パッシブ光ネットワーク（PON）

Passive Optical Network Components and Devices

光ファイバとスプリッタは PON の真の「パッシブ」構成ブロックであり、電力の供給は必要ありません。 もちろん、光信号の分割には、信号の分割数に依存する電力損失が発生します。 スプリッターは、光増幅器などのアクティブなネットワーク部品につきものの冷却などのメンテナンスが不要で、そのままにしておけば数十年の寿命が期待できます。 受動部品に加えて、PON ネットワークを完全に構築するには、能動的なエンドデバイスが必要です。

光回線端末 (OLT) は、受動光ネットワークの起点となるものです。 これは、イーサネット・プラガブルを介してコア・スイッチに接続される。 OLTの主な機能は、PONネットワークの信号の変換、フレーム化、送信、および上流伝送を共有するための光ネットワーク端末（ONT）の多重化の調整です。 エンドユーザー装置を光ネットワーク ユニット (ONU) と呼ぶこともありますが、これは単に 2 つの主要な標準化団体、ONT を使用する ITU-T と ONU を使用する IEEE の用語の違いで、2 つの用語は事実上交換可能ですが、利用する PON サービスと規格に依存します (下記参照)。

パッシブ光ネットワーク アーキテクチャ

PON ネットワークは、光スプリッタを使用して 1 つの OLT からの下流信号をエンド ユーザーへの複数の下流パスに分割し、同じスプリッタでエンド ユーザーから OLT に戻る複数の上流パスを結合する P2MP (Point-to-multipoint) のアーキテクチャを採用しています。

Point-to-multipoint は、ファイバーの共有と低消費電力という固有の効率性を持つ光アクセス ネットワークの最も実行可能な PON アーキテクチャとして選択されました。 このアーキテクチャは、1998 年に ATM-PON G.983.1 仕様によって標準化されました。

今日では、非同期転送モード (ATM) が利用されていないため、G-PON の ITU-T G.984 標準は ATM 標準に取って代わりました。 そこから光ファイバーフィーダーケーブル（またはフィーダーファイバー）は、パッシブスプリッターに送られ、バックアップファイバーが使用されている場合は、そのファイバーも一緒に送られます。 スプリッターからドロップターミナルに接続された光ファイバーは、路上のキャビネットや、ピット、電信柱、あるいはビルの側面に取り付けられた頑丈なハウジングに設置されます。 ドロップファイバーは、ドロップターミナルポートからエンドユーザーのONT/ONUに最終的な1対1の接続を提供します。

フィーダーファイバーで運ばれた信号は、ONU または ONT が信号を変換してユーザーにインターネットアクセスを提供することにより、最大 256 ユーザーへのサービスを提供するために分割することが可能です。 エンドユーザーに到達する前にダウンストリームOLT信号が分割または分割される数は、スプリッタまたは分割比として知られています（たとえば、1:32または1:64）。

RFビデオがPONデータ・サービスと並行して放送されている、または追加のPONサービスが同じPONネットワーク上に共存している、より複雑な構成では、中央／地方事務所でパッシブ（MUX）コンバイナーを使用して、ビデオ・オーバーレイ波長と追加のPONサービス波長を往路OLTフィーダーファイバーに合流させている。

Passive Optical Network Operation

PON 操作に不可欠な技術革新は、レーザー光の波長（色）に基づいてデータ ストリームを分離するために使用する波長分割多重化（WDM）です。 ある波長はダウンストリームデータの伝送に使用され、別の波長はアップストリームデータの伝送に使用されることがあります。 これらの専用波長は、使用するPON規格によって異なり、同じファイバー上に同時に存在することも可能です。

時分割多重アクセス (TDMA) は、特定の時間帯に各エンドユーザーに上りの帯域幅を割り当てるために使用される別の技術で、OLT によって管理され、複数の ONT/ONU が同時に上りにデータを送信することによる PON スプリッターまたは OLT での波長/データの衝突を防止することができます。 PON上りのバーストモード伝送とも呼ばれる。

PONサービスの種類

1990年代に導入されて以来、PON技術は進化を続け、PONネットワーク トポロジの複数の反復が形になっています。 オリジナルのパッシブ光ネットワーク規格である APON と BPON は、徐々に新しいバージョンの帯域幅と全体的なパフォーマンスの利点に取って代わられました。

• G-PON

  ITU-T が開発した G-PON (Gigabit-capable PON) は IP ベース プロトコルを利用し、音声、インターネット、テレビの「トリプルプレイ」アプリケーションなどトラフィック タイプに関する優れた柔軟性が認識されています。 G-PONの一般的なカプセル化方式は、IP、イーサネット、VoIP、その他多くのデータタイプをパッケージ化することができます。

  G-PON は現在使用されている事実上の PON 標準と考えられており、シングルモードのファイバで、採用する分割比率に応じて 20 ～ 40 km の距離をカバーするネットワークです。

• E-PON

  IEEEのもうひとつのパッシブ光ネットワーク規格はEthernet PON（E-PON）で、イーサネット機器とシームレスに互換性を持つよう開発されています。 IEEE 802.3規格に基づき、E-PONはイーサネットベースのネットワークに接続するためのカプセル化や変換プロトコルを追加する必要がない。 従来のE-PONは、上下流とも最大1.25Gbpsの対称的な速度に対応しています。 また、G-PONと同様に、20～40kmの範囲をカバーし、波長も上りが1310nm、下りが1490nmで、G-PONと同じPONネットワークに設置することはできません。

• 10G-EPON

  より進んだ10G-EPONは、上下対称の10Gbpsに高速化し、さらにE-PONとは異なる波長（下り1577nm、上り1270nm）で動作するため、同じPONをE-PONと10G-EPONに同時に使用でき、既存のPONネットワークでシームレスにサービスアップ、容量アップができる仕組みになっています。

• XG(S)-PON

  G-PONの10G版はXG-PONとして知られています。 この新しいプロトコルは、下りが10Gbps、上りが2.5Gbpsの速度をサポートします。 物理ファイバーやデータフォーマットの規定はオリジナルのG-PONと同じですが、波長は10G-EPONと同様に、下りが1577nm、上りが1270nmにシフトしています。 この調整により、同じPONネットワークでG-PONとXG-PONを同時に利用することが可能になりました。 XG-PONの強化版がXGS-PONで、XG-PONと同じ波長を利用し、上下ともに対称な10Gbpsのサービスを提供します。

• NG-PON2

  XG（S）の先には、上下ともに複数の10G波長によるWDMを用いて、対称型の40Gbpsサービスを提供するNG-PON2があります。 6648>

  速度に対する要求は年々高まっており、XG-PON、XGS-PON、NG-PON2は、大規模なマルチテナントやビジネス顧客設定、ワイヤレス5Gネットワークの一部として、特に有益となるアップグレード パスを提供します。

• RFビデオオーバーレイ

  RFテレビ信号（アナログまたはデジタル）は、通常1550nmの波長を使用して、単一の波長の光に変調することにより、PON上で放送することができ、これはRFビデオオーバーレイと呼ばれる。

PON アプリケーション

PON は、プロバイダとユーザー間の「最後の1マイル」、または FTTX (Fiber to the X) と呼ばれることがあります。 これまで、PONの主な用途はFTTH（Fiber-to-the-Home）であった。

パッシブ光ネットワークのケーブル配線インフラの削減（アクティブな要素がない）と柔軟なメディア伝送の特性により、家庭のインターネット、音声、ビデオ アプリケーションに理想的に適合しています。 PON テクノロジーの改良が進むにつれて、潜在的なアプリケーションも拡大しています。

5Gの展開は続いており、PONネットワークは5Gフロントホールという新しいアプリケーションを発見しました。 フロントホールは、セルサイトのベースバンドコントローラとリモートラジオヘッドの間の接続である。

5Gが課す帯域幅とレイテンシーの要求により、フロントホール接続を完了するためにPONネットワークを利用すると、パフォーマンスを損なうことなくファイバー数を減らし、効率を向上させることができます。 FTTH でソース信号をユーザー間で分割するのと同じように、ベースバンド ユニットからの信号をリモート ラジオ ヘッドのアレイに分配することができます。 キャンパス・アプリケーションでは、PON ネットワークは、速度、エネルギー消費、信頼性、アクセス距離に関して明確な利点をもたらすが、ほとんどは構築/配備と継続的な運用のコストである。

PON は、建物管理、セキュリティ、駐車場などのキャンパス機能を、専用の機器、ケーブル、管理システムを減らして統合することができます。 同様に、中規模から大規模のビジネス複合施設では、PON を導入することですぐにメリットを得ることができ、削減された設置コストや保守コストは収益に直接影響します。

パッシブ光ネットワークのメリット

• 電力を効率的に使用

  PON 導入固有の利点はたくさんあります。 これらの利点のうち最も基本的なものは、アクセス ネットワークに必要な電力がないことです。

• 簡素化されたインフラとアップグレードの容易さ

  パッシブ アーキテクチャにより、配線クローゼット、冷却インフラ、ミッドスパンの電子機器も不要になりました。

• Efficient use of Infrastructure

  すべての事業者は、新規または既存のインフラからできる限りのものを取得し、既存のネットワーク フットプリントでサービス容量を確保する必要があります。 RF over Glass (RFoG) や RF ビデオ オーバーレイなどのサービスと組み合わせたさまざまな PON 標準は、同じ PON 上に共存して複数のサービス (トリプル プレイ) を提供し、同じファイバでより多くの帯域幅を得ることができます。 光であるPONネットワークは、そのような干渉の影響を受けず、計画された距離にわたって信号の完全性を維持します。 PONネットワークでは、主にアクティブデバイス（ONT、ONU、OLT）がタイミングと信号伝送を適切に管理しているか、パッシブコンポーネントが信号損失（光減衰）を起こしすぎていないかを気にする必要があります。 損失は目に見えやすく、PON 要素で原因を特定しやすいので、これらのネットワークの保守とトラブルシューティングが容易になります。

Limitations of Passive Optical Networks

• Distance

  アクティブ光ネットワークと比較して、多数の利点にもかかわらず、パッシブ光ネットワークには欠点の可能性もあります。 PON の範囲は 20 ～ 40 km に制限されていますが、アクティブな光ネットワークは 100 km に達する可能性があります。 テストアクセスが存在する場合、既存のPONの波長との衝突を避けるために、1650nmのような帯域外の波長を使用して、ポータブルまたは集中型のテストソリューションでテストを実行することができます。 テストアクセスが計画されていない場合、OLT または ONT のどちらか一方のエンドポイントからアクセスするか、PON の一部を一時的にサービス停止する必要があります。

• フィーダラインまたは OLT の故障に対する高い脆弱性

  P2MP アーキテクチャにより、フィーダラインと OLT は複数のエンドユーザー（最大 256 ユーザーまで可能）にサービスを行っています。 冗長性はほとんどなく、この場合、ファイバーが偶然に切断されたり、OLT に欠陥があったりすると、サービスの中断が大きくなります。

全体として、パッシブ光ネットワークの固有のメリットはこれらの制限を大幅に上回ります。 将来世代の設計者が取り組んでいる課題には、ケーブルの支出をさらに削減するためのレンジ能力の向上と高いスプリッタ比が含まれます。 これらの改善と、現在10Gbps以上に達している速度が相まって、パッシブ光ネットワークは、明日のコネクテッド・ワールドを構成するスマートシティ、大学、病院、企業への拡大を継続することができます

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