 발생합니다.

예를 들어 Splitter 데이터시트에

Insertion Loss = 7.5dB max

라고 적혀 있다면 Link Budget에 7.5dB를 추가해야 합니다.

그러면 앞의 5.3dB 링크에 Splitter가 추가된 경우

5.3 + 7.5 = 12.8dB

가 됩니다.

Splitter가 들어간 링크에서는 Fiber 몇 km의 손실보다 Splitter Loss가 더 큰 비중을 차지할 수도 있습니다.

System Margin은 왜 필요할까?

설치 직후에는 광링크가 정상이어도 시간이 지나면서 상태가 변할 수 있습니다.

대표적으로

Connector 오염
Fiber 노화
온도변화
추가 Patch Connection
수리·재접속
광모듈 출력변화

등이 발생할 수 있습니다.

그래서 계산된 손실에 Engineering Margin 또는 System Margin을 추가합니다.

예를 들어

Total Passive Loss = 5.3dB

System Margin = 3dB

라고 가정하면 설계상 필요한 Budget은

5.3 + 3 = 8.3dB

입니다.

전체 예제로 계산해보자

광모듈 사양이 다음과 같다고 가정하겠습니다.

Minimum Tx Power = -5dBm

Receiver Sensitivity = -20dBm

먼저 사용할 수 있는 Power Budget은

-5 – (-20) = 15dB

입니다.

광경로는 다음과 같습니다.

Fiber 10km × 0.35dB/km = 3.5dB

Connector 4개 × 0.3dB = 1.2dB

Splice 6개 × 0.1dB = 0.6dB

System Margin = 3dB

전체 설계손실은

3.5 + 1.2 + 0.6 + 3

= 8.3dB

입니다.

사용 가능한 Budget이 15dB이고 필요한 값이 8.3dB이므로

15 – 8.3 = 6.7dB

의 추가적인 설계여유가 남습니다.

이 예제에서는 Budget 측면에서 링크 구성이 가능합니다.

예상 Rx Power도 계산해보자

System Margin을 제외하고 실제 Passive Loss가

5.3dB

라고 했습니다.

최소 Tx Power 기준 예상 Rx Power는

-5dBm – 5.3dB

= -10.3dBm

입니다.

Receiver Sensitivity가 -20dBm이므로 수신여유는

-10.3 – (-20)

= 9.7dB

입니다.

여기에서 3dB를 Engineering Margin으로 별도 확보해도 여유가 남습니다.

Link Margin 공식은?

간단하게 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

Link Margin = Power Budget – Total Design Loss

또는 예상 Rx Power를 이용하면

Receiver Margin = Expected Rx Power – Receiver Sensitivity

입니다.

예를 들어

Expected Rx = -10.3dBm

Sensitivity = -20dBm

이라면

-10.3 – (-20) = 9.7dB

입니다.

숫자가 클수록 Sensitivity 한계에서 더 멀리 떨어져 있다는 의미입니다.

다만 필요한 Margin의 크기는 시스템 종류와 설계기준에 따라 결정해야 합니다.

Minimum Tx Power를 사용하는 이유

광모듈 데이터시트에는 보통

Tx Power Min

Tx Power Max

가 함께 표시됩니다.

예를 들어

Tx Power = -5 ~ -1dBm

이라면 Link Budget 계산에서는 일반적으로 불리한 조건인

-5dBm

을 사용합니다.

현재 실제 모듈을 측정했더니 -2dBm이 나온다고 해서 그것만을 기준으로 장기설계를 해서는 안 됩니다.

온도나 부품 편차에 따라 출력이 낮아질 수 있기 때문입니다.

따라서 설계에서는 보증된 Minimum Tx Power를 기준으로 계산하는 것이 중요합니다.

Receiver Sensitivity도 Worst Case 값을 사용한다

Receiver Sensitivity가

-20dBm max

처럼 규정되어 있다면 해당 규격에서 보장되는 한계값을 사용합니다.

예를 들어 현재 장비에서 -23dBm에서도 통신이 된다고 해도 제조사가 -20dBm까지만 보증한다면 설계에서는 -20dBm을 기준으로 보는 것이 안전합니다.

즉 Link Budget은

현재 우연히 잘 되는가

보다

제조사가 보장한 최악조건에서도 동작하는가

를 확인하는 계산입니다.

광신호가 너무 강한 경우도 계산해야 한다

Link Budget 계산에서 자주 놓치는 것이 Receiver Overload입니다.

수신신호는 약하면 안 되지만 너무 강해도 문제가 될 수 있습니다.

예를 들어 광모듈이

Maximum Tx Power = 0dBm

Receiver Overload = -3dBm

이라고 가정하겠습니다.

매우 짧은 광케이블을 사용해 전체 손실이

1dB

뿐이라면

Expected Maximum Rx는

0dBm – 1dB = -1dBm

입니다.

그런데 Receiver는 최대 -3dBm까지만 허용한다고 가정했으므로 -1dBm은 너무 강한 입력입니다.

이 경우 장비사양에 따라 Optical Attenuator가 필요할 수 있습니다.

그래서 최장거리와 최단거리를 모두 계산한다

광링크는 한쪽 조건만 확인하면 안 됩니다.

Worst Case Long Link

Minimum Tx Power

Maximum Link Loss

Receiver Sensitivity

를 이용해 신호가 너무 약해지지 않는지 확인합니다.

Worst Case Short Link

Maximum Tx Power

Minimum Link Loss

Receiver Overload

를 이용해 신호가 너무 강하지 않은지 확인합니다.

즉 Receiver 입력은 개념적으로

Overload 한계보다 약하고

동시에

Sensitivity 한계보다 강해야

합니다.

예를 들어

Receiver Overload = -3dBm

Receiver Sensitivity = -20dBm

이라면 정상적인 설계영역은 해당 제품 조건에서 대략 이 두 한계 사이에 있어야 합니다.

실제 DDM 값과 Link Budget은 어떻게 비교할까?

SFP의 DDM 또는 DOM 화면에서

Tx Power = -2.2dBm

Rx Power = -8.7dBm

이라고 측정됐다고 가정하겠습니다.

반대편 송신기의 실제 Tx가 -2.2dBm이라는 전제라면 실제 End-to-End Loss는

-2.2 – (-8.7)

= 6.5dB

로 추정할 수 있습니다.

설계단계에서 예상했던 Passive Loss가

5.8dB

였다면 실제 링크가 약 0.7dB 더 높은 손실을 보이는 셈입니다.

이 정도 차이가 정상적인 시공편차인지, Connector 오염이나 예상하지 못한 접속점 때문인지는 현장시험으로 확인해야 합니다.

OTDR와 Optical Power Meter 중 무엇으로 확인할까?

두 장비는 목적이 조금 다릅니다.

Optical Loss Test Set / Power Meter

광원의 Power와 반대편 수신 Power를 비교해 전체 End-to-End Insertion Loss를 측정하는 데 적합합니다.

OTDR

광케이블을 따라

Connector
Splice
Bend
Fiber Fault

가 어디에 있고 각 지점에서 어느 정도 손실이 발생하는지 분석하는 데 유용합니다.

따라서 Link Budget을 계산한 뒤 설치된 Cable Plant가 설계기준을 만족하는지 확인할 때는 전체 Loss 측정과 OTDR 분석을 목적에 맞게 활용할 수 있습니다.

Link Budget과 최대거리만 같다고 생각하면 안 된다

광모듈에

10km

라고 적혀 있다고 해서 어떤 10km 광링크에서든 무조건 작동한다는 뜻은 아닙니다.

같은 10km라도

Connector가 2개인 링크

와

Connector 10개 + Splice + Splitter가 있는 링크

의 전체 Loss는 크게 달라질 수 있습니다.

따라서 거리보다 중요한 것은

전체 광손실이 Transceiver의 Power Budget 안에 들어오는지

입니다.

또한 고속·장거리 링크에서는 Loss뿐 아니라 Dispersion 등 다른 제한조건도 존재할 수 있습니다.

흔히 잘못 해석하는 부분

첫 번째는

“Tx Power – Rx Sensitivity 값이 실제 케이블 손실이다.”

라는 생각입니다.

그 값은 광모듈이 사용할 수 있는 Power Budget입니다.

실제 Cable Loss는 Fiber·Connector·Splice 등의 손실을 따로 계산하거나 측정해야 합니다.

두 번째는

“Sensitivity보다 강하기만 하면 무조건 좋다.”

라는 생각입니다.

Receiver Overload도 확인해야 합니다.

세 번째는

“현재 측정된 Tx Power를 설계값으로 쓰면 된다.”

라는 생각입니다.

장기적인 Worst Case 설계에서는 제조사가 보증한 Minimum Tx Power를 사용하는 것이 중요합니다.

네 번째는

“최대거리만 맞으면 Link Budget 계산은 필요 없다.”

라는 생각입니다.

Connector·Splice·Splitter 수에 따라 같은 거리에서도 Loss가 달라집니다.

정리

Optical Link Budget의 기본 계산은 생각보다 단순합니다.

먼저 광모듈에서 사용할 수 있는 Power Budget을 계산합니다.

Power Budget = Minimum Tx Power – Receiver Sensitivity

그다음 광경로의 전체 손실을 계산합니다.

Link Loss = Fiber Loss + Connector Loss + Splice Loss + Splitter·기타 Loss

그리고 설계여유까지 포함해

Total Design Loss = Link Loss + System Margin

을 구합니다.

최종적으로

Total Design Loss ≤ Power Budget

인지 확인하면 됩니다.

또 하나 중요한 것은 반대 방향의 조건입니다.

Maximum Tx Power – Minimum Link Loss

를 계산해 Receiver Overload를 넘지 않는지도 확인해야 합니다.

따라서 실제 광링크 설계에서는

Tx Min·Max → Rx Sensitivity·Overload → Fiber Loss → Connector → Splice → Splitter → Margin → 예상 Rx Power

순서로 계산하는 것이 가장 안전합니다.

참고자료

• The Fiber Optic Association(FOA) – Calculating Fiber Optic Loss Budgets: 광링크의 전체 수동손실은 Fiber Attenuation, Connector, Splice와 기타 Passive Component Loss를 더해 계산하며 최적값보다 보수적인 값을 사용하고 설계여유를 두는 것이 중요하다고 설명합니다. The Fiber Optic Association
• FOA – Fiber FAQs: 실제 설치 링크의 손실에는 Fiber 자체 감쇠뿐 아니라 Connector, Splice, Splitter 등의 손실이 추가되며 Connector와 Splice 손실은 시공방법과 제품에 따라 달라질 수 있다고 설명합니다. The Fiber Optic Association
• Corning – Single-mode Fiber Specifications: 실제 Single-mode 제품에서 파장에 따라 최대 감쇠값이 다르게 규정되며 한 제품 사례에서는 1310nm에서 최대 0.32dB/km, 1550nm에서 최대 0.18dB/km가 제시됩니다. 따라서 실제 Link Budget에서는 사용할 Fiber의 제조사 보증치를 확인해야 합니다. 코닝