通信システム工学特 論
Special Lecture on Communication Systems Engineering
山田 博仁
フォトニックネットワーク概論
H20
年7/24
開講講義内容
講義の目的
:
フォトニックネットワークが求められる背景を理解し、将来のネットワークのしくみについて学習する 主な講義内容
・ 光ネットワークの現状とフォトニックネットワークが求められ ・ ネットワークの基礎 る背景
(
回線交換とパケット交換)
・ 光ノードのしくみ
(
光パスと波長ルーティング, OADM, OXC)
・ フォトニックネットワーク(OBS
とOPS, MPLS)
成績評価 レポート
参考書 ・ 佐藤健一編・著、古賀正文著、広帯域光ネットワーキング技術
-
フォトニックネットワーク-
、電子情報通信学会・
Ken-ichi Sato, Advances in Transport Network Technologies
Artech House Publishers
講義資料のダウンロード
: http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe
光ネットワ
ーク
IP トラフィックの 増加
Internet traffic of IXs in Japan
2
倍/2
年国内の全インターネット トラフィックは平均で約 500Gbps
光リンクの伝送容量の変 貌
日本における光ファイバー伝送大容量化の進展
F-32M F-100M
F-400M
1980 1985 1990 1995 2000 2005
0.01 0.1 1 10 100 1,000 10,000
FS-400M F-600M F-2.4G F-1.6G
F-1.8G
FA-10G
FA-2.4G FSA-2.4G
new F-600M
F-6M
年
伝送容量
(G bi t/ s)
WDM System
光増幅器使用SDH System
分散シフト光ファイバー使用
DFB-LD
使用単一モード光ファイバー使用
商用システム
ETDM
WDM + ETDM
実験
ETDM
WDM + ETDM OTDM
WDM + OTDM
超大容量光リン ク
・ 波長多重
(WDM)
光ファイバー自体の伝送帯域は200THz
以上ある数百波長の光信号を
1
本の光ファイバーで送ることも可能・ 光時間領域多重
(OTDM)
超高速光信号処理技術を用いて、電気信号 処理 を用いることなく全光信号処理 により、1
波長で
1Tbps
の伝送も可能 多重化方式・ 空間多重 光ファイバーは細い
(
直径:125m)
ので、多数本を束ねられる上記の方式を組み合わせることにより、
1
本の光ファイバー当たり10Tbps
以上の光伝送が実現されている・ 光符号領域
(OCDM)
多重 光符号化技術を用いて、電気信号処理を用 いるこ となく全光処理により時間領域或 いは周波数領域で多重
・ 偏波多重 直交する
2
つの偏波に信号を載せる方法。偏波保持ファ イバーが 必要光ネットワ ーク
光リンク
(
光ファイバ)
ノード(
ルータ)
ノード
ノード ノード
(
ルータ)
受光素子
(PD)
光信号 電気信号 発光素子
(LD)
発光素子(LD)
ヘッダ解析 光デバイス
電子デバイス 光変調器
光変調器
発光素子
(LD)
光変調器電 子 スイ ッチ
宛先検出
光
(O) –
電気(E) –
光(O)
バッファメモリ
伝送ノードのスループットの 変貌
1980 1985 1990 1995 2000 2005
0.1 1 10 100 1,000 10,000
384 kbit/s XC
VC-11 XC
ATM XC
年
トータルシステム スループット
(G bi t/ s)
OXC
SDH System
NTT
の商用システム384 kbit/s XC
ATM XC
PDH System
ATM XC
ATM System
OXC
VC-3/4 XC
試作システム
フォトニックトランスポートシステム
(OPXC, Photonic MPLS Router)
OPXC: Optical Path Cross-connect
ノードの処理速度がボトルネ ック
光リンク
(
光ファイバ)
ノード(
ルータ)
ノード
ノード ノード
(
ルータ)
料金所 渋滞
高速道路
リンク容量
: 10Tbps
(40Gbps × 256
波WDM)
ノード処理速度: 100Gbps
フォトニックノードによるボトルネ ック解消
光リンク
(
光ファイバ)
ノード(
ルータ)
ノード
ノード ノード
(
ルータ)
ETC
システム 高速道路リンク容量
: 10Tbps
(40Gbps × 256
波WDM)
ノード処理速度: 100Tbps
フォトニックネットワー クとは
光リンクを流れる光信号を一旦電気に変換することなく、光のまま 交換する次世代の光ネットワーク
フォトニックネットワークが求められる背景
・ 通信トラフィックの急激な増加→ ノードでの処理がボトルネックに
フォトニックネットワーク
→ ノードの低消費電力化が必須
・ ブロードバンド インターネットの急速な普及
・
15
年後には、国内の総発電量の20%
をNW
機器が占める事態にネットワークの
基礎
交換方式
回線交換
パケット交換
例
)
電話例
)
データ通信、インターネット 宅配便 鉄道のポイント切換え回線交換器
エンドユーザーによって一つの回線が専有される
一つの回線が皆でシェアされる
パケット交換器 パケット交換器
ラベル データ
回線交換
回線交換
回線数
: M
回線交換器加入者数
: N
加入者数: N
回線交換器
呼損率
Mi
i M
i A M A A
M B
0
!
, !
A:
トラフィック量M:
回線数N:
加入者数回線交換
回線交換方式
予め送信者と受信者間で回線
(
コネクション)
の設定・確保を行う データを送る前に制御信号を送るノード ノード
データ転送 回線予約設定時間
送信端末 受信端末
予約
設定 予約
設定 予約
設定
データ転送時 間
t
回線交換
回線交換のメリット
回線交換のデメリット
特定のエンドユーザーによって一旦専有された回線は、たとえデ ータが全く流れていない時間があったとしても、他のユーザーが そこにデータを流すことはできない
特定のエンドユーザーによって一旦回線が確保されると、通信が 終了し、回線が開放されるまでは、安定で良質の通信が可能
交換器の構造がシンプル
回線が混んできても、一旦接続されるとリアルタイムの通信が可能 なため、電話においては自然な会話が保証できる
クロスバー交換 器
A
さんB
さんC
さんD
さんX
さんY
さんZ
さんW
さんクロスバー交換器
ノンブロッキング 非閉塞
A
-
X B
-
Y C
-
W D
-
Z A
-
Z B
-
W C
-
Y D
-
X
回線交換電話のクロスバ交換器
パケット交 換
パケットにはデータと同時に、宛先を示す情報が書き込まれている
パケット交換器 パケット交換器
宛先ポート 経路表
①
①
②
③
④
⑤
⑥ 1
2 3
4 1 2 3 4
②
③
④
⑤
⑥ 4 4
1
2 3 4
宛先ポート経路表
① 1 1 1 2
②
③
④
⑤
⑥ 3 4
交換器は経路表に基づきパケットをいずれかのポートに送出する
データをパケット
(Ether Net
ではフレーム, ATM
ではセルと言う)
と いう単位に分割して送出パケットの構
パケットの構造
造
宛先アドレス
IP
パケットIP
アドレス: 32
ビット(IPv4), 128
ビット(IPv6),
Ether Net
MAC
アドレス: 48
ビットデータ
データ
ヘッダ ヘッダ データ ヘッダ データ ヘッダ データ
宛先アドレス送信元アドレス
パケット
IP
パケット ヘッダ部: 20
バイト+ α,
データ部:
可変長Ether Net
ヘッダ部: 22
バイト,
データ部:
可変長(46
~1500
バイト)
ATM
セル ヘッダ部: 5
バイト,
データ部: 48
バイトの固定長パケット交換のし くみ
宅配便との比較
パケット交換 宅配便
荷物 データ
(
ペイロード)
ヘッダ
(
宛先アドレス)
荷札(
送付先)
パケット交換器,
ルーター 集配センター経路表作成
,
宛先検索,
経路制御 仕分け作業,
荷物の積込み 道路, (
鉄道)
リンク
リンク障害 交通事故などによる荷物の破損
パケット交換の特 徴
パケット交換の特徴
一つの回線を皆でシェアし、エンドユーザーによる回線の専有はない データと同時に制御信号が送られる
回線が混んでくると遅延が大きくなり、通信のリアルタイム性が損なわれる
電話においては会話が不自然となる。 例
) IP
電話などで生じる パケット交換のデメリットネットワークの階層 構造
インターネット
レイヤ
1
物理層データリンク層 レイヤ
2
ネットワーク層 レイヤ
3
トランスポート層 レイヤ
4
アプリケーション層
レイヤ
5
電子メールTCP IP Ether Net
CAT5
ハブリピータ ルータ
SW
ハブNW
スイッチATM SONET
光ファイバATM
スイッチATM
レイヤ
4 SW
SDH
WDM
ルータの機 能
・ そのために、他のルータと連携してルーティングテーブル
(
経路表)
を作成する1.
ルーティング(
経路制御)
3.
バッファリング2.
フォワーディング(
宛先検索)
・ 最長一致検索
ルータに入ってくるパケットを、どのポートに出力すべきかを決める
・ ルーティングテーブルは定期的に更新される
ルータに入ってくるパケットの宛先を分析する
・ 完全一致検索 例
) ATM
スイッチ 例)
インターネット日本の人口
1
億2
千万のエントリが必要だが、1
回の検索で経路が決まる 経路表のエントリ数が少なくてすむが、1
回の検索では経路が決まらない郵便は実際、最長一致検索
パケットがある出力ポートに同時に出力されるような場合、衝突を避け るために待たせる
MPLS
MPLS (Multi-Protocol Label Switching)
ノードに落ちてくるトラフィックに比べて、ノードを通過するトラフィックが大きい場合
ノードスループット拡大のための手法
通常の
IP
ルータヘッダ処理
ノードを通過 するトラフィ ック
ノードに落ちて くるトラフィッ ク
MPLS
ルータノードを通過 するトラフィ ノードに落ちて
くるトラフィッ ク
ヘッダ処理
クロスコネクト処理
MPLS
データ ヘッダ
データ ヘッダ
カプセル化
ラベル
IP
パケットデータ
MPLS
ネットワーク プロトコル(IP)
MPLS
ネットワーク プロトコル(IP)
MPLS
ネットワーク プロトコル(IP)
MPLS
ルータ1
データ1
1
データ2
データ2
データ2
1
データ2
データ1
データ1
2
データ2
IP
パケットラベル
2
はスルー ラベル1
はNW
層へ1
データカプセルを開けて
IP
ヘッダを読む カプセル化カプセルを開けて
IP
パケットを取り出すIP
パケット 個々のパケットにラベルを付与光ノー ド
光ノードの種 類
1.
光パス(
回線)
スイッチング・ 空間的光パス スイッチング 光の物理的な線路を切り替える 例
) MEMS
光スイッチ,
熱光学(T-O)
光スイッチ・ 波長領域光パス スイッチング
(
波長ルータ)
・ 時間スロットパス スイッチング
(OTDM
ネットワークノード)
・ 仮想パス スイッチング(OCDM
ネットワークノード)
2.
光バーストスイッチング(OBS) 3.
光パケットスイッチング(OPS)
光ノード
フォトニックノード
O-E-O
スイッチングノードO-O-O
スイッチングノード光スイッ チ
→ ガードタイム
・ スイッチング速度
:
ms
オーダーからns
オーダーまで2×2
スイッチクロスバー スイッチ バー状態
入力
1
入力2
出力
1
出力2
入力
1
入力2
出力
1
出力2
入力
1
入力2
出力
1
出力2
クロス状態光スイッチの性能指標
・ スイッチの規模
:
2×2, 1×N, N×N
光スイッ チ
電気制御
-
光スイッチ(
光の経路を切り換えるが、ON-OFF
の制御は電気で行う)
光制御
-
光スイッチ(
光-
光スイッチor All
光スイッチ)
ON-OFF
制御も光でやる現在研究開発中 将来の全光信号処理システムに使われるかも
?
スイッチング機構 特 徴
メカニカル
(MEMS)
熱光学
(T-O)
効果その他に、磁気光学
(M-O)
型、音響光学(A-O)
型などもある電気光学
(E-O)
効果nS
オーダーの高速切換え高価
mS
オーダーの遅い切換え速度 安価mS
~ S
オーダーの切換え速 度比較的安価Port1 Port2
入力ファイバー
出力ファイバー
入力
1
入力
2
出力2
出力1
ヒーター+
電界印加
-
3 次元 MEMS 光スイ ッチ
光スイッチ ファブリックの光学系
http://pr.fujitsu.com/jp/news/2003/09/29.html
富士通が開発した
80 ch 2005
年には、256×256
チャネルを1ms
で切り替えられる光スイッチも 開発22-1.asx
2 次元 MEMS 光スイ ッチ
光ファイバー
ミラー コリメートレンズ
0 50 100 150 200 -40
-30 -20
T ra ns m is si on ( dB )
Heating power (mW) Port 1
Port 2
0.0 0.5
0 1
In te ns it y (a .u .)
Time (ms) Heating current Light output
Si 細線導波路による熱光学 ( T-O ) 光ス イッチ
スイッチング特性 素子特性
スイッチング電力
: 90 mW
消光比: > 30 dB
スイッチング応答速度
: < 100 s
スイッチ素子の構造T. Chu et al., Optics Express 13, 10109 (2005)
超小型 1×8 光スイッ
チ T. Chu et al., Proc. SPIE 6477 (2007)
MZ
型Si
細線導波路光スイッチ素子1×8
光スイッチの写真チップサイズは僅か 1.4 mm×2 mm
1×8
光スイッチのスイッチングの様子Port1 Port2
Port8
超小型 1×4 光スイッチモジュ ール
MiniDIL
パッケージへの実装1×4
光SW
素子入力
SW1 SW2
SW3
出力1
出力
2
出力
3
出力
4
250 m
光ファイバーアレイ
光 ( 波長 ) パスにつ いて
波長変換が可能な場合
ノード
ノード
1
2
1
1 端局端局
波長変換 波長変換
ノード
ノード
1
2
1
1
1
1 端局端局
波長ルータ 波長ルータ
AWG
50 mm
Arrayed Waveguide Grating
1
2
N スラブ導波路光合分波器
:
光を波長によって分ける(
分波器) /
多波長の光を束ねる(
合波器)
コア クラッド
Si
基板0.5 m 0.5 m
石英光導波路
この一本一本が このような光 導波路からな る
波長ルー タ
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4AWG AWG
or
カプラAWG
AWG
AWG
ポート1
ポート
2
ポート
3
ポート
4
ポート
5
ポート
6
ポート
7
ポート
8
AWG
などのパッシブな光部品のみで構成できる
1
1
3
3OADM
OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)
とはR-OADM (Reconfigurable OADM)
WDM
信号の中から或る特定 の波長のみDrop
し、Add
す るもの
1 ‥‥
nOADM
i
iWDM
信号Add/Drop
できる波長を任意
1‥ ‥
nOADM
WDM
信号OADM
OADM
OADM
WDM
リングNW OADM
波長可変光合分波器 (R- OADM)
1550 1552 1554 1556 1558 1560 1562 1564 -35
-30 -25 -20 -15
T ra n sm is s io n s (d B )
Wavelength (nm)
0 mA 20 mA 40 mA 45 mA 55 mA 65 mA
1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558 -40
-35 -30 -25 -20 -15
Wavelength (nm)
T ra n sm is s io n s (d B )
マイクロヒーター加熱による熱光学効 果で、最大
6.6 nm
のドロップ波長可 変幅を実現波長切り換え速度
< 100 S
signal in
drop out add in
through 3-dB coupler
d
Bragg grating electrodes
heater
700 m
=370 nm d=30 nm
3-dB coupler
500 m
ヒーター加熱による波長チューニンク特性 分波特性
T. Chu et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1409 (2006)
波長可変レー
波長可変レーザの構成
ザ
半導体光増幅器 回折格子
コリメート レンズ
ポンプ光
出力光
波長可変フィルター 光ファイバー 増幅器
波長変換
1. O-E-O
変換によるLD PD
1 電気
22.
各種非線形光学効果による1)
半導体光増幅器(SOA)
の相互利得変調(XGM) or
相互位相変調(XPM)
を用いるa)
対称Mach-Zehnder
干渉計(SMZ)
型2)
パラメトリック過程を用いるa)
和周波・差周波発生、第二高調波発生3)
ラマン散乱b)
四光波混合波長変換
半導体光増幅器
(SOA)
の相互位相変調(XPM)
を用いる波長変換器信号光
CW
光
2
1t
t
SOA
などの非線形光学媒質光導波路
信号光のビットパター ンがコピーされて出て くる
t
2
2出力光
出力光
信号光が
SOA
に入射すると、XPM
によりCW
光の 位相が変調されるt
波長変換
パラメトリック過程を用いる波長変換
a)
和周波・差周波発生、第二高調波発生b)
四光波混合
1
2
3
3=
1+
2
1
2
3
1
2
2= 2
1
3=
1-
2
1仮想準位
和周波発生 差周波発生 第二高調波発生
1
2
3
4=
1+
2-
3仮想準位
4
p
p
s
i= 2
p-
s仮想準位
i()
p
s
iポンプ光
波長変換光 信号光
四光波混合による 40Gb/s 波長変 換
40Gbps NRZ
波長変換実験系Y.-H. Kuo et al., Optics Express 14, 11721 (2006)
波長変換効率
: -8.6dB Pump power: 450 mW
逆バイアスされた8cm
長SOI pin
リブ導波路による40G
波長変換波長変換出力スペクトル
40Gbps Eye Diagram
左:
入力信号右 波長変換出力信号
Si 光導波路による波長変換素 子
ラマン効果による ( 1.55 m→1.3 m ) 波長変換 ( Si リブ光導波路 )
1427.3 nm
=1542.3 nm
1328.8 nm 1542.3 nm
変換された信号のスペクトル
V. Raghunathan et al., IEICE Electron. Express 1, 298 (2004)
Si
リブ光導波路2 m
0.48 m 0.45 m Si
SiO
2コア
ポンプと信号光が同一偏波
ポンプと信号光が直交偏波
符合ラベル処 理
データ データ データ
t
波長ラベル 波長ラベル
1
4
3
2
2
1
3
4
1
4
3
2グレーティング光ファイバー
データ データ データ
グレーティングパターンとラベルが一致した場合 サキュレータ
一致しないと
時間スロットパス スイッチ ング
ノード
ノード 端局
端局
t
2t
3t
3t
2t
1t
1t
1t
2t
3t
4t t
4t
1t
2t
3t
4t
4t
1t
2t
3t
4短い時間スロットの光パルスを切り出すため、超高速光スイッチが必要となる
仮想パス (OCDM) スイッチ ング
ノード
ノード 端局
t
端局1 0 1 1 0 1
Ch1
1 t
0 1 0 1 1
Ch2
1 t
0 0 1 0 1
Ch3
Code1
Code2
Code3 Code4
Code1
Code1
で符号化1 0 1 1 0 1 t
Code1
Code3 Code2
Code3 Code4 Code4
Code2
で符号化1 t
0 1 0 1 1
1 t
0 0 1 0 1
Code3
で符号化光バースト スイッチング 方式
ノード ノード
バースト転送 回線予約設定時間
送信端末 受信端末
予約
設定 予約
設定 予約
設定
データ転送時 間
光バースト スイッチング
(OBS)
ACK REQ
回線交換と同様に、予め送信者と受信者間で回線
(
パス)
の予約を行う光パケット スイッチング 方式
ノード ノード
パ ケ ッ ト 転送
送信端末 受信端末
ヘッダ処理とバッ ファリングによる
遅延パ ケ ッ ト 転送
パ ケ ッ ト 転送
データと同時に制御信号が送られる 光パケット スイッチング
(OPS)
OPS ノードの機能構 成
経路制御
(
ルーティング)
‥ ‥ パケットの経路表を作成ラベル処理 ‥ ‥ ヘッダを読み、経路表に照らし合わせて出力ポートを決定 スイッチング ‥ ‥ パケットの出力先を適切な出力ポートへ切り替える
パケットスケジューリング ‥ ‥ パケット同士が衝突しない様タイミングを計る バッファリング ‥ ‥パケットを出力させるまでの間、しばらく待たせる
ペイロード ヘッダ
ルーティング
(
経路表作成)
ラベル処理
(
出力ポート決定)
スイッチング
(
適切な出力ポートへ)
スケジューリング
(
パケット衝突回避制御)
バッファリング
(
パケットを一時保管)
出力光バッフ ァ
1.
光遅延線路と光スイッチによる2. Slow Light
による電磁誘導透過
EIT: Electromagnetically Induced Transparency
|1>
|3>
|2>
300,000km/s
→28m/s 0.9μK(
約-273 ) ℃
ナトリウム70
~90K(-203
~-183 )
℃ ルビジウムRb
300,000km/s
→1km/s
光スイッチ 光スイッチ 光スイッチ 光遅延線路 光遅延線路 光遅延線路
フォトニック MPLS
MPLS
ネットワーク プロトコル(IP)
MPLS
ネットワーク プロトコル(IP)
MPLS
ネットワーク プロトコル(IP)
フォトニック
MPLS
ルータ1
データ2
データ1
データ2
データIP
パケットラベル
2
はスルー ラベル1
はNW
層へ1
データIP
ヘッダを読むIP
パケットを取り出すIP
パケット1
データ1
データ2
データ2
データ波長ラベル
ラベルは個々のパケットでは なくビットストリームに付与
フォトニック
MPLS
ネットワークフォトニック
MPLS
ルータIP
ルータIP
ルータフォトニック MPLS ルータ
MPLS
ルータ部波 長 変 換
部 光
XC
機能部フォトニック MPLS ルータ
NTT
が開発したフォトニックMPLS
ルータGMPLS
GMPLS (Generalized MPLS)
MPLS
の処理機能をより一般化したもの。その仕様は未定MPLS
をIP
ネットワークだけでなく、レイヤーの異なる光ネットワ ークでも使えるように拡張する手法。IP
ネットワークと光ネットワ ークを連携させた管理・制御が可能。 例えば、SONET
装置のタイム・スロットや光クロスコネクトの光波長を、
IP
ルーティング情報を 利用して制御する。NTT
などでは試作が行われているMPLS, GMPLS,
フォトニックMPLS
の比較GMPLS
フォトニック
MPLS MPLS
ラベルが付与 されるエンテ ィティラベル
制御対象
LSP
タイムスロット位置 波長
ビットストリーム
光パス パケット セル フレーム
VP/VC DLCI DLCI VPI/VCI
シムヘッ ダ
時間フレーム中の タイムスロット
(VC)
バーチャルコンテ ナ
(SDH)
光ネットワークの 進化
2000 2005 2010 2015
1995
年代容量
(b it/ s)
1T 1P
1G
p-to-p
WDM p-to-p
WDM
リングNW OADM
OADM OADM
高機能
メッシュ型
NW OXC
OXC OXC
OXC
フォトニックMPLS
ルータ メッシュ型NW
フォトニック
MPLS
ルータ フォトニックMPLS
ルータIT ネットワークの将 来像
PC
はHDD
レス、CF
メモリーのみに100M
ワイヤレスと10G Ether
装備Web2.0
のサービスPC
は単なるデータ検索端末にオンデマンド
TV
データは全て安全なサーバーに保管
NHK
アーカイブス 受信料を払えば 過去のTV
番組も 自由に視聴可能 どこでもTV
電話 本や音楽は、読みたい時聴きたい時にダウンロ 街中の至る所で
BB
でネットに接 続映画製作会社
レポート課 題
以下のいずれかについて、
A4
用紙3
枚以内にまとめよ1.
各種フォトニック ネットワーク(OBS, OPS,
フォトニックMPLS)
について、その違いを明確にしながらしくみについて述べよ。