パッシブ光ネットワーク（PON）

さまざまなタイプの PON、PON のさまざまなアプリケーション、PON の利点、PON アーキテクチャなど、パッシブ光ネットワークの詳細をご説明します。

パッシブ光ネットワークとは

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、このコンテキストでは、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、アップストリーム方向とダウンストリーム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。

パッシブ光ネットワークコンポーネントおよびデバイス

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的ではなく、ダウンストリーム方向で光波長を分割するだけですが、光信号を分割すると、信号の分割方法の数に応じて、当然のことながらパワー損失が発生します。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 ネットワークを完全に構築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、送信し、共有アップストリーム伝送のための光ネットワーク端末（ONT）多重化を調整することです。また、光ネットワークユニット（ONU）と呼ばれるエンドユーザーデバイスも見かけるかもしれません。これは、ONT を使用する ITU-T と ONU を使用する IEEE という 2 つの主要な標準化団体の用語の違いにすぎません。この 2 つの用語は事実上置き替え可能で、PON サービスと使用される標準によって異なります（以下を参照）。

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、家庭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。

パッシブ光ネットワークのアーキテクチャ

PON ネットワークは、光スプリッターを使用して、単一の OLT からのダウンストリーム信号を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。同じスプリッターは、エンドユーザーから OLT への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、光アクセスネットワークで最も実用的な PON アーキテクチャとして選択され、ファイバー共有と低消費電力という本来の効率性を備えています。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。

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端子に接続します。ドロップ端子は、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型ハウジング内、電柱上、または建物の側面に配置できます。ドロップファイバーを使用して、ドロップ端末ポートからエンドユーザー ONT/ONU への最後の 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が直列に使用されることがあります。これはカスケード型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分割して、ONU または ONT を使用して 128 人のユーザーにサービスを提供し、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ができます。エンドユーザーに到達する前にダウンストリーム OLT 信号を分割またはスプリットする方法の数は、スプリッターまたはスプリット率と呼ばれます（例：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、より複雑な構成では、パッシブ（MUX）コンバイナが、中央/ローカル局で使用され、ビデオオーバーレイ波長と追加の PON サービス波長を発信 OLT フィーダファイバーにマージさせます。

パッシブ光ネットワークのオペレーション

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。ダウンストリームデータを転送するのに 1 つの波長を使用し、アップストリームデータを転送するのにもう一方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。 

時分割多重アクセス（TDMA）は、特定の時間内に各エンドユーザーにアップストリーム帯域幅を割り当てるために使用されるもう 1 つのテクノロジーです。これは OLT によって管理され、複数の ONT/ONU が同時にアップストリームにデータを送信することにより、PON スプリッターまたは OLT での波長/データの衝突を防止します。これは、PON アップストリーム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。オリジナル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。ダウンストリーム波長は 1490 nm に設定され、アップストリーム波長は 1310 nm で、ダウンストリーム速度は 2.4 Gbps で アップストリーム速度は 1.2 Gbps 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に互換性をと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、アップストリームとダウンストリーム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 1.25 Gbps のアップストリームおよびダウンストリーム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 1310 nm のアップストリーム波長および 1490 nm のダウンストリーム波長を使用します。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。

• 10G-E-E-PON

  より高度な 10G-E-PON 規格では、アップストリームとダウンストリームの速度が対称的な 10 Gbps まで向上します。さらに、1577nm ダウンストリームと 1270nm アップストリームを使用して、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、ダウンストリームで 10 Gbps、アップストリームで 2.5 Gbps 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オリジナルの G-PON と同じですが、波長は 10G-E-PON と同様にダウンストリームで 1577 nm、アップストリームで 1270 nm 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、アップストリームとダウンストリームの両方で対称的な 10 Gbps を提供する XG-PON です。

• NG-PON2

  XG(S) を超えて、アップストリームとダウンストリームの両方で複数の 10G 波長を持つ WDM を使用して、対称的な 40 Gbps 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。

• 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のケーブル配線インフラストラクチャ（アクティブ要素なし）と柔軟なメディア伝送属性は、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です。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ました。フロントホールとは、ベースバンドコントローラーと基地局のリモート無線ヘッド間の接続です。 

5G が必要とする帯域幅とレイテンシの要求に対し、PON ネットワークを使用してフロントホール接続を完了すれば、パフォーマンスを低下させることなく、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。

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、アクセス距離に関して明確な利点をもたらしますが、最も大事なのは、構築/導入と継続運用のコスト上の利点です。 

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。

パッシブ光ネットワークの利点

• 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。

• インフラストラクチャ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エンドポイントデバイス（OLT、ONT/ONU）だけです。

• インフラの効率的な利用

  すべてのオペレータは、新しいインフラまたは既存のインフラからできるだけ多くを手に入れ、既存のネットワーク施設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非常に脆弱です。PON ネットワークは、光であるため、このような干渉の影響を受けにくく、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、およびパッシブなコンポーネントが信号損失（光減衰）の原因となっていないかどうかを主に考慮する必要があります。損失は簡単に確認でき、PON 要素の原因を簡単に特定できるため、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。

パッシブ光ネットワークの制約

• 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 20～40 km 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 100 km 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な場合があります。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、1650 nm 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 の一方または他方のエンドポイントからアクセスを得るか、PON の一部を一時的に非稼動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 サービスは複数のエンドユーザー（最大 128 ）に対応します。冗長性はほとんどなく、この場合、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。こうした改善と、現在では 10 Gbps 以上の速度が組み合わされたことで、将来のコネクテッドワールドを構成するスマートシティー、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。