ความต้องการแบนด์วิดธ์ที่เพิ่มขึ้นอย่างไม่หยุดยั้งของการใช้งานอินเตอร์เน็ตความเร็วสูง, Video on Demand,  IPTV และ VoIP  ขับเคลื่อนให้อุตสาหกรรมโทรคมนาคมมีการใช้อุปกรณ์ FTTH (Fiber to the home) ใน Broadband Access Network กันมากขึ้น   เมื่อเปรียบเทียบเทคโนโลยีบรอดแบนด์แบบต่าง ๆ แล้วเช่น DSL, VDSL, Cable/Modem  และ  PON  (Passive Optical Network) เทคโนโลยี PON จะมีข้อดีกว่า  เช่นอายุการใช้งานของไฟเบอร์ที่ยาวนาน  ต้นทุนในการดำเนินการที่ต่ำเพราะเป็นการลดอุปกรณ์ที่เป็น “active”  รวมถึงการได้ระยะทางระหว่างโหนดที่ไกลกว่า และที่สำคัญที่สุดคือมีแบนด์วิดธ์ที่สูงมาก           

                FTTH ที่ใช้ GE-PON มีแบนด์วิดธ์สูงกว่า DSL เป็นพันเท่า กล่าวคือ DSL แบบมาตรฐานทั่วไปมีความเร็วเป็นหนึ่งเมกะบิตต่อวินาที  ในขณะที่ FTTH PON ส่งข้อมูลได้สูงถึง 2.5 Gbps แม้ว่าจะมีการพัฒนาเทคโนโลยีทาง DSL ให้ดีขึ้นเช่น VDSL แต่ก็สามารถส่งข้อมูลได้แค่ 10-20 Mbps เท่านั้น

                การเปลี่ยนเทคโนโลยีไปเป็น FTTH เป็นสิ่งที่มีประโยชน์ต่อทั้งผู้บริโภคและผู้ให้บริการเพราะเป็นเทคโนโลยีที่มีความจุแทบจะไร้ขีดจำกัดของเครือข่ายหลักระยะไกลที่เชื่อมไปยังผู้ใช้บริการ  ในยุคก่อน “last mile” หรือ “first mile” ซึ่งเป็นระยะจาก Central Office ไปยังบ้านผู้ใช้จะมีปัญหาเรื่องคอขวดของเครือข่าย  แต่ปัจจุบันปัญหาคอขวดดังกล่าวได้หายไปด้วยการใช้เทคโนโลยี Gigabit ที่ต้นทุนต่ำและมีความสามารถในการแอกเซสสูง

                 การฝ่าอุปสรรคอันแรกที่เกี่ยวกับ Access Network ทำให้เกิดเทคโนโลยี DSL และเคเบิ้ลขึ้นมา  โดยมีอัตราข้อมูลที่เพิ่มขึ้นเป็นพันเท่าเมื่อเทียบกับ “dial-up” modem  ซึ่งได้ช่วยให้การเข้าถึงอินเตอร์เน็ตของผู้ใช้งานดีขึ้นในระดับหนึ่ง  ต่อมาเมื่อเกิดเทคโนโลยี  FTTH  ซึ่งเป็นทางออกที่มีความเร็วเหนือกว่า DSL/cable modem เป็นพันเท่าเช่นกัน  โดยคาดการณ์กันว่าสามารถเปลี่ยนแปลงวิธีการเข้าถึงบริการอินเตอร์เน็ต  บริการความบันเทิงแบบวิดีโอ และสนุกกับบริการสื่อสารทางเสียงสำหรับผู้ใช้

                เทคโนโลยี PON ที่นิยมใช้สำหรับเครือข่าย FTTH มีหลายชนิดด้วยกันเช่น  BPON, GE-PON (หรือ EPON) และ GPON  ความแตกต่างที่เห็นได้ชัดของแต่ละชนิดคืออัตราข้อมูลและชนิดของการโปรเซสแพ็กเกต  โดยถ้าเป็น BPON จะสนับสนุนอัตราข้อมูลที่ 622 Mbps และโปรโตคอลที่ใช้สำหรับการโปรเซสแพ็กเก็ตเป็น ATM  ส่วน GE-PON สนับสนุนอัตราข้อมูลแบบสมมาตรที่ 1 Gbps และใช้โปรโตคอลเป็น Ethernet และ IP   ส่วน GPON สนับสนุนอัตราข้อมูลแบบไม่สมมาตรนั่นคือดาวน์โหลดเป็น 2.5 Gbps และอัพโหลดเป็น 1.25 Gbps และใช้โปรโตคอลเป็น ATM, TDM และ Ethernet  อย่างไรก็ตาม มีการคาดการณ์กันว่าในทางปฏิบัติ GPON จะเป็น Ethernet-oriented

รูปที่ 1 เปรียบเทียบแบนวิดธ์ของเทคโนลยี DSL, Cable และ FTTH

วิวัฒนาการของเทคโนโลยี PON

                เทคโนโลยีที่ใช้งานสำหรับระบบ FTTH ที่แพร่หลายอันแรกคือ  BPON ซึ่งเกิดขึ้นในทศวรรษ 1990s  โดย BPON ใช้โปรโตคอลสำหรับการโปรเซสแพ็กเกตเป็น ATM  ซึ่งใช้งานกันมากสำหรับเป็นอุปกรณ์เครือข่ายหลักของผู้ประกอบการโทรคมนาคมโดยทั่วไป   เทคโนโลยี BPON เป็นเทคโนโลยีที่มีความหมายสำหรับ FTTH ในขั้นแรก  แต่มีราคาแพงและส่งข้อมูลได้ที่ความเร็วสูงสุดแค่ 655 Mbps เท่านั้นและคาดว่าจะถูกแทนด้วยเทคโนโลยี FTTH  PON ตัวใหม่เช่น Gigabit EPON (GE-PON)

                GE-PON เป็นเทคโนโลยี FTTH ชนิดแรกที่ส่งข้อมูลได้สูงเป็นจิกะบิตต่อวินาที   โดยใช้โปรโตคอล Ethernet และ IP แทน ATM และ SONET  ที่มีราคาที่ต่ำมากสำหรับการอิมพลีเมนต์และการนำมาใช้งาน โดยการโปรเซสแพ็กเก็ตของ ATM และ SONET ต้องการความแม่นยำอย่างมากและการควบคุมเวลาของแพ็กเกตให้พร้อมกัน (Synchronized Timing)  ดังนั้นจึงต้องมีต้นทุนสูงในส่วนของวงจรไฟฟ้า  แต่การโปรเซสแพ็กเกตของ Ethernet มีราคาถูกกว่ามากเพราะเทคโนโลยี Ethernet สนับสนุนการประกอบรวมของแพ็กเกตที่ไม่เน้นเรื่องเวลา ณ จุดรับปลายทาง  ทั้งนี้มีการอนุญาตให้แพ็กเกตและแพ็กเกตที่แตกเป็นชิ้นเล็ก (Packet Fragment) สร้างช่องทางข้ามเครือข่ายโดยไม่ใช้คุณสมบัติการซิงโครไนเซชัน  วิธีการดังกล่าวนี้กำจัดความต้องการในเรื่องของเวลาในอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่โปรเซสเพ็กเกตอีเทอร์เน็ต   ด้วยเหตุที่อีเทอร์เน็ตเป็นเทคโนโลยีที่นิยมใช้งานกันอย่างกว้างขวางในช่วงสิบปีที่ผ่านมาสำหรับระบบ LAN  จึงทำให้มีต้นทุนสำหรับการดำเนินการต่ำมาก

                NTT เป็นผู้ประกอบการหลักในญี่ปุ่นและเป็นหนึ่งในผู้ประกอบการโทรคมนาคมที่ใหญ่ที่สุดของโลก  ได้เริ่มใช้งานระบบ GE-PON สำหรับ FTTH ในปี 2003   และในปี 2004 ทาง IEEE ได้อนุมัติมาตรฐาน “802.3ah Ethernet In the First Mile Specification” ซึ่งได้กำหนดเทคโนโลยี GE-PON ที่ได้เริ่มใช้งานโดย NTT แล้วให้เป็นมาตรฐานเต็ม  และถูกดัดแปลงในภายหลังโดยผู้ประกอบการรายอื่นในญี่ปุ่นและเกาหลี 

รูปที่ 2 ชนิดของ PON

                มาตรฐาน ITU (The International Telecommunications Union) ได้พัฒนาและกำหนดข้อกำหนด BPON อย่างต่อเนื่องจนเป็นมาตรฐาน FTTH และในที่สุดก็ได้ออกเป็นมาตรฐาน ITU-T G.984 ในเดือนมกราคม 2003 ซึ่งต่อมาได้ปรับปรุงจนถึงปี 2005   กลุ่มบริการแอกเซสเครือข่ายแบบเต็มระบบ (FSAN : The Full Service Access Network Group) ซึ่งเป็นสภาแห่งผู้ให้บริการและผู้จำหน่ายอุปกรณ์โทรคมนาคมชั้นนำของโลกได้ประชุมในเดือนมีนาคม 2005 และได้ลงมติในการสร้างกลุ่มงานข้อกำหนดทางเทคนิคร่วม (Common Technical Specification (CTS) Task Group) ซึ่งมีเป้าหมายในการจำแนกความสอดคล้องของข้อกำหนดระบบแพร่กระจายร่วมสำหรับมาตรฐาน GPON   หนึ่งในข้อตกลงอันแรกของกลุ่มดังกล่าวคือการเน้นไปที่อัตราข้อมูล 1.25/2.5 Gbps

หลักการทำงานของเทคโนโลยี PON

มีสิ่งสำคัญสองอย่างของของเครือข่ายความเร็วสูง PON   อันแรกคือสนับสนุนอัตราข้อมูลที่เป็นจิกะบิต และสูงกว่า อันที่สองคือการเลือกโปรโตคอลสำหรับการรับส่งข้อมูลของผู้ใช้ (Data payload) ผ่านอุปกรณ์ Access Network

เทคโนโลยีการแอกเซสแบบเก่าที่ประกอบด้วย DSL , Cable และ BPON FTTH  มีการใช้ CPU-centric  ที่ต้นทุนต่ำในการควบคุมการไหลของข้อมูลผ่านอุปกรณ์ Access Network  ที่มีการฝังโปรเซสเซอร์แบบ 8 หรือ 16 บิต ไว้ในอุปกรณ์ Access Interface เพื่อทำหน้าที่ควบคุมและจัดการการไหลของข้อมูล  วิธีการดังกล่าวนี้ทำให้มีต้นทุนต่ำสำหรับการจัดการเกี่ยวกับการเข้าถึงข้อมูลและฟังก์ชันควบคุมในระบบแอกเซส  อย่างไรก็ตามวิธีการ CPU-centric จะล้มเหลวเมื่อความเร็วของข้อมูลเป็นจิกะบิตต่อวินาทีหรือมากกว่า   เพราะโปรเซสเซอร์ที่ฝังไว้ (embedded) ทำงานได้ไม่เร็วเท่ากับความเร็วของสายธารข้อมูล  ดังนั้นวิธีการแบบใหม่จะต้องถูกนำมาใช้งานเช่นสถาปัตยการของ GigaPASS™ เป็นต้น

สถาปัตยกรรม GigaPASS™ จะเชื่อมต่อชุดของกลไกการโปรเซสฮาร์ดแวร์ในสถาปัตยกรรมแบบความเร็วสาย (wire-speed architecture)   วิธีการนี้ทำให้สายธารแพ็กเกตทั้งหมดถูกโปรเซสและถูกส่งโดยไม่มีการหน่วงผ่าน Gigabit PON interface

รูปที่ 3 สถปัตยกรรม GigaPASS

วิธีการ GigaPASS™ ผนึกเอาสามรูปแบบของเทคโนโลยีเข้าด้วยกัน  อันแรกเป็นเทคโนโลนีการอินเตอร์เฟสเครือข่ายของ PON (PON network interface) และการโปรเซส  อันที่สองเป็นเทคโนโลยีการโปรเซส IP และ Ethernet และเทคโนโลยีที่สามคือสถาปัตยกรรม SoC ที่สนับสนุนโปรเซสเซอร์ RISC แบบ 32 bits ด้วยระบบปฏิบัติการ Linux และ Vx Works ซึ่งเป็น Middleware และ Application Specific Firmware สถาปัตยกรรมแบบนี้สามารถสนับสนุนอัตราข้อมูลของทั้ง GE-PON และ GPON ที่ความเร็วสายจาก 1 ถึง 2.5 Gbps   โดยมีคุณสมบัติที่ยืดหยุ่นสามารถโปรแกรมได้และสามารถอัพเกรดโครงสร้างของอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับเครือข่ายแอกเซสในอนาคตได้

รูปที่ 4 เครือข่าย PON แยกการลิงค์ไฟเบอร์เส้นเดียวไปเป็นลิงค์ย่อยหลายเส้นไปยังสมาชิก

การจัดเครือข่ายของ PON เป็นแบบ Full duplex โดยใช้เทคโนโลยีการจัดการเครือข่ายเป็นแบบ Point to Multipoint ซึ่งใช้อุปกรณ์ Optical Splitter ที่มีราคาไม่แพงทำหน้าที่แบ่งแยกไฟเบอร์เส้นเดียวที่มาจากแบ็คโบนของ Enterprise Network หรือ Metro Network ออกไปเป็นหลายเส้นทางไปยังผู้ใช้บริการแต่ละรายใน Access Network   ระบบ PON เป็น “Passive” เนื่องจากนอกเหนือจากที่ Central Office (CO) และ Customer Premise Equipment (CPE) แล้วไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ “Active”  อยู่ภายใน Access Network เลย  วิธีการแบบนี้ทำให้ง่ายสำหรับการดำเนินการและการบำรุงรักษาเครือข่าย

สิ่งที่สำคัญสำหรับจุดเชื่อมต่อของ PON  คืออุปกรณ์ที่อยู่ที่ Central Office ซึ่งเรียกว่า OLT (Optical Line Terminal) และจุดเชื่อมต่อที่อยู่ด้านผู้ใช้บริการ (CPE) ซึ่งเรียกว่า ONU : Optical Network Unit (สำหรับ GE-PON) และ ONT : Optical Network Terminal (สำหรับ GPON)   ความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ OLT และ ONT  ก็คือจุดประสงค์สำหรับการใช้งาน กล่าวคืออุปกรณ์ที่เป็น OLT สนับสนุนฟังก์ชันการบริหารจัดการได้สูงถึง 128 Downstream Link  ซึ่งในทางปฏิบัติโดยทั่วไปจะเป็น 8-32 พอร์ตต่อหนึ่ง OLT  ส่วนอุกรณ์ ONT (หรือ ONU)  จะสนับสนุนเฉพาะ Link ของตัวเองที่เชื่อมต่อไปยัง Central Office  เท่านั้น  ดังนั้นจึงส่งผลให้อุปกรณ์ ONT/ONU มีราคาต่ำมาก  ในขณะที่อุปกรณ์ OLT ซึ่งรองรับความจุจำนวนมากนั้นมีราคาสูง

รูปที่ 5 เครือข่ายแอกเซส FTTH – OLTs จะอยู่ที่ Central Office และ ONUs จะอยู่ที่ด้านลูกค้า (CPE)

ข้อมูลที่ต้องการรับส่ง (Data payload) ถูกคอนฟิกให้อยู่ในรูปของแพ็กเกต  ซึ่ง GE-PON ใช้มาตรฐานที่เป็น Ethernet ที่ถูกกำหนดเป็น IEEE 802.3ah  โดย Ethernet เป็นมาตรฐานสำหรับ First Mile   ส่วนมาตรฐานสำหรับ GPON คือมาตรฐาน ITU-T G.984 ซึ่งประกอบด้วย ATM, TDM และ Ethernet  แต่เนื่องจากต้นทุนสำหรับ Ethernet นั้นต่ำ  จึงมีแนวโน้มว่าจะมีการใช้งานมาตรฐานที่เป็น Ethernet กว้างขวางกว่าแบบอื่น  จากเหตุผลดังกล่าว จึงทำให้มีการคาดการณ์กันว่า GPON  ที่ใช้มาตรฐาน Ethernet จะเป็นส่วนประกอบหลักของตลาด GPON

โดยทั่วไปความยาวคลื่นที่ใช้งานสำหรับ GPON จะเป็น 1310/1490ns โดยอัตราข้อมูลที่เป็นดาวน์ลิงค์ของผู้ใช้บริการจะเป็น 2.4 Gbps ส่วนอัพลิงค์จะเป็น 1.2 Gbps  ความยาวของไฟเบอร์จากผู้ให้บริการ (CO) ไปยังสถานที่ของผู้ใช้บริการ (CPE) มีระยะสูงถึง 20 กิโลเมตร   ในส่วนของ OLT จะมีการเชื่อมต่อกับระบบอื่น ๆ เช่น IP Network, Video/Audio over IP,  CATV และระบบอื่นๆ จึงทำให้ข้อมูลที่ผู้ใช้บริการสามารถใช้งานได้เป็นทั้ง Voice, Data และ Video  แต่ทั้งนี้ก็จะขึ้นอยู่กับความสามารถของ ONT ที่เลือกใช้ด้วย

รูปที่ 6 รายละเอียดโดยทั่วไปของเทคโนโลยี GPON

Ethernet ใน Access Network

                โปรโตคอล Ethernet ถูกใช้งานสำหรับ Local Area Network มานานแล้ว  ในปัจจุบันได้วิวัฒนาการถึงขั้นที่ผ่านการพิจารณาแล้วว่า Ethernet  สามารถนำมาใช้ในระบบ Metro และ Access Network ได้  โดยเฉพาะการสนับสนุน Access Network ที่เป็น FTTH  และได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วในการใช้งานสำหรับ GE-PON  และมีการคาดการณ์ว่า GPON จะนำข้อดีของเทคโนโลยี Ethernet มาปรับปรุงระดับเทคโนโลยีของผู้ประกอบการให้ดีขึ้น

                การปรับปรุง Ethernet ให้ดีขึ้นที่สำคัญก็คือการเพิ่ม CoS (Class of Service) สำหรับแอพพลิเคชัน  เพื่อประกันแบนด์วิดธ์และ Latency ของแอพพลิเคชันเช่นภาพและเสียง  และมีการสนับสนุน SLAs ( Service Level Agreement) สำหรับหลายแอพพลิเคชัน  โดยระบบของ Central Office ที่ใช้ Ethernet และระบบด้านผู้ใช้บริการ (CPE) ในปัจจุบันนี้สามารถสนับสนุน QoS (Quality of Service) แบบ end-to-end และการแบ่งระดับชั้นของทราฟฟิก  ซึ่งทำให้ Ethernet เป็นพาหนะนำพาอันดีเลิศสำหรับการรับส่งบริการที่มีความก้าวหน้า  และสามารถฝ่าอุปสรรคเรื่องต้นทุนและข้อจำกัดในการใช้งานของ ATM ได้

สรุป

GPON เป็นเทคโนโลยีเครือข่ายในส่วนแอกเซสสำหรับ FTTH Broadband ที่น่าสนใจเนื่องจากสามารถสนองความต้องการของผู้ประกอบการได้ทั่วโลก   โดย GE-PON เป็นตัวอย่างของความสำเร็จที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายแล้วในเอเซีย  ในขณะที่มาตรฐาน GPON สามารถให้บริการได้ในความสามารถที่เหมือนกันกับ GE-PON สำหรับผู้ประกอบการในอเมริกาเหนือ