受動光ネットワーク (PON)
さまざまな種類の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、受動光ネットワークについて学びます。
受動光ネットワークとは？
受動光ネットワーク (PON) は、ポイントツーマルチポイント (P2MP) トポロジと光スプリッターを利用して、単一の送信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。このコンテキストでは、受動的とは、ファイバーと分割/結合コンポーネントが無電源状態であることを指します。
アクティブ光ネットワークとは対照的に、電力は送受信ポイントでのみ必要であり、PONは運用コストの観点から本質的に効率的です。受動光ネットワークは、上りと下りの両方向で、ユーザーエンドポイントとの間で同時に信号を送信するために使用されます。
受動光ネットワークの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、真に「受動的」なPONの構成要素であり、電気的な電源は必要ありません。光スプリッター (平面光波回路) は波長選択性ではなく、下り方向の任意の光波長を単純に分割します。もちろん、光信号の分割は電力損失を伴い、これは信号の分割数に依存します。スプリッターは、アクティブ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メンテナンスを必要とせず、邪魔されなければ数十年間持続できます。
受動コンポーネントに加えて、PONネットワークを完全に作成するには、アクティブなエンドデバイスが必要です。
光回線終端装置 (OLT) は、受動光ネットワークの開始点です。イーサネットプラグイン可能なものを介してコアスイッチに接続されています。OLTの主な機能は、PONネットワークの信号を変換、フレーミング、送信し、共有アップストリーム送信の光ネットワーク終端装置 (ONT) 多重化を調整することです。
ヒント:
エンドユーザーデバイスは、光ネットワークユニット (ONU) とも呼ばれる場合があります。これは、2つの主要な標準化団体であるITU-T (国際電気通信連合-電気通信標準化セクター) がONTを使用し、IEEE (電気電子技術者協会) がONUを使用するという、用語の違いにすぎません。2つの用語は効果的に交換可能ですが、使用されているPONサービスと標準によって異なります。
ONTは、ネットワークの反対側 (ユーザー) エンドにある受動光ネットワークシステムの電源デバイスであり、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が含まれています。
受動光ネットワークアーキテクチャ
PONネットワークは、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おり、光スプリッターを使用して、単一のOLTからの下り信号をエンドユーザーへの複数の下りパスに分割します。同じスプリッターは、エンドユーザーからの複数の上りパスをOLTに結合し直します。
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の固有の効率性を備えた光アクセスネットワークに最適な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仕様を通じて標準化されました。
今日、G-PONのITU-T G.984標準は、非同期転送モード (ATM) が使用されなくなったため、ATM標準に取って代わりました。
PONダウンストリームTDMメカニズム
ユーザーにはタイムスロットが割り当てられ、これらの時間内に、リモート端末からデータを送信できます。
PONアップストリームTDMメカニズム
PONネットワークは、通常、ローカルまたはCO (中央局) として知られているサービスプロバイダーのソースロケーションにある光回線終端装置 (OLT) から始まり、場合によっては交換局またはヘッドエンドとも呼ばれます。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、バックアップファイバーが使用されている場合はバックアップファイバーとともに、受動スプリッターにルーティングされます。次に、ディストリビューションファイバーがスプリッターからドロップターミナルに接続され、これは街路キャビネットまたはピット、電柱、または建物の側面に設置された頑丈なハウジングに配置できます。次に、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が直列に使用され、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。
フィーダーファイバーで伝送される信号は分割されて、ONUまたはONTが信号を変換し、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128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OLT信号が分割または分割される方法の数は、スプリッターまたは分割比 (例: 1:32または1:64) として知られています。
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場合、または追加のPONサービスが同じPONネットワークに共存している場合、受動 (MUX) コンバイナーが中央/ローカルオフィスで使用され、ビデオオーバーレイ波長と追加のPONサービス波長を送信OLTフィーダーファイバーにマージします。
受動光ネットワークの運用
PONの運用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化 (WDM) です。1つの波長を下りデータ送信に使用し、別の波長を上りデータ伝送に使用できます。これらの専用波長は、使用されているPON標準によって異なり、同じファイバーに同時に存在できます。
時分割多重アクセス (TDMA) は、各エンドユーザーに特定の期間の上り帯域幅を割り当てるために使用される別のテクノロジーであり、OLTによって管理され、複数のONT/ONUが同時に上り方向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/データの衝突を防ぎます。これは、PONアップストリームのバーストモード送信とも呼ばれます。
PONサービスのタイプ
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の複数の反復が形作られています。元の受動光ネットワーク標準であるAPONと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道を譲りました。
PONアプリケーション
PONは、プロバイダーとユーザー間の「ラストマイル」またはファイバーツーx (FTTx) と呼ばれることがあり、「x」は、光ファイバーが終端する場所に応じて、自宅 (FTTH)、建物 (FTTB)、構内 (FTTP) またはその他の場所を示します。これまでのところ、ファイバーツーザホーム (FTTH) がPONの主なアプリケーションです。
受動光ネットワークのケーブルインフラストラクチャの削減 (アクティブ要素なし) と柔軟なメディア伝送属性により、家庭用インターネット、音声、ビデオアプリケーションに最適です。PONテクノロジーが進化し続けるにつれて、潜在的なアプリケーションも拡大しています。
5Gの展開が続いており、PONネットワークは5Gフロントホールで新しいアプリケーションを見つけました。フロントホールは、ベースバンドコントローラーとセルサイトのリモート無線ヘッド間の接続です。
5Gによって課せられる帯域幅と遅延の要求により、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ると、ファイバー数を減らし、パフォーマンスを損なうことなく効率を向上させることができます。FTTHのユーザー間でソース信号が分割されるのと同様に、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散させることができます。
受動光ネットワークに適した追加のアプリケーションには、大学のキャンパスとビジネス環境が含まれます。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、主に構築/展開と継続的な運用コストです。
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、ケーブル配線、管理システムを削減して統合できます。同様に、中規模から大規模のビジネス複合施設は、PONの実装から直接的な恩恵を受けることができ、設置とメンテナンスのコスト削減が直接的に収益に影響します。
受動光ネットワークの利点
電力の効率的な使用
PON展開に固有の利点は豊富です。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必要な電源がないことです。信号のソースと受信端でのみ電源が必要なため、システム内の電気コンポーネントが少なくなり、メンテナンス要件が削減され、電源装置の故障の可能性が少なくなります。
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
受動アーキテクチャは、配線クローゼット、冷却インフラストラクチャ、またはミッドスパン電子機器も不要にします。テクノロジーが進化するにつれて、光ファイバーとスプリッターインフラストラクチャは一定のままであるため、エンドポイントデバイス (OLT、ONT/ONU) のみがアップグレードまたは交換を必要とします。
インフラストラクチャの効率的な使用
すべてのオペレーターは、新規または既存のインフラストラクチャからできるだけ多くのものを取得し、既存のネットワークフットプリントでサービス容量を獲得する必要があります。さまざまなPON標準は、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て、同じPONに共存して複数のサービス (トリプルプレイ) を提供し、同じファイバーでより多くの帯域幅を獲得できます。
メンテナンスの容易さ
PONに置き換えられている銅線ネットワークは、電磁干渉やノイズに対して非常に脆弱です。光であるため、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十分に維持します。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どうか、および受動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気にする必要があります。損失は簡単に見ることができ、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はメンテナンスとトラブルシューティングが容易になります。
受動光ネットワークの制限
距離
多くの利点にもかかわらず、アクティブ光ネットワークと比較して、受動光ネットワークには潜在的な欠点があります。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が忘れられたり無視されたりする可能性があるため、一部の条件下ではトラブルシューティングが困難になる可能性があります。また、テストツールは、同じPON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、インサービスで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。テストアクセスが存在する場合、1650 nmなどの帯域外波長を使用して、既存のPON波長との衝突を回避するために、ポータブルまたは集中型のテストソリューションを使用してテストを実行できます。テストアクセスが計画されていない場合は、OLTまたはONTのいずれかのエンドポイントからアクセスを取得するか、PONの一部を一時的にサービスから外す必要があります。
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128人) にサービスを提供します。冗長性はほとんどなく、ファイバーが誤って切断された場合やOLTに障害が発生した場合、サービスの停止が広範囲に及ぶ可能性があります。
全体として、受動光ネットワークに固有の利点は、これらの制限を大幅に上回っています。
PONテクノロジーが進化し続けるにつれて、PON展開の戦略的および経済的利点はますます魅力的になります。将来の世代の設計者が取り組んでいる課題には、範囲能力の向上と、ケーブルの支出をさらに削減するためのより高いスプリッター比が含まれます。これらの改善は、現在10 Gbps以上に達している速度と組み合わされ、受動光ネットワークを、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、企業に拡大し続けるのに役立ちます。