通信システム 学特論 Special Lecture on Communication Systems Engineering フォトニックネットワーク概論 H 20年 7/24開講 山田 博仁
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る背景 ・ ネットワークの基礎 (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: //www 5 a. biglobe. ne. jp/~babe 質問等は: E-mail: yamada@ecei. tohoku. ac. jp
光ネットワーク
IPトラフィックの増加 国内の全インターネット トラフィックは平均で約500 Gbps 2倍/2年 Internet traffic of IXs in Japan http: //www. jpix. ad. jp/en/techncal/traffic. html
光リンクの伝送容量の変貌 10, 000 実験 商用システム ETDM 1, 000 ETDM WDM + ETDM 伝送容量 (Gbit/s) OTDM 100 WDM + OTDM 10 F-2. 4 G FSA-2. 4 G FA-2. 4 G 1 0. 01 FA-10 G F-1. 6 G F-1. 8 G F-600 M F-400 M FS-400 M WDM System new F-600 M 光増幅器使用 SDH System F-100 M F-32 M 1980 分散シフト光ファイバー使用 DFB-LD使用 F-6 M 単一モード光ファイバー使用 1985 1990 1995 年 日本における光ファイバー伝送大容量化の進展 2000 2005
超大容量光リンク 多重化方式 ・ 空間多重 光ファイバーは細い(直径: 125 mm)ので、多数本を束ねられる ・ 波長多重(WDM) 光ファイバー自体の伝送帯域は 200 THz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 1 Tbpsの伝送も可能 ・ 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 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10 Tbps以上 の光伝送が実現されている
光ネットワーク ノード (ルータ) 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) 光(O) – 電気(E) – 光(O) 受光素子 (PD) バッファ メモリ ヘッダ 解析 宛先検出 ノード 発光素子 光変調器 (LD) 電 子 ス イ ッ チ 発光素子 光変調器 (LD) 光信号 電気信号 光デバイス 電子デバイス
伝送ノードのスループットの変貌 トータルシステム スループット (Gbit/s) 10, 000 NTTの商用システム 1, 000 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) OXC 100 VC-3/4 XC VC-11 XC 10 384 kbit/s XC 1 ATM XC OXC ATM System 384 kbit/s XC SDH System 0. 1 PDH System 1980 1985 OPXC: Optical Path Cross-connect 1990 1995 年 日本における伝送ノードスループットの拡大 2000 2005
ノードの処理速度がボトルネック ノード (ルータ) 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード リンク容量: 10 Tbps (40 Gbps × 256波 WDM) 高速道路 ノード処理速度: 100 Gbps 渋滞 料金所
フォトニックノードによるボトルネック解消 ノード (ルータ) 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード リンク容量: 10 Tbps (40 Gbps × 256波 WDM) 高速道路 ノード処理速度: 100 Tbps ETCシステム
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 ・ ブロードバンド インターネットの急速な普及 ・ 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 ・ 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 → ノードの低消費電力化が必須 フォトニックネットワーク
ネットワークの基礎
交換方式 回線交換 例) 電話 鉄道のポイント切換え エンドユーザーによって一つの回線が専有される 回線交換器 パケット交換 例) データ通信、インターネット 宅配便 一つの回線が皆でシェアされる パケット交換器 ラベル データ パケット交換器
回線交換器 加入者数: N 回線数: M 回線交換器 加入者数: N 呼損率 A: トラフィック量 M: 回線数 N: 加入者数 トラフィック量と所要回線数との関係
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 送信端末 ノード 受信端末 予約 設定 回線予約 設定時間 予約 設定 データ転 送時間 データ転送 t 予約 設定
回線交換のメリット 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 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 交換器の構造がシンプル 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
クロスバー交換器 回線交換 A - Z A - X B - W B - Y C - W D - X D - Z Aさん Bさん Cさん Dさん ノンブロッキング 非閉塞 電話のクロスバ交換器 Wさん Xさん Yさん Zさん
パケット交換 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 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 経路表 宛先 ポート ① 1 ② 2 ③ 3 ④ 4 ⑤ 4 ⑥ 4 ① ② ③ 1 2 3 4 パケット交換器 経路表 宛先 ポート ① 1 ② 1 ③ 1 ④ 2 ⑤ 3 ⑥ 4 1 ④ 2 3 4 パケット交換器 ⑤ ⑥
パケットの構造 データ ヘッダ データ パケット 宛先アドレス 送信元アドレス 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 宛先アドレス IPパケット IPアドレス: 32ビット (IPv 4), 128ビット (IPv 6), Ether Net MACアドレス: 48ビット
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 パケット交換器, ルーター 集配センター データ (ペイロード) 荷物 ヘッダ (宛先アドレス) 経路表作成, 宛先検索, 経路制御 荷札 (送付先) 仕分け作業, 荷物の積込み リンク 道路, (鉄道) 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 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 パケット交換のデメリット 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
ネットワークの階層構造 インターネット ATM NW スイッチ レイヤ 5 アプリケーション層 電子メール レイヤ 4 トランスポート層 TCP レイヤ 4 SW レイヤ 3 ネットワーク層 IP ルータ レイヤ 2 データリンク層 レイヤ 1 物理層 Ether Net SWハブ CAT 5 ハブ リピータ ATMスイッチ SONET SDH 光ファイバ WDM
ルータの機能 1. ルーティング (経路制御) 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 ・ 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 ・ ルーティングテーブルは定期的に更新される 2. フォワーディング (宛先検索) ルータに入ってくるパケットの宛先を分析する ・ 最長一致検索 例) インターネット 郵便は実際、最長一致検索 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 ・ 完全一致検索 例) ATMスイッチ 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 3. バッファリング 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 (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 ノードに落ちてくる トラフィック ヘッダ処理 ノードを通過する トラフィック 通常のIPルータ クロスコネクト処理 ノードを通過する MPLSルータ トラフィック
MPLS IPパケット ヘッダ 個々のパケットにラベルを付与 データ カプセル化 ラベル ヘッダ データ IPパケット 1 データ 2 データ ネットワーク プロトコル (IP) カプセル化 MPLS IPパケット 1 データ カプセルを開けて 2 データ 1 データ カプセルを開けてIPヘッダを読む 1 1 データ 2 2 データ ネットワーク プロトコル (IP) ラベル 1はNW層へ MPLS ラベル 2はスルー MPLSルータ IPパケットを取り出す 1 1 データ 2 2 データ ネットワーク プロトコル (IP) MPLS
光ノード
光ノードの種類 O-E-Oスイッチングノード 光ノード O-O-Oスイッチングノード フォトニックノード 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)
光スイッチ 入力 1 出力 1 入力 2 出力 2 2× 2 スイッチ バー状態 クロスバー スイッチ 光スイッチの性能指標 ・ スイッチの規模: 2× 2, 1×N, N×N ・ スイッチング速度: msオーダーから nsオーダーまで → ガードタイム
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) スイッチング機構 特 徴 出力ファイバー Port 1 Port 2 メカニカル (MEMS) 入力ファイバー 入力 1 熱光学(T-O)効果 電気光学(E-O)効果 出力 1 m. S～m. Sオーダーの切換え速度 比較的安価 ヒーター 入力 2 + m. Sオーダーの遅い切換え速度 安価 出力 2 - 電界印加 n. Sオーダーの高速切換え 高価 その他に、磁気光学(M-O)型、音響光学(A-O)型などもある 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?
3次元MEMS光スイッチ http: //pr. fujitsu. com/jp/news/2003/09/29. html 2005年には、256× 256チャネルを 1 ms で切り替えられる光スイッチも開発 光スイッチ ファブリックの光学系 光スイッチ ファブリック 富士通が開発した 80 ch 3次元MEMS型光スイッチ
2次元MEMS光スイッチ コリメートレンズ ミラー 光ファイバー
Si細線導波路による熱光学(T-O)光スイッチ T. Chu et al. , Optics Express 13, 10109 (2005) 素子特性 スイッチ素子の構造 スイッチング電力: 90 m. W 消光比: > 30 d. B スイッチング応答速度: < 100 ms スイッチ素子の写真 スイッチング特性 スイッチング応答特性
超小型1× 8光スイッチ T. Chu et al. , Proc. SPIE 6477 (2007) チップサイズは僅か1. 4 mm× 2 mm Port 1 Port 2 MZ型Si細線導波路光スイッチ素子 Port 8 1× 8光スイッチのスイッチングの様子 1× 8光スイッチの写真
超小型1× 4光スイッチモジュール 入力 250 mm 光ファイバーアレイ 出力 1 SW 2 出力 2 SW 1 出力 3 SW 3 出力 4 Mini. DILパッケージへの実装 1× 4光SW素子
光(波長)パスについて l 1 端局 ノード l 1 波長ルータ l 1 l 2 ノード 端局 l 1 端局 ノード 波長変換 l 2 波長変換 l 1 波長変換が可能な場合 ノード 端局
AWG 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) クラッド コア 0. 5 mm この一本一本が このような光導 波路からなる Arrayed Waveguide Grating 0. 5 mm Si 基板 石英光導波路 50 mm Arrayed Waveguide Grating (AWG) スラブ 導波路 l l l 1 2 N AWGの動作原理
波長ルータ ポート1 AWG l 1 3 ポート2 ポート3 ポート4 AWG AWG l 1 l 2 l 3 l 4 AWG or カプラ ポート5 l 1 ポート6 ポート7 l 3 ポート8 AWGなどのパッシブな光部品のみで構成できる
OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)とは OADM l 1 ‥‥ ln OADM WDM信号 WDMリングNW OADM li li WDM信号の中から或る特定の 波長のみDropし、Addするもの R-OADM (Reconfigurable OADM) l 1 ‥‥ ln OADM WDM信号 li li Add/Dropできる波長を任意に 設定可能であるもの
波長可変光合分波器(R-OADM) L T. Chu et al. , IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1409 (2006) d L=370 nm d=30 nm 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 electrodes add in 3 -d. B coupler signal in 波長切り換え速度 < 100 m. S Bragg grating heater 500 mm through 3 -d. B coupler drop out 700 mm 分波特性 ヒーター加熱による波長チューニンク特性
波長可変レーザの構成 コリメート レンズ 回折格子 半導体光増幅器 出力光 波長可変フィルター ポンプ光 光ファイバー 増幅器
波長変換 1. O-E-O変換による l 1 PD 電気 LD l 2 2. 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 b) 四光波混合 3) ラマン散乱
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 t 信号光 SOAなどの非線形光学媒質 l 1 l 2 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 CW光 t l 2 出力光 信号光のビットパターンが コピーされて出てくる 出力光 l 2 t 光導波路 対称Mach-Zehnder干渉計 (SMZ)型
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 w 3 = w 1 + w 2 w 3 = w 1 - w 2 = 2 w 1 仮想準位 w 2 w 3 w 1 和周波発生 w 1 差周波発生 b) 四光波混合 w 4 = w 1 + w 2 - w 3 wi = 2 wp - ws 仮想準位 w 2 w 1 第二高調波発生 仮想準位 w 3 wp ws w 4 wp ポンプ光 wi 信号光 波長変換光 ws wp wi w (l )
四光波混合による40 Gb/s波長変換 Y. -H. Kuo et al. , Optics Express 14, 11721 (2006) 逆バイアスされた 8 cm長 SOI pin リブ導波路による40 G波長変換効率: -8. 6 d. B Pump power: 450 m. W 40 Gbps NRZ波長変換実験系 波長変換出力スペクトル 40 Gbps 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 V. Raghunathan et al. , IEICE Electron. Express 1, 298 (2004) ラマン効果による(1. 55 mm→ 1. 3 mm)波長変換 (Si リブ光導波路) l=1542. 3 nm 1427. 3 nm 1328. 8 nm 2 mm 1542. 3 nm 0. 45 mm Si コア 0. 48 mm Si. O 2 Si リブ光導波路 ポンプと信号光が同一偏波 ポンプと信号光が直交偏波 変換された信号のスペクトル
符合ラベル処理 l 1 l 4 l 3 l 2 l 1 l 3 l 4 データ 波長ラベル データ t 波長ラベル l 2 l 3 l 4 l 1 サキュレータ グレーティング光ファイバー グレーティングパターンとラベルが一致した場合 一致しないと データ データ t
時間スロットパス スイッチング t 3 t 2 端局 t 2 t 1 t 2 t 3 t 4 ノード t 1 t 4 t 1 t 2 t 3 t 4 t t 3 t 4 ノード t 3 端局 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 Code 4 Code 1 Code 4 Code 3 端局 ノード Code 1 Code 2 Code 3 Code 1で符号化 Ch 1 1 0 1 t 1 0 1 1 0 ノード 1 t Code 2で符号化 Ch 2 0 1 1 t Code 3で符号化 Ch 3 0 1 0 1 0 1 t 端局 Code 1
光バースト スイッチング方式 光バースト スイッチング (OBS) 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 ノード 送信端末 REQ 回線予約 設定時間 データ転 送時間 ノード 受信端末 予約 設定 ACK バースト転送 予約 設定
光パケット スイッチング方式 光パケット スイッチング (OPS) データと同時に制御信号が送られる 送信端末 パケット転送 ノード 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
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 ルーティング (経路表作成) ラベル処理 (出力ポート決定) スケジューリング (パケット衝突回避制御) スイッチング (適切な出力ポートへ) バッファリング (パケットを一時保管) ヘッダ ペイロード 出力
光バッファ 1. 光遅延線路と光スイッチによる 光遅延線路 光スイッチ 2. Slow Lightによる 電磁誘導透過 EIT: Electromagnetically Induced Transparency 0. 9μK(約-273℃) ナトリウム 300, 000 km/s → 28 m/s 70～ 90 K(-203～-183℃) ルビジウムRb 300, 000 km/s → 1 km/s |3> |1> |2>
フォトニックMPLS フォトニック MPLSルータ フォトニックMPLS ネットワーク IPルータ IPパケット 1 データ 2 データ ネットワーク プロトコル (IP) 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 1 データ 2 データ 1 データ 波長ラベル IPヘッダを読む ネットワーク プロトコル (IP) データ 1 ラベル 1はNW層へ MPLS IPパケット 2 データ MPLS IPパケットを取り出す 1 データ 2 データ ラベル 2はスルー フォトニックMPLSルータ ネットワーク プロトコル (IP) MPLS
フォトニックMPLSルータ 機 能 部 MPLSルータ部 光分波器 光 XC 波 長 変 換 部 光空間SW 光合波器
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 (Generalized MPLS) NTTなどでは試作が行われている 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。 MPLS, GMPLS, フォトニックMPLSの比較 GMPLS ラベルが付与さ 時間フレーム中の パケット セル フレーム タイムスロット(VC) れるエンティティ ラベル 制御対象 シム VPI/VCI DLCI ヘッダ LSP VP/VC タイムスロット位置 DLCI バーチャルコンテナ (SDH) フォトニックMPLS ビットストリーム 波長 光パス
光ネットワークの進化 高機能 メッシュ型NW フォトニック MPLSルータ 1 P フォトニック MPLSルータ 容量 (bit/s) OXC メッシュ型NW OXC OADM 1 T OXC OADM WDM リングNW WDM p-to-p OADM p-to-p 1 G 1995 2000 2005 2010 2015 年代
ITネットワークの将来像 データは全て安全な サーバーに保管 Web 2. 0のサービス 映画製作会社 街中の至る所で BBでネットに接続 PCはHDDレス、CFメモリーのみに 100 Mワイヤレスと 10 G Ether装備 PCは単なるデータ検索端末に 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ード オンデマンドTV
レポート課題 以下のいずれかについて、A 4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。 2. フォトニックルータの構成と、その要素デバイスについて述べよ 8月29日提出〆切
ご聴講ありがとうございました
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