ハイブリッド光ファイバー同軸

ハイブリッド光ファイバー同軸（HFC）は、光ファイバーと同軸ケーブルを組み合わせたブロードバンド 通信ネットワークです。 1990年代初頭から世界中のケーブルテレビ事業者によって広く採用されてきました。 ^[1]

ハイブリッド光ファイバー同軸ケーブルシステムでは、テレビチャンネルはケーブルシステムの配信施設であるヘッドエンドから光ファイバー加入者線を通じて地域社会に送られます。地域社会では、光ノードが信号を光線から無線周波数(RF) に変換し、同軸ケーブル線を介して加入者宅に送信して配信します。^{[2]光ファイバー幹線は、} DOCSISによるケーブルインターネットアクセスなど、帯域幅を大量に消費する追加のサービスを可能にするのに十分な帯域幅を提供します。そのため、一部またはほとんど (すべてではないにしても) のテレビチャンネルを、代わりに顧客にインターネットを送信するために使用できます。^[3]帯域幅は HFC のユーザー間で共有されます。^[4]盗聴を防ぐために暗号化が使用されます。^{[5]顧客はサービスグル​​ープにグループ化されます。サービスグル​​ープは、同じ}RF チャネルを使用して会社と通信する ため、互いに帯域幅を共有する顧客グループです。

光ファイバー ネットワークは、ケーブル オペレータのマスターヘッドエンドから、場合によっては地域のヘッドエンド、近隣のハブサイト、そして最終的には通常 25 ～ 2000 世帯にサービスを提供する光から同軸のケーブル ノードまで伸びています。マスター ヘッドエンドには通常、遠方のビデオ信号を受信するための衛星放送受信アンテナとIPアグリゲーションルーターがあります。マスター ヘッドエンドの中には、コミュニティに通信サービスを提供するための電話機器 (自動電話交換機など)も収容されているものもあります。HFC ネットワークでは、電話はPacketCable を使用して提供されます。

地域またはエリアのヘッドエンド/ハブは、マスターヘッドエンド^[6]からビデオ信号を受信し、地元のフランチャイズ当局の要件に応じて公共、教育、政府アクセス（PEG）ケーブルテレビチャンネルを追加したり、CMTS（運用に必要なすべての部品を含む統合CMTS）からのインターネットやインターネットとビデオの両方を提供するCCAPとと​​もに、地元エリアにアピールするターゲット広告を挿入したりします。

個別のエッジQAMは、デジタルビデオソースから同軸ケーブルネットワークでの伝送に適したQAM変調ビデオを提供するために使用できます。 ^{[7] [8]}エッジQAMは、モジュラーCMTSアーキテクチャでビデオの代わりにインターネットデータを提供するためにCMTSに接続することもできます。^{[9] [10]} CCAPは、データのみを提供する従来の統合CMTSと、ビデオに使用されるエッジQAMを別々の機器に置き換えることを目的としています。^[11]

ビデオはNTSC、MPEG-2、DVB-C、 QAM規格などの規格に従ってエンコードされ、データはDOCSISに従ってエンコードされ、アナログビデオはスクランブルされ、^[12]信号はアナログまたはデジタルビデオ変調器（QAM変調器^[13]を含む）またはエッジQAMによって変調され、モジュラーCMTSが使用されているかどうかに応じてビデオおよび/またはデータ用としてCMTSでデータのみ、^{[14] [15] [16]}またはCCAPでビデオとデータ用として変調され、この機器内でRFキャリアにアップコンバートされます。

CMTS、CCAP、エッジQAM、QAM変調器からのさまざまなサービスは、スプリッターやコンバイナーなどのヘッドエンドRF管理モジュールを使用して単一のRF電気信号に結合されます^{[17] [18] [19]。}そして、結果として得られた信号は、実際には「光学プラットフォーム」またはヘッドエンドプラットフォーム（Arris CH3000、Scientific Atlanta Prisma、Cisco Prisma IIなど）の送信モジュールであるブロードバンド光送信機に挿入されます。^{[20] [21]}これらのプラットフォームは、複数の送信機と受信機をホストします。後者はケーブルインターネットに使用でき、光ファイバーで光信号の到達範囲を拡張するためにエルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA）をホストすることもできます。^{[22] [23]}各送信機と受信機は、1つの光ノードにサービスを提供します。^[24]

この光送信機は、RF電気信号を下流の光変調信号に変換し、ノードに送ります。光ファイバーケーブルは、ヘッドエンドまたはハブをポイントツーポイントまたはスター トポロジーで光ノードに接続します。^[25]また、場合によっては保護されたリングトポロジーで接続します。各ノードは専用のファイバーを介して接続できるため、^[26]屋外のプラントに敷設された光ファイバーケーブルには、数十から数百、さらには数千のファイバーが含まれることがあり、極端な例では6912ファイバーになります。^[28]

光ファイバー ノードにはブロードバンド光受信機があり、ヘッドエンドまたはハブから来るダウンストリーム光変調信号を顧客への電気信号に変換します。2015 年現在、^[update]ダウンストリーム信号は RF 変調信号であり、通常は 50 MHz から始まり、上限は 550 ～ 1000 MHz の範囲です。光ファイバー ノードには、顧客からの通信をヘッドエンドに送り返すリバース パスまたはリターン パス送信機も含まれています。北米では、このリバース信号は 5 ～ 42 MHz の範囲の変調 RF ですが、世界の他の地域では 5 ～ 65 MHz の範囲です。この電気信号はその後、同軸ケーブルを通じて出力され、同軸トランクを形成します。

ネットワークの光部分は、大きな柔軟性を提供します。ノードへの光ファイバーケーブルがあまりない場合は、波長分割多重化を使用して、複数の光信号を同じファイバーに結合できます。光フィルターは、光波長を結合して単一のファイバーに分割するために使用されます。たとえば、ダウンストリーム信号は1550 nmの波長で、戻り信号は1310 nmの波長になる可能性があります。^{[29] [30]}

ネットワークの同軸幹線部分は、ノードから離れたツリーとブランチの構成で25～2000世帯（通常は500世帯） ^{[31]に接続します。 [32] [33]}

トランク同軸ケーブルは光ノードに接続され^{[34] [35]}、より小さな配線ケーブルが接続される同軸バックボーンを形成します。トランクアンプと呼ばれる RFアンプは、同軸ケーブルの分割または「タップ」によって発生するケーブル減衰と電気信号の受動損失を克服するために、トランク内に間隔を置いて使用されます。トランクケーブルは、電源 (内部に鉛蓄電池バックアップ付き) と電源インサータによって、通常 60 V または 90 V でケーブルラインに追加される AC 電力も運びます。光ノード、トランク、および配線アンプが個別の外部電源を必要としないように、電力はケーブルラインに追加されます。^[36]電源には、地域の電力会社の規制に応じて、電力計が横にある場合があります。

トランク ケーブルから、より小さな配線ケーブルが、ブリッジャーと呼ばれるトランク アンプの 1 つのポートに接続され、RF 信号と AC 電力を各通りに運びます。通常、トランク アンプには 2 つの出力ポートがあります。1 つはトランク用、もう 1 つはブリッジャー用です。配線アンプ (システム アンプとも呼ばれます) は、複数の出力ポートがあるため、より多くの容量が必要な場合は、ブリッジャー ポートから複数の配線ケーブルをトランクに接続できます。または、出力ポートが 1 つしかないより小さな配線アンプであるライン エクステンダーをトランクのブリッジャー ポートから出ている配線ケーブルに接続し、配線ケーブル内の信号を増幅して^[37]、テレビ信号の電力をテレビが受け入れ可能なレベルに保つことができます。次に、配線ラインに「タップ」して、個々のドロップを顧客の家に接続するために使用されます。^[38]

これらのRFタップはRF信号を通過させ、AC電源を遮断します。ただし、同軸電源システムによって提供されるバックアップ電源の信頼性を必要とする電話機器がある場合は除きます。^{[39]タップは、} Fコネクタと呼ばれる標準的なネジ式コネクタを使用して、小さな同軸ドロップに接続されます。

その後、ドロップは住宅に接続され、そこで接地ブロックがシステムを漂遊電圧から保護します。ネットワークの設計に応じて、信号はスプリッターを介して複数のテレビまたは複数のセットトップボックス（ケーブルボックス）に渡され、その後テレビに接続されます。複数のテレビを接続するためにスプリッターが多すぎると、信号レベルが低下し、アナログチャンネルの画質が低下します。これらのスプリッターを通過後のテレビの信号は品質が低下し、信号を復元するために「ドロップ」または「住宅」アンプを使用する必要があります。^[40]

歴史的に、ケーブル事業者の間では、信号品質を改善するためにネットワークで使用される同軸ケーブルの量を減らす傾向があり、これが最初に HFC の採用につながりました。^[41] HFC は、ネットワークのヘッドエンドから始まる同軸トランクケーブルを持つ同軸ケーブルネットワークを置き換え、HFC はこれらのトランクケーブルの一部を光ファイバーケーブルと光ノードに置き換えました。これらの同軸ネットワークでは、トランク内の適切な信号レベルを維持するためにトランクアンプがトランクケーブルに沿って配置され、^{[42] [43]}分配フィーダーケーブルを使用してトランクから個々のストリートに信号を分配することができ、^{[44] [45] [46]}方向性結合器を使用して信号品質を改善し、^[47]トランクアンプに自動レベル制御または自動ゲイン制御を装備することができ、^{[48]ハイブリッド}集積回路^{[49] [50]}を備えたハイブリッドアンプも使用することができ、^[51]トランクを分配フィーダーに接続するために別のブリッジャーを使用しました。^{[52] [53] [54]}

1953年、C-CORはケーブルアンプに電力を供給するために同軸ケーブルを介して電力を送信するケーブル給電を初めて導入しました。1965年には、電柱で使用されるアンプに集積回路の使用を導入し、1969年にはアンプにヒートフィンを使用した最初の企業となりました。 ^{[55] [56]}メッセンジャーワイヤから吊り下げられた電柱の間に設置するための、ヒンジとシールを備えた屋外ハウジングに入った最初のアンプは、1965年に提供されました。^[57] 1973年頃、ネットワーク拡張の結果として信号品質を向上させるためにケーブルネットワークでハブが使用され始め、ケーブルオペレータはネットワークの同軸部分のカスケード接続されたアンプの数を約20台から5台に減らす努力をしました。 ^{[58] [59]} FM変調ビデオ信号を備えた同軸ケーブルで作られたスーパートランク、^{[60] [56]}光ファイバーまたはマイクロ波リンクがヘッドエンドをハブに接続するために使用されました。^{[61] [62] [63] [58]}光ファイバーは1976年に初めてスーパートランクとして使用されました。 ^[64] FMビデオも光ファイバーで伝送することができ、^[65]光ファイバーは最終的にスーパートランクの同軸ケーブルに取って代わりました。^[56] ケーブルネットワークの帯域幅は、1970年代には216MHzから300MHzに、^[49] 1980年代には400MHzに、^{[56] [66] [67]} 1990年代には550MHz、600MHz、750MHzに、^{[66] [68] [69]} 2000年には870MHzに増加しました。^[70]

DOCSISインターネットなどのデジタル帯域幅の拡大のニーズに対応するため、ケーブル事業者はHFCネットワークのRFスペクトルを1GHzから1.2GHzまで拡張し、^{[71] [72]}ネットワークでIPトラフィックのみを処理するように移行して専用のビデオRFチャネルをなくし、通常はアナログ信号を送信するデジタルトランスポートアダプタ（DTA）を使用したり、スイッチドデジタルビデオ（SDV）^{[73] [74]}を使用したりして、提供されるチャネル数を減らさずに同軸ケーブルのテレビチャネル数を減らすことができます。^{[75] [76]}

1990年代の終わり頃には、HFCノードと増幅器にGaAs（ガリウムヒ素）トランジスタが導入され、シリコントランジスタに取って代わり、2006年までにHFCで使用されるスペクトルを870MHzから1GHzに拡張することが可能になりました。 ^[70] 2008年に導入され^[49]、2010年代に採用されたGaNトランジスタは、増幅器間の間隔を変えずに、さらに1.2GHzに拡張するか、古いネットワークの550MHzから750MHzから1GHzに拡張することを可能にしました。^{[77] [78] [79]}

リモートPHYは、ネットワーク内の同軸ケーブルの使用を減らし、信号品質を向上させることを目的としたHFCネットワークの進化形です。従来のHFCネットワークでは、CMTSやCCAPなどのヘッドエンド機器は、物理的には同軸ケーブル接続であるRFインターフェース^{[80] [81] [82]}を使用してHFCネットワークに接続され、ネットワーク内の光ファイバーケーブル内の光信号はアナログです。リモート PHY では、CMTS や CCAP などの機器が、デジタル信号を伝送する光ファイバーを使用して HFC ネットワークに直接接続されるため、CMTS/CCAP での RF インターフェイスと同軸ケーブル、およびヘッドエンドでの RF 変調が不要になります。 ^[83]また、ネットワーク内の光ファイバー ケーブルのアナログ信号が 10 ギガビット イーサネット信号などのデジタル信号に置き換えられます。^[20]これにより、HFC ネットワークを半年ごとに調整する必要がなくなり、ネットワークの範囲が広がり、機器とメンテナンスのコストが削減されます。^[84]また、信号品質が向上し、1024 QAM ではなく 4096 QAM などの変調が可能になり、ビットあたり一度に伝送できる情報が増えます。これには、従来の光ノードが信号を光から電気に変換するだけで済むのとは異なり、変調を実行して信号をデジタルからアナログに変換することもできる、より高度な光ノードが必要です。^[83]これらのデバイスは、リモート PHY デバイス (RPD) またはリモート MACPHY デバイス (RMD) と呼ばれます。 RPDにはシェルフタイプがあり、アパート（MDU、集合住宅）に設置できるほか、従来のHFCネットワークと同様に信号を配信する光ノードや小型ハブに設置することもできます。^{[20] [74] [ 85] [37] [86]}また、リモートPHYを使用すると、CMTS/CCAPを顧客から離れたリモートデータセンターに設置することもできます。^[87]

リモート MACPHY は、リモート PHY と同じ目的を達成するほかに、すべての DOCSIS プロトコル機能を光ノードまたは屋外設備に移動するため、リモート PHY と比較して遅延を減らすことができます。^{[88] [89]}リモート CMTS/リモート CCAP は、すべての CMTS/CCAP 機能を屋外設備に移動することでこれを基にしています。^{[85] [87]}分散アクセス アーキテクチャ (DAA) は、リモート PHY とリモート MACPHY をカバーし、機能をエンド カスタマーの近くに移動して、機器の集中施設を縮小または削除する可能性があるために容量の拡張を容易にし、DOCSIS 3.1 を超えるより高速な新しい DOCSIS バージョンを実現することを目標としています。リモート PHY では、コンポーネントを交換することで、CMTS/CCAP などの既存の機器を再利用することができます。^{[88] [90]}

仮想CCAP（vCCAP）または仮想CMTS（vCMTS）は、市販のx86ベースのサーバーに専用ソフトウェアを搭載して実装され、^[91] DAAと並行して実装されることが多く^[92]、新しいCMTS/CCAPシャーシを購入せずにサービス容量を増やしたり、CMTS/CCAPに機能をより迅速に追加したりするために使用できます。^[74]

顧客のインターネット速度を改善するには、加入者数 500 人のサービス グループを 128 人以下に減らす必要があります。これは、n+0 アーキテクチャと呼ばれる、単一ノードで増幅器のないアーキテクチャです。^{[93] [94] [83]} 1.8 GHz ^[95]～ 3 GHz で動作する HFC ネットワークが GaN トランジスタで検討されています。^{[96] [97]}アップストリーム信号に使用する周波数範囲の変更が提案されています。アップストリームに 5 ～ 85 MHz の周波数を使用するミッド スプリット、5 ～ 205 MHz の範囲を使用するハイ スプリット、および最大 5 ～ 684 MHz の範囲を可能にする複数のオプションを備えたウルトラ ハイ スプリットです。^[98]全二重 (FDX) DOCSIS では、アップストリーム信号とダウンストリーム信号が、時分割多重化なしで単一の周波数範囲を同時に占有できます。^{[99]ケーブル事業者はPON（}パッシブ光ネットワーク）を使用したFTTPネットワークに徐々に移行している。 ^{[100] [101] [102]}

周波数分割多重化を使用することで、HFC ネットワークは、アナログ TV、デジタル TV ( SDTVまたはHDTV )、ビデオ オン デマンド、電話、インターネット トラフィックなど、さまざまなサービスを伝送できます。これらのシステム上のサービスは、5 MHz ～ 1000 MHz の周波数帯域の RF 信号で伝送されます。

HFC ネットワークは、通常、双方向で運用されます。つまり、信号は、ヘッドエンド/ハブ オフィスから家庭へ、また家庭からヘッドエンド/ハブ オフィスへ、同じネットワーク上で双方向に伝送されます。フォワード パスまたはダウンストリーム信号は、ビデオ コンテンツ、音声、インターネット トラフィックなどの情報をヘッドエンド/ハブ オフィスから家庭へ伝送します。最初の HFC ネットワークと、アップグレードされていない非常に古い HFC ネットワークは、片方向システムのみです。片方向システムの機器は、ヘッドエンドとの通信にPOTSまたは無線ネットワークを使用する場合があります。 ^[103] HFC により、ケーブル ネットワークでの双方向通信が実用的になります。これは、これらのネットワークの増幅器の数を減らすためです。^[1]

リターンパスまたはアップストリーム信号は、映画を注文するための制御信号やインターネット アップストリーム トラフィックなどの情報を家庭からヘッドエンド/ハブ オフィスに伝送します。フォワード パスとリターン パスは、光ノードと家庭間の双方向で同じ同軸ケーブルを介して伝送されます。

信号の干渉を防ぐため、周波数帯域は2つのセクションに分割されています。伝統的にNTSCシステムMを使用している国では、セクションはフォワードパス信号用に52〜1000MHz、リターンパス信号用に5〜42MHzです。^[98]他の国では異なるバンドサイズを使用していますが、ダウンストリーム通信の方がアップストリーム通信よりもはるかに広い帯域幅があるという点で似ています。

従来、ビデオ コンテンツは家庭にのみ送信されていたため、HFC ネットワークは非対称に構成されていました。つまり、一方の方向のデータ伝送容量はもう一方の方向よりもはるかに大きくなっていました。リターン パスは、もともと、映画などを注文するための一部の制御信号にのみ使用されており、帯域幅はほとんど必要ありませんでした。インターネット アクセスや電話などの追加サービスが HFC ネットワークに追加されたため、リターン パスの利用が増えています。

マルチシステム オペレータ(MSO) は、光ファイバー ケーブルと同軸銅ケーブル上の RF 信号を介してさまざまなサービスを送信する方法を開発しました。HFC ネットワークを介してビデオを転送する最初の方法は、無線放送の送信に使用される方法に似た標準アナログ TV チャネルの変調によるもので、現在でも最も広く使用されています。

1 つのアナログ TV チャンネルは、 NTSCベースのシステムでは 6 MHz 幅の周波数帯域を占有し、PAL または SECAM ベースのシステムでは 8 MHz 幅の周波数帯域を占有します。各チャンネルは特定の周波数キャリアを中心としているため、隣接チャンネルや高調波チャンネルとの干渉はありません。デジタル変調チャンネルを視聴するには、家庭または顧客構内機器(CPE)、たとえばデジタルテレビ、コンピューター、セットトップボックスで、RF 信号をアナログテレビやコンピューターモニターなどの表示デバイスと互換性のある信号に変換する必要があります。米国連邦通信委員会 (FCC) は、消費者が地元の MSO からケーブルカードを入手してデジタルチャンネルの視聴を許可できると規定しています。

デジタル ビデオ圧縮技術を使用することで、複数の標準および高解像度の TV チャネルを 1 つの 6 MHz または 8 MHz 周波数キャリアで伝送できるため、HFC ネットワークのチャネル伝送容量は、完全アナログ ネットワークに比べて 10 倍以上増加します。

デジタル加入者線(DSL) は、従来の電話会社がツイストペア銅線電話線を介して高度なサービス (高速データ、場合によってはビデオ) を提供するために使用する技術です。通常、DSL のデータ伝送容量は HFC ネットワークより低く、データ速度は回線の長さと品質によって範囲が制限されることがあります。

衛星テレビは、放送ビデオ サービスの配信において HFC ネットワークと非常によく競合します。インタラクティブ衛星システムは、往復の遅延時間が大きいため、都市環境では競争力が低くなりますが、地方や地上インフラが不十分またはまったく配備されていないその他の環境では魅力的です。

HFC と同様に、ファイバー イン ザ ループ(FITL) テクノロジは、電話市内交換キャリアによって、一般電話サービス(POTS)市内回線を介して電話顧客に高度なサービスを提供するために使用されます。

2000 年代、通信会社はケーブル事業者と競争するために、ビデオ、データ、音声を配信するためのパッシブ光ネットワークソリューションなどのFiber to the x (FTTX) の大規模な導入を開始しました。これらは導入コストがかかる場合がありますが、特にデータ サービス向けに大きな帯域幅容量を提供できます。

• オーストラリアのHFCネットワークに関する情報