10G GPON と 10G EPON について知りたい 10 のこと

5GまたはWi-Fi6の人気と展開は、企業およびホームネットワークをサポートする主要なテクノロジーであるPONに大きな課題をもたらしました。 ただし、10G PONは、FTTH（Fibre To The Home）とFTTB（Fiber To The Building）で独自の時代を受け入れています。 この記事では、10G PONテクノロジの進化について説明し、10G PON標準について説明し、10GPONコンポーネントの主要なテクノロジを分析します。

1. PON、10G EPON、10GGPONとは

PONはパッシブ光ネットワークの略で、アクティブな電子機器がない状態で、OLT（光回線終端装置）とONU（光ネットワークユニット）の間の光分配ネットワーク（ODN）を指します。 PONネットワークは、ポイントツーマルチポイントアーキテクチャのシングルファイバー双方向光アクセスネットワークを採用しており、ネットワーク側の光回線端末（OLT）、光配信ネットワーク（ODN）、光ネットワークユニット（ ONU）外部（加入者またはクライアント）。

 

 

図1：PONネットワークトポロジの図

10G EPONは、IEEE10avで規定されている802.3Gbit/sイーサネットの標準伝送に対応する受動光ネットワークの一種です。 この標準バージョンでサポートされている構成は10つあります。10つは対称で、両方向に1 Gbit / sのデータレートで動作し、もう10つは非対称で、ダウンストリーム（顧客に提供）方向に10 Gbit/sで動作します。アップストリーム方向に1Gbit/s。 128G GPONと比較して、XNUMXG EPONは、分割比がXNUMX：XNUMXの強力な分割容量を備えており、より多くのユーザーにサービスを提供できます。

10G-PON (XG-PON とも呼ばれる) は、2010 年のデータ リンク用コンピュータ ネットワーク標準です。10G-PON には、アップリンクとダウンリンクの帯域幅が非対称 (アップリンク 2.5Gbps、ダウンリンク 10Gbps) の構成が XNUMX つあります。中央オフィスから、XNUMX 本のシングル モード光ファイバー ストランドが外部環境近くのパッシブ光スプリッターまで伸び、そこでスプリッター デバイスが光パワーを加入者またはクライアントへのいくつかの個別のパスに分割します。

 

2GPON市場の背景

当初、EPONとGPONは、日本のNTT、韓国のKT、中国のチャイナテレコム（CT）、アジア太平洋地域のチャイナユニコム（UT）など、世界中の通信事業者に一般的に採用されていました。 時間とコストを考慮すると、オペレーターはまず、ファイバーから家庭への建設に、より成熟したテクノロジーであるEPONを採用します。 その中で、日本は、ファイバー・トゥ・ザ・ホーム（FTTH）ネットワークを主要な有線ブロードバンドアクセスネットワークとして使用して、より多くのEPONネットワークを構築してきました。 NTTは現在18万人以上のユーザーを抱えており、台湾中華電信は2007年にEPON機器の導入を開始しました。

図2：PONネットワークのアプリケーション図 

3GEPONおよび10GGPONの進化

GPONは、International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Department（ITU-T）によって推進されているPON標準技術です。 GPON仕様の改善と機器の成熟度の高まりに伴い、ヨーロッパと米国の通信事業者は、米国のVerizon、France Telecom（FT）、British Telecom（BT）、DeutscheTelekomなどのGPONテクノロジーの採用を選択しました。 （DTなどの主要なプレーヤー）およびTelecom Italia（TI）。 チャイナモバイルを除いて、チャイナテレコムやチャイナユニコムなどの中国の通信事業者もGPONネットワークを構築しています。

GPONの歴史は短いですが、急速に発展しており、高速化や標準化などの特徴からEPONを超えることが期待されています。 市場調査会社Ovumの調査によると、 GPON 光回線端末（OLT）の出荷台数はEPONを上回り、2012年には主流のpon技術になりました。

ITU-Tは、FSAN（フルサービスアクセスネットワーク）組織と協力して、GPONおよびNG-PON（次世代PON）の標準を開発しています。 ITU-Tは、987年から10年までXG-PON（2010ギガビット対応パッシブ光ネットワーク）のG.2012シリーズ標準ドキュメントを連続して発行しました。802.3GEPONのIEEE 10av標準は、米国電気電子学会によって発表されました。 （IEEE）2009年。

 

 

図3：PON標準とその大規模展開のロードマップ 

実際のネットワーク構築については、10G-EPONの構築が増えており、今後数年間は継続的に成長することが見込まれます。 チャイナテレコムは、10G EPON OLT（光回線端末）製品を卸売りしていると言われています。 XG-PONの建設は、その技術開発とITU-Tによって策定されたNG-PON2規格の影響を受けて低速で進んでいますが、これまでに大規模に展開され始めています。

4G-EPONの標準

IEEE 802.3avは10G-EPONの標準であり、増加する伝送速度を変更してEPONIEEE802.3ah標準を継承します。 10G EPON ダウンストリーム（顧客へのプロバイダー）方向で10 Gbit / sで動作し、アップストリーム方向で1 Gbit/sまたは10Gbit/sで動作します。 PCS層（物理符号化副層）では、10Gbit / sレートは、10B / 64Bエンコーディングを使用するポイントツーポイント66Gイーサネット標準に基づいており、EPONのような8B/10Bエンコーディング方式が1Gbit/sアップストリームに適用されます。 。 10G EPONの前方誤り訂正（FEC）コーディングは必須の機能です。

 

図4：10G-EPONの対称および非対称構成

10G EPONで使用されるRS（Reed-Solomon）コーディングパラメータは、EPONのエラー訂正機能を16バイトにアップグレードしたため、EPONのコーディングパラメータとは異なります。 10G-EPOは、基本的にEPONシステムのMulti-Point Control Protocol（MPCP）プロトコルに従い、10G-EPON機器の成熟と市場参入を加速します。10GEPONは、オプティカルの共有需要に基づいてスムーズなペースで進化しています。流通ネットワーク（ODN）。 EPONと10G-EPONが共同構築される場合、波長分割多重（WDM）テクノロジーが10G-EPONに適用され、異なる光波長でEPONと10G-EPONの光信号をフィルタリングします。

5GGPONの標準

●NG-PONの2つの期間

ITU-Tに関しては、NG-PONは1つの段階を経ました。2つはGPON標準を拡張して既存のODNと互換性のあるNG-PON1であり、もう2.5つは既存のGPONを含まないNG-PON10段階です。標準とネットワークの制限。 XG-PONはNG-PON1に属し、その非対称システム（上流10Gbit / s、下流10Gbit / s）はXG-PON2と呼ばれ、上流2Gbit/sおよび下流XNUMXGbit/sの対称システムはXG-です。その後、PONXNUMXはXGS-PONとも呼ばれます。 しかし、実際のアプリケーション要件を考慮すると、XG-PONXNUMXの標準的な定式化は終了し、 XG-ポン後に規格が規定されたのは、と呼ばれる非対称受動光ネットワークシステムです。

さらに、ITU-TはGPON ONT管理制御インターフェース（OMCI）に基づいて拡張され、ITU-T光アクセスネットワーク端末管理の基本標準として機能する新しいOMCI標準G.988を形成します。 XG-PONは、基本的にG-PONの高度なバージョンであり、高速でのパフォーマンスの向上、優れた分岐比、およびより多くのユーザーにサービスを提供し、より高い帯域幅をユーザーに提供するためのネットワークの進化を備えています。

図5：10G-GPONの対称および非対称構成 

 

●10GGPONの技術的特性

10G GPON (XG-PON とも呼ばれます) の一般的および物理的要件は、G. 987.1 および G.987.2 規格によって指定されています。 XG-PONのデータレートは上り2.5Gbit/s、下り10Gbit/sで、回線コードはNRZ(Non-Return to Zero)コードです。 10G GPON が OLT と光ネットワーク ユニット (ONU) 機器間のマルチタスク伝送に適用する技術は、GPON の技術と同じです。 どちらも、アップストリーム用の時分割多元接続 (TDMA) モードとダウンストリーム用の TDM モードです。 ただし、XG-PON でサポートされる光スプリット比は少なくとも 1:64 であり、GPON よりも多くの ONU をサポートします。

XG-PON の Transmission Convergence (TC) レイヤー標準は G.987.3 で標準化されていますが、その XGTC (XG-PON Transmission Convergence) レイヤー アーキテクチャは GPON のアーキテクチャと一致しています。 しかし、XGTC の技術仕様は、インターネット アクセス レートと加入者が増加しているという点で、正常に機能するために修正する必要があります。 修正された規格では、ONU-ID、Port-ID、Alloc-ID などのビット幅の拡張、PON-ID の追加、FEC、スクランブリング、PLOAM (Physical Layer OAM) の符号化長の増加が規定されました。情報。 さらに、帯域幅の割り当てが単語単位に変更されます。 XGEM (XG-PON カプセル化方式) レターボックス構造も、暗号化関連のフィールド幅を追加します。

6GPONとの共存について

G.987 規格に基づいて、GPON & XG-PON は、WDM (波長分割多重) コンポーネントを介して、同じ外部プラントで 1 Gbit/s および 10 Gbit/s GPON システムを同時に操作できます。 同様に、802.3av 規格は、1 Gbit/s と 10 Gbit/s EPON システムの同時動作を可能にすることに重点を置いています。 ODN で XG-PON と 10G-EPON がそれぞれ 1G PON と 1G EPON と共存できるようにするために、設計では新旧システムの進化と共存を考慮する必要があります。 したがって、光学部品の設計は特に重要です。

 

図6：GPONとXG-PONの共存の図

 

最大10Gbit/ s（ギガビット/秒）のダウンストリームおよびアップストリーム速度の更新、チャープ現象を回避するためのレーザー光源の選択方法、70℃で安定したバランスの取れた光出力信号を実現する方法などの問題環境は、OLT光トランシーバモジュールのパフォーマンスに影響を与える重要な要素です。 その中で、OLTの信号受信では、アップストリームの伝送速度を提供するために、光ネットワーク端末（ONT）でより高価なバーストモードレーザーが必要になります。 図1は、G.987のGPONとXG-PONの共存ネットワークを示しています。

7GPONの波長割り当て

各伝送規格は、独自の波長範囲を使用します。 10G-EPONのアップストリーム中心波長は、1270nmと1310nmに設定されています。 既存のEPONとの相互通信を考慮して、アップストリームの1Gbit / sの中心波長は1310nm、中心の10Gbit / sの波長は1270nm、ダウンストリームは1577nmに設定されています。 XG-PONに関しては、上流の中心波長は1270nmに割り当てられ、下流は1577nmに割り当てられます。これは、10G-EPONの10G/10Gシステムと同じです。 図2は、GPON、XG-PON/10G-EPONの波長割り当てを示しています。

                            

 

図7：GPON、XG-PON、10G-EPONの波長割り当て

8GPONの光デバイス

PON機器の主要コンポーネントは、光トランシーバモジュールとPONMACチップです。 PON光トランシーバーモジュールは、レーザー、ドライバー、アンプ、クロックデータリカバリ回路（Clock Data Recovery、CDR）、およびシリアライザー/デシリアライザー（Serializer / Deserializer、 SerDes）など。

PON MAC チップは、PON 信号データの処理チップです。 10G-EPON の PON MAC には、ほとんどがフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) である特別なアプリケーション集積回路 (ASIC) チップが既に供給されています。 しかし、これで機能と性能の要求に応えることができました。 ゆっくりとしたペースで進化している XG-PON に関しては、G.987 標準は、さまざまな ODN レベルのアプリケーション要件を満たす 4 つの光パワー バジェットを定義しています。 これら 3 つの仕様を図 35 に示します。そのうち、最大チャネル挿入損失は E2 クラスの 10dB であり、XG-PON が光トランシーバ モジュールに対して厳しい要件を満たしていることを示しています。 したがって、XG-PON 光トランシーバー モジュールは、パッシブ光ネットワーク (XNUMXG-GPON) システム全体で重要な役割を果たします。

図8：10G-GPONの光パワーバジェット仕様の表

9GPONの光デバイスの技術

●光トランシーバーの技術

現在、市販されているXG-PON OLT光トランシーバーモジュールのほとんどは、チャネル挿入損失（dB）の点でN2クラスに属しており、出力電力は+ 2〜+2dBmと+4〜+でN8aとN10.5bに分けられます。それぞれ12.5dBm。 XG-PON OLT光モジュールは、1575nmから1580nmの波長範囲で動作し、その範囲内でレーザー光源は20 km（km）を透過できます。

図 9: FiberMall XG-PON OLT 光トランシーバー

外部変調レーザー（EML）は通常、外部変調によるチャープを回避するようにモジュール内で設計されています。 また、半導体レーザー光源に使用される半導体外部変調器の技術は、近年継続的に改善されています。 レーザー共有基板と一体に形成された外部変調レーザーは、小型で梱包が容易であるという最大の利点により、性能と品質が成熟した段階に達しています。

●10GPONの光変調器の技術

レーザーの外部変調とは、信号変調によって変化するパラメータを指します。 レーザーを外部変調器に挿入すると、変調器内の電気光学的または位相差を使用して、出力光強度およびその他のパラメーターが変化します。 レーザーは静的な DC 状態でのみ動作するため、レーザーの外部変調によってチャープが減少し、信号伝送性能が向上します。 現在、10Gbit/s光通信システムの中長距離伝送に適用されている外部光変調器は、EAMやMZMがほとんどです。 前者は電気光学効果を利用した半導体電界吸収変調器の略で、後者は位相差効果を利用した半導体マッハツェンダ変調器(MZM)です。

EAMは、ドイツの物理学者WalterFranzとロシアの物理学者LeonidKeldyshにちなんで名付けられたFranz-Keldysh効果に基づいており、電圧を使用して光の強度を変調し、逆バイアス電圧で電界を印加してEAMのエネルギーレベルを変形させて光を実現します。入射光を吸収することによる変調。 具体的には、レーザーダイオード（LD）とEAMは同じ基板上に作られています。 このように設計された構造には、変調率が高く、駆動電圧が低く、サイズが小さいという利点があり、半導体レーザーとの統合が可能になり、パッケージコストが削減されます。 したがって、この種の外部光変調器は、実際のアプリケーションで人気を博しています。

 

図10：10GEPONOLTおよびONUの図

Mach-Zehnder Modulatorは、位相差の変化を使用して光変調を実現します。 この方法は次のように機能します。最初に、挿入された光源がXNUMXつのパスに分割されました。 次に、分離された光信号は出力端で再積分されます。 最後に、位相調整は外部バイアス電圧によって実現されます。 この変調モードは、チャープパラメータをゼロに近い小さな値に減らすことができるため、光ファイバを介した高速および長距離の信号伝送に最適です。 しかし、コストが高いため、メーカーの注目を集めることはできません。

●10GPONでのオプティカルドライバーの手法

10Gbit / s光トランシーバモジュールの場合、高温は、レーザーダイオードの帯域幅、チャープ、および分散に加えて、もうXNUMXつの重要な要素です。 初期の頃、レーザーダイオードとICに適用された未熟な技術は、レーザーダイオードの品質を低下させるだけでなく、PD（PIN検出器）ノイズを増加させる深刻な熱効果を引き起こしました。 また、高温になると光受信のダイナミックレンジ（ダイナミックレンジ）が低下し、伝送距離が短くなる場合があります。

現在、XG-PON OLT光トランシーバーモジュールの一部はXFP（10ギガビットスモールフォームファクタープラガブル）であり、DFB-LDの駆動電流と外部変調および温度制御システムが必要です。 DFB-LDが提供しなければならないバイアス電流はDMLの70倍以上です。 その結果、単位時間あたりにXFP全体に蓄積された熱を室温で放出することは困難です。 XNUMX°Cの環境で光出力信号の安定したバランスを実現する方法は、メーカーの技術に大きな課題をもたらします。

 

図 11: FiberMall 10G EPON ONU 光トランシーバー

●光増幅器の技術

一般に、光トランシーバーモジュールでの信号受信は、TIA（トランスインピーダンスアンプ）とリミッティングアンプを備えた光レシーバーを介して実現されます。 TIAを備えた光トランシーバーは、受信した光信号を電圧信号に変換して制限増幅器に送信し、最後に制限増幅器で増幅された後、シリアルデータを出力します。

ONUの動的周波数応答を改善するために、自動利得制御（AGC）技術を備えた平均読み取り検出器が10G EPON OLT / ONU光トランシーバーで設計されていますが、GPON光トランシーバーはバーストモードで光信号を受信します。トランシーバーの応答異なるONUまでの時間は256ns未満です。この場合、256nsの要件を満たすには、応答時間が短い自動ゲイン制御方式を使用する必要があります。自動ゲイン制御付きのピーク検出器は、回路を処理する方法のXNUMXつです。

 

10. XGS-PONとは何ですか？

XG-PONとXGS-PONはどちらもGPONシリーズに属しています。 XGS-PONは、XG-PONの技術的進化です。

 

図12：XG-PONの技術的進化

XG-PONとXGS-PONはどちらも10GPONです。 主な違いは、XG-PONが非対称PONであり、PONポートのアップリンク/ダウンリンクレートが2.5G/10Gであることです。 XGS-PONは対称PONであり、PONポートのアップリンク/ダウンリンクレートは10G/10Gです。

テクノロジー		GPON	XG-ポン	XGS-ポン
技術基準		G.984	G.987	G.9807.1
規格が発行された年		2003	2009	2016
ラインレート（Mbps）	ダウンリンク	2488	9953	9953
	アップリンク	1244	2488	9953
最大分割率		128	256	256
最大伝送距離（km）		20	40	40
データのカプセル化		GEM	XGEM	XGEM
利用可能な帯域幅（Mbps）	ダウンリンク	2200	8500	8500
	アップリンク	1000	2000	8500
動作中心波長（nm）	ダウンリンク	1490	1577
	アップリンク	1310	1270

表1：XG-PON、XGS-PON、およびG-PONの比較

現在使用されている主なPONテクノロジーはGPONとXG-PONであり、どちらも非対称PONです。 一次都市​​を例にとると、OLTのアップリンクトラフィックは平均してダウンリンクトラフィックの22％にすぎません。 したがって、非対称PONの技術的特性は、基本的にユーザーのニーズに一致します。 さらに重要なことに、非対称PONのアップストリームレートが低く、ONUでレーザーなどのコンポーネントを送信するコストが低いため、それに応じて機器の価格も低くなります。

図13：都市の一部のOLTアップリンク回線の第XNUMXレベルのピーク帯域幅使用率

ただし、ユーザーのニーズは多様です。 生放送やビデオ監視などのサービスの台頭により、ユーザーがアップリンク帯域幅に注意を払うシナリオが増えていますが、インバウンド顧客専用の回線は対称的なアップリンク/ダウンリンク回線を提供する必要があります。 これらのサービスは、XGS-PONの需要を促進します。

XGS-PONは、GPONおよびXG-PONの技術的進化であり、GPON、XG-PON、およびXGS-PONのONUのハイブリッドアクセスをサポートします。

• XGS-PONとXG-PONの共存

XG-PONと同様に、XGS-PONのダウンリンクはブロードキャストモードを採用し、アップリンクはTDMAモードを採用します。

XGS-PONとXG-PONのダウンストリーム波長とダウンストリームレートは同じであるため、XGS-PONのダウンストリームはXGS-PONONUとXG-PONONUを区別しません。 光スプリッタは、ダウンストリーム光信号を同じODNリンク内の各XG（S）-PON（XG-PONおよびXGS-PON）ONUにブロードキャストし、各ONUは独自の信号を受信して​​他の信号を破棄することを選択します。

 

図14

図15

XGS-PONは、XG-PONとXGS-PONのXNUMXつのONUのハイブリッドアクセスを自然にサポートしていることがわかります。

• XGS-PONとGPONの共存

アップリンク/ダウンリンクの波長がGPONの波長と異なるため、XGS-PONはコンボソリューションを採用してODNをGPONと共有します。 XGS-PONのコンボ光モジュールはGPON光モジュールを統合し、 XGS-ポン 光モジュール、およびWDMコンバイナ。

アップストリーム方向では、光信号がXGS-PONコンボポートに入った後、WDMはGPON信号とXGS-PON信号を波長に応じてフィルタリングし、信号を異なるチャネルに送信します。

図16：XGS-PONのコンボ光モジュールは、GPON光モジュール、XGS-PON光モジュール、およびWDMコンバイナーを統合します

ダウンストリーム方向では、GPONチャネルとXGS-PONチャネルからの信号がWDMを介して多重化され、混合信号はODNを介してONUにダウンストリームされます。 波長が異なるため、さまざまなタイプのONUが、信号を受信するために内部フィルターを介して必要な波長を選択します。

図17：ONUは、信号を受信するために内部フィルターを介して必要な波長を選択します

XGS-PONはXG-PONとの共存を自然にサポートするため、XGS-PONのコンボソリューションは、GPON、XG-PON、XGS-PONのXNUMX種類のONUの混合アクセスをサポートします。 XGS-PONのコンボ光モジュールは、XNUMXモードコンボ光モジュールとも呼ばれます（XG-PONコンボ光モジュールは、GPONとXG-PON ONUの混合アクセスをサポートするため、XNUMXモードコンボ光モジュールと呼ばれます）。

まとめ

ネットワーク速度の需要が増大し続けるにつれて、既存の標準から新しくより高速なテクノロジーが生まれます。 10G-PONは、G-PONプロバイダー向けの次世代超高速機能であり、同じネットワーク上にインストールされたG-PONユーザー機器と共存するように設計されています。 IEEEで定義されたEPONとITUで定義されたGPONは、どちらも10GPONの時代を迎えています。 FTTH（家庭用ファイバー）で現在使用されている主流のPONテクノロジーはEPONとGPONであり、10G PONテクノロジーは主に（Fiber To The Corridor）で使用されています。

設備費と設備成熟度の影響を受けており、現在、XGS-PONの設備価格はXG-PONよりもはるかに高い。 その中で、OLT（コンボユーザーボードを含む）の単価は約20％高く、ONUの単価は50％以上高くなっています。

インバウンド専用線は対称的なアップリンク/ダウンリンク回線を提供する必要がありますが、ほとんどのインバウンド旅客線の実際のトラフィックは依然としてダウンリンク回線によって支配されています。 ユーザーがアップストリーム帯域幅に注意を払うシナリオはますます増えていますが、XG-PONを介してアクセスできず、XGS-PONを介してアクセスする必要があるサービスはほとんどありません。

XGS-PONコンボソリューションの互換性が良好なため、XGS-PON OLT（コンボユーザーボードを含む）の単価はXG-PONの単価よりもそれほど高くありません。 少量のXGS-PONOLT機器は、第XNUMX層および第XNUMX層の都市と州都に配備でき（通常、本部のインバウンド専用線のアップストリームトラフィックが多い）、実際のアップリンクに応じてXGS-PONONUが装備されます。ユーザーの帯域幅要件。