パッシブ光ネットワーク（PON）
パッシブ光ネットワーク（PON）は、ポイントツーマルチポイントトポロジーと光スプリッターを利用して、単一の伝送ポイントから複数のユーザーエンドポイントにデータを配信する光ファイバーネットワークです。パッシブは、この意味では、ファイバーおよび分離/結合コンポーネントに電源が供給されていない状態を指します。
アクティブな光ネットワークとは対照的に、電源は送信ポイントと受信ポイントでしか必要とはならないため、動作コストの観点から PON は本質的に効率的になります。パッシブ光ネットワークは、ユーザーエンドポイントとの間で、上り回線方向と下り回線方向の両方で信号を同時に送信するために使用されます。
PON コンポーネントとデバイス
光ファイバーとスプリッターは、電源を必要としない、PON の真の「パッシブ」構成要素です。光スプリッターは波長選択性がなく、ダウンストリーム方向の光波長を単純に分割します。もちろん、光信号を分割すると、信号が分割される方法の数に応じて電力損失が発生します。スプリッターには、アクティブなネットワークコンポーネント（光増幅器など）に固有の冷却やその他の継続的な保守は必要とせず、何十年もの間、そのままで使用できます。パッシブコンポーネントに加えて、PON ネットワークを完成するにはアクティブなエンドデバイスが必要です。
光回線端末（OLT）は、パッシブ光ネットワークの出発点です。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ます。OLT の主な機能は、PON ネットワークの信号を変換、フレーム化、送信を行い、光ネットワーク端末（ONT）の多重化を調整して共有の上り回線伝送を行うことです。ONT は、ネットワークの反対側（ユーザー）側にあるパッシブ光ネットワークシステムの受電デバイスであり、宅内デバイスまたはネットワーク接続用のイーサネットポートを備えています。
これらのエンドユーザーデバイスは、IEEE では光ネットワークユニット（ONU）とも呼ばれますが、ITU-T では通常、頭字語の ONT を使用します。この用語の微妙な違いはまた、どの PON サービスと規格が使用されているかも示しています（以下を参照）。
PON アーキテクチャ
PON ネットワークは、光スプリッターを利用してダウンストリーム信号を単一の OLT からエンドユーザーへの複数のダウンストリームパスに分割するポイントツーマルチポイント（P2MP）アーキテクチャを採用しています。同じスプリッターが、エンドユーザーから OLT に戻る複数のアップストリームパスを結合します。
ポイントツーマルチポイントは、ファイバー共有と低消費電力という固有の効率性により、光アクセスネットワークの最も実用的な 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 規格によって標準化されました。
現在、G-PON の ITU-T G.984 規格は、非同期転送モード（ATM）が使用されなくなったため、ATM 規格に取って代わりました。
PON ネットワークは、通常はローカルオフィスまたはセントラルオフィスと呼ばれ、時には交換局またはヘッドエンドと呼ばれることもある、サービスプロバイダーの送信元ロケーションにある光回線端末（OLT）から始まります。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）がパッシブスプリッターに配線され、バックアップファイバーが使用されている場合は、同ファイバーでも配線されます。分配ファイバーは、スプリッターからドロップ装置に接続します。ドロップ装置は、道路キャビネット内またはピット内に取り付けられた高耐久性ハウジング内、電柱上、または建物の側面に配置することもできます。ドロップファイバーは、ドロップ端末ポートからエンドユーザーの ONT/ONU への最終的な 1 対 1 接続を提供します。場合によっては、複数のスプリッターを直列で使用します。これは、カスケードスプリッターアーキテクチャと呼ばれます。
フィーダファイバー上で伝送される信号は、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、ONU または ONT を使用して、分割して最大 256 人のユーザーにサービスを提供できます。エンドユーザーに到達する前に下り回線 OLT 信号を分割（スプリット）する数は、スプリッター率またはスプリット率と呼ばれます（1:32、1:64など）。
RF ビデオが PON データサービスと並行してブロードキャストされている、または追加の PON サービスが同じ PON ネットワーク上で共存しているような、より複雑な構成では、中央/ローカル局のパッシブマルチプレクサー（MUX）が、ビデオオーバーレイ波長と追加の PON サービス波長をアウトバウンド OLT フィーダファイバーにマージします。
パッシブ光ネットワークの運用
PON の動作に不可欠なイノベーションは、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される波長分割多重（WDM）です。下り回線データを転送するのに一つの波長を使用し、上り回線データを転送するのにもう一つの波長を使用することができます。これらの専用波長は、使用中の 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ができます。
OLT によって管理される時分割多重アクセス（TDMA）テクノロジーを使用して、特定の期間、各エンドユーザー上り回線帯域幅を割り当てます。これにより、複数の ONT/ONU が同時にデータを上り回線に送信することによる PON スプリッターまたは OLT での波長/データの衝突が防止されます。これは、PON 上り回線のバーストモード伝送とも呼ばれます。
PON サービスの種類
1990 年代に導入されて以来、PON テクノロジーは進化を続け、PON ネットワークトポロジーは、何度か変更されました。元のパッシブ光ネットワーク規格である APON および BPON は、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徐々に取って代わられるようになりました。
G-PON
ITU-T が開発したギガビット対応 PON、すなわち G-PON は、IP ベースの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して優れた柔軟性を提供することが認められています。汎用の G-PON カプセル化方式は、IP、イーサネット、VoIP、およびその他の多くのデータタイプをパッケージングできます。
G-PON は、現在使用されている事実上の PON 標準と見なされており、採用されているスプリット率に応じて、20～40 km の距離をシングルモードファイバーでカバーするネットワークに使用されています。下り回線波長は 1490nm に設定され、上り回線波長は 1310nm で、下り回線速度は 2.4Gbps で上り回線速度は 1.2Gbps です。
E-PON
IEEE から追加されたパッシブ光ネットワーク規格は、イーサネットデバイスとのシームレスな互換性を実現するために開発されたイーサネット PON（E-PON）です。IEEE 802.3 規格に基づいているため、E-PON はイーサネットベースのネットワークに接続するのに、追加のカプセル化または変換プロトコルを必要としません。これは、上り回線と下り回線の両方のデータ転送方向に適用されます。
従来の E-PON は、最大 1.25Gbps の上り回線および下り回線の対称速度をサポートできます。G-PON と同様に、E-PON はスプリット率に応じて 20～40km の範囲を提供し、同様に 1310nm の上り回線波長および 1490nm の下り回線波長を使用します。このため、E-PON と G-PON は同じ PON ネットワーク上には展開できません。2020年、IEEE E-PON 規格に新しい修正が加えられ、1 本の光ファイバーを介しての 25Gbps および 50Gbps の E-PON 動作をサポートするようになりました。
10G-EPON
より高度な 10G-E-PON 規格では、上り回線と下り回線の速度が対称的な 10Gbps まで増加します。さらに、1577nm 下り回線と 1270nm 上り回線を使用して、E-PON とは異なる波長で動作します。これにより、メカニズムとして E-PON と 10G-E-PON の両方を同時に使用できるようになり、既存の PON ネットワークでシームレスなサービスアップグレードと容量の増加を行うことが可能になります。
XG(S)-PON
G-PON の 10G バージョンは、XG-PON と呼ばれています。この新しいプロトコルは、下り回線で 10Gbps、上り回線で 2.5Gbps の速度をサポートします。物理ファイバーとデータのフォーマット規則は元の G-PON と同じですが、波長は 10G-EPON と同様に下り回線で 1577nm、上り回線で 1270nm にシフトしています。この調整により、同じ PON ネットワークを G-PON と XG-PON の両方で同時に使用することができます。XG-PON の拡張バージョンは、XG-PON と同じ波長を使用し、上り回線と下り回線の両方で対称的な 10Gbps を提供する XG-PON です。
NG-PON2
XG(S) を超えて、上り回線と下り回線の両方で複数の 10G 波長を持つ WDM を使用して、対称的な 40Gbps サービスを提供する NG-PON2 が登場しています。NG-PON2 は、G-PON と XG/XGS-PON とは異なる波長を使用して、同じ PON ネットワーク上で 3 つすべての共存を可能にするものです。
XG-PON、XGS-PON、NG-PON2 は、速度要求が年々増加しているため、大規模なマルチテナント環境やビジネスクライアント環境、および無線 5G ネットワークの一部として特に有益なアップグレードパスを提供します。
50G-PON
ITU-T は、次世代 G-PONに 50Gbps のラインレートを選択しました。非対称（50Gbps/12.5Gbps、50Gbps/25Gbps）50G-PON の最初の規格が 2021 年に公開され、その後、2022 年に対称 50Gbps サービスを定義する修正が行われました。新しい規格は、上り回線 1286nm、下り回線 1342nm の波長で動作することにより、G-PON および XG(S)-PON の両方と共存することを目的としています。
50G-PON 規格は、住宅および 5G フロントホールの厳しい要件を満たすための重要な一歩を示すものです。主要な PON 機器、デバイス、およびチップのサプライヤーによって完全にサポートされており、50G-PON の最初の商用展開は 2024 年に予定されています。
RF ビデオオーバーレイ
RF TV 信号（アナログまたはデジタル）は、単一波長の光に変調することで、通常は 1550nm の波長を使用して、PON 上にブロードキャストできます。これは RF ビデオオーバーレイと呼ばれます。
PON のアプリケーション
PON は、プロバイダーとユーザーの間の「ラストマイル」、または光ファイバーが終端する場所に応じて、ホーム（FTTH）、ビルディング（FTTB）、構内（FTTP）、またはその他の場所を示す「X」付けたファイバートゥザ X（FTTX）と呼ばれることがあります。これまでのところ、ファイバートゥザホーム（FTTH）が PON の主要なアプリケーションでした。
パッシブ光ネットワークは、ケーブル配線インフラ（アクティブ要素なし）の削減と柔軟なメディア伝送により、ホームインターネット、音声、およびビデオアプリケーションに最適なものとなっています。PON 技術の向上が続く中、潜在的なアプリケーションも拡大しています。
5G の導入は継続しており、PON ネットワークは 5G フロントホールに新しいアプリケーションを見出しています。フロントホールは、ベースバンドコントローラと基地局のリモート無線ヘッドとの間の接続です。5G によってもたらされる帯域幅とレイテンシの要求により、PON ネットワークを利用してフロントホール接続を完成させることで、パフォーマンスを犠牲にすることなくファイバー数を削減し、効率を向上させることができます。
FTTH では、ソース信号がユーザー間で分割されるのとほぼ同じ方法で、ベースバンドユニットからの信号をリモート無線ヘッドのアレイに分配できます。25GS-PON マルチソース契約（MSA）により、5G ネットワークの高速要件を満たす対称的な 25Gbps サービスを提供するという目標に向けて、主要な 5G 事業者とベンダーが連携するようになっています。
パッシブ光ネットワークに適した別のアプリケーションには、大学のキャンパスやビジネス環境などがあります。キャンパスアプリケーションの場合、PON ネットワークは、速度、エネルギー消費、信頼性、およびアクセス距離に関して利点をもたらします。構築/展開および継続的な運用に関連するコストも削減されます。
PON により、建物管理、セキュリティ、駐車などのキャンパス機能を、専用機器、ケーブル配線、管理システムを削減して実現できます。同様に、中規模から大規模のビジネスコンプレックスでは、導入コストとメンテナンスコストが削減され、最終的な損益に直接影響を与えることで、PON の実装からすぐに利益を得ることができます。
PON の利点
パワーの効率的な使用
PON の導入に固有の利点は豊富にあります。これらの利点の最も基本的なものは、アクセスネットワークに電源が不要なことです。信号のソース側と受信側でのみ電源が必要なだけで、システム内の電気部品が少なくなり、保守要件が軽減され、受電機器の障害発生の機会が少なくなります。
インフラの簡素化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、ワイヤリングクローゼット、冷却インフラ、ミッドスパン電子装置も不要になります。光ファイバーとスプリッターのインフラは一定であるため、テクノロジーの進化に伴うアップグレードまたは交換が必要になるのは端末デバイス（OLT、ONT/ONU）だけです。
インフラの効率的な利用
通信事業者は、既存のネットワークフットプリント上でサービス容量を獲得する方法を見つけることにより、新規または既存のインフラを最大限に活用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 上で共存でき、複数のサービス（トリプルプレイ）を提供し、同じファイバー上でより多くの帯域幅を得ることができます。
保守の容易さ
PON に置き換えられるメタル線ネットワークは、電磁干渉およびノイズに対して脆弱です。PON ネットワークは、光であるため、そうした干渉の影響を受けず、計画された距離で良好なシグナルインテグリティを維持します。PON ネットワークでは、アクティブなデバイス（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どうか、およびパッシブコンポーネントが過度の信号損失（光減衰）を引き起こしていないかどうかを主に考慮する必要があります。PON 要素の損失の原因を確認して特定するのは容易なので、これらのネットワークは保守とトラブルシューティングがより簡単です。
PON の制限
距離
数多くの利点があるにもかかわらず、アクティブな光ネットワークと比較して、パッシブ光ネットワークには潜在的な欠点があります。PON の到達範囲は 20～40km に制限されていますが、アクティブ光ネットワークは最大 100km に達する可能性があります。
テストアクセス
PON の設計時にテストアクセスを忘れたり無視したりする可能性があるため、トラブルシューティングはある条件下では困難になる可能性があります。このため、テストツールは同じ PON 上の他のエンドユーザーへのサービスを中断することなく、インサービスのトラブルシューティングを可能にする必要があります。テストアクセスがある場合は、1650nm などのアウトバンド波長を使用して、ポータブル型または中央集約型のテストソリューションでテストを実行し、既存の PON 波長との衝突を回避できます。テストアクセスが計画されていない場合は、OLT または ONT のエンドポイントの 1 つからアクセスを取得するか、PON の一部を一時的に非稼働にする必要があります。
フィーダーラインまたは OLT の故障に対する高い脆弱性
P2MP アーキテクチャにより、フィーダーラインと OLT は複数のエンドユーザー（最大 256）にサービスを提供します。冗長性はほとんどなく、偶発的なファイバー切断や OLT 障害が発生すると、サービスの中断は広範囲に及ぶ可能性があります。
全般的に、パッシブ光ネットワークの固有の利点は、これらの制約を大幅に上回るものです。
PON 技術の改善が進むにつれて、PON 導入の戦略的および経済的な利点は、さらに説得力のあるものなります。将来の世代の設計者が対処する課題には、ケーブル配線をさらに削減する到達範囲の改善とスプリッター率の向上などが挙げられます。こうした改善は、現在 10Gbps に達し、まもなく 50Gbps 以上に達する速度が組み合わさることで、未来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、企業にパッシブ光ネットワークが拡大し続けるのに役立ちます。