Fiber-To-The-Home FTTH チュートリアル

世界中の電気通信事業者は、家庭用および企業用の顧客が増え続ける対称的な帯域幅集約型アプリケーションを利用するため、老朽化した銅線アクセスインフラストラクチャに負担がかかっていることに気づきました。電気通信の状況は、通信事業者がネットワークの統合を提供し、消費者向けメディアデバイスインタラクションの革命を可能にしようとしているところまで成熟しました。これらの需要は、アクセスネットワークにおける光ファイバーの普及と、Fiber To The Home (FTTH) の導入の増加によって満たされています。その結果、FTTH は世界的に最も急速に成長しているブロードバンドテクノロジとなり、アジア、ヨーロッパ、北米で大規模な導入が行われています。

このチュートリアルでは、通信事業者が現在 FTTH を導入している理由を詳しく説明するとともに、その導入で使用されるアーキテクチャとプロトコルについて詳しく説明します。パッシブオプティカルネットワーク (PON) およびポイントツーポイント (P2P) ネットワークが定義されているほか、非同期転送モード ATM やイーサネットなどの複数のサポートプロトコルや標準、およびそれらのビデオ機能が定義されています。次に、外部プラントで使用されているコンポーネントとテクノロジーについて詳しく説明します。最後の部分は、FTTH、Building、Curb、Node (一般に FTTx としてグループと呼ばれる) の導入を比較対照しています。

通信事業者はなぜ FTTH を導入するのでしょうか?

21 世紀は、私たちの風景全体に数え切れないほどの変化をもたらしました。おそらく、家庭と企業の両方の消費者に電気通信サービスを提供するための電気通信プロバイダーの変革ほど重要なものはないでしょう。この現象は、インターネットプロトコル (IP) と光ファイバーという 2 つのテクノロジーによって支えられています。現在、このテクノロジーは、音声、ビデオ、データなどのすべてのクラスのサービスを共通のプロトコル (IP) 経由で提供するために利用できます。

通信事業者は、バンドル製品を通じて 1 人の顧客に提供するサービスの数を最大化しようと急速に取り組んでいます。 VoIP、IPTV、ブロードバンドなどのテクノロジーは、社会全体で一般的になりつつあります。バンドルされたサービスとテクノロジーが展開されるにつれて、通信事業者は、単一のサービスを効率的に提供するように設計された独自のネットワークにストレスがかかり、多くの場合、必要なサービスを提供できないことに気づき始めています。図 1 は、予測される加入者サービスと帯域幅需要を示しています。現在のネットワークは (少なくとも) 20 Mbps を提供するように設計されていますが、家庭内で複数のサービスが使用され、HDTV がより普及し、ユーザーはより高速なインターネット接続を要求するため、3 ～ 5 年後には通信事業者は (少なくとも) 40 Mbps の能力を必要とするでしょう。これにより、アクセスネットワークと西側世界の音声サービス用配線への投資が今世紀に入って以来最大規模となっています。

Figure 1. Forecasted Subscriber Bandwidth Demand

この投資の波を主導しているのは、顧客の渇望する帯域幅要件を抑制するために、これらのアクセスネットワークの奥深くにシングルモードファイバーを導入することです。通信事業者は、顧客までファイバーを導入することでネットワークの将来性が確保され、通信事業者のアクセスネットワークの対称帯域幅スループットが最大化され、ネットワークの信頼性が確保され、運用コストが大幅に削減され、収益機会が向上することにますます気づいています。業界ではこのテクノロジーを FTTH と呼んでいます。

FTTHアーキテクチャ

アクセスネットワークへの光ファイバーの導入は、複数の方法で実現できます。実際、多くのアクセス技術は一般に FTTx と呼ばれていますが、実際にはそれらは光ファイバーとツイストペアまたは同軸ケーブルネットワークの単なる組み合わせに過ぎません。これらのテクノロジーは、FTTH ネットワーク本来の機能を提供しません。

FTTH は、アクセスネットワークに光ファイバーを 100% 配備したものです。通常、2 つの特定の構成で導入されます。最初の 1 つのファイバーは、アクセスネットワーク内の各ユーザー専用です。これは P2P ネットワークと呼ばれます。 2 つ目では、1 本のファイバーが設定された数のユーザー (通常は 16 ～ 32 人) 間で (パワースプリッターを介して) 共有され、PON と呼ばれます。 P2P および PON ネットワークの展開には、財務、帯域幅、コンポーネントの考慮事項に基づいて、利点と欠点があります。

P2P ネットワークの特徴は、ユーザーごとに 1 つのファイバーとレーザーを使用することです。これらは設計が最も簡単な FTTH ネットワークです。 P2P ネットワークは、All Optical Ethernet Network (AOEN) と呼ばれることもあります。図 2 は、P2P アーキテクチャがどのように展開されるかを示すいくつかの例を示しています。繰り返しますが、専用ファイバーは加入者で終端され、電気通信プロバイダーの中央局 (CO) または CATV オペレーターまたは現場のリモートデバイスの場合はヘッドエンド (HE) のアクティブデバイスで終端されます。現場のリモートデバイスまたはスイッチは常にアクティブなデバイスであり、ネットワーク全体で使用する必要があります。 P2P ネットワークの特徴には、現場でのアクティブな電子機器、その本質的なシンプルさ、ファイバーが豊富であり、加入者向けのファイバーや帯域幅の共有を必要としないことが含まれます。

Figure 2. P2P/AOEN

PON は、現場で光ファイバーを 1 回以上「分割」することを特徴とし、その結果、複数のユーザー間で光ファイバーが共有されます。 PON のファイバーは通常、16 ～ 32 人のユーザーで共有されます。したがって、CO/HE から発信されるファイバーの帯域幅はユーザーのグループ間で共有されます。ネットワークの分割は光スプリッタによって実現されます。これらのスプリッターはファイバーを 2 ～ 32 回分割することができ、その性質上、ネットワークに本質的に高い損失をもたらします。したがって、ネットワークの電力バジェットを考慮して、その使用は制限されます。 PON は、スプリッターを使用しない P2P ネットワークよりも光の到達距離が短くなります。通常、PON は元の送信機から 20km 離れた加入者に到達でき、人口の 98% をカバーします。 PON は、現場で電子機器を使用しないという特徴があり、一連の成熟した標準によってサポートされており、米国で最も広く導入されている FTTH アーキテクチャです。図 3 は、PON の複数の構成を示しています。

Figure 3. PON

PON を導入する通信事業者には、追加のアーキテクチャ上の選択肢があります。これは、集中型スプリッタと分散/カスケードスプリッタ配置のどちらを使用するかを決定することに注目してください。どちらも、その特定の特性のトレードオフに応じて、さまざまな理由で導入されます。

集中分割は、すべての PON スプリッタに「中央」の場所を提供します。通常、パッシブなフィールド定格キャビネットに設置されます (たとえば、図 4 を参照)。 CO/HE のポート効率を最大化し、ファイバープラントの共有容量を最大化するために 1×32 スプリッターの使用を検討している通信事業者は、中央スプリット構成を採用することになります。これにより、CO/HE で使用されるトランスミッタ、および現場の光スプリッタとファイバの数が最小限に抑えられます。また、集中分割アーキテクチャにより、PON の全体的な損失測定が向上し、ネットワークの信頼性が向上します。単一の 1×32 スプリッタは、カスケード接続された 1×2、1×4、1×8、および 1×16 スプリッタ、または 1×16、1×8、1×4、および 1×2 スプリッタの任意の組み合わせよりも損失が少なくなります。通信網。これにより光到達距離が向上し、光コンポーネントの削減は障害点の減少によるネットワークの信頼性の向上に直接比例します。さらに、集中型スプリットは、ネットワーク内の初期のスプリッターの設備投資を最小限に抑え、低から中程度のテイクレートでスプリッター出力ポートの効率が高くなるため、「成長に応じて拡張する」アプローチを促進することが示されています。また、集中分割により、ネットワークのトラブルシューティングと障害位置の特定が簡素化され、労力の節約に直接つながります。

Figure 4. Centralized Split

分散/カスケード分割構成では、スプリッターがネットワークのさらに奥深くに押し込まれます (例については、図 5 を参照)。スプリッタは集中化されていないため、スプリッタは改造されたエンクロージャに組み込まれたり、CO/HE に戻されたりするのが一般的であるため、フィールドキャビネットの要件が軽減または削除されます。 32 人のユーザー間での CO/HE 送信機の共有は、光路に沿った複数のスプリッターの分散によって実現されます。たとえば、ネットワーク内の異なる場所で 1×4 の後に 1×8 を使用すると、32 人のユーザー間で帯域幅が共有されます。スプリッタを深く配置すると、通信事業者がネットワーク上で新しい加入者を待っているか、受信率が低いため、スプリッタ資産が「座礁」する可能性があります。分散/カスケード分割構成では、テスト機器が光ループに沿ったスプリッターのアレイを通して確認することが難しいため、ネットワークのテストと障害の特定がより困難になる可能性があります。光コンポーネントの増加により、ネットワークの信頼性が影響を受ける可能性があります。
分散分割

Figure 5. Distributed Split

FTTHプロトコルと規格

FTTH ネットワークで使用される伝送規格は、ATM およびイーサネット技術に基づいています。通信事業者は、さまざまなサービスをサポートする両方のテクノロジーに精通しています。現在、P2P ネットワークの大部分はイーサネットテクノロジーを利用しており、IEEE 803.2ah 標準に従って管理されています。 P2P ネットワークは、大都市および企業スペースで使用されているレガシーイーサネットを単に拡張し、アクセスネットワークに拡張したものです。帯域幅レートは、CO/HE および家庭の送信機のタイプにのみ制限されます。地方自治体が所有および共有する FTTH ネットワークと日本の初期の FTTH 導入の大部分は P2P ネットワークを利用していました。

PON は、通信事業者に幅広いテクノロジーとプロトコルの選択肢を提供します。フルサービスアクセスネットワーク (FSAN) イニシアチブは、PON の開発を監督します。少なくとも 20 社の世界的な通信事業者で構成されている FSAN は、主要ベンダーと協力して、統合サービスを提供するための共通テクノロジープラットフォームについて合意しています。 FSAN は標準化団体ではなく、国際電気通信連合 (ITU) に採用に関する勧告を提出します。以下の表は、PON プロトコルとそれぞれの機能の完全な内訳を示しています。

PON Protocols	BPON	EPON	GPON
Standard	ITU-T G.983	IEEE803.2ah	ITU-T G.984
Bandwidth	Downstream up to 622Mbps Upstream 155Mbps	Up to Symmetric 1.25Gbps	Downstream up to 2.5Gbps Upstream up to 2.5Gbps
Downstream Wavelength	1490nm and 1550nm	1550nm	1490nm and 1550nm
Upstream Wavelength	1310nm	1310nm	1310nm
Transmission Mode	ATM	Ethernet	ATM, Ethernet, TDM

以前の PON 導入では ATM PON (APON) が利用されていましたが、これは Broadband PON (BPON) に進化しました。 BPON は ITU G.983 によって管理されます。 A/BPON プロトコルは、2 つのダウンストリーム波長と 1 つのアップストリーム波長を持つことを特徴としています。 1550nm および 1490nm の波長は、1490nm チャネルによるダウンストリームトラフィックに使用され、通常は音声およびデータサービス用の IP チャネルです。 1550nm チャネルは RF または IP ビデオオーバーレイに使用されます。 622Mbps を提供する共有電子機器は、加入者ごとに 20 ～ 30Mbps を動的に提供できます。 FSAN が推奨する時分割多元接続 (TDMA) が、すべてのダウンストリーム/アップストリームトラフィックに使用されます。

A/BPON ネットワークの代替手段は、IEEE 803.2ah によって管理される Ethernet PON (EPON) です。 EPON は 2 つの波長のみを使用し、IP を独占的に使用します。 1550nm の波長はダウンストリームトラフィックに使用され、1310nm はアップストリームトラフィックに使用されます。共有帯域幅で 1.25 Gbps の能力がある EPON は、「ベストエフォート」条件下で 100 Mbps を提供しますが、通常は 30 ～ 40 Mbps の帯域幅を提供します。ギガビットイーサネット PON (GEPON) は、共有帯域幅を 2.5 Gbps まで増加できます。

BPON は、帯域幅とプロトコルの制限に対処するために、ギガビット PON (GPON) に進化しました。 GPON は 32 ユーザー間で最大 2.5 Gbps の共有帯域幅が可能で、BPON と同じ波長プランを利用します。 ITU 標準 G.984 に基づいて管理されており、ATM、イーサネット、および TDM プラットフォームにわたるプロトコルの柔軟性を提供します。

FTTH 屋外プラントコンポーネント

FTTH ネットワークの構築には、さまざまな外部プラントコンポーネントが使用されます。初期の FTTH ネットワークは、メトロおよび長距離ネットワークの設計を借用し、これらのネットワークの単純な拡張となりました。しかし、FTTH がユビキタスな製品になるには、専用の製品と設置方法を導入する必要があることがすぐに業界に明らかになりました。アクセスネットワークの高コストに対処し、導入速度に対処し、ネットワークの信頼性を向上するには、イノベーションが必要です。

すべての FTTH ネットワークは本質的に、光ファイバーを加入者に届けるように設計されています。ただし、その設計はアクセス環境の固有の性質に大きく依存します。したがって、製品と設計の柔軟性が重要です。 FTTH ネットワークの中核には、光回線端末 (OLT)、光ケーブル、光ネットワーク端末 (ONT) が含まれています。アクセスネットワークの固有の性質に対処するために、他のさまざまな特殊なコンポーネントが追加されています。

OLT は通常、CO/HE に配置されますが、現場のリモート端末に配置することもできます。 OLT は、P2P ネットワーク内の各ユーザー専用のレーザー送信機、または PON 内の複数のユーザー間で共有されるレーザー送信機を収容します。 OLT は、公衆交換電話網 (PSTN) からの音声、ルーターからのデータ、およびその複数の形式を介したビデオの集約ポイントでもあります。

光ファイバーは信号をユーザーに伝送し、フィーダーケーブル (CO/HE で終端)、分配ケーブル (アクセスネットワーク全体に広がり、フィーダーケーブルの「フィード」に接続)、および使用されるドロップケーブルの 3 つのセクションに分かれています。ユーザーを FTTH ネットワークに物理的に接続します。媒体としての光ファイバーの帯域幅は、OLT の送信機によってのみ制限されるため、その膨大な帯域幅容量によりアクセスネットワークの将来性が保証されます。

ONT は OLT から信号を受信し、それをユーザーの電話、コンピュータ、テレビ、またはその他の任意の数のデバイスが受信できる使用可能な電子信号に変換します。 ONT は、音声会話の発生、Web ページの要求、TV チャンネルの変更を可能にするために、IP トラフィックを OLT に戻す役割も果たします。通常、ONT はバッテリバックアップデバイスに接続され、限られた時間 (通常は 8 時間スタンバイ) のライフラインサービスを提供します。

説明したように、P2P ネットワークはその単純さが特徴です。 P2P ネットワークでは、現場のコンポーネントの量が最小限に抑えられ、上記のすべてのアイテムと、現場に配備された複数のケーブルを接続するために使用されるエンクロージャが備えられています。 PON ネットワークは、フィールド内の光ファイバーと OLT の送信機をより効率的に利用します。したがって、その設計は P2P と比較してより複雑です。

OLT、光ケーブル、ONT 以外にも、PON には、初期の FTTH 導入のコスト、導入、信頼性に関する懸念に対処するために役立つ多くの特殊なコンポーネントが含まれています (図 6 を参照)。これらの中で最も重要なものは光スプリッターです。選択した分割アーキテクチャに応じて、光スプリッタは 1×32、1×16、1×8、1×4、1×2 などの形式をとることができ、アクセスネットワーク内のほぼどこにでも配置できます。説明したように、多くの通信事業者は、固有の効率性を理由に、集中型の分割アーキテクチャを選択します。光スプリッタの集合体は通常、ローカルコンバージェンスポイント (LCP) と呼ばれるキャビネット内に配置されます。ここでフィーダーケーブルが終了し、分配ケーブルが始まります (ここから各顧客は専用のファイバーを所有します)。その後、配電ケーブルはアクセスネットワークの近隣地域や建物内に蛇行して入ります。配電ケーブルがユーザーに近づくと、

Figure 6. Typical PON Components

ドロップケーブルと NAP における最近の標準化された革新は、環境に配慮して強化されたコネクタの使用です。従来のネットワークでは、すべてのアクセスコンポーネントのすべての光ファイバが、機械式または融着式の光スプライスで接続されていました。通常、スプライスはネットワークにほとんど光損失をもたらしませんが、1 つのスプライスを実現するのにかかる時間、技術者のスキルレベル、および機器の導入要件により、導入されたネットワークに高いコストが発生します。コネクタによりこれらのコストが削減され、導入速度が大幅に向上すると同時に、アクセスネットワーク固有のループ長が短いため、ネットワークにほとんど損失が生じません。 FTTH ネットワークコネクタは、Telcordia GR-3120 によって管理される標準化されたテクノロジーです。

FTTH と FTTx の導入の比較

今日の業界は、アクセスネットワークへのファイバーの「一般的な」浸透を「FTTx」と名付けています。ただし、FTTx はいくつかの異なるアーキテクチャとプロトコルをカバーしているため、これにより多少の混乱が生じています。実際、今日のデジタル加入者ループ (DSL) およびハイブリッドファイバー同軸 (HFC) ネットワークの一部は、PON と同様に、アクセスにファイバーを使用しているため、FTTx ネットワークとして認定されます。したがって、ディープファイバーペネトレーションネットワークについて言及する場合は、実際のアーキテクチャを参照するのが最善です。最も一般的なアーキテクチャは、FTTHome (FTTH)、FTTBuilding (FTTB)、FTTCurb (FTTC)、および FTTNode (FTTN) です。図 7 に示すように、これらはそれぞれ異なる物理アーキテクチャを持っています。
FTTx アーキテクチャ

Figure 7. FTTx Architectures

これまで幅広く議論してきたように、FTTH は光ファイバーを個々の住宅まで押し込みます。 FTTH は屋外のプラントに銅線がまったくなく、通常 30 ～ 100Mbps のサービスを提供しますが、光ファイバーの固有の特性により、文字通り無限の帯域幅を提供できます。 FTTB は通常、屋外のプラントで P2P アーキテクチャを使用し、各建物または建物のブロックに専用のファイバーを提供します。ファイバーはリモートターミナル (RT) で終端されます。リモートターミナル (RT) は、電力供給とセキュリティを必要とするアクティブなデバイスで、通常は地下室、通信室、またはユーティリティクローゼットに設置されます。建物の各住戸に Cat5 ケーブルが装備されている場合は、イーサネットローカルエリアネットワーク (LAN) が設置され、10 または 100Mbps の共有帯域幅を提供します。ツイストペアのみが使用可能な場合、RT は DSL アクセスマルチプレクサ (DSLAM) であり、最大 50 Mbps の要件帯域幅サービスを提供するためにインストールされます (今日の FTTB アプリケーションは最大 10 Mbps を提供します)。

FTTC は通常、RT で終端する加入者からファイバを 500 ～ 1000 フィートまで押し出し、8 ～ 12 加入者にサービスを提供します。 FTTN は、RT が加入者からはるかに離れた位置にあることを除いて、アーキテクチャが FTTC に似ています。最大 5000 フィートで、3 ～ 500 人の加入者にサービスを提供します。どちらも、工場外の既存のツイストペアを利用して顧客に接続します。帯域幅は、DSL テクノロジーと銅線ループの長さという 2 つの要素によって決まります。 VDSL と VDSL2 はループ長が長い場合に最適に機能し、主に FTTN に使用されますが、ADSL2、ADSL2+、および ADSL2++ は今日の FTTC システムで使用されています。銅線を介した信号は長距離では大幅に劣化し、帯域幅能力に直接影響します。最も極端な条件 (4 ～ 5 km) では、一部の顧客は DSL のサービスを受けることさえできない場合があります。場合によっては、銅線の状態が正当であれば、通信事業者は両方のツイストペアを使用して帯域幅のスループットを向上させます。どちらのアーキテクチャでも、実験室では 20Mbps を超えるサービスしか提供できませんでした。 FTTC ネットワークでは銅線ループの長さが短いため、通信事業者は帯域幅の観点からスケーラビリティが向上しています。将来的には、FTTC と FTTN の両方の大規模な導入が計画されています。

ファイバーの透過率は、定義された各アーキテクチャの帯域幅スループット、つまりオペレーターのサービス能力に直接相関します。前述したように、各通信事業者の帯域幅要件は異なりますが、すべての通信事業者は増加しています。通信事業者は、導入する望ましいアーキテクチャを検討する際に、これを考慮する必要があります。ファイバーの普及率は、予想される資本支出 (CapEx) と営業支出 (OpEx) の指標でもあります。ファイバーが深いと、既存の近隣地域ではより高い設備投資が発生しますが、実際には、新築のすべてのアーキテクチャとほぼ同等のコストになります。ディープファイバーは、同等の最大量の OpEx 節約を実現します。 FTTH を使用すると、ネットワーク、中央オフィス、屋外の工場運営、および顧客サービスにかかるコストが削減され、コストを削減できます。 FTTH によりネットワークの信頼性も劇的に向上し、安定した収益の流れと顧客満足度の向上が保証されます。

まとめ

一般に、通信事業者は銅線の制限を克服するためにアクセスネットワークのより深くにファイバーを配置することを選択していますが、アーキテクチャの選択肢は無数にあります。現在、多くの企業が PON か P2P、集中分割か分散かにかかわらず、FTTH の展開を調査しており、さらに多くの企業が FTTH を使用してアクセスネットワークの重要な部分を修復している最中です。

FTTH が選ばれているのは、住宅までの帯域幅を最大化する媒体としての本質的な能力、ネットワークの信頼性の向上、顧客満足度の向上、ネットワークの運用コストの向上を実現し、ネットワークの将来性を保証するためです。この www.fiber-mart.com チュートリアルでは、FTTH の導入に使用されるアーキテクチャとプロトコル、および屋外プラントで使用されるコンポーネントと必要なテクノロジを定義しました。キャリアの帯域幅、展開、およびサービスの問題に効率的かつ効果的に対処するために今日 FTTH がどのように使用されているかについて、FTTx アーキテクチャファミリの展開と比較対照しました。