日本における超高速通信の将来について
ＮＩＣＴの研究を中心に
-松島 裕一
OUTLINE
１．はじめに
伸び続ける光通信需要と技術課題
２．課題解決に向けてのアプローチ
効率的な光波利用、省電力
３．ＮＩＣＴにおけるチャレンジ
最近の研究成果トピックス
４．まとめ
未来に向けた光技術のロードマップ
１．はじめに
インターネット普及に伴う情報流通量 （トラフィック） の急増
○
2020-30年代にはペタビット（1000テラビット）に達するトラフィック
を収容するための、超高速・大容量・効率的な光ネットワークインフラが
必須。
アメリカへ
ロシア・韓国・ヨーロッパへ
中国・インドへ
○ 2008年4月の全国のトラフィック総量は 880ギガビット
（主要なインターネット交換ポイント（IX）の合計から推計）
○1年間に約1.4-1.5倍の伸び（総務省推計より）
情報の単位： ビット（bit/s） (固定電話：６４ kbit/s） キロ：kbit/s = 10*3 bit/s メガ：Mbit/s = 10*6 bit/s ギガ：Gbit/s = 10*9 bit/s テラ：Tbit/s = 10*12 bit/s ペタ：Pbit/s = 10*15 bit/s101.9 102.7 107.4 132.0 158.7 193.2 214.9 238. 7 294.2 303.3 74.4 75.9 79.3 99.1 116.1 139.3 150.1 167. 0 199.4 207.5 269.4 298.1 319.7 424.5 469.1 523.6 636.6 721.7 812.9 879.6 111.8 124.9 133.0 178.3 194.2 226.2 264.2 306.0 339.8 374.7 30.9 31.8 33.0 41.6 48.1 60.1 62.3 70.8 83.4 88.3 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1 3 5 7 9 1 1 1997年 1998年 1999年 2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 2008年
我が国におけるブロードバンドの現状 - トラフック量の推移
年間 数倍 ∼1.4 倍の 伸び 協力ISP6社のブロードバンド 契約者のトラフィッ ク総量 （参考）国内主要IXで交換さ れるトラフィッ クピーク値 国内主要IXで交換されるトラ フィッ ク総量 協力ISP6社の国内主要IXで 交換されるトラフィッ ク総量 ブロードバンド契約者の トラフィック総量（推定値） 我が国のブロードバンド 契約者のダウンロード トラヒック総量 879.6Gbps（推定値） 我が国のインターネットトラフィックの推移 高速回線の普及によりインターネットトラフィック量は急激に上昇し、今後も需要の増加 が見込まれる。 ト ラ フ ッ ク 量 ︵ ギ ガ ビ ッ ト / 秒 ︶我が国におけるブロードバンドの現状 - 加入者数の推移
光回線（FTTH）の契約数が、平成20年6月末には約1,300万件を突破するなど、ここ数 年超高速ブロードバンドが急速に普及しつつある。 平成17年３月 FTTH純増数と DSL純増数が逆転 平成18年６月 DSL契約数が 純減モバイルアクセス・次世代携帯
：
100ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒∼最大1ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
（現行携帯：最大数10ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒）
交換（ノード）
伝送
基幹光ネットワーク
光アクセス
・FTTH：10ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
（現在100ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒）
放送用コンテンツ（非圧縮時）
・デジタルシネマ：7.64 ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
・スーパハイビジョン：39.8 ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
ワイヤレスアクセス
・ 135ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒以上
インタネットトラヒック牽引状況
アクセス光ネットワーク
（ペタビット）
100GbE
光ネットワークの現状
◇幹線系 波長多重（ＷＤＭ）技術の導入（ファイバあたり最大数64波） 都市間： １波長あたり 2.4∼10ギガビット 大陸間： 2.4∼20ギガビット ◇アクセス系 ブロードバンド化が進展 ADSL（メタルを広帯域化） 1,200万回線 FTTH（光ファイバの普及) 1,300万回線 （＠2008.06） ◇ファイバー内は光信号だが 交換ノードでの処理は 電気信号によっている （電気＝光変換を多用）2.4G 800M 400M TDM 10G×16 WDM 10G 1.6G 2.5Gx16 1G 10G 100G 1T 10T 100M [bit/s] 2005 2000 1990 1995 1985 1980 [年] Ethernet 100G×140 14T (NTT) 3.2bit/s/Hz, 12.3T (NICT/Lucent) 3.2bit/s/Hz, 25.6T (NICT/Lucent)) 100G×204 20.4T (NTT) 100GbE 40G×27310.9T NEC/NICT 1.6bit/s/Hz, 6.4T OCDM/WDM (NICT) 40Gx260,10.4T (Alcatel) 日本 (共同、委託含む) 海外研究機関
ファイ
バ
１
本
あ
た
り
の
伝送容
量
20Gx120,2.4T (Tycom) 80Gx25 2T Lucent ・ 1981年の光ファイバ伝送方式の本格導入以来、日本の光通信技術は常に世界を牽引 ・ FTTH (Fibet-To-The-Home)加入者数では日本が世界１位を独走 ・ 1981年の光ファイバ伝送方式の本格導入以来、日本の光通信技術は常に世界を牽引 ・ FTTH (Fibet-To-The-Home)加入者数では日本が世界１位を独走日本の光伝送技術の優位性
20１０ 160G Field (NICT) 160Gx81.28T Field(KDDI/NICT) 40G 160Gでも課題が：例えば通信用電力の問題
• 現状の調査では、通信用の電力
（空調設備も含む）は日本全体
の総発電量の最大で約５％程度
と推定される。
• このまま、年率2倍のデータ通信
量の増加を仮定し、それがその
まま、電力量に比例すると仮定
する。
（この仮定は信じがたいが。。。
あえて
悲観論
）
2025年以前に、現在の総電力量を越える？？
光通信・ネットワークの当面の課題
• 将来必要とされる光ＮＷの容量は膨大になる
これを現状の技術で解決しようとすると
① 高額なインフラ整備への再投資の問題
② ファイバ数や波長数の増加で対応は可能だが
スペースや消費電力の問題が深刻になる
③ 波長数の増加など複雑なネットワークは
回線制御・管理、セキュリティが課題
２．課題解決に向けて
問題解決へのアプローチ
• ネットワークインフラの増強・整備
• スペース・電力に配慮した、光ノード装置の開発
• ネットワークの高効率化・高信頼度化
• 新しいネットワーク管理技術の創出・普及
• これらを導き出す革新的な新技術の開発
「徹底した効率化」技術
時間軸上、周波数軸上、2次元空間上、
光/電気処理から全光処理へ
徹底した効率化技術とは
• 超高速伝送技術
１６０Gbps/波長以上の伝送速度
• 周波数利用効率の向上
変調方式の飛躍的な向上：
多値変調(DQPSK, QAM)、ＯＣＤＭ、誤り訂正
• ノードスループットの高速化、大容量化
全光処理ノード、光３Ｒ機能、新規制御プロトコル
• 並列光処理による２次元光伝送方式、光処理、ノード技術
徹底した効率化技術に向けた研究
消費電力、低混信性
信号品質などの制限要因
により最適な組み合わせが
決定される。
超高速化
波長多重化
周波数利用の高効率化
8Gbit /
number
WDM
Bit/symbol
10
40
80
160
320
640
2
4
10
210
310
１パルスあたりの
伝送可能な情報容量
Bit/Symbol を増大する
高効率変復調技術適用
多値化
OCDMなど
従来の容量増大化技術
高ビットレート化(Gbit/s/波長)
ｘ
３．ＮＩＣＴにおけるチャレンジ
最近のトピックス、新しい応用分野の開拓
１） 光伝送方式の高速性・大容量性追求
２） 光ネットワークの大容量性・機能性・省電力化追求
３）新しい光通信分野の開拓に向けて
１）光伝送方式の
高速性・大容量性追求
◇ 高速化 ＝＞時間軸上での多重
（ＯＴＤＭ，ＥＴＤＭ）
◇ 大容量化＝＞波長多重
（WDM)
＝＞多値変調方式
（ＤＱＰＳＫ，ＱＭＡ）
＝＞空間多重方式
（マルチコアファイバ）
光時分割多重（OTDM）超高速光通信システム
160Gb/s 送信系
160Gb/s 受信系
CH1 時分割 分離部 （DEMUX） クロック 抽出部 40 GHz1
1
2
2
3
3
光波形歪み 補償部 DET1 DET2 DET3 CH2 CH3160Gb/s 光信号
40 Gb/s 40 Gb/s 40 Gb/s1 2 3
1
4
4
...
...
NW-A : NW運用管理技術の研究開発 NW-B : テラビットクラス実現のためのテストベッド GMPLS相互接続技術 10G (1G×8) 当 初10Gベース NICT北九州ITセンター 金沢 10G 10G 10G×2 10G NICTつくばRC 大手町 NICTけいはんなセンター NICT小金井 10G 10G NICT鹿島 10G 仙台 札幌 1G 1G 長野 高知 名古屋 1G 1G 1G 福岡 堂島 10G (1G×8) 10G (1G× 8) 光 光 1G 10G 10G (1G×8) 岡山 NICT神戸 1G 金沢 金沢 福岡 福岡 堂島 堂島 岡山 大手町 産学IT北九州 NICTけいはんな つくば NICT鹿島 つくばRC 大手町 堂島 NICT NW-A : NW運用管理技術の研究開発 NW-B : テラビットクラス実現のためのテストベッド GMPLS相互接続技術 10G (1G×8) 当 初10Gベース NICT北九州ITセンター 金沢 10G 10G 10G×2 10G NICTつくばRC 大手町 NICTけいはんなセンター NICT小金井 10G 10G NICT鹿島 10G 仙台 札幌 1G 1G 長野 高知 名古屋 1G 1G 1G 福岡 堂島 10G (1G×8) 10G (1G× 8) 光 光 1G 10G 10G (1G×8) 岡山 NICT神戸 1G 金沢 金沢 福岡 福岡 堂島 堂島 岡山 大手町 産学IT北九州 NICTけいはんな つくば NICT鹿島 つくばRC 大手町 堂島 NICT ●OXC・波長多重ネットワーク による 20G/10Gbit/s バックボーン ●全国 63 アクセスポイント ●海外との接続 ●実証研究のため光テストベッド部 2 か所を整備
研究開発ネットワークJGN II の構成
ASK-DPSK多値化160Gb/s 光信号の都市間伝送
160Gb/s
ASK-DPSK
♦ ≰ 孔函
160Gb/s
ASK-DPSK
抐≰ 孔函
光テストベッド 200km 従来の160Gb/s光信号 光パルス間隔∼6.25 ps 160Gb/s ASK-DPSK多値化 光パルス間隔∼12.5 ps フィールド光フイバ伝送 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -11 -12 - lo g ( B E R ) -40 -35 -30 -25 -20 受信光パワー [dBm] 伝送前 200-km 伝送後 ○● : ASK in APSK ? ■ : DPSK in APSK △▲ : RZ- ASK 伝送後受信感度劣化(@BER10-7) ASK-DPSK多値化：４∼５dB 従来方式（RZ‐ASK）：８ｄB Q I世界最高速度・最高密度光ファイバ通信
I（実部） Q（虚部） 1 2 3 4 Ｉ（実数部）信号 Q（虚数）信号 レーザ光 高速多機能LN変調器 差動４値位相変調（ＤＱＰＳＫ）信号 ①世界最高速度光ファイバ通信：25.6Tbps 240km伝送 データ伝送容量の世界最大記録 OFC 2007 PDP19 信号の密度（周波数利用効率）世界最高→さらなる容量拡大が容易 ②100GbE対応信号の世界最長伝送: 107Gbps x10 2000km伝送 次世代イーサネット規格100GbEを支える技術 ECOC 2006 PDP-3 差動４値位相変調（ＤＱＰＳＫ）による高速大容量伝送超高速位相制御技術で超高密度伝送を実現
超高速光通信ネットワーク
ー 持続的な社会を支える社会インフラ ー
●20年後（∼2025年）：年率1.5倍で、20年で
情報量3000倍→10,000倍
（ﾑｰｱの法則）
を想定
• Tbpsアプリ（超臨場感、五感、メガデータ
ベース検索）
• マルチサービス（サービススケーラビリティ）
→ファイバ当りペタビット、ネットワークスルー
プットでエクサビットの伝送処理能力
→NICT主催のEXAT研究会における検討
背景（１）：多重化の限界
• これまでの多重化の流れ
– TDM→TDM/WDM→？
– TDM/WDMはそろそろ限界
• TDM：40 Gbpsが実用化→100 Gbps
– 課題・限界：高速変復調、ファイバのPMD（偏波分散）
• WDM：∼100波システムが実用化→200波
– 課題・限界：光増幅器の帯域（40 nm x 3バンド）
背景（２）：光ファイバ入力パワー限界
• 光ファイバへの入力パワーはそろそろ限界
– ファイバフューズ（コア溶融）閾値∼1.5 W
– 現在の基幹（テラビット）システムの入力パワー
∼数100 mW→
２∼３倍しか余裕なし
（ファイバ内光パワー密度∼MW/cm
2＞加工用レーザ）
• 現在の光ファイバでの伝送容量の限界
– 受信感度の改善、光増幅のNF改善で X 20
→ 数10∼100 Tbps／ファイバ
ペタビット超ファイバインタフェースに向けて
●光ファイバの耐入力パワーの向上
– Holey Fiber構造で
X100程度の向上（閾値∼100W)
• 新たな多重方法（例えば）
– SDM（Space-division Multiplexing：空間分割多重）
• コア多重（マルチコアファイバ）
一括増幅などメリット
• ファイバ多重
• 光空間通信（マルチビーム）
– MDM（Mode-division Multiplexing：ﾓｰﾄﾞ分割多重）
２）光ネットワークの
大容量性・機能性・省電力化追求
◇ パケットスイッチによる
信号粒度を細やかに制御する光ノード
◇ 全光化による省電力ＮＷノード
◇ グリーン光ＮＷの視点が今後重要
超高速光技術の導入によりノードのボトルネック解消
（電気的処理の限界克服）
光ネットワークのボトルネックは？
ネットワークボトルネックの主な原因はノードに有る
Link High-speed
Link High-speed
Node Bottleneck
ノードのボトルネック解消は光処理に頼らなくても可能
（電気的パラレル処理の導入）
光ネットワーク、ノード技術のロードマップ
波長多重（WDM) リング網技術
OADM : Ootical Add/Drop Multiplexer
OADM 光パケット交換 （ＯＰＳ）技術 1 2 1 3 2 3 1 2 1 3 2 3 統計多重 帯域予約不要 最小データ粒度 ストア＆フォワード 統計多重 帯域予約不要 最小データ粒度 ストア＆フォワード 波長提供サービス網技術 WD M 回線交換型 集中管理 IPルータとOXCの個別運用 最大データ粒度 カットスルー 回線交換型 集中管理 IPルータとOXCの個別運用 最大データ粒度 カットスルー 回線交換型 IPルータとOXCの機能統合 最大データ粒度 カットスルー 回線交換型 IPルータとOXCの機能統合 最大データ粒度 カットスルー WDM 波長バースト 交換技術 WDM ＷＤＭリンク 高ビットレート化 超多波長／超高密度化 トランスペアレンシー拡大 ＷＤＭリンク 高ビットレート化 超多波長／超高密度化 トランスペアレンシー拡大 NICT独自の
研究開発目標
ネ
ッ
ト
ワ
ー
ク
の
効率
産業界との連携による研究開発
光パケット交換ノードの構成
. 電気処理 光処理 ルーティング表 光ラベル処理装置 光スイッチ スケジューラ 光バッファ 光ラベル(あて先)符号と 出力先ポートの対応付け 光ラベル(あて先)読み取り 出力先ポートを決定 パケット同士が衝突 しないタイミングを 計算 光パケットを適切な出力先 ポートにスイッチ 衝突しないように 光パケットを待たせる ラベル データ 光パケット 光信号 ノード: 経路制御を行う ○光パケット交換ノードは、光ラベル(あて先)を読み取って、光パケットを適切な出力先へ転送する機能を 持つノード ○ペタビット級の高速大容量化のため、パケットの通り道をすべて光回路で構成する必要がある ○光回路化する対象は「光ラベル処理装置」、「光スイッチ」、「光バッファ」の3要素。大容量・高効率光ノード技術に対する期待
現在の光ネットワーク 現在の光ネットワーク 将来の光ネットワーク （例えば，光パケットスイッチ） 将来の光ネットワーク （例えば，光パケットスイッチ） 通信網の端から端まで、データを電気変換せず 光のままで交換・伝送。 電気的処理…電子回路の処理スピードに限界 ダウンロード遅い、遂にはネットワークダウン 光処理…超高速で伝送・処理。 快適ダウンロード、いつでもすぐに繋がる、 環境にも優しい信頼できるネットワーク 通信網の中継点や分岐点（交換機）にお いて、電気信号に変換して処理。 超高速・ 大容量化 光→電気変換 電気→光変換 光信号 電気信号 光信号 光ファイバ 光信号 遅延速度大 熱い！！ 装置規模膨大 高速処理 低消費電力 小型軽量 光パケットスイッチ光技術導入のチャレンジ
光通信ネットワークにおいてWDM技術や40Gbps以上の光伝送技術の出現
によりネットワークリンクは超高速かつ大容量になった．
しかしネットワークノードにおいては，電気処理に頼ったスイッチやルータが
用いられているため，パケット交換処理に際しメモリアクセス等の遅い処理
が含まれ，ボトルネックを生じる．電気パラレル処理の導入により，高速性
の実現は可能であるが，ノードにおける消費電力の極端な増加という深刻
な問題を引き起こす．
パケットのアドレス部に光符号ラベルを用いることにより，ノード内部でのア
ドレス処理の光化を実現し，世界初の光パケットスイッチプロトタイプ開発に
成功した．その結果，上記ボトルネックを解消し，超高速・大容量ネットワー
ク実現が可能となる．
将来的には高機能かつ低消費電力ノードの実現が期待される。
＊
＊
＊
＊
超高速光符号ラベル処理による光パケットSWシステム
４．まとめ
未来に向けた光技術のロードマップ
超高速・大容量
100M
陸上系伝送容量の進展と限界予測
伝送
容
量
/
フ
ァ
イ
バ
[bp
s
]
年
1.6G2.4G 1980 1985 1990 1995 2000 2005 400M 10G E-TDM Moore’s Law Guilder’s Law 半年で２倍 18ヶ月で２倍 2010 2015 2020 2025 100T 100P 10T 10G 1G 1P 10P 1E 1T 100G 電子デバイス速度制限 増幅帯域制限 ~25T 100T 100P 10T 10G 1G 1P 10P 1E 1T 100G 第１ブースター 光ファイバアンプ 第2ブースター 新規伝送路を含めた イノベーション O-TDM 40G WDM 壁 １０桁 40Gx40 実験システム 商用システム 10Gx80 光パワー制限 １波長当り1テラ／個人
