各種PONシステムのご紹介
1.APON技術
1990 年代半ば、一部の大手ネットワーク オペレータはフル サービス アクセス ネットワーク アライアンス (FSAN) を設立しました。その目的は、機器メーカーとオペレータが PON 機器市場に参入し、一緒に競争できるように PON 機器の統一標準を策定することです。最初の結果は、ITU-T G.983 シリーズ勧告における 155Mbit/s PON システム規格の仕様です。ベアラプロトコルとしてATMを使用しているため、このシステムはAPONシステムと呼ばれ、ATMサービスのみを提供していると誤解されることが多い。したがって、このシステムがネットワーク アクセス、ビデオ配信、高速専用線などのイーサネット ブロードバンド サービスを提供できることを示すために、ブロードバンド パッシブ オプティカル ネットワーク (BPON) システムと名前が変更されました。ただし、この世代の FSAN システムでは、最も一般的に使用される名前は APON です。その後、APON 標準が強化され、ダウンリンク 622 Mbit/s レートのサポートが開始され、保護方法、動的帯域幅割り当て (DBA) などの面で新しい機能が追加されました。
APON はベアラー プロトコルとして ATM を使用します。ダウンストリーム伝送は、ビット レート 155.52Mbit/s または 622.08Mbit/s の連続 ATM ストリームです。特別な物理層運用管理および保守 (PLOAM) セルがデータ ストリームに挿入されます。アップストリーム送信はバースト形式の ATM セルです。バースト送受信を実現するために、53 バイトの各セルの前に 3 バイトの物理オーバーヘッドが追加されます。155.52 Mbit/s の基本レートの場合、送信プロトコルは 56 個の ATM セル (セルあたり 53 バイト) を含むダウンリンク フレームに基づいています。ビットレートが 622.08 Mbit/s に増加すると、ダウンリンク フレームは 224 セルに拡張されます。155.52 Mbit/s の基本速度では、アップリンク フレームのフォーマットは 53 セルで、各セルは 56 バイト (53 ATM セル バイトと 3 バイトのオーバーヘッド) です。ダウンリンク フレーム内の 54 個のデータ セルに加えて、2 つの PLOAM セルがあり、1 つはフレームの先頭に、もう 1 つはフレームの中間にあります。各 PLOAM セルには、アップストリーム フレーム内の特定のセルのアップリンク送信許可 (53 のアップストリーム フレーム セルには、PLOAM セルにマッピングされた 53 のグラントがあります) および OAM & P 情報が含まれます。APON は、ビット エラー レートの監視、アラーム、自動検出、自動検索など、非常に豊富で完全な OAM 機能を提供します。セキュリティ メカニズムとして、ダウンリンク データをスクランブルおよび暗号化できます。
データ処理の観点から見ると、APON ではユーザー データをプロトコル変換 (TDM の場合は AAL1/2、データ パケットの送信の場合は AAL5) して送信する必要があります。この変換は高帯域幅に適応することが難しく、この機能を実行する機器にはセル メモリ、グルー ロジックなどの関連する補助機器が含まれており、これによってシステム コストも大幅に増加します。
現在、長距離コア伝送ネットワークであれ、大都市圏アクセス ネットワークのコンバージェンス層であれ、デジタル通信技術は、ATM 中心から IP ベースに徐々に移行し、ビデオ、オーディオ、およびデータ通信を提供しています。したがって、現在のアクセスと将来のネットワークコアテクノロジーの両方に適応できるアクセスネットワーク構造のみが、将来の全光IPネットワークを実現できます。
APON は、その複雑さとデータ伝送効率の低さにより、徐々に市場から撤退してきました。
2.エポン
APON システムとほぼ同時に、IEEE はファイバー アクセス ネットワークの観点からイーサネット ベースの EPON (イーサネット パッシブ オプティカル ネットワーク) を開始するファースト マイル イーサネット (EFM) 研究グループも設立し、良好な市場の見通しを示しました。この研究グループは、イーサネット標準を開発した IEEE 802.3 グループに属しています。同様に、その研究範囲もアーキテクチャに限定されており、既存の 802.3 メディア アクセス制御 (MAC) 層の機能に準拠する必要があります。2004 年 4 月、研究グループは、アップリンクおよびダウンリンク レートが 1 Gbit/s (8B/10B コーディングを使用、ライン レートが 1.25 Gbit/s) の EPON 用の IEEE 802.3ah 標準を導入し、EPON メーカーの生産を終了しました。機器の標準ステータスを開発するためのプライベートプロトコルの使用。
EPON は、イーサネット技術に基づいたブロードバンド アクセス システムです。PON トポロジを使用してイーサネット アクセスを実装します。データ リンク層の主要なテクノロジには主に、アップリンク チャネルのマルチ アクセス コントロール プロトコル (MPCP)、ONU のプラグ アンド プレイの問題、OLT のレンジングおよび遅延補償プロトコル、およびプロトコルの互換性の問題が含まれます。
IEEE 802.3ah の物理層には、ポイントツーポイント (P2P) 接続された光ファイバーと銅線の両方に加え、ポイントツーマルチポイント (P2MP) の PON ネットワーク シナリオが含まれます。ネットワークの運用と障害の修復を容易にするために、OAM メカニズムも組み込まれています。P2MP ネットワーク トポロジの場合、EPON は、MAC サブレイヤ内の機能であるマルチポイント コントロール プロトコル (MPCP) と呼ばれるメカニズムに基づいています。MPCP は、メッセージ、ステート マシン、タイマーを使用して、P2MP ネットワーク トポロジへのアクセスを制御します。P2MP ネットワーク トポロジの各光ネットワーク ユニット (ONU) には、OLT の MPCP プロトコル エンティティと通信する MPCP プロトコル エンティティがあります。。
EPON/MPCP プロトコルの基礎はポイントツーポイント シミュレーション サブレイヤであり、P2MP ネットワークを上位プロトコル レイヤへの P2P リンクの集合のように見せます。
ONU のコストを削減するために、バースト信号の高速同期、ネットワーク同期、光トランシーバー モジュールの電力制御、適応受信など、EPON 物理層の主要テクノロジーが OLT に集中しています。
EPON は、PON とイーサネット データ製品の利点を組み合わせて、多くの独自の利点を形成します。EPON システムは最大 1 Gbit/s のアップリンクおよびダウンリンク帯域幅を提供でき、将来的に長期間にわたってユーザーのニーズを満たすことができます。EPON は多重化テクノロジーを使用してより多くのユーザーをサポートし、各ユーザーはより大きな帯域幅を享受できます。EPONシステムは高価なATM装置やSONET装置を使用せず、既存のイーサネットと互換性があるため、システム構成が大幅に簡素化され、低コストでアップグレードも容易です。受動光デバイスの長寿命により、屋外回線のメンテナンスコストが大幅に削減されます。同時に、標準のイーサネット インターフェイスは既存の低コストのイーサネット機器を活用し、コストを節約できます。PON 構造自体によって、ネットワークの拡張性が高いかどうかが決まります。端末機器を交換すれば、ネットワークを10Gbit/s以上にアップグレードできます。EPON は、既存のケーブル TV、データ、音声サービスを統合するだけでなく、デジタル TV、VoIP、ビデオ会議、VOD などの将来のサービスとも互換性があり、統合されたサービス アクセスを実現します。
EPON ベアラーとその他のアクセス テクノロジーを包括的に使用することで、ブロードバンド アクセス テクノロジー ソリューションがさらに充実します。
EPON を使用すると、DSL は従来の距離制限を破り、カバレッジを拡大できます。ONU がデジタル加入者線アクセス マルチプレクサ (DSLAM) に統合されると、DSL の到達範囲とその潜在的なユーザー グループが大幅に増加します。
同様に、EPON は ONU の CMTS (ケーブル モデム ターミネーション システム) を統合することにより、既存のケーブル接続に帯域幅を提供し、ケーブル オペレータが構築コストと運用コストを削減しながら真のインタラクティブ サービスを実装できるようにします。
どちらの場合も、通信事業者は既存のネットワーク構造と投資に基づいてユーザー ベースを増やすことができます。EPON は、ポイントツーポイント MSPP (Multiple Services Provisioning Platform) および IP/イーサネットを拡張することもできます。
さらに、EPON 技術は、コアネットワークにプールされる無線アクセス技術における基地局の上りデータの問題を解決するためにも使用できます。
3．GPON
2001 年、FSAN は 1 Gbit/s 以上で動作する PON ネットワークを標準化する新たな取り組みを開始しました。高レートのサポートに加えて、マルチサービス、OAM & P 機能、およびスケーラビリティのサポートの観点から、最適かつ最も効果的なソリューションを再考し見つけるために、プロトコル全体がオープンになりました。GPON の作業の一環として、FSAN はまずすべてのメンバー (世界中の主要な通信事業者を含む) の要件を収集し、次にこれに基づいてギガビット サービス要件 (GSR) と呼ばれる文書を作成し、それを正式な勧告にしました (G.GON. GSR) から ITU-T に準拠します。GSR ファイルに記述されている主な GPON 要件は次のとおりです。
l 音声 (TDM、SONET / SDH)、イーサネット (10/100 Base-T)、ATM、専用線などを含むフルサービスをサポートします。
l カバーされる物理距離は少なくとも 20km ですが、論理距離は 60km に制限されます。
l 同じプロトコルを使用して、対称 622 Mbit/s、対称 1.25 Gbit/s、ダウンストリーム 2.5 Gbit/s、アップストリーム 1.25 Gbit/s、およびその他のビット レートを含むさまざまなビット レートをサポートします。
l エンドツーエンドのサービス管理を提供できる OAM & P の強力な機能。
l PON のブロードキャスト特性により、ダウンリンク サービスのセキュリティはプロトコル レベルで保証される必要があります。
FSAN は、GPON 標準の設計は次の目標を満たす必要があると提案しました。
l フレーム構造は622Mbit/sから2.5Gbit/sまで拡張でき、非対称ビットレートをサポートします。
l あらゆるビジネスに高い帯域幅の利用と高い効率を保証します。
l GFP を介して、あらゆるサービス (TDM およびパケット) を 125 ミリ秒のフレームにカプセル化します。
l 純粋な TDM サービスの効率的かつコストのかからない送信。
l 帯域幅ポインタを介した各 ONU への動的帯域幅割り当て。
GPON は PON のアプリケーションと要件をボトムアップで再検討し、新しいソリューションの基礎を築きました。以前の APON 標準に基づいていないため、一部のメーカーはこれをネイティブ PON (ナチュラル モード PON) と呼んでいます。一方では、GPON は、OAM メッセージ、DBA など、PON に直接関係しない多くの機能を保持しています。他方では、GPON は新しい TC (送信コンバージェンス) レイヤに基づいています。FSAN によって選択された GFP (General framing Procedure) は、一般的なメカニズムを通じてトランスポート ネットワークの上位顧客からのサービス情報を適応させるフレームベースのプロトコルです。トランスポート ネットワークは、SONET / SDH や ITU-T G.709 (OTN) などの任意のタイプのネットワークにすることができます。顧客情報は、パケット ベース (IP / PPP、つまり IP / ポイント ツー ポイント プロトコルなど) にすることができます。 、またはイーサネット MAC フレームなど)、固定ビット レート ストリームや他のタイプのビジネス情報も使用できます。GFP は、ITU-T 標準 G.7041 として正式に標準化されました。GFP は、同期伝送ネットワーク上でさまざまなサービスを伝送するための効率的かつ簡単な方法を提供するため、GPON TC レイヤーの基礎として使用するのが理想的です。さらに、GFP を使用する場合、GPON TC は基本的に同期であり、標準の SONET / SDH 8kHz (125ms) フレームを使用するため、GPON は TDM サービスを直接サポートできます。正式にリリースされた G.984.3 標準では、TC レイヤ アダプテーション技術として GFP に関する FSAN の提案が採用され、さらに簡略化された処理が行われ、GPON カプセル化方式 (GEM、GPONEncapsulationMethod) と名付けられました。
EPONシステムの応用
EPON は、新しいブロードバンド アクセス テクノロジーとして、データ サービスだけでなく、音声やビデオなどのリアルタイム サービスもサポートできるフルサービス プロビジョニング プラットフォームです。
EPON の光路設計は 3 つの波長を使用できます。CATV または DWDM サービスのサポートを考慮しない場合は、通常 2 つの波長が使用されます。3 波長を使用する場合、上り波長は 1310nm、下り波長は 1490nm、さらに 1550nm の波長が追加されます。増加した 1550nm の波長は、アナログ ビデオ信号の直接伝送に使用されます。現在のアナログ ビデオ信号は依然としてラジオおよびテレビ サービスによって支配されているため、2015 年までデジタル ビデオ サービスに完全に置き換わることはないと推定されています。したがって、現在設計されている EPON システムは、デジタル ビデオ サービスとアナログ ビデオ サービスの両方をサポートする必要があります。オリジナルの 1490nm は依然としてダウンリンク データ、デジタル ビデオおよび音声サービスを伝送し、1310nm はアップリンク ユーザー音声信号、デジタル ビデオ オン デマンド (VOD)、およびデータをダウンロードするための要求情報を伝送します。
音声信号には遅延とジッターに関する厳しい要件があり、イーサネットにはエンドツーエンドのパケット遅延、パケット損失率、帯域幅制御機能がありません。したがって、EPONが音声信号を重畳する際のサービス品質をいかに確保するかが喫緊の課題となっている。
1.TDM事業
現在、EPON のマルチサービス機能で最も疑わしいのは、従来の TDM サービスを送信する機能です。
ここでいう TDM サービスには、2 種類の音声サービス (POTS、普及型旧電話サービス) と回線サービス (T1/E1、N´64kbit/s 専用線) が含まれます。
EPON システムがデータ専用線サービス (2048kbit/s または 1364kbit/s データ サービス) を伝送する場合、TDM over Ethernet が推奨されます。EPON システムは、音声サービスを伝送するときに回線交換または VolP を採用できます。
今後数年間、回線サービスに対する市場の需要は依然として非常に大きいため、EPON システムはパケット交換サービスと回線交換サービスの両方を実行する必要があります。EFM は EPON 上で TDM をどのように実行するのか、また TDM サービスの品質を保証する方法は何か。技術的には特別な規定はありませんが、イーサネット フレーム フォーマットと互換性がある必要があります。マルチサービス EPON (MS-EPON) は E1 オーバー イーサネット テクノロジーを採用しており、イーサネット フレーム上の TDM サービスの適応の問題を効率的に解決し、EPON がマルチサービスの送信とアクセスを実現できるようにします。同時に、MS-EPON は OLT と ONU の間のギャップを克服します。共有帯域幅競合現象により、イーサネット ユーザーは帯域幅が保証されます。
イーサネットのカプセル化方式により、EPON テクノロジーは IP サービスの伝送に非常に適していますが、音声や回線データなどの TDM サービスの伝送が難しいという大きな問題にも直面しています。EPON は、イーサネットベースの非同期伝送ネットワークです。ネットワーク全体で同期された高精度のクロックがないため、TDM サービスのタイミングと同期の要件を満たすことが困難です。TDM サービスの QoS などの技術的困難を確保しながら、TDM サービスのタイミング同期の問題を解決するには、EPON システム自体の設計を改善するだけでなく、いくつかの特定の技術を採用する必要があります。
回線交換音声サービスのパフォーマンス指標は、EPON システムが回線交換方式を使用して音声サービスを伝送する場合、YDN 065-1997「郵政省の電話交換装置の一般技術仕様」の要件を満たす必要があることを示しています。 」および YD/T 1128-2001「一般電話交換機」技術仕様 (補足 1)「純粋な回線交換音声品質の要件。したがって、EPON は現在、TDM サービスに関して次のような問題を抱えています。
① TDM サービスの QoS 保証: TDM サービスが占有する帯域幅は小さいですが、遅延、ジッター、ドリフト、ビット エラー レートなどの指標に関して高い要件があります。これには、アップリンクの動的帯域幅割り当て中に TDM サービスの伝送遅延とジッターを削減する方法を検討するだけでなく、TDM サービスがダウンリンク帯域幅制御戦略で遅延とジッターを厳密に制御することを保証することも必要です。
② TDM サービスのタイミングと同期: TDM サービスには、タイミングと同期に関して特に厳しい要件があります。EPON は本質的にはイーサネット技術に基づく非同期伝送ネットワークです。ネットワーク全体で同期される高精度の通信クロックはありません。イーサネットで定義されているクロック精度は ± 100×10 で、従来の TDM サービスで必要なクロック精度は ± 50×10 です。さらに、ネットワーク全体で同期された通信クロックを提供する一方で、TDM データはジッターとエラーの要件を満たすためにできるだけ定期的に送信される必要があります。
③ EPON の生存性: TDM サービスでは、ベアラー ネットワークが良好な生存性を備えていることも必要です。重大な障害が発生した場合でも、最短時間で確実にサービスを切り替えることができます。EPONは主にアクセスネットワークの構築に利用されるため、比較的ユーザーに近く、様々な用途や利用環境が複雑です。都市建設などの未知の要因の影響を受けやすく、リンク切断などの事故が発生します。したがって、EPON システムには、コスト効率の高いシステム保護ソリューションを提供することが緊急に求められています。
2. IPサービス
EPON はプロトコル変換なしで IP データ パケットを送信し、効率が高いため、データ サービスに非常に適しています。
VolP 技術は、近年開発が進められている注目の技術であり、IP ネットワーク上で音声サービスを伝送する有効な手段として、近年一定規模の適用が進んでいます。EPON システムでは、特定の VoIP 機器や機能を追加することで、従来の電話サービスへのアクセスを実装することもできます。VoIP 技術を利用することで、EPON 音声サービスの遅延とジッター特性が保証されている限り、他の機能はユーザー側の統合アクセス デバイス (IAD、Integrated Access Device) と中央アクセス ゲートウェイ デバイスに任せて音声サービスを処理します。伝染 ; 感染。この方法は実装が比較的簡単で、既存のテクノロジーを直接移植できますが、高価な中央局アクセス ゲートウェイ機器とより高いネットワーク構築コストが必要であり、VoIP テクノロジー自体の欠点によって制限されます。また、E1およびN´64kbit/sのデータサービスは提供できません。
EPON システムが VoIP を使用して音声サービスを伝送する場合、VoIP 音声サービスの次のパフォーマンス指標を満たす必要があります。
① 音声符号化の動的切り替え時間は 60ms 未満です。
② 音声の途切れやジッターが発生しないように、80ms のバッファ記憶容量を備えている必要があります。
③ 音声の客観的評価：ネットワーク状態が良好な場合、PSQM の平均値は 1.5 未満です。ネットワーク状態が悪い場合 (パケット損失率 = 1%、ジッター = 20ms、遅延 = 100ms)、PSQM の平均値は <1.8 です。条件が悪い場合 (パケット損失率 = 5%、ジッター = 60ms、遅延 = 400ms)、平均 PSQM は 2.0 未満になります。
④ 音声の主観的評価: ネットワーク状態が良好な場合、MOS の平均値は > 4.0。ネットワーク状態が悪い場合 (パケット損失率 = 1%、ジッター = 20ms、遅延 = 100ms)、MOS の平均値は <3.5 です。ネットワーク条件が悪い場合 (パケットロス率 = 5%、ジッター = 60ms、遅延 = 400ms)、MOS の平均値 <3.0。
⑤ エンコードレート: G.711、エンコードレート = 64kbit/s。G.729a の場合、必要なコーディング レートは 18kbit/s 未満です。G.723.1 の場合、G.723.1 (5.3) コーディング レートは <18kbit/s、G.723.1 (6.3) コーディング レートは <15kbit/s です。
⑥ 遅延指標（ループバック遅延）：VoIP 遅延には、コーデック遅延、受信側の入力バッファ遅延、内部キュー遅延が含まれます。G.729a エンコーディングが使用される場合、ループバック遅延は 150 ミリ秒未満です。G.723.1 エンコーディングが使用される場合、ループバック遅延は 200ms 未満です。
3．CATV事業
アナログ CATV サービスの場合、EPON は GPON と同じ方法で伝送できます。つまり、波長を追加します (実際には、これは WDM テクノロジであり、EPON および GPON 自体とは何の関係もありません)。
PON テクノロジーは、FTTx ブロードバンド アクセスを実現する最良の方法です。EPONは、Ethernet技術とPON技術を組み合わせて生まれた新しい光アクセスネットワーク技術です。音声、データ、ビデオ サービスの送信に使用でき、互換性があります。将来の一部の新しいサービスでは、高帯域幅、高効率、容易な拡張などの絶対的な利点により、EPON がフルサービスのブロードバンド光アクセスの主要なテクノロジーになるでしょう。
PONシステムの保護方式
ネットワークの信頼性と存続可能性を向上させるために、PON システムではファイバー保護スイッチング メカニズムを使用できます。光ファイバ保護切り替えメカニズムは 2 つの方法で実行できます。① 障害検出によってトリガーされる自動切り替え。② 管理イベントによる強制切り替え。
ファイバ保護には、図 1.16 に示すように、バックボーン ファイバ冗長保護、OLT PON ポート冗長保護、および完全保護の 3 つの主なタイプがあります。
バックボーンファイバーの冗長性保護 (図 1.16 (a)): OLT PON ポートに 1-2 光スイッチを内蔵した単一の PON ポートを使用。2:N 光スプリッターを使用。OLTは回線状態を検出します。ONU には特別な要件はありません。
OLT PON ポートの冗長保護 (図 1.16 (b)): スタンバイ PON ポートは、2:N 光スプリッタを使用してコールド スタンバイ状態になります。OLT が回線ステータスを検出し、切り替えは OLT によって行われ、ONU に特別な要件はありません。
完全な保護 (図 1.16 (c)): メインとバックアップの両方の PON ポートが動作状態にあります。2 つの 2:N 光スプリッタが使用されます。ONU の PON ポートの前に光スイッチが組み込まれており、ONU が回線状態を検出して主な用途を決定します。回線とスイッチングは ONU によって行われます。
PON システムの保護切り替えメカニズムは、保護されたサービスの自動復帰または手動復帰をサポートできます。自動復帰モードの場合、切り替え障害が解消された後、一定の復帰待ち時間の後、保護されたサービスは自動的に元の現用ルートに復帰する必要があります。返却待ち時間を設定できます。