10G GPONと10G EPON XGS-PON XG-PONについて

5GやWi-Fi 6の普及と展開は、企業や家庭のネットワークを支える主要技術であるPONに大きな課題を突きつけている。しかし、10G PONは独自のFTTH（Fiber To The Home）とFTTB（Fiber To The Building）の時代を迎えつつある。この記事では、10G PON技術の進化を紹介し、10G PON標準について論じ、10G PONコンポーネントの主要技術を分析する。

• PON、10G EPON、10G GPONとは何ですか？

PONとは、Passive Optical Networkの略称で、アクティブな電子機器を使用しないOLT（Optical Line Terminal）とONU（Optical Network Unit）間の光分配ネットワーク（ODN）のことです。PONネットワークは、ネットワーク側の光回線端末（OLT）、光分配ネットワーク（ODN）、外部（ユーザーまたは顧客）の光ネットワークユニット（ONU）から構成される、ポイント・ツー・マルチポイント構造の単心双方向光アクセスネットワークを採用している。

10G EPONは、IEEE 802.3avで規定された10Gビット/秒イーサネットの標準伝送に対応するパッシブ光ネットワークである。この規格のバージョンは2つの構成をサポートしている。1つは双方向で10Gbit/sのデータレートで動作する対称型、もう1つはダウンストリーム（供給元から顧客）方向で10Gbit/sで動作する非対称型である。一方、上り方向は1Gbit/sで動作する。10G GPONと比較して、10G EPONは分割能力が強く、分割比は1:128であり、より多くのユーザーにサービスを提供できる。

10G-PON（XG-PONとも呼ばれる）は、2010年のコンピュータネットワーク用データリンク規格である。10G-PONは、アップストリームとダウンストリームの帯域幅が非対称（アップストリーム2.5Gbps、ダウンストリーム10Gbps）である。セントラルオフィスから、シングルモード光ファイバーが外部環境に近いパッシブ光スプリッターに接続され、光パワーがユーザーやクライアントまでの複数の独立したパスに分割される。

• 10G EPONと10G GPONの進化

GPONは、国際電気通信連合電気通信標準化部門（ITU-T）が推進するPON標準技術である。GPONの仕様が改善され、機器の成熟度が高まるにつれて、欧米の通信事業者は、米国のベライゾン、フランステレコム（FT）、ブリティッシュ・テレコム（BT）、ドイツテレコム（DT、その他の大手メーカー）、イタリアテレコミュニケーションズ（TI）など、GPON技術の採用を選択している。中国移動通信（China Mobile）のほか、中国電信（China Telecom）や中国聯通（China Unicom）といった中国の通信事業者もGPONネットワークを構築している。

GPONの歴史は浅いが、急速に発展しており、より高速で標準化されているため、EPONを凌ぐと期待されている。市場調査会社Ovumの調査によると、GPONの光回線端末（OLT）の出荷量はEPONを上回り、2012年のPON技術の主流となった。

ITU-Tは、FSAN（Full Service Access Network）組織と協力して、GPONとNG-PON（Next Generation PON）の標準を開発している。2010年から2012年にかけて、ITU-TはG.987シリーズのXG-PON（10ギガビット受動光ネットワーク）標準文書を相次いで発表した。2009年、IEEE（米国電気電子学会）は10G EPONのIEEE 802.3av標準を発表した。

• 10G-EPON規格

IEEE 802.3avは10G-EPONの規格である。EPONのIEEE 802.3ah規格を継承しているが、伝送速度が変更されている。10G EPONは、下り方向（プロバイダーから顧客へ）は10Gbit/s、上り方向は1Gbit/sまたは10Gbit/sで動作する。PCSレイヤー（物理符号化副層）では、10Gbit/sのレートはポイント・ツー・ポイントの10Gイーサネット規格に基づき、64B/66B符号化を使用し、EPONのような8B/10B符号化方式は1Gbit/sの上流で使用される。10G EPONのFEC（Forward Error Correction）エンコーディングは必須機能である。

10G EPONで使用されるRS（リード・ソロモン）符号化パラメータは、EPONの誤り訂正機能が16バイトにアップグレードされたため、EPONとは異なる。10G-EPOは基本的にEPONシステムのMPCP（Multi-Point Control Protocol）プロトコルを踏襲しており、10G-EPON機器の成熟と市場参入を加速している。10G EPONは、光ディストリビューション・ネットワーク（ODN）の共有ニーズに基づいて着実に発展しています。EPONと10G-EPONが一緒に構築される場合、波長分割多重（WDM）技術が10G-EPONに適用され、EPONと10G-EPONの光信号を異なる光波長でフィルタリングする。

• 10G GPON規格

1. 1 NG-PONの2つの時代

1つはNG-PON1で、GPON標準を拡張し、既存のODNと互換性がある。もう1つはNG-PON2で、既存のGPON標準とネットワークの制限を取り除く。XG-PONはNG-PON1に属する。その非対称システム（アップリンク2.5Gbit/s、ダウンリンク10Gbit/s）はXG-PON1と呼ばれ、アップリンク10Gbit/s、ダウンリンク10Gbit/sの対称システムはXG-PON2である。以後、XGS-PONとも呼ばれる。しかし、実用化のニーズを考慮し、XG-PON2の標準化は終了した。その後の標準的なXG-PONは、非対称パッシブ光ネットワークシステムである。

さらに、ITU-Tは、GPON ONT Management Control Interface（OMCI）を拡張し、ITU-Tの光アクセスネットワーク端末管理の基本規格となる新しいOMCI規格G.988を策定した。XG-PONは基本的にG-PONの進化版である。XG-PONはG-PONの進化版であり、高速性、大容量分割比、ネットワーク進化などの面で性能が向上している。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ことができる。

1. 2 10G GPONの技術的特徴

10G GPON（XG-PONとしても知られる）の一般要件と物理要件は、G.987.1とG.987.2規格で規定されている。XG-PONのデータ・レートは、アップリンクが2.5Gbit/s、ダウンリンクが10Gbit/sで、回線エンコーディングはNRZ（non-return to zero）エンコーディングです。10G GPONでOLTとONU（Optical Network Unit）装置間のマルチタスク伝送に使われている技術は、GPONと同じである。どちらも、アップリンクは時分割多重アクセス（TDMA）モード、ダウンリンクはTDMモードである。ただし、XG-PONは少なくとも1:64の光分割比をサポートし、GPONよりも多くのONUをサポートする。

XG-PONのTC（Transmission Convergence）レイヤ規格はG.987.3で標準化されており、XGTC（XG-PON Transmission Convergence）レイヤの構造はGPONの構造と一致している。しかし、インターネット・アクセス・レートやユーザーの増加に伴い、XGTCが正常に動作するためには、技術仕様を変更する必要がある。改訂された規格では、ONU-ID、Port-ID、Alloc-IDなどのビット幅が規定され、PON-IDが追加され、FEC、スクランブリング、PLOAM（物理層OAM）情報の符号化長が長くなっている。さらに重要なのは、帯域幅の割り当てがワード単位に変更されることである。XGEM（XG-PONカプセル化方式）のチャネル構造では、暗号化関連のフィールド幅も増加する。

• 1G PONとの共存について

G.987規格に基づき、GPONとXG-PONは、WDM（波長分割多重）コンポーネントを介して、同じ外部デバイス上で1 Gbit/sと10 Gbit/sのGPONシステムを同時に動作させることができます。同様に、802.3av規格も1Gbit/sと10Gbit/sのEPONシステムの同時運用を重視しています。ODNにおいてXG-PONと10G-EPONがそれぞれ1G PONと1G EPONと共存するためには、新旧システムの進化と共存を考慮した設計が必要であり、光デバイスの設計は特に重要である。

10Gbit/s（ギガビット/秒）に達するダウンリンクおよびアップリンク速度の更新、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℃の環境で安定したバランスのとれた光出力信号を実現する方法などの問題は、OLT光 トランシーバー・モジュールの性能を左右する重要な要素である。中でもOLTの信号受信では、アップリンク伝送速度を確保するために、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を使用する必要がある。図1は、G.987におけるGPONとXG-PONの共存ネットワークを示している。

• 10G PONの波長割り当て

各伝送規格は独自の波長範囲を使用する。10G-EPONの上り中心波長は1270nmと1310nmに設定されている。既存のEPONとの相互接続性を考慮し、上り1Gbit/sの中心波長は1310nm、10Gbit/sの中心波長は1270nm、下り1577nmで構成されている。XG-PONでは、アップリンク中心波長が1270nm、ダウンリンクが1577nmに設定されており、10G-EPONの10G/10G方式と同じである。図2にGPON、XG-PON/10G-EPONの波長割り当てを示す。

• 10G PON用光学機器

PON装置の主要コンポーネントは、光トランシーバ・モジュールとPON MACチップである。PON光トランシーバ・モジュールは、光ネットワークの光コンポーネントで、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）、シリアライザ／デシリアライザ（SerDes）で構成される。

PON MACチップは、PON信号データの処理チップである。10G-EPONのPON MACはすでに専用のASIC（アプリケーション集積回路）チップを搭載しており、そのほとんどはFPGA（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）である。しかし、機能と性能のニーズはすでに満たしている。開発が遅れている XG-PON については、G.987 規格で 4 種類の光パワーバジェットが定義され、ODN レベルごとに異なるアプリケーション要件に対応している。これら4つの仕様を図3に示す。このうち、E2 レベルの最大チャネル挿入損失は 35dB であり、XG-PON の光トランシーバモジュールに対する要求が厳しいことがわかる。したがって、XG-PONの光トランシーバ・モジュールは、パッシブ光ネットワーク（10G-GPON）システム全体において重要な役割を果たすことになる。

• 10G PONにおける光デバイス技術

1. 1 光トランシーバー技術

現在、市場に出回っているほとんどのXG-PON OLT光トランシーバモジュールは、チャネル挿入損失（dB）の点でN2レベルに属し、N2aとN2bに分けられ、出力パワーはそれぞれ+4~+8dBmと+10.5~+12.5dBmである。XG-PON OLT光モジュールの動作波長範囲は1575nm～1580nmである。この範囲内であれば、レーザー光源は20kmの伝送が可能である。

外部変調レーザー(EML)は、外部変調によって発生するチャープを避けるために、モジュールで設計されることが多い。同時に、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も、近年継続的に向上している。レーザーと同じ基板と一体化された外部変調レーザーは、性能と品質の面で成熟段階に達している。その最大の利点は、小型でパッケージングが容易なことである。

1. 2 10G PONにおける光変調器技術

レーザーの外部変調とは、信号が変調される際にパラメータを変化させることを指す。レーザーが外部変調器に挿入されると、変調器内の電気光学的または位相差が、出力光強度や他のパラメータを変更するために使用されます。レーザーは静的なDC状態でのみ動作するため、レーザーを外部変調することでチャープを低減し、信号伝送性能を向上させることができる。現在、10Gbit/s光通信システムの中長距離伝送で使用されている外部光変調器は、EAMとMZMが主流である。前者は電気光学効果を利用した半導体電気吸収変調器の略で、後者は位相差効果を利用した半導体である。マッハツェンダー変調器（MZM）。

EAMは、ドイツの物理学者ヴァルター・フランツとロシアの物理学者レオニード・ケルディッシュにちなんで名付けられたフランツ・ケルディッシュ効果に基づいている。電圧を使っ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のエネルギー準位を変化させる。変形、入射光を吸収することによる光の変調。具体的には、レーザーダイオード（LD）とEAMを同一基板上に作製する。このような設計構造は、変調率が高く、駆動電圧が低く、小型であるため、半導体レーザーと一体化でき、パッケージング・コストを低減できるという利点がある。そのため、このような外部光変調器は、実用的なアプリケーションで普及している。

マッハツェンダー変調器は、位相差の変化を利用して光変調を実現する。この方法は次のように動作する。まず、挿入された光源が2つの経路に分割される。次に、分離された光信号が出力で再統合される。最後に、外部バイアス電圧によって位相調整が行われる。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抑えることができるため、高速かつ長距離の光ファイバー信号伝送に非常に適している。しかし、コストが高いため、メーカーからはあまり注目されていない。

1. 3 10G PONにおける光ドライバー技術

10Gビット/秒の光トランシーバー・モジュールでは、レーザー・ダイオードの帯域幅、チャープ、分散に加えて、高温も重要な要素である。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、深刻な熱影響を引き起こし、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）のノイズを増加させた。さらに、超高温は光受信のダイナミックレンジを低下させ、伝送距離を短くする可能性がある。

現在、一部のXG-PON OLT光トランシーバー・モジュールはXFP（10ギガビット小型プラガブル）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を必要とする。DFB-LDが供給しなければならないバイアス電流は、DMLの3倍以上である。そのため、常温では単位時間当たりにXFP全体に蓄積される熱を逃がすことが難しい。70℃の環境下でいかに安定した光出力信号のバランスを実現するかは、メーカーの技術にとって大きな課題となっている。

1. 4 光増幅器技術

一般的に、光トランシーバモジュールの信号受信は、TIA（TransImpedance Amplifier）付き光レシーバとリミッティングアンプによって実現される。TIA付き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、リミッターアンプに送ります。最後にリミッティングアンプで増幅され、シリアルデータを出力する。

ONUの動的周波数応答を改善するため、10G EPON OLT/ONU光トランシーバでは、自動利得制御（AGC）技術を備えた平均読み取り検出器が設計されている。しかし、GPON光トランシーバは、光信号をバースト・モードで受信します。異なるONUに対するトランシーバの応答時間は256ns未満である。この場合、256nsの要件を満たすには、応答時間の短い自動利得制御方式を使用する必要がある。自動利得制御付きピーク検出器は、この回路に対処する1つの方法である。

• XGS-PONとは？

XG-PONとXGS-PONはともにGPONシリーズに属する。XGS-PONはXG-PONを技術的に進化させたものです。

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

現在使用されている主なPON技術はGPONとXG-PONで、どちらも非対称PONです。一流都市を例にとると、OLTの上りトラフィックは、平均して下りトラフィックの22%に過ぎない。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を満たしています。さらに重要なのは、非対称PONの上りリンク・レートが低く、ONUのレーザーなどの伝送コンポーネントのコストが低いため、機器の価格もそれに応じて低くなります。

しかし、ユーザーのニーズは多様化している。ライブストリーミング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目するシーンはますます増えており、家庭用専用線はアップリンク/ダウンリンクの対称回線を提供する必要がある。このようなビジネスがXGS-PONの需要を促進しています。

XGS-PONはGPONとXG-PONを技術的に進化させたもので、GPON、XG-PON、XGS-PONのONUハイブリッドアクセスをサポートします。

1. 1 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モードを採用する。

XGS-PONとXG-PONのダウンリンク波長とダウンリンクレートは同じであるため、XGS-PONのダウンリンクはXGS-PON ONUとXG-PON ONUを区別しない。光スプリッタは、同じODNリンク内の各XG（S）-PON（XG-PONおよびXGS-PON）ONUにダウンリンク光信号をブロードキャストし、各ONUは自分の信号を受信し、他の信号を破棄することを選択する。

XGS-PONは、XG-PONとXGS-PONの2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。

1. 2 XGS-PONとGPONの共存

アップストリーム/ダウンストリームの波長がGPONと異なるため、XGS-PONはGPONとODNを共有するためにコンボソリューションを使用します。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、WDMコンバイナーを統合しています。

上り方向では、光信号がXGS-PONの組み合わせポートに入った後、WDMは波長に応じてGPON信号とXGS-PON信号をフィルタリングし、信号を異なるチャネルに送る。

ダウンリンク方向では、GPONチャネルからの信号とXGS-PONチャネルからの信号がWDMを介して多重化され、混合された信号がODNを介してONUにダウンリンクされます。波長が異なるため、異なるタイプのONUは、内部フィルターを通して信号を受信するために必要な波長を選択します。

XGS-PONはXG-PONとの共存を当然サポートしているため、XGS-PONのコンボ・ソリューションは、GPON、XG-PON、XGS-PONの3種類のONUハイブリッド・アクセスをサポートしています。XGS-PONコンボ光モジュールは、3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のハイブリッドアクセスをサポートするため、デュアルモードコンボ光モジュールと呼ばれます）。

要約する

ネットワークの高速化に対する要求が高まるにつれ、既存の規格から新しい高速技術が派生している。10G-PONは、G-PONベンダーによる次世代の超高速機能であり、設置されたG-PONユーザー機器と同じネットワーク上で共存するように設計されている。IEEEで定義されたEPONとITUで定義されたGPONは、ともに10G PONの時代の到来を告げるものである。現在、FTTH（Fiber to the home）に使用されているPON技術の主流はEPONとGPONであり、10G PON技術は主に（Fiber to the corridor）に使用されている。

機器コストや機器の成熟度の影響もあり、現在、XGS-PONの機器価格はXG-PONの機器価格よりもはるかに高い。中でもOLT（コンボユーザボードを含む）の単価は約20%高く、ONUの単価は50%以上高い。

家庭用専用線は、上り／下りの対称回線を提供する必要があるが、ほとんどの家庭用旅客専用線の実際のトラフィックは、依然として以下の回線が支配的である。ユーザーが上り帯域幅に注目するシーンはますます増えている。しかし、XG-PONでアクセスできず、XGS-PONでアクセスしなければならないサービスはほとんどない。

XGS-PON組み合わせソリューションは互換性が高いため、XGS-PON OLT（組み合わせユーザー・ボードを含む）の単価はXG-PONの単価よりそれほど高くありません。少量のXGS-PON OLT装置を第一、第二級都市や地方の首都に配備することができ（本社専用線のアップリンクトラフィックは通常高い）、XGS-PON ONUはユーザーの実際のアップリンク帯域幅要件に応じて装備することができます。