テクノロジーホワイトペーパーの10G GPON Plus 強化ネットワーク
GPONから10G PON Plusへの新しいアプローチ
10G GPON Plus ネットワーク—10G IPVB オーバーレイ GPON
GPONの規模と価値
中国工業情報化省のデータによると、3大通信事業者のブロードバンドアクセスユーザー数は着実に増加しており、ギガビットユーザー数は急速に拡大しています。
データによると、3つの主要通信事業者のインターネットブロードバンドアクセスユーザーの総数は5億4500万人に達し、そのうち100Mbps以上のアクセス速度を持つユーザーは5億800万人に達し、総ユーザー数の93.2％を占めており、1000Mbps以上のアクセス速度を持つユーザーは4088万人に達しています。中国のG/EPON光ファイバー to the homeネットワークの規模は巨大ですが、ギガビットユーザーは10％未満であることがわかります。
4K/8K超高精細ビデオの成長に伴い、100Mbpsユーザーを1000Mbpsにアップグレードおよび拡張する必要があります。したがって、既存の2.5G GPONネットワークを10G PONネットワークに合理的かつ効果的にアップグレードおよび拡張する方法は、非常に現実的で経済的な意味を持っています。
1つのアップグレードアプローチは、GPONネットワークを10G xGPON光パッシブネットワーク技術に単純に置き換え、2〜3年でGPONネットワークを段階的に廃止することです。
ここで、GPONネットワークのライフサイクルを延長し、元の投資を効果的に保護するために、この論文では10G IPVBオーバーレイGPONネットワークアーキテクチャ（10G GPON Plusネットワーク）を提案します。これにより、既存のGPONをはるかに低いコストで、より便利な方法で10G光ネットワークにアップグレードできます。この論文では、まず将来のアクセスサービスとそのアクセス帯域幅の需要を分析します。次に、ライブTVサービスの伝送性能、信頼性、可用性、および10G GPON Plusネットワークのインタラクティブサービスのアクセス性能について議論します。10G GPON Plusネットワークは、プロフェッショナルなビデオ技術基準により、ライブTVサービスの優れた伝送性能を保証できることを示しています。同時に、ネットワークは高い信頼性と可用性を実現し、従来のIPTVネットワークの弱点を完全に回避します。最後に、GPON Plusネットワークの2つのアプリケーションシナリオが提示されます。1つは、標準GPONネットワークのマルチターミナル10G拡張モードであり、もう1つは、CATVのFTTHネットワークが10GオールIPサービスネットワークにどのように進化するかです。
10G PONネットワークの主要なアクセスサービス---UHDビデオ
FTTHネットワークの主な目標と動機は、帯域幅を増やし、より高品質のビデオサービスにアクセスすることです。これは、テレビライブ放送やビデオオンデマンドで表されるビデオサービスが人々の生活、エンターテイメント、仕事において最も重要なアプリケーションになっているためです。通信サービスプロバイダーは、最初にレジェンド銅アクセスネットワークを介してビデオサービスを導入し、市場シェアはごくわずかでした。その後、FTTHネットワークの広範な展開に伴い、インタラクティブ超高精細ビデオであるIPTVサービスの技術を採用し、ビデオ市場を拡大する機会として成功し、ひいてはIPTV市場の急速な成長を促進しました。
2021年、中国の4K UHD TV市場はすでに72％以上を占めていますが、IPTV UHDユーザーの基盤はまだ大量です。明らかに、IPTVのH.264ビデオ伝送は、4K UHD TVセットの視聴品質要件を満たすことができません。そして、4K UHD TVセットは、マルチキャストIPTVストリームに対して、より高い帯域幅とより低い双方向遅延を必要とする、はるかに高品質のビデオ伝送サービスを必要とします。
図1 4K/8K UHDビデオ
図1に示すように、標準的な4K UHDビデオストリームは36〜57Mbpsであり、8Kビデオは80〜160Mbpsです。100セットの4K（4Gbps）と20セットの8K（2.4Gbps）のライブTVプログラムを送信する場合、合計6.4Gbpsのビデオストリーム帯域幅が必要です。
さらに、IPライブTVサービスは、インタラクティブIPTVシステムのパケット損失/ビットエラー率に非常に敏感です。Huaweiの「エクスペリエンスドリブン4K伝送ネットワークホワイトペーパー」に示されているパケット損失率とリンク帯域幅利用率の関係によると、リンク帯域幅利用率が70％をはるかに下回っている場合にのみ、パケット損失率を無視できます。
図2 異なるリンク利用率におけるネットワークバッファとパケット損失率の関係
将来の3Rビデオサービス（VR、仮想現実、AR、拡張現実、MR、複合現実）の伝送を考慮すると、ダウンストリームビデオサービスの帯域幅消費はさらに驚くべきものになります。一般的に、VRプログラムの帯域幅は300Mbps前後、ARは500Mbps前後、MRはさらに高くなります。
したがって、10G FTTHネットワークの帯域幅拡張の焦点は、高品質のQoSを備えた大容量、超高精細IPライブTVストリームを送信することです。
10G GPON Plusネットワーク---10G IPVB オーバーレイ GPON
帯域幅拡張の主な目的がIPTVライブ放送サービスを提供することであるという事実を考慮して、この論文では、10G IPブロードキャストシステム（ITU-T J.1210 IPVBプロトコル）とGPONシステムを重ね合わせて、図3に示すように、2チャネルGPON Plusネットワークを構築するソリューションを提案します。
図3 10G GPON Plusネットワークのアーキテクチャ
10G GPON Plusネットワークでは、ライブIPTVストリームは、IPブロードキャストプロトコルに従って1550nmの光ブロードキャストチャネルを介して完全に伝送され、ライブIPTVストリームの遅延なし、ジッターなし、低ビットエラーの必要なQoSを保証します。
10G GPON Plusネットワークの10G IPゲートウェイは、ONUモジュールと10G IP受信モジュール（IPチューナー）で機能的に構成され、それぞれ2本のファイバーで接続されています。1本のファイバーはONUモジュールのBoSAに接続され、もう1本のファイバーは10G IPチューナーモジュールに接続されています。10G IPゲートウェイは、内蔵WDMを介して3つの波長チャネル（1550/1490/1310nm）を備えた単一ファイバーに接続できます。
10G IPストリーム配信回線端末（DLT）は、ライブIPTV、VOD、OTT TV、およびローカルIPビデオストリームのサービス収束の機能を実行します。運用戦略に従い、DLTはインターネットサービスのIPストリームを10Gブロードキャストチャネルまたは1490nm GPONダウンストリームチャネルに動的に割り当てることができ、システムのダウンストリームチャネルの帯域幅を最大12.5Gbpsまで拡張できます。
10G GPON Plusネットワークは、高架橋の二重平面アーキテクチャに似ています。つまり、10G帯域幅ブロードキャストチャネルがGPONネットワークに重ね合わされ、非対称双方向ブロードバンドアクセスネットワークに進化します。
図4 10G GPON Plusネットワーク—10G IPVB オーバーレイ GPON
10G GPON Plusネットワークの機能は次のとおりです。
* IPブロードキャストチャネル - 低コストで10Gダウンストリームを提供し、4k/8K UHD TVおよびVRビデオブロードキャストをサポートします。
* デュアルチャネル非対称ブロードバンドアクセス：12.5Gbpsダウンストリームおよび1.25Gbpsアップストリーム。
* すべてのIPサービスをサポート—ライブTV、SDV（スイッチデジタルビデオ）、VODまたはインタラクティブIPTV、OTT TV、およびインターネットサービス。
10G GPON Plusネットワークのパフォーマンス分析
ライブIPTVブロードキャストサービスに対する10G GPON Plusネットワークの伝送品質能力
ライブTVブロードキャストサービスの場合、IPブロードキャストが非常に高いビデオ伝送品質を持つ理由は、すべてのTVデータを個々の家庭に切り替えるのではなく、すべてのTVデータをすべての家庭に同時にブロードキャストするためです。したがって、切り替え遅延やジッターはなく、受信光パワーが受信感度しきい値を超えている限り、パケット損失は少なくなります。IPビデオブロードキャストの切り替えモードと非切り替えモードを図5に示します。
図5 すべてのIPネットワークは、切り替えおよび非切り替えIPビデオをサポートしています
一方向ブロードキャストモード（スイッチデジタルビデオなし）では、すべてのTVプログラムがネットワーク内のすべてのユーザーに配信されます。ユーザーは、IPチューナーを使用して、TVプログラムのいずれかを選択して視聴できます。一方向ブロードキャストモードのTVプログラムは、高いQoS、遅延なし、ジッターなし、優れたユーザーエクスペリエンス（QoE）という特徴を持っています。
SDV（スイッチデジタルビデオ）双方向ブロードキャストモードは、TVプログラムがユーザーの要求に応じてのみ送信されることを意味し、ダウンストリーム帯域幅を節約します。そして、1人のユーザーがTVプログラムストリームをオンデマンドで注文して受信した場合、ネットワーク内の他のすべてのユーザーが同じTVプログラムストリームを共有できます。SDVブロードキャストモードは、従来のIPTVと同等の帯域幅利用率を実行するだけでなく、複雑なプロトコル（IGMPプロトコルなど）も必要としません。SDVシステムにおけるTVプログラムストリームの切り替え戦略はシンプルかつ高速であり、高いQoS、遅延なし、ジッターなし、優れたQoEユーザーエクスペリエンスという利点があります。
ユーザーのライブTV視聴習慣の統計法則によると、ユーザーの80％がTVプログラムの20％を視聴し、残りの20％が残りのTVプログラムの80％を視聴することを選択します。したがって、10G GPON Plusネットワークは、最も人気のあるTVプログラムの20％を一方向ブロードキャストモードでブロードキャストし、プログラムの80％を双方向SDVブロードキャストモードで配信することにより、最適な動的帯域幅割り当てを実行できます。ライブTVストリーミングサービスのブロードキャスト帯域幅の60％を節約できると推定されています。
図6 ユーザーのライブTV視聴習慣の統計法則
したがって、GPONネットワークに10Gbpsブロードキャストチャネルを重ね合わせた10G GPON Plusネットワークは、将来のIPライブTVプログラムの大規模な成長に対応するために十分な帯域幅と優れた伝送性能を提供し、GPONネットワークのライフサイクルを延長し、オペレーターに経済的利益を保証します。
一般的に、放送TVビデオの技術基準では、10-11のビットエラー率（BER）が必要であり、中国工業情報化省によると、IPTVシステムの10-3のBER要件よりもはるかに高くなっています。したがって、GPON Plusネットワークでは、ライブIPTVの品質を放送TVビデオの技術基準と同レベルに大幅に向上させることができます。
10G GPON PlusネットワークにおけるIPTVブロードキャストサービスの信頼性と可用性
IPブロードキャストリンクとGPONシステムも独立して動作できます。この場合、ライブIPTVブロードキャストサービスとインターネットアクセスサービスは、2つのシステムを介して独立して実行されます。つまり、GPONネットワークは、独立して動作する一方向ブロードキャストリンクを追加するだけで、高い信頼性と高い可用性でIPTVブロードキャストサービスを拡張できます。
まず第一に、独立したIPブロードキャストシステムの追加の結果として、ライブIPTVサービスの視聴品質は、ユーザー数に関係なく、つまりユーザーの同時実行率が、視聴ピークの極端な場合でもIPTVサービスの視聴品質を損なうことはありません。
第二に、IPブロードキャストバックアップシステムは、マイクロ秒レベルの短い切り替え時間で物理的な切り替え操作を採用でき、ユーザーが気づかないほど高速であるため、サービスの品質エクスペリエンス（QoE）を損なうことはありません。このパフォーマンスは、GPON Plusネットワークの可用性と信頼性を証明しています。
最後に、10G GPON Plusネットワークでは、IPブロードキャストチャネルと双方向GPONネットワークは、物理的な分離モードで完全に動作できます。双方向GPONネットワークが有害な情報や侵入によって攻撃され、ネットワークが停止するような極端な状況では、独立したIPブロードキャストチャネルは独立して動作し続け、信頼性の高いIPブロードキャストテレビ伝送を提供できます。ライブIPTVサービスが停止するリスクはなく、これはネットワーク可用性基準の要件を満たしています。
10G GPON Plusネットワークにおける双方向インタラクティブサービスのアクセス性能
10G GPON Plus強化ネットワークでは、ネットワークの双方向アクセス能力は2つの部分で構成されています。1つはGPONネットワークの双方向アクセス帯域幅であり、もう1つは10GブロードキャストチャネルがIPTVライブブロードキャストサービスに割り当てられた後の残りのダウンリンク帯域幅です。
中国のGPONネットワークでは、一般的に、OLTの各PONポートは32世帯にサービスを提供しています。対応して、各世帯の静的ダウンストリーム/アップストリーム双方向帯域幅は約78/39Mbpsです。
アップストリーム帯域幅容量の評価の観点から、住宅ユーザーの場合、最大のアップストリーム帯域幅を占めるサービスはビデオ電話とホームモニタリングであり、それぞれ4Mbpsのアップストリーム帯域幅を使用し、合計で8Mbpsを使用します。GPONネットワークの現在の平均アップストリーム帯域幅39 Mbpsは十分であり、つまり、このアップストリーム帯域幅はGPON Plusネットワークに十分です。
ダウンストリーム帯域幅については、GPON Plusネットワークでは、GPONサブネットで提供される2.5Gbpsダウンストリーム帯域幅の40％をライブIPTVストリーミングサービスに割り当てる必要はありません。そして、各世帯への78Mbpsの平均静的帯域幅をすべてインターネットアクセスサービスにフルに使用できます。基本的に、この帯域幅は、各世帯が同時に2つの4Kインターネットビデオを視聴することをサポートできます。
10G IPブロードキャストチャネルがGPONネットワークと統合されているため、そのダウンストリーム帯域幅の一部を、OTT/TVインターネットビデオサービスやIPTVオンデマンドなどのインタラクティブサービスに配信するために割り当てることができます。図7に示すように：
図7 IPVBチャネルとGPONの統合
10G IPブロードキャストチャネルの帯域幅は通常、2つの部分に分けられます。6Gbpsの帯域幅は、ライブIPTVサービスと、100の標準4K TV（3.6Gbps）と20の標準8K TV（2.4Gbps）など、大量のTVプログラムの伝送に使用されます。残りの4Gbpsの帯域幅は、1024世帯にサービスを提供し、各世帯に4Mbpsの最小静的ダウンストリーム帯域幅（4の動的帯域幅x√（1024/32）=22.4Mbps）、または40人のユーザーにサービスを提供し、8K OTTビデオ（100Mbps）を同時に視聴できるようにします。
10G GPON Plusネットワークでは、インタラクティブサービスの双方向アクセス能力が大幅に向上していることがわかります。ユーザーの最小静的帯域幅ダウンストリームは78+4Mbpsと高く、8K、VR、その他の超帯域幅ビデオストリーミングインタラクティブサービスを含む、今後10年間の非対称双方向ブロードバンドサービスのアクセス需要を満たすのに十分です。
10G xGPONネットワークの技術では、10G OLTの各PONポートが64人のユーザーにサービスを提供する場合、平均世帯帯域幅は156Mbpsです。IPTVライブサービスが総帯域幅の40％を占めていることを考慮すると、双方向インターネットサービスで実際に利用可能な有効なダウンストリーム帯域幅はわずか93Mbpsです。10G GPON Plusネットワークの82 Mbpsのダウンストリーム帯域幅と比較すると、10G xGPONネットワークの有効なインタラクティブ帯域幅はわずか11.8％増加します。ただし、1ユーザーあたりの10G xGPONの平均追加コストは100米ドルと高く、10G GPON Plusネットワークを使用するコストの約3.2倍です。したがって、10G xGPONネットワークのアプローチは、10G GPON Plusネットワークのスキームよりも投資利益が低く、費用対効果が低くなっています。
特に、GPON OLTの各PONポートが64人のユーザーにサービスを提供する場合、10G GPON Plusネットワークの各ユーザーのダウンストリームおよびアップストリーム帯域幅はそれぞれ39+4Mbpsおよび19.5Mbpsであり、基本的に将来にわたってインタラクティブサービスのアクセス要件を満たしています。
10G GPON Plusネットワークのアプリケーションシナリオ
ユーザーの階層別課金とビジネスの運用要件に応じて、10G GPON Plus強化ネットワークのいくつかのアプリケーションモデルが提案されています。
複数のアクセス端末を備えた10G FTTHネットワーク—GPONから10G PON plusネットワークへの進化
初期投資を削減し、実際の投資を保護し、ユーザー数を急速に増やすために、最初の段階では、10G一方向システムとGPONシステムのユーザーが同じネットワークに共存できます。ネットワークでは、GPON ONU、10G IPゲートウェイ、10G IP光受信機（IPチューナー）を含むさまざまなサービスアクセス端末が、さまざまなサービス状況とさまざまなユーザー課金分類に柔軟かつ経済的に適応するために、図8に示すように、4つの組み合わせ形式でアクセスされます。
図8 複数のアクセス端末を備えた10G GPON Plusネットワーク
たとえば、通常のユーザーの50％が一時的にアップグレード計画がなく、元のONU端末を維持し、以前のアクセスサービスとアクセス帯域幅を維持することを好むネットワークでは、ネットワーク内のハイエンドユーザーの20％が10Gユーザーへのアップグレードに同意し、少なくとも500Mbpsの双方向アクセス帯域幅と4K/8K超高精細ビデオおよびインタラクティブVODを享受します。これらのユーザーの場合、拡張ブロードバンド容量は、10G IPチューナーをネットワークに追加するだけで満たすことができます。
ネットワークユーザーの10％が新規ユーザーの場合、オペレーターはユーザーに10G IPゲートウェイ（内蔵ONU+10G IPチューナー）を構成することをお勧めします。
ネットワーク内の残りの20％のユーザーがTV専用ユーザーの場合、10G IPチューナーを構成して、大容量で超高精細なライブIPTVを提供し、これらのユーザーの要望を低コストで満たすことができます。
第2段階では、ネットワーク内の既存のすべてのGPON ONUユーザーが、10G IPチューナーを追加することにより、10Gアクセスにアップグレードされます。新しく追加されたユーザーは、10G IPゲートウェイ（内蔵ONU+10G IPレシーバー）で構成され、TV専用ユーザーは10G IPチューナーで構成されます。図9に示すように。
図9 GPONから10G PON plusネットワークへの進化
第3段階では、2.5G GPONネットワークのOLTとONUが10G xGPONデバイスに置き換えられ、ネットワークは20Gbps/2.5Gbpsアップストリームおよびダウンストリーム非対称超帯域幅アクセスネットワークにアップグレードされ、10G xGPONを包括的に上回ります。10G IPVBブロードキャストチャネルを10G xGPONネットワークに重ね合わせることにより、強化された10G xGPON Plusネットワークが構築されます。
CATVネットワークから10GオールIPネットワークへの進化---DVB-CデジタルTV放送サービスとの互換性
オールIPはFTTHネットワークの最終的なソリューションです。10G IPVBビデオブロードキャスト技術は、CATVネットワークで採用して、TS Over IPを介してDVB-CデジタルTVのTSストリームを送信し、図10に示すように、すべてのIPサービスアクセスを実現できます。
図10 すべてのIPおよびDVB-Cと互換性のある10G FTTHネットワーク
CATVヘッドエンドでは、DVB-C TVのTSプログラムストリームも10G IPVBシステムのDLTに送信され、WDMシステムはIPVBストリーム（1530nm）、DVB-C信号（1550nm）、およびGPONダウンストリーム（1490nm）を多重化し、FTTHネットワークのODNネットワークに送信します。
IPVBストリームを運ぶ1530nmの光は、光フィルター（CWDM）を使用して、ファイバーケーブルがユーザーの家に進入する直前に分割され、2本の光ファイバーが両方ともユーザーの家に敷設されます。1530nmの光を運ぶファイバーは10G IPチューナーに接続され、もう一方の光ファイバー（1550/1490/1310nmの光を運ぶ）は元のONUに接続され、10G IPチューナーとONUはCAT5/6UTPケーブルで接続され、10GオールIPネットワークのアップグレードを完了します。
DVB-Cブロードキャストシステムと連携して動作するため、10G IPVBブロードキャストチャネルは、10GオールIPネットワークで同じSPTSまたはMPTSビデオストリームとCA暗号化信号を送信します。したがって、DVB-CデジタルTVサービスプラットフォームとそのCA暗号化プラットフォームは、図10に示すように、以前と同様に機能します。ネットワークでは、アップグレードされていないDVB-Cユーザーは、CATV光受信機を使用してRF QAM変調に基づいてDVB-C TVプログラムを引き続き視聴できますが、アップグレードされたオールIPユーザーは、10G IPチューナーを使用してIPブロードキャストTVストリームを視聴するか、元のCATV光受信機を使用してDVB-C TVを視聴できます。
2つのモードのSTBは、10G FTTHネットワークのDVB-CユーザーとオールIPユーザーに使用できます。RFとIPの両方の入力ポートが装備されているため、2つの信号モードからTS TVストリームをHDMI信号にデコードし、HDMI信号をテレビセットに送信できます。
QAM RF変調技術に基づく従来のDVB-Cでは、各RFチャネルの限られた伝送能力（38Mbps@64QAM@8MHzまたは54Mbps@256QAM@8MHz）により、DVB-C TVブロードキャストシステムが1つのRFチャネルで8K UHD TVストリームのセットを送信することはほとんど不可能です。また、RFチャネル数の制限により、システムが多数の4K TVストリームをサポートすることは困難です。
対照的に、10G IPVBチャネルは、大量の4K /8K TVストリームに十分な帯域幅を提供できます。したがって、10G IPVB技術は、CATVネットワークのDVB-C TVのRFブロードキャストシステムがIPTVブロードキャストにアップグレードされ、オールIPネットワークに進化するためのスムーズな道を開く可能性があります。
10G GPON Plusネットワークの機器
IP配信回線端末（DLT）WID6648
DLTは、IPブロードキャストチャネルとGPONチャネルを統合する機能に対応するコアデバイスです。ライブTV、ローカルTV、インタラクティブIPTVまたはVOD、およびOTT TVサービスストリームを集約し、オペレーターのビジネス戦略に従って、さまざまなサービスストリームを10Gブロードキャストチャネル（1550 nm）またはGPONダウンリンクチャネル（1490nm）に割り当てます。
10GフルサービスコンバージェンスプラットフォームI-CAP2000
CAP2000は、2RUまたは1RUシャーシプラットフォームで設計されており、プラグアンドプレイであり、IP DLTモジュール、EDFAモジュール、IPリピーターモジュール、ネットワーク管理モジュール、電源モジュールなどに挿入できます。
10G GPON Plusアクセス端末シリーズWIG6200
HD DVB+IPセットトップボックス—WIC6111
2モードHD DVB+IPセットトップボックス—WIC6111
* MPEG4&H.265に準拠したHD DVB+IPセットトップボックス
* USB PVRをサポート
* EPG & DVBテレテキスト & DVB字幕
* DVB & IPの自動および手動検索機能
* スマートCASをサポート
* VOD & モバイルスクリーンプロジェクションをサポート
結論
GPON + 10G IPブロードキャストチャネルの組み合わせを使用することで、オペレーターは、ネットワークの実際の状況と競争パターンを十分に考慮し、10GオールIP光ネットワークを開発するための最適なソリューションを見つけ、最高の投資報酬と費用対効果の高いネットワークパフォーマンスを得ることで、FTTHネットワークを構築するためのより多くのオプションを開発できます。
10G GPON Plusネットワークの本質は、IPライブTVをIPマルチキャストスイッチングモードからIPブロードキャストの自然な特性に戻すことであり、非常に高い費用対効果を実現し、ネットワークがライブTVビデオの専門的な品質基準と信頼性の高いブロードキャストの可用性要件をよりよく満たすことができるようにすることです。この種の光ファイバーアクセスネットワークは、より強力な競争上の優位性を持っており、均質なIPTV光ファイバーネットワークの構築を回避できます。
GPONネットワークでは、IPブロードキャストチャネルのオーバーレイは、技術革新であるだけでなく、ビジネスモデルの革新でもあります。強化されたGPON Plusネットワークは、オペレーターのライブIPTVサービスをブロードキャストモードで実行できるだけでなく、OTTインターネットビデオ市場に専用の伝送回線を提供することもできます。これにより、新しいOTT TVアクセススキームが提供され、豊かでカラフルなインターネットライブブロードキャストサービスにまったく新しい市場空間が生まれます。
最後に、GPON Plusネットワークが1世代以上の技術的リーダーシップと最低コストでの競争上の優位性を永続的に維持するために、オーバーレイIPブロードキャストチャネルは、現在の10G帯域幅から25Gまたは50G帯域幅チャネルに拡張し、25または50Gbpsの双方向非対称ブロードバンドFTTHアクセスネットワークを構築できます。