電気通信大学大学院情報システム学研究科博士（工学）の学位申請論文

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信号処理技術適用による光ファイバ通信網の保守監視と効率利用に関する研究

堀内幸夫

電気通信大学大学院情報システム学研究科博士（工学）の学位申請論文

2007 年 3 月

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信号処理技術適用による光ファイバ通信網の保守監視と効率利用に関する研究

博士論文審査委員会

主査曽和将容教授

委員多田好克教授

委員山本周教授

委員加藤聰彦助教授

委員本多弘樹助教授

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著作権所有者

堀内幸夫

2007 年

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A study on maintenance, monitoring and efficient utilization methods in an optical fiber communication

network by using signal processing technologies

Yukio Horiuchi

Abstract

A construction of high-quality and highly reliable optical networks with low-cost and simple system architecture, and efficient use of network resources (i.e. bandwidth or communication infrastructure), are required to keep pace with rapidly growing broadband Internet as a social infrastructure that supports and sustains secure social life. Consequently, in this dissertation, through the viewpoint of the reliable optical network and the efficient uses of its resources that are appropriated if offered by telecom operators, methodologies for the operation and maintenance and the efficient utilization in optical communication networks, in particular, are studied based on various signal processing techniques.

Even though many approaches in terms of relevant technologies for the operation and maintenance of various optical communication networks can be considered, this study focuses on an optical submarine cable system that requires a distinctive system design, taking not only simplification, reliability and system cost into consideration, but also the system installation environment. A performance monitoring technique for optical repeaters and an accurate fault localization technique for optical fiber cables requiring low-cost and simple system developments are organized. On the other hand, in the study of the efficient utilization in optical communication networks, wavelength stabilization and optical label recognition techniques for increasing the utilization of optical bandwidth resources within an optical communication network are addressed. Moreover, a transport technique of digital television broadcasting signals that effectively uses a synchronous characteristic feature of a synchronous optical network is also described; achieving efficient deployment for terrestrial digital television broadcasting networks.

As mentioned above, this paper is organized into five areas of study as follows:

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The first topic provides a novel remote fault monitoring method for a trans-oceanic optical fiber communication system. A low-cost and highly reliable all-optical repeater monitoring technique is proposed, accompanied by a permanently connected optical loopback circuit within an optical amplified repeater. This study consists of the requirements of an optical loopback circuit, a weak signal detection method using a PN correlation technique in measurement equipment, and a technique to cancel out noise components generated by data signals. Moreover, sufficient fault detection will be available since the power measurement capability of loopback signal has been experimentally evaluated. Moreover, an economical and effective remote monitoring system has been realized rather than conventional optical repeater technology with optical-electrical conversion. This technique has already been commercialized in the 5th transpacific cable network (TPC-5CN) and other major submerged cable systems.

The second topic provides a highly accurate fault localization technique for a trans-oceanic optical fiber communication system. This technique is essential to accomplish quick repairs and to minimize the repair cost and loss of services in transoceanic cable systems.

An optical time domain reflectometry (OTDR) is used primarily for the characterization and fault localization of optical fibers and is achieved as a precise fault locator for all optical amplifier systems by making use of the features of that transparent transmission characteristic. Two major factors are key to successfully achieve reflectometry in submerged cable systems. Long-haul optical amplifier systems require in-line optical isolators for stable signal transmission, meaning the reflectometry technique based on conventional repeater architecture is not available because the propagation of the optical energy is limited to one direction. With this in mind, new repeater architecture, such as a method using a return path through a branching element, is necessary to detect backscatter signals beyond the repeaters. Meanwhile, a reflectometry technique using coherent detection is more advantageous than conventional direct detection, because it can achieve high detection sensitivity and excellent selectivity for a weak backscatter signal in the presence of the accumulated spontaneous emission noise. For this reason, a coherent detection OTDR (C-OTDR) is usually used for a multi-repeater submerged cable system.

This technique has been specified in ITU-T recommendations as an international standard,

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and has already been commercialized in the TPC-5CN and other most submerged cable systems.

The third topic proposes a highly accurate wavelength stabilization technique of optical transmitter that can be used to realize low-cost and simplified dense wavelength division multiplexing (WDM) systems. This wavelength stabilization technique consists of an optical frequency discriminating function and a function for canceling AM components induced by frequency dithering of the light source. The frequency discrimination in this technique is based on an FM-AM conversion effect, obtained by interaction from the frequency dithering of the light with the bandpass characteristic of a wavelength multiplexer. The AM cancellation function was added to suppress optical frequency discriminating errors; occurring due to AM components and induced by frequency dithering in this wavelength stabilization architecture. In this scheme, an electro-absorption (EA) modulator is employed, not only to modulate the high-speed data traffic but also suppress AM components induced by frequency dithering on the light signal. Since the EA modulator is usually used to modulate high-speed data traffic, no dedicated optical devices are required to suppress the AM components. The wavelength stability of a light source can therefore be enhanced with simple architecture and the validation of the proposed technique has been confirmed through experimental and numerical studies, and long-term wavelength stability.

The fourth topic provides an optical labeling technique that can directly route optical burst traffic in terms of efficient bandwidth utilization in transparent optical networks. The conventional optical labeling method uses a high-frequency subcarrier, modulated with a destination address onto payload signals. This technique has the advantage of enabling low-cost implementation, but also degrades optical channel performance because sub-carriers are superimposed on optical amplitude. A novel technique for optical label encoding and extraction on the optical channels, using TDM/SCM label encoding, has thus been proposed. This technique is based on sub-carrier signal generation from a high bit rate data stream, using a particular bit pattern in the labeling portion to secure transparency on optical network elements. This technique allows cost-effective and highly reliable label data extraction for lightpath connection control as well as lightpath trail monitoring.

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Self-routing of three 10Gbit/s optical burst signals has been successfully demonstrated in an all-optical mesh network with four 2×2 optical label switch routers.

Finally, the fifth topic provides a transport technique of an ODFM (Orthogonal frequency division multiplexing) signal as digital television broadcasting signals by using the synchronous optical network that is widely deployed in Japan. However, despite the fact the long distance analog transmission experiment of OFDM signals with optical fiber links has been reported to date, a certain amount of signal performance degradation according to transmission distance will be inevitable. By using a digitizing technique, alongside the synchronous feature of synchronous optical networks, high quality and low-cost signal transport for deploying terrestrial digital television broadcasting networks can be effectively realized on existing deployed optical networks.

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信号処理技術適用による光ファイバ通信網の保守監視と効率利用に関する研究

堀内幸夫

概要

ブロードバンド・インターネットの発展により，安全・安心な社会生活を支える社会インフラとして，高品質で高信頼の光ネットワークの構築が要求されており，

またネットワークリソース（帯域や通信インフラ）の効率的利用や通信装置の簡素化による低コスト化が求められている．そこで，本研究では，通信キャリアが提供するに相応しい高信頼光ネットワークならびにその有効利用の観点から，光ファイバ通信網における保守監視手法ならびに効率利用手法に関して，様々な信号処理技術を駆使した研究を行った．

保守監視手法の研究では，適用システムに対していろいろなアプローチが考えられることから，簡素化，信頼性，コスト，特に設置環境を考慮した設計を必要とする光海底ケーブルネットワークを対象とした．当該信号伝送方式の特徴をとらえ，

システムコストへのインパクトが少なく，最大限効果的な方式開発が要求される中継器監視方法ならびにファイバ線路障害位置検出法について纏めた．一方，効率利用手法の研究では，光ネットワークにおける光ファイバ・インフラや帯域リソースの有効利用を図るための技術として，波長安定化方法ならびに光ラベルスイッチング方式，さらに地上デジタル放送システムの効率展開を図るための技術として，光デジタル同期網が有する同期性に着目した放送波伝送手法の研究について纏めた．

以上の通り，本論文は以下の5つの研究テーマから構成される．

第１に，大洋横断光ファイバ通信システムにおける光中継器の新しい遠隔故障診断手法の研究を行った．光増幅中継器において恒久的に接続した光ループバック法による安価で高信頼な全光監視方法を提案するとともに，光ループバックの要求条件，監視装置におけるPN相関検出による微弱信号検出技術，光データ信号除去技

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術の提案を行った．更に，中継システムのループパック信号検出を実験的に評価し，

中継区間障害の検出が十分可能であることを確認した．本方式は，光増幅システムの透過線路の特徴を最大限活用した中継線路の全光監視手段を採用することにより，従来の光・電気変換を伴う中継器監視方式と比較して，経済的かつ効果的な線路監視システムを実現可能となり，TPC-5CNをはじめ，主要な大洋横断ケーブルシステムにおいて利用された．

第2に，光増幅中継伝送システムの光ファイバの高精度障害点探索法の研究を行った．光中継器において連続接続された後方光回路を用いたOTDR法について提案を行ない，多中継伝送路における当該光回路への要求条件の明確化，FSKプローブによるOTDR法の提案，本方法を用いた光増幅中継伝送システムにおける測定可能な距離を明確にした．以上により，これまで困難であった中継器区間の遠隔測定を可能とし，最長5,600kmにも及ぶシステム区間全域の実測定を実現した．

さらに，波長分割多重（WDM）光中継システムにおけるインサービス測定の可能性を論じるとともに，400kmにも及ぶ長距離無中継伝送システムの線路監視手段としての応用方法の提案も行った．本研究により，海底ケーブルシステムの迅速な障害修理が可能となったほか，システム組立や敷設工事において中継システムの状態を簡単に把握することができるようになり，本方式は，ITU-Tの国際標準として規格化され，第5太平洋横断光ケーブルシステムを初め，海底ケーブルシステムで広く使用されている．

第3に，高密度WDMシステムの光送信器を低コストかつ簡易的に実現するための高精度波長安定化手法の研究を行った．波長安定化手法は，送信光信号光源の注入電流を微弱変化させFM変調し光フィルタにより発振波長ずれの誤差信号を検出する方法が知られているが，注入電流を変化することによるAM雑音が発生し伝送信号品質を劣化させていた．本研究では，AM雑音成分を逆位相で光送信器の外部変調器に印加することにより光強度変調雑音を除去する新しい制御方式の提案した．本提案手法によると，信号多重用の波長多重合波器を波長弁別器として共用でき，またディザリングによって生じた光強度成分を，高速データ用の変調と共用させて除去する方法を講じることによって，光回路の低コストと簡素化を図ることができる．本研究では，実験による原理検証とシミュレーションとの相互検証を行うと共に，本提案手法による長時間の波長安定度の確認を行った．

第4に，光ファイバ通信ネットワーク帯域の有効利用の観点から，光ラベルを用いたバーストトラヒックの光スイッチング方式の研究を行った．従来の光ラベル方式では，宛先情報等を含む光ラベルを高周波数サブキャリア変調しペイロードに付

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加する方式であったのに対し，本研究では，光ラベル情報をペイロードのベースバンドビット列を直接符号化して低速BPSK変調信号を生成することで，ラベル読取り回路が低速電子回路で実現でき，また光ラベル信号とペイロードの光分散遅延が発生しない．さらに，光送信器やネットワーク伝送機器との親和性が高く，受信感度やエラー耐力に優れたルーチング情報の転送が可能となる．本研究では，本提案方式を4ノード光バーストスイッチング・ネットワークで実証実験を行い良好な動作を確認した．

最後に，第5として，全国展開されている光デジタル同期網を活用した地上デジタル放送波（OFDM変調波）の伝送方式の研究ならびに有効性を実証するため装置化とフィールド実験を行った．これまでにも，光ファイバを使用した地上デジタル放送波の伝送が行われているが，ダークファイバを使用して放送波を光アナログ伝送するものであり，長距離伝送では，伝送距離に応じて品質劣化が生じていた．

そこで，光デジタル同期網信号に同期してOFDM信号波をデジタルサンプリングし，当該ネットワークでデータ伝送することにより，距離に依らず安定で高品質な地上デジタル放送波の伝送を実現した．

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図目次

図 2.1 技術分野における本論文の位置付け ... 7

図 2.2 国際間光ネットワーク構成 ... 9

図 2.3 光海底ケーブルシステムの光伝送系概念図 ... 9

図 2.4 光ネットワークにおけるレーヤ構造 ... 12

図 3.1 光ファイバ損失増加に対する光信号および光雑音パワーの変化 ... 16

図 3.2 光ファイバ損失増加に対する受信光SNRへの影響 ... 17

図 3.3 ループバック方式を用いた線路監視システムの構成 ... 18

図 3.4 中継器ループバック回路の構成 ... 19

図 3.5 光ループバック回路損失量とQファクタの関係 ... 20

図 3.6 線路監視装置の構成 ... 24

図 3.7 線路信号除去回路の構成 ... 27

図 3.8 線路信号除去回路RF出力の光入力パワー依存性 ... 28

図 3.9 ... 相関法により検出したループバック信号 ... 29

図 3.10 ループバック信号とバックグラウンド雑音の積分時間依存性 ... 31

図 3.11 光ファイバ区間障害における線路監視結果 ... 32

図 3.12 ループバック信号レベルの偏波ホールバーニングによる影響 ... 34

図 3.13 ループバック信号測定における偏波スクランブラの効果 ... 34

図 3.14 間欠障害検出 ... 36

図 4.1 OTDR法を適用するための光増幅中継伝送システムの構成モデル ... 41

図 4.2 HLLBによるクローストークの影響 ... 42

図 4.3 コヒーレントOTDRの構成 ... 44

図 4.4 線路設備の概略構成 ... 46

図 4.5 線路設備 ... 46

図 4.6 OTDR測定系の構成 ... 47

図 4.7 D^OUBLE-F^AULT時のOTDR測定波形 ... 49

図 4.8 SINGLE-FAULT時のOTDR測定波形 ... 49

図 4.9 局部損失箇所の測定結果 ... 50

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図 4.10 5,600KMシステムの測定結果 ... 51

図 4.11 平均化処理による改善効果 ... 53

図 4.12 平均化時間と測定可能な光ファイバ長 ... 54

図 4.13 構成図 ... 55

図 4.14 光スペクトラム ... 56

図 4.15 1,000KM 測定結果（測定波長MN：1552.3NM） ... 57

図 4.16 1,000KM 測定結果（測定波長CH-4：1555.5NM） ... 57

図 4.17 ループ実験の構成 ... 58

図 4.18 信号成分のレベル変化（PN変調） ... 59

図 4.19 信号成分のレベル変化（固定パターン10変調） ... 59

図 4.20 信号レベルの距離依存性 ... 60

図 4.21 無中継伝送システムの構成 ... 61

図 4.22 測定波形 ... 62

図 5.1 WDM光送信機の概略構成 ... 67

図 5.2 計算結果 ... 70

図 5.3 波長制御エラーのシミュレーション結果 ... 71

図 5.4 データ信号変調とAM成分除去の原理 ... 72

図 5.5 回路構成 ... 73

図 5.6 AWGフィルタの光透過特性 ... 74

図 5.7 偏光状態変動によるAWG合波器の波長シフト ... 75

図 5.8 10GBIT/Sデータに重畳したディザリング成分（5KHZ） ... 76

図 5.9 光ヘテロダイン法による光スペクトラム観測結果 ... 77

図 5.10 AWGフィルタの伝達関数と位相検波出力 ... 79

図 5.11 光変調度に対する中心周波数オフセット (10GBIT/S NRZ,PRBS2²³-1). . 80

図 5.12 60時間測定における中心周波数ドリフト ... 80

図 5.13 10G^BIT/^Sデータ・アイダイヤグラム (NRZ,PRBS2²³-1). ... 82

図 6.1 光バーストスイッチングネットワーク ... 84

図 6.2 光バーストスイッチングの基本構成 ... 85

図 6.3 TAGシグナリング方式 ... 87

図 6.4 IBTシグナリング方式 ... 87

図 6.5 RFDシグナリング方式 ... 88

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図 6.7 検討に用いた光バーストフレームの構成 ... 89

図 6.8 制御信号（SCMラベル）の構成 ... 91

図 6.9 ラベル生成方法 ... 91

図 6.10 BPSK受信機の構成 ... 92

図 6.11 ラベル信号時間波形 ... 92

図 6.12 符号誤り率特性 ... 93

図 6.13 アイダイヤグラム ... 93

図 6.14 実験系 ... 94

図 6.15 エラー付加の様子 ... 95

図 6.16 エラー有無におけるBPF入出力波形 ... 97

図 6.17 BPSK復調出力波形（155.52MBIT/S,1010パターン） ... 97

図 6.18 O-E-Oの伝達特性 ... 98

図 6.19 2×2 光スイッチルータの構成 ... 100

図 6.20 フレーム構造 ... 100

図 6.21 実験構成 ... 101

図 6.22 OLSR-1における観測波形 ... 103

図 6.23 OLSR-2および3における観測波形 ... 103

図 6.24 受信機入力における観測波形 ... 104

図 6.25 END-TO-END符号誤り率特性 ... 104

図 6.26 ネットワーク実験構成図 ... 106

図 6.27 信号波形 ... 108

図 6.28 トラヒックのルーチング指数 ... 110

図 6.29 トラヒックの累積 ... 110

図 7.1 システム概念図 ... 115

図 7.2 伝送装置の構成 ... 117

図 7.3 スペクトルマスク ... 119

図 7.4 実験構成 ... 120

図 7.5 位相雑音特性 ... 123

図 7.6 遅延プロファイル ... 123

図 7.7 BER-C/N特性 ... 124

図 7.8 周波数安定度評価 ... 126

図 7.9 実験に使用したSDH網ルート ... 127

図 7.10 長期周波数安定度 ... 127

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表目次

表 5.1 Qファクタ測定結果 ... 81

表 6.1 信号波形と伝送性能 ... 96

表 6.2 実験ネットワークで転送可能なルート ... 102

表 6.3 ルーチングテーブル ... 102

表 6.4 実験ネットワークで転送可能なルート ... 107

表 6.5 ルーチングテーブル ... 107

表 7.1 主要諸元 ... 117

表 7.2 OFDMパラメータ ... 119

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第 1 章序論

1.1 本研究の背景

ブロードバンド・インターネットの普及により，安全・安心な社会生活を支える社会インフラとして，超大容量の通信ネットワークの整備が行なわれてきた．高品質で高信頼の通信ネットワークの構築が希求され，一方では，通信費用の低価格化が求められ，ネットワークリソース（帯域やインフラ）の効率的利用や通信装置の簡素化による低コスト化が不可欠となっている．とりわけ通信ネットワークの障害は社会生活そのものを混乱させる誘因となることから，低コスト化と同時に高信頼性を確保するための革新的な新規技術が要求されている．

近年のインターネットを主体とするグローバルマルチメディア化とともに，海外との通信トラヒックが急増している．国際間を結ぶ大洋横断ケーブルは，光信号を直接増幅可能な光増幅器の出現により，従来主流であった再生中継方式から，光増幅中継方式へと急激な変貌を遂げた．1995年以降建設された光海底ケーブルシステムのほとんどが，光増幅中継方式を採用している．従来の再生中継方式は高速化が困難な上，1つの光信号しか中継できず，またアップグレードなどの拡張性に欠けている．一方，光増幅中継方式は，RF（Radio frequency）増幅器と同様に複数の光信号を一括して光増幅でき，さらに光信号の変調形式や速度等に対してほとんど依存せず光増幅できるという利点を有することから，大容量化と拡張性に優れている．これら光増幅中継方式の特徴を最大限活用することで，通信設備が海底に敷設される海底ケーブルシステムの保守監視技術においても革新的で魅力的な方法が可能となり，中継回路の簡素化と高信頼化を実現することができる．

一方，日本国内でのFTTH（Fiber to the home）契約数は，2006年12月末時点でブロードバンド・インターネットサービスの全契約数の26%に相当する794万加入に達し，今後さらに増加傾向にある． 2006年6月に総務省は，2010年度へ向けたブロードバンドの整備の在り方を示す「次世代ブロードバンド戦略2010」を策定した．本戦略では，超高速ブロードバンドの世帯カバー率（全世帯に対し占める比

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率）を，2010年までに90％以上にすることを目標としている．ここで，超高速ブロードバンドは，上りおよび下りの双方向とも30Mbps 級以上であるブロードバンド回線を想定している．このようなブロードバンド化を見込むと，さらなる光通信ネットワークの大容量化が不可欠となっている．

光ファイバインフラを効率的に利用し，大容量化を実現するためには，1本の光ファイバで複数の光信号を多重伝送する高密度波長多重技術が重要である．さらに，

光回線の占有率を向上するため，トラヒック粒度（グラニュアリティ）の小さな光交換技術を用いることで，トラヒックアグリゲーション効果を向上させ，回線帯域の利用効率の向上が期待できる．

また，地上アナログテレビ放送の2011年終了に向けて，地上デジタルテレビ放送ネットワークの構築が進められている．放送ネットワークは，これまで独自の番組中継ネットワークを構築してきたが，光ネットワークとの融合を図り，番組中継ネットワークをこれにオーバーレイすることで，早期展開が可能となる．すなわち，

地上デジタル放送を全国あまねく展開するには，広範囲に構築された光ネットワークを効果的に活用する新規技術が必要となっている．

1.2 本研究の目的

本論文の目的は，まず，グローバルマルチメディアの基幹を成す大洋横断光ネットワークにおいて，光増幅中継方式の利点を最大限活用した海底設備の保守監視方式として，新しい光中継器監視法ならびに光ファイバ線路障害位置検出法の提案を行う．次に，光ネットワークの効率利用の観点から，光ファイバ通信ネットワークにおける要素技術として，通信容量の拡大に不可欠な光送信器波長安定化法，光スイッチングノードにおける光ラベル手法，さらに高速同期系光ネットワークと連携した放送ネットワーク構成に係る応用技術の提案を行う．

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1.3 論文の構成

本論文は，光ファイバ通信網における保守監視方式（第3章および第4章）および効率利用方式（第5章，第6章および第7章）について，信号処理技術をベースとした新規提案をベースに，これらの研究成果について取り纏める．

本論文の構成は，以下の通りである．

まず，第2章では，光ファイバ通信網に関する技術動向について述べ，本論文における研究対象を明示する．

第3章では，グローバルマルチメディアの根幹を成す大洋横断光ネットワークにおいて，光増幅中継方式の特徴に適した新しい中継器監視法について纏める．中継器のコスト増加の一因となっていた中継器監視回路の簡素化を図るため，全光回路による光ループバック法と相関検出法を組み合わせた新しい中継器監視法の提案を行う．また，監視測定時間の短縮と測定精度の向上を図るため，測定信号電力対雑音電力比の改善が可能な光受信機の提案を行う．実際に，本研究に基づく光中継器回路ならびに監視装置の開発を行い，実システムでの検証において本中継器監視の有用性を検証する．

第4章では，大洋横断光ネットワークにおける光ファイバ線路の障害位置探索法に関する研究について述べる．本研究では，光中継器を越えて，全中継器区間の光ファイバの障害箇所をピンポイントで特定することを目的とし，光中継器光回路の最適設計，光コヒーレント検波によるレーリー後方散乱光の測定方式（コヒーレントOTDR：Optical Time Domain Reflectometer）の研究と，本研究に基づく装置開発について述べる．本方式により，5,600km遠方の光ファイバの障害点を300mの距離分解能で検出できることを確認し，これまで不可能であった中継器間の光ファイバ線路の障害位置を高い分解能で検出可能なことを示す．

第5章では，光ネットワークの大容量化を図る上で必須となる高密度・波長分割多重技術において，高い通信品質を長期間にわたり維持するために必須となる送信光信号光源の発振波長安定化技術に関する研究について述べる．本研究では，複数の異なる波長の光信号を合波するための波長合波回路において，当該合波回路の透過波長（光周波数）の安定化を図り，これを波長基準として，前記の複数の光信号波長を一括安定化する方法について検討を行う．さらに，波長安定化制御の過程で

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生じる送信光信号光源の光強度変調雑音を除去する独自手段を組み合わせることで，光送信装置のコストを増加させずに，信号光源の波長安定化が可能な制御方式を提案し，その有効性を確認する．

第6章では，光通信ネットワーク帯域の効率利用手法として，光バーストスイッチングに関する研究について述べる．アプリケーションのIP（Internet Protocol）化が進んだことで，光ネットワークを中継するトラヒックの大半が，インターネットトラヒックが占めるようになってきた．このバースト性を有するインターネットトラヒックに対して，現行の回線交換型の光スイッチング方式では帯域利用の無駄が生じるため，高速IPルータなどのアグリゲーション処理が必須となっている．バースト・トラヒック性に適した光スイッチング方式を用いることで，帯域利用効率を改善することができると期待される．本研究では，独自の光ラベル方式を提案し，

これに含まれる宛先情報に基づき自律パス切替制御を行う光ラベル・スイッチングネットワークの実現性について検討を行い，その有効性について示す．

第7章では，これまでキャリアクラスの光通信ネットワークとして使用されてきた高速デジタル同期網方式（SONET/SDH：Synchronous Optical Network /

Synchronous Digital Hierarchy）の特性を有効に活用し，地上デジタルテレビ放送ネットワークの効果的な展開を図るべく，放送系と融合させた通信ネットワークの有効利用に関する研究について纏める．地上デジタル放送番組中継用の送信所－送信所間回線として，SONET/SDHネットワークを経由して地上デジタル放送波

（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing変調波）を転送する伝送方式の検討を行う．地上デジタル放送の重要な特徴である単一周波数ネットワーク

（SFN：Single Frequency Network）の構築を実現するため，ネットワーク同期性に

優れたSONET/SDHネットワークを利用し，送受信間のクロック同期に基づく波形

伝送について提案し，その優れた送受間の周波数同期性能と地上デジタルテレビ放送のSFNの実現性について示す．

第8章は結論であり，本論文の主たる成果について述べる．

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第 2 章光ファイバ通信網における技術動向と本研究の対象

2.1 現状技術と動向，研究テーマとの関係

図 2.1 に光ファイバ通信ネットワークにおいて核となる主要技術のロードマップと，本技術分野における本論文研究の位置付けについて示す．

まず，光通信ネットワークの構成上不可欠な光中継伝送路について述べる．光中継伝送路は，中継ノードを接続するための通信リンクであり，技術的な観点で分類すると，大洋を横断する光海底ケーブルシステムと，メトロポリタンエリアから基幹系（コア）に至る陸上光伝送システムに大別される．両者の根本的な差異は，伝送距離と中継設備の設置環境（あるいは中継設備のサイズ）であると言うことができる．光海底ケーブルの場合，例えば大洋を横断するためには，最長で9,000kmにも及ぶ長距離伝送と，水深 8,000m にも耐えうる耐圧構造（800 気圧）が必要であり，また敷設装置で許容される中継器筐体サイズの制限など，両システムに求められる方式の難易度の差は明らかである．すなわち，海底中継器に搭載可能な通信回路は，大きさが著しく制約され，中でも監視保守回路の優劣が中継器の性能を左右し，延いては光海底ケーブルシステムそのものの優劣に影響すると言っても過言ではない．一方，陸上光伝送システムでは，このような制限がないため，比較的容易に中継装置ならびに光ファイバ線路の監視保守が可能である．以上は，本論文の第 1および第2の研究テーマ（第3章および第4章）である光海底ケーブルシステムにおける保守監視法に関連する．

次に通信回線の大容量化手段について考える．近年，波長分割多重（WDM:

Wavelength Division Multiplexing）技術を適用することで，通信容量の大容量化が容易なことから，実用化が盛んに行われている．国際電気通信連合電気通信標準化部門（ITU-T：International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）規格（波長グリッド）に適合したレーザダイオードや波

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長合分波器も低価格で入手可能となっている． WDM 技術は，陸上光伝送システムと光海底ケーブルシステムの何れにも適用でき，また信号変調型式や速度を問わず多重可能な透過性を有するため，通信キャリアにおける高信頼・高速光同期網

（SONET/SDH: Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy）信号のみならず，光バースト信号や光パケット信号などあらゆる光信号を多重伝送することが可能である．光ファイバインフラを有効利用するために，WDMは必須技術であり，今後更なる高密度化が要求され，波長間隔の狭窄化は重要な課題となっている．

以上は，本論文の第3の研究テーマ（第5章）である超高密度多重を実現するための波長安定化手法に関連する．

SONET/SDHネットワークの整備によって，高速通信ネットワークが日本国内に

広く展開されている．従来の音声と同期系データ回線の需要から，近年のインターネットトラヒックへの急速なシフトによって，IP パケット転送の効率的かつ安価な伝送システム手段が指向されている．実際に，IP パケットの転送性能に優れ，

SONET/SDHの物理層性能を兼ね備えたRPR（Resilient Packet Ring）技術が台頭してきている．今後，IP トラヒックの爆発的の増加とともに，電気処理から光領域での信号交換が望まれており，GMPLS（Generalized Multi Protocol Label Switching）

をベースとした回線交換型の光クロスコネクト（OXC: Optical Cross Connect）をはじめ，非回線交換型の光バーストスイッチング（OBS: Optical Burst Switching）や光パケットスイッチング（OPS: Optical Packet Switching）へ研究がシフトしている．

OPSはストア・アンド・フォワーディングを基本とするため，光バッファが不可欠であるが，OBS では，光スイッチによるカットスルー型の光交換方式なので，実現性が高いと考えられる．以上は，本論文の第4の研究テーマ（第6章）である光ラベルを用いた光バーストスイッチング技術に関連する．

さらに，旧来のSONET/SDHは，ほぼ全国展開が図られ，デジタル系の基盤伝送網の地位が確立している．通信トラヒックのIP化への変遷とともに，RPRが台頭してきているが，いぜんとして物理層は網同期をベースとするSONET/SDH技術を踏襲しており，今後も同期網の利用は続くものと予想される．全国に広く展開され，

かつ各ノード間での極めて優れた同期性能をうまく利用することで，ネットワーク利用率を向上させることが可能である．すなわち，これまでの通信サービスだけに囚われず，これまで完全独立に構築されてきた放送ネットワークとの融合を図るおとで，放送ネットワークを早期かつ効率的に構築することが可能である．以上は，

本論文の第5の研究テーマ（第7章）であるSONET/SDHを用いた地上デジタル放送用の回線提供手段に関連する．

(27)

図 2.1 技術分野における本論文の位置付け高機能化

超高密度超高密度多重化多重化 RPRRPR

WDM技術 WDM技術同期網ベース

ネットワーク

完全非同期ネットワーク

（全光IP）

光海底ケーブル（伝送）システム監視保守技術監視保守技術監視保守技術監視保守技術

監視保守技術

陸上光伝送システム

伝送端局技術伝送端局技術

光伝送技術光伝送技術

長距離化

大容量化第3章

第4章

第5章放送ネットワーク

との融合技術放送ネットワーク放送ネットワークとの融合技術との融合技術

年代

第7章

中継伝送路

SONET/SDH SONET/SDH

トレンド OXCOXC OBSOBSOBS

第6章

OPSOPS

(28)

2.2 研究テーマ対象の概要

2.2.1 光海底ケーブルシステムの監視保守

図 2.2は，国際間光ネットワークの概略構成を示している．光海底ケーブルネットワーク（Submarine Cable Network）は，国際間通信トラヒックの伝送において，

極めて重要な通信インフラであり，大容量で障害耐力に優れた低コストの通信設備，

陸上光ネットワークとは異なる運用保守が容易な要素技術が必要とされている．

光ファイバを使った最初の大洋横断ケーブルは，1988 年に開通した大西洋横断ケーブル（TAT-8）である．日米間ケーブルでは，1年遅れの1989年に開通した第 3太平洋横断海底ケーブル（TPC-3）であり，波長1.3μm帯，伝送速度 280Mbit/s，

電話 4,000 回線の容量を有していた．その後，波長 1.55μm 帯光信号を使用した

TPC-4では，中継器間隔が飛躍的に延伸した．これらのケーブルシステムでは，光

信号の中継には再生中継方式が用いられていたが，その後，光信号を光のまま増幅できる光増幅器の出現によって，光伝送性能が飛躍的に向上した．1995 年末に光増幅器を中継器とする第5太平洋横断海底ケーブルネットワーク（TPC-5CN）が建設された．光増幅器を用いた光中継伝送システムは，陸上システムを含めても

TPC-5CN が初めての試みであり，よって，本研究もまた，世界初の光増幅器を用

いた光海底ケーブルシステムの監視保守方式に関するものとなった．一方の陸上光中継伝送システムは，設置条件から，海底ケーブルシステムに比べ保守が容易であり，また監視制御信号の伝送が容易であることから，例えば，イーサネットなどを特定の信号波長を使って中継器監視専用に割当てる方法が一般的に用いられている．

図 2.3 は，光海底ケーブルシステムにおける光伝送系の概念図を示している．

TPC-5CN 以降使用されている光増幅器を用いた光中継伝送システムであり，光信

号の伝送区間では一度も電気変換しないことから，総伝送距離によって最適な中継距離（間隔）が異なる．太平洋を横断するには約9,000kmのケーブルシステムが必要であり，中継間隔は33km程度となっている．海底中継器は深海に敷設されるため，限られたサイズの収容容器に収める必要があり，回路規模が陸上に比べて著しく制限を受ける．光海底ケーブルシステムでは，光中継器ならびに光ファイバケーブルは海中に設置されるので，保守は極めて困難である．このため，通信設備に対して十分な信頼性を確保することと，障害時には正確な障害箇所の特定が必要である．陸上（陸揚局）から，中継器の動作状態を把握する技術，また中継間隔が非常

(29)

に長いことから，光ファイバの障害位置も高精度で探索可能な技術が望まれていた．

海底ケーブル敷設においては，全地球測位システム（GPS: Global Positioning System）や，海中敷設シミュレーションの併用によって，精度の良いケーブル敷設が実現されており，敷設ケーブルの回収においては，1km以下の分解能でケーブルを探索できる能力を有しており，よって，光ファイバの障害位置探索の分解能も 1km 程度が必要とされる．

本論文では，光海底ケーブルシステムの運用保守手法について，以下の2つの研究テーマの検討を行った．

・光ループバックを用いた光中継器監視方法（第3章）

・光増幅中継システムにおける光ファイバ線路障害位置検出法（4章）

図 2.2 国際間光ネットワーク構成

図 2.3 光海底ケーブルシステムの光伝送系概念図 Terrestrial Terrestrial Network C Network C Terrestrial

Terrestrial Network A Network A

Submarine Cable Submarine Cable

Network Network Terrestrial

Terrestrial Network B Network B

Cable Landing Station

(30)

2.2.2 光ネットワーク技術

図 2.4は，光ネットワークにおけるシステム方式とネットワークレイヤを示している．近年， WDM 技術の進展と光デバイスコストの低価格化が牽引し，低廉な光アクセスシステムでも，WDM技術が適用されるに至っている．通信キャリアネットワークは，高信頼のSONET/SDHの構築が積極的に行われ，現在の高信頼の高速デジタル通信ネットワークが確立されてきた．また，IP トラヒックの急増によって，IP フレームに親和性の高い通信方式が検討されおり，これを実現する RPR が商用化に至っている．さらに，IP トラヒックの効率転送を考慮した場合，光バーストスイッチングや光パケットスイッチングなど，よりトラヒックのバースト性を考慮した光スイッチング手法が要求されている．

次に，収容サービスについて考える．これまでは，同期系高速データなどの専用線サービスが主流であったが，最近は，IP パケットによってトリプルプレー（電話，映像，インターネット）をはじめとするマルチメディアサービスが提供されるようになった．IP 系サービスの台頭によって，同期系で構成された SDH/SONET システムの存在そのものが，陳腐化している傾向がある．しかし，同期系アプリケーションも多く，非同期の IP ネットワークを使って端末で同期処理を行うか，あるいは同期ネットワークを使って端末コストを低くするか議論が分かれるが，同期ネットワークを使った新規のアプリケーションの開発も有用と考えられる．

(1) 波長分割多重システム技術の動向

現在，WDMは，光通信の大容量化の基本技術であり，欠くことができない基本技術である．ITU-T Recommendation G.694（Spectral grids for WDM applications:

DWDM frequency grid）では高密度波長配置プランが規格策定されている．この場合，隣接波長チャンネル間への干渉が無いように，光信号の波長安定化技術は重要な課題となっている．

(2) 光交換（スイッチング）技術の動向

通信トラヒックのほとんどが，IPにシフトしており，その膨大なトラヒックを交換するIPルータの処理能力も限界に達しようとしている．そもそもIPルータで処理される IP トラヒックのほとんどが，中継のみであることを考えると，電気処理

(31)

に依らず，光のまま経路切替処理する方法は，IP ルータの処理を軽減するとともに，高速化によって生じる消費電力の増加も解消することが可能と考えられている．

(3) SONET/SDHならびに放送システム

伝送システムは，同期系システムとして発展してきた高速デジタル光通信方式の国際規格であるSONET/SDHが主流であり，世界中のテレコム・キャリアが採用し，

広く構築されている．日本においても例外ではなく，基幹系ネットワークとして展開されている．近年，IPによるネットワーク化が進んでいるが，SONET/SDHは監視系や障害復旧能力に優れていることから，基幹系方式としての地位が確立している．一方，IP トラヒックの効率伝送の観点で，SONET/SDH 方式を応用した RPR が台頭してきており，メトロポリタンエリアネットワークとしての展開が行われてきている．RPR は，IEEE（米国電気電子学会）で規格策定された方式であり，

SONET/SDH方式を拡張したものと言える．SONET/SDH は，ノード間に仮想パス

を設定した 2 点間通信を基本としていたが，RPR では，ネットワークを構成する複数のノードで，帯域をシェアできるように作られている．また，RPR は，IP フレームに適合性が高いほか，レガシーなTDMサービスもサポートしている．

次に，テレビ放送ネットワークについて考えて見る．映像素材伝送は，従来の ATM（asynchronous transfer mode）ほか，IPでも伝送できるようになってきている．

一方，送信所から送信される放送波の番組回線は，旧来より放送事業者自営のマイクロ波回線で提供されている．最近，光ファイバ（ダークファイバ）に，マイクロ波回線で使用されるマイクロ波信号（通常は中間周波数帯信号）を光変換した，いわゆる光アナログ伝送が行われるようになってきた．しかし，日本では，地上アナログテレビ放送波の停波を 2011 年に控え，地上デジタルテレビ放送の送信所の早急展開が求められており，放送事業者の経済的負担が大きい．さらには，地上デジタルテレビ放送はUHF帯で行われるため，VHF帯に比べて視聴カバー範囲が狭くなり，送信所数も大幅に増加させなければならないことがわかっている．従来方法によるマイクロ波伝送設備やダークファイバ利用は不経済的であることから，全国展開され，かつクロック同期系を構成しているSONET/SDH を有効に利用すれば，

地上デジタルテレビ放送送信ネットワークを効率的に展開できると期待される．

以上の通り，本論文では，効率利用手法について，以下の3つの研究テーマの検討を行った．

・ディザリング強度成分キャンセルを用いた波長安定化方法（第5章）

(32)

・光ラベルを用いた光バーストスイッチング（第6章）

・ SONET/SDH回線を用いた地上デジタル放送IF信号伝送（第7章）

図 2.4 光ネットワークにおけるレーヤ構造

(33)

第 3 章光ループバックを用いた光中継器監視方法

3.1 まえがき

9,000km にもおよぶ大洋横断ケーブルネットワークをはじめとする基幹光伝送

路の光信号中継方式として，光信号をそのまま中継可能な光増幅器の研究・実用化が活発に行われてきた[1, 2]．中継用の光増幅器としては，希土類のエルビウム

(Erbium)を添加した光ファイバを増幅媒体とする光増幅器（以下，EDFA：Erbium

Dope Fiber Amplifierと称す）が一般的に用いられるようになった．EDFAは，高

利得・低雑音特性と広帯域性を有しており，超高速光信号のみならず波長分割多重

（WDM：Wavelength Division Multiplexing）信号の中継伝送をも可能とした．

従来主流であった再生中継方式に比べ，その回路構成の簡素化により光中継伝送システムの高信頼化と低コスト化を可能とした．また光増幅器の簡素性から中継器サイズを小型化できるため，海底設備（光中継器および光ファイバケーブル）の敷設・

修理等に伴う中継器のハンドリングが容易になる等の利点も有している．

光増幅器を用いた中継伝送システム（以下，光増幅中継伝送システムと称す）

の実用化では，中継器回路の簡素化と共に，監視機能の簡略化も重要な課題であり，

光増幅器の利点を十分生かした光増幅中継伝送システムの保守監視方法の開発が望まれてきた．一般に，光増幅中継伝送システムの監視方法として，コマンドテレメトリを使用した中継器回路の制御や情報収集が検討されてきた [3-5]．しかし，

中継器コマンドテレメトリ機能は，制御信号や監視情報を各中継器で電気的に終端するため，従来の再生中継器の監視方式と比較して，何ら変わらない規模の電子回路を中継器に実装する必要がある．一方，光増幅中継伝送システムの中継器監視回路の簡素化を目的として，光ループバック法による監視方式が提案されてきたが [6-9]，これまでの報告は同方式による可能性が示されただけで，光ループバックによる監視法を明確化する詳細な検討を行うまでに至っていない．

(34)

本章では，光増幅中継伝送路が，伝送速度や変調形式に依存しない信号伝送が可能であると共に波長多重信号の伝送が可能な，いわゆる透過伝送媒体であるという特徴に着目し，光ループバック法による光増幅中継伝送システムの全光監視法について提案とその検証を行う．まず，光増幅中継伝送システムに適した監視方式を勘案するという観点から，本システムの伝送特性と信頼性に注目し，再生中継伝送系に類似する中継器監視法と対比した本提案の光ループバック法による監視方法の概念を明確にし，中継器光ループバック回路の設計における要求条件を明示する．

つぎに，微弱なループバック信号光を検出するための手段として，PN相関検出法による信号抽出方法と，対向回線の光データ信号と同時受信したループバック信号光の信号対雑音電力比（SNR：Signal to Noise Ratio）を改善するための光受信信号処理方法について提案する．最後に，実際の光増幅中継伝送システムにおいて，

光ループバック信号の相関検出，障害シミュレーションを行い，提案方式の有効性を確認するとともに，光ループバック信号の測定誤差要因の改善・評価を行う．

3.2 光増幅海底中継伝送路の保守概念

3.2.1 高信頼化された光増幅海底中継伝送路

一般に光海底ケーブルシステムの海中設備は，設計寿命25年以上，シップリペア2回以下という極めて高い信頼性が要求される．光増幅中継伝送システムでは再生中継方式のような高速回路を使用しないため，さらに高信頼度の光海底ケーブルシステムを実現できる．例えば，1995 年 12 月に完成し運用が行われている第 5 太平洋横断ケーブルネットワーク（TPC-5CN）の基本方式であるOS-A方式 [1] では，各光中継器における励起光源の並列同時励起によって，1中継器当り約10FIT¹ の信頼性を設計配分している [10]．また同システムの光ファイバ区間に 1 スパン当り最大1FITを割り当てると，1中継区間当りの信頼性は11FIT程度となる．従って，300 中継，方式長 9,000km の大洋横断ケーブルを想定した場合，1 ファイバペア当り 3,300FIT となる．すなわち，1 ファイバペア当りの平均故障間隔

（MTBF：Mean Time Between Failure）は，約34年という高い信頼度で設計さ

れていることになる．

1 FIT(Failures in Time)．デバイスの不良発生率の単位であり，１FITは１個のデバイス当り

(35)

3.2.2 光増幅海底中継伝送路の自己回復特性

OS-A方式 [1]は，光増幅器の励起光パワーを安定化すると共に，光増幅器の利得動作点を飽和領域に設定して利得圧縮点で動作させている．このため，励起光パワーの劣化や光ファイバ区間の損失増加が生じて光増幅器の入力信号レベルが低下しても，光増幅器の利得圧縮点からの伸張が行われ，後続の数中継でほぼ標準出力レベルに復帰する自己回復特性（Self-Healing）を有している．図 3.1は，40km 中継継問隔 9,000kmシステムにおける伝搬距離に対する信号光パワーと雑音光パワー（1nm 帯域当り）の変化を計算したものである．ここで，計算に使用した光増幅器の入出力特性を図 3.1 中に示す．利得波長特性は，便宜上 2 次バターワース型とした．図 3.1 では，4,000km 点のファイバ区間に 15dB の損失増加を与えたときの各光信号パワーの変化（太線）を，正常の伝送状態の場合（細線）と比較している．15dBの損失増加に対しても，信号光パワーレベルは障害点以降の中継器で除々に正常パワーに自己復帰しており，9,000km伝送後の光SNR劣化はわず

か0.8dB程度であることがわかる．また図 3.2は，障害位置をパラメータ（1,000，

4,000，7,000km）とした場合の損失増加量に対する9,000km伝送後の光SNR（受

信帯域は 1nm）を示している．障害点がシステム受信端に近づくほど，障害に対するSNR劣化は増加するものの，損失増加量が25dB程度以下であれば，5.3Gbit/s， NRZ信号の符号誤り率特性（BER：Bit Error Ratio）が10-¹¹となるSNRを確保できている．以上のように，1中継区間の特性劣化によるシステム全体への波及効果は，再生中継方式に比べはるかに軽減される．従って光増幅中継伝送システムは，

その自己同復特性により，区間損失増加のような障害に対して優れたシステム耐力を有していることがわかる．

3.2.3 伝送路の保守概念と要求される監視機能

海底ケーブルシステムの線路監視に課せられた重要な役割は，伝送路内の障害発生位置と障害状況の正確かつ迅速な標定である．さらにシステム（ネットワーク）

障害発生の予防の観点から障害予測が可能なことが望ましい．前者は修理作業に必要な障害位置および障害程度に関する情報を与え，後者は伝送路の計画修理や回線迂回措置などのレストレーション計画などの対する予備的な情報を与える．従って，

海底ケーブルシステムの保守運用の点で，上記を満足する最小限の機能を有することが必要である．

従来の再生中継方式では，1中継器の光源の障害がシステム全体に波及すること

(36)

から，光源の予備冗長構成により高信頼化を図ると共に，保守運用で各中継器の光源の電流や出力パワー等のモニタ，光源の切替情報を得ることは重要であり，これに必要な中継器コマンドテレメトリ機能は不可欠であった．一方，光増幅中継系では，前記のような中継伝送路の透過性，励起光源の並列励起等による冗長化および伝送路の自己回復特性によって，1中継区間の劣化がシステム全体に与える影響が小さいため，詳細な中継器モニタの必要性が軽減される．このため光増幅中継伝送システムの中継系の監視では，再生中継方式と同等な監視項目は必ずしも要求されない．むしろ過剰な監視機能は，中継器回路の簡素化を損ない，低コスト化と保守・

運用の効率化を妨げてしまう．そこで，光増幅中継伝送システムの監視方式は，伝送路の特徴・構成に適合するよう勘案することが重要である．

図 3.1 光ファイバ損失増加に対する光信号および光雑音パワーの変化

(37)

図 3.2 光ファイバ損失増加に対する受信光SNRへの影響

3.3 光ループバック方式による線路監視方法

3.3.1 線路監視の原理

ループバック法は，中継伝送系の障害の区間標定に不可欠な技術である．ディジタル再生中継系では，ループバック回路を順次開閉し対向線路に折り返して自局に伝送することによって，折返し区間までの伝送特性の良否を評価し障害区間の切分けを行っている．

光ループバック法を用いた光増幅中継伝送システムの線路監視方式について，

以下の通り提案する．図 3.3 に光ループバック方式を用いた線路監視システムの構成を示す．各光中継器には，主伝送信号光の一部を対向する伝送路にわずかに折り返す（漏洩させる）ための光ループバック回路が恒久的に接続する．回路は，対向回線への伝送特性に影響を与えないため，対向する光伝送路との光アイソレーションを十分保つほか，陸揚局に設置される監視装置（LME: Line Monitoring

Equipment）で当該光ループバック信号を検出可能な適切な損失値を与えている．

以上の通り，本光ループバック回路は，高い光損失を持たせる必要があるため，本

回路をHLLB（High-Loss Loopback）回路と呼ぶこととする．一方，LMEは，監

(38)

視信号を発生するとともに，各中継器からの光ループバック信号を検出する機能を有する．LMEで発生させた監視信号は，光送信器（OS: Optical Sender）で光伝送信号の強度に重畳され送出される．光伝送信号は，各中継器でその一部がHLLB 回路を介して対向光伝送路に合波され，対向光伝送路を伝搬する光伝送信号と共に送信側（LME側）に伝送される．光受信器（OR: Optical Receiver）は，光伝送信号と光ループバック信号を同時に受信し，それぞれを分離した後，ループバック信号のみを LMEに供給する．LME は，各中継器からの光ループバック信号強度を検出する．光伝送信号に重畳する監視信号の変調度を増減することにより，インサービスとアウトオブサービスの両方の監視を可能としている．以上によって検出された光ループバック信号レベルの経時変動を定期的に測定することによって，各中継区間の光伝送信号の相対パワーレベルの変動をモニタすることができ，中継伝送系のレベルダイヤグラムを間接的に把握することができる．

図 3.3 ループバック方式を用いた線路監視システムの構成

3.3.2 光ループバック回路

図 3.4 に光増幅中継器に採用した光ループバック回路の構成を示す．光ループバック回路は，4個の光カプラで構成される．本章で提案するHLLB回路のほか，

OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）を用いた各中継区間内の光ファイ

バの高精度障害位置検出 [11] 用に使用するための光伝搬経路（OTDRパス）も構成されている．光ループバック回路の各経路の損失は，モニタカプラ（Monitoring coupler）と高損失カプラ（High loss coupler）のスルーポートとクロスポートの分岐比の組合せにより設定している．

(39)

ここで，HLLB 回路の損失量に対する伝送劣化量を推定し，所要特性を満足するための HLLB 損失量について検討する．恒久的に接続された HLLB 回路に起因する伝送特性の劣化要因は，伝送路を伝搬する光伝送信号に対する，対向線路から漏えい累積した同符号速度の信号光のスペクトル成分との干渉と雑音光の累積量の増加が支配的となる．すなわち，HLLB（損失L）による信号光（パワー PS）の漏えいによる累積量は，中継器数をkとするkP_S/Lであり，また自然放出光の漏えいによる累積量は増幅器1台当りの光雑音パワーのk(k+1)/2L倍となる．以上を考慮した9,000km, 300中継におけるQ-Factor（Qualification-Factor） [12] の計算結果を図 3.5 に示す．ここで信号光は，符号速度 5.3Gbit/s，符号形式 NRZ，マーク率

l/2，消光比20dBとした．また光フィルタ帯域は1nmとし，評価しようとする伝送

路を伝搬する信号光と対向伝送路を伝搬する信号光との光周波数差は，お互いの光スペクトル間で生じる受信帯域内のビート雑音量が無視できる光周波数差以上，かっ 1mn 以内として，対向伝送信号光のデータ成分のみが干渉するものとした．図 3.5 から，ループバック損失を約 38dB 以上に設定することにより，十分な伝送特性を確保できることがわかる．本研究では， ∞からの1dB程度のペナルティを見込んで，HLLB回路は45dBの損失量とした．

図 3.4 中継器ループバック回路の構成 L

(40)

図 3.5 光ループバック回路損失量とQファクタの関係

3.4 ループバック信号の検出

3.4.1 相関検出法

中継器HLLB同路は恒久的に接続しているため，各中継器からのループバック信号は重複して受信される．この受信信号から所望する微弱なループバック信号を抽出するために，監視信号に疑似雑音系列符号（PN: Pseudonoise Sequence）を用い，その検出には相関検出法を使用した．PN相関検出法は，雑音中の微弱信号の検出方法として広く知られ，スペクトラム拡散通信をはじめ遠距離測距等，雑音やフェージングが著しい過酷な伝搬条件下で一般に使用されている．

本研究では，最も一般的なM系列（Maximum-Length sequence）符号を用いた PN 相関検出法を使用した．以下に基本原理を示す．M 系列符号からなる基準信号波形 s

( )

t を線路に送出し，中継器で折り返されたループバック信号は，対向線路を経由して送信端で受信される．ここで受信される基準信号形は，中継器ループバック回路までの往復伝搬時明間に対応する遅延を受けているため，この遅延時間を τs とする基準信号波形は ^s

(

^t−τ^s

)

であり，受信信号波形 ^x

( )

^t ^は，

電気通信大学大学院 情報システム学研究科 博士（工学）の学位申請論文

信号処理技術適用による光ファイバ通信網 の保守監視と効率利用に関する研究

堀内 幸夫