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 2

Size: px

Start display at page:

Download "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 2"

ありあねごろ
5 years ago
Views:

1 情報通信研究機構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 - 松島裕一独立行政法人情報通信研究機構窒化物半導体応用 ICT Value Chain 1

2 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 2

3 1. はじめに伸び続ける光通信需要と技術課題 3

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 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.

4 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 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 年間に約倍の伸び ( 総務省推計より ) 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ロシア韓国ヨーロッパへ情報の単位 : ビット (bit/s) ( 固定電話 :64kbit/s) 中国インドへアメリカへキロ :kbit/s = 10*3 bit/s メガ :Mbit/s= 10*6bit/s ギガ :Gbit/s= 10*9bit/s テラ :Tbit/s = 10*1 2bit/s ペタ :Pbit/s = 10*1 5bit/s 日本の基幹光ネットワーク ( イメージ図 ) 4

5 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が見込まれるトラフック量(ギガビット/ 秒)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我が国のインターネットトラフィックの推移年間数倍 ~1.4 倍の伸び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 ) ブロードバンド契約者のトラフィック総量 ( 推定値 ) 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 1997 年 1998 年 1999 年 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年我が国のインターネットにおけるトラヒックの集計試算 2 08 年 5 月時点の集計結果の公表 ( 平成 20 年 8 月 29 日総務省報道発表 ) より 5 5

6 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 1,3 0 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 18 年 6 月 DSL 契約数が純減平成 17 年 3 月 FTTH 純増数と DSL 純増数が逆転ブロードバンドサービス等の契約数の推移平成 20 年 3 月現在総務省ホームページ情報通信統計データベース分野別データインターネットより日本経済新聞年 8 月 24 日朝刊 1 面 6

7 インタネットトラヒック牽引状況モバイルアクセス次世代携帯 :100 メカビット / 秒 ~ 最大 1 キガビット / 秒 ( 現行携帯 : 最大数 10 メカビット / 秒 ) 交換 ( ノード ) 伝送ワイヤレスアクセス 135 メカビット / 秒以上基幹光ネットワーク ( ペタビット ) アクセス光ネットワーク 100GbE 放送用コンテンツ ( 非圧縮時 ) デジタルシネマ :7.64 キガビット / 秒スーパハイビジョン :39.8 キガビット / 秒 ( 現在 YouTube など ) 光アクセス FTTH:10 キガビット / 秒 ( 現在 100 メカビット / 秒 ) 7

8 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 (@ ) 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 ) 8

9 ファイバ 1 本あたりの伝送容量 [bit/s] 10T 1T 100G 10G 1G 100M M 日本の光伝送技術の優位性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 位を独走位を独走 1.6bit/s/Hz, 6.4T OCDM/WDM (NICT) 40Gx260,10.4T (Alcatel) 20Gx120,2.4T (Tycom) 日本 ( 共同委託含む ) 海外研究機関 G 800M 2.4G TDM WDM 10G Gx16 10G G T NEC/NICT 40G Ethernet G 3.2bit/s/Hz, 25.6T (NICT/Lucent)) 80Gx25 2T Lucent G T (NTT) 100G T (NTT) 3.2bit/s/Hz, 12.3T (NICT/Lucent) GbE 160Gx8 1.28T Field(KDDI/NICT) 160G Field (NICT) [ 年 ] 9

10 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?? 10

11 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 11

12 2. 課題解決に向けて効率的な光波利用省電力 12

13 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 13

14 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 14

15 徹底した効率化技術に向けた研究 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 320 周波数利用の高効率化 Bit/symbol 10 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波長多重化 number WDM 超高速化 640 Gbit / OTDM 従来の容量増大化技術高ビットレート化 (Gbit/s/ 波長 ) x 多波長化 ( 波長数 ) 15

16 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 16

17 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 ) 17

18 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 DET1 CH2 DET2 CH3 DET3 CH4 DET Gb/s 40Gb/s 40Gb/s 40Gb/s クロック抽出部 40GHz 時分割分離部 (DEMUX) 160Gb/s 光信号光波形歪み補償部 18

19 研究開発ネットワーク JGNII の構成 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 NW-A : NW 運用管理技術の研究開発福岡金沢大手町堂島 10G (1G 8) 札幌産学 IT 北九州福岡岡山金沢堂島当初 10G ベース NICT けいはんな GMPLS 相互接続技術 NICT 鹿島つくば 1G NW-B : テラビットクラス実現のためのテストベッド仙台 NICT 北九州 IT センター金沢 1G 10G 長野福岡 10G NICT 鹿島 NICT 神戸 (1G 8) 10G 1G 10G 10G 10G 10G 1G 10G (1G 8) (1G 8) 10G 堂島 NICT つくば RC 岡山 NICT 小金井 10G 2 光大手町つくば RC 1G 光 10G 1G 高知堂島 1G 名古屋大手町 NICT NICT けいはんなセンターけいはんなセンター沖縄光 NW : 物理的な検証も可能な光テストベッド 19

20 ASK-DPSK 多値化 160Gb/s 光信号の都市間伝送 Q 160Gb/s ASK-DPSK 抐孔函 I 160Gb/s ASK-DPSK 孔函光テストベッド 200k m 従来の160Gb/s 光信号 160Gb/s -DPSK ASK 多値化 -7 光パルス間隔 ~6.25 光パルス間隔 ps ~12.5 ps -8 PMD によるパルス歪深刻な信号品質劣化フィールド光フイバ伝送 PMD 自動補償無しでも PMD 耐力改善 20 - log (BER) : ASK in APSK? : DPSK in APSK : RZ- ASK 20-km 伝送後 -9 伝送前受信光パワー [dbm] 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 世界初の多値化 160Gb/ s 信号による都市間伝送に成功 OFC 2005,

21 世界最高速度最高密度光ファイバ通信超高速位相制御技術で超高密度伝送を実現差動 4 値位相変調 (DQPSK) による高速大容量伝送 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 x km 伝送次世代イーサネット規格 100GbE を支える技術 ECOC 2006 PDP-3 Q( 虚数 ) 信号差動 4 値位相変調 (DQPSK) 信号 Q( 虚部 ) レーザ光 2 1 I( 実部 ) 3 4 I( 実数部 ) 信号高速多機能 LN 変調器 21

22 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 22

23 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 (40nmx3 バンド ) 23

24 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 ~1.5W 現在の基幹 ( テラビット ) システムの入力パワー ~ 数 100mW 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 X20 数 10~100Tbps/ ファイバ 24

25 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 HoleyFiber 構造で X100 程度の向上 ( 閾値 ~100W) 新たな多重方法 ( 例えば ) SDM(Space-divisi onmultiplexing: 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-divisi onmultiplexing: モード分割多重 ) 25

26 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 26

27 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 ) 既存ハイエンドルータや, 昨今のマルチシャーシルータのトレンド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 ) 27

光ネットワークノード技術のロードマップ産業界との連携による研究開発ネットワークの効率 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 OADM WD M 波長多重 (WDM) リング網技術

28 光ネットワークノード技術のロードマップ産業界との連携による研究開発ネットワークの効率 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 OADM WD M 波長多重 (WDM) リング網技術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 WDM 波長バースト交換技術波長提供サービス網技術光パケット交換 (OPS) 技術 NICT 独自の研究開発目標波長多重 (WDM) 伝送技術 OADM:OoticalAdd/DropMultiplexer OXC :OpticalCross-connect 2010~ 28

29 . 光パケット交換ノードの構成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 要素光信号ノード : 経路制御を行うルーティング表光ラベル ( あて先 ) 符号と出力先ポートの対応付け電気処理光処理光ラベル処理装置スケジューラ光ラベル ( 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データラベル光スイッチ光バッファ光パケット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 29

30 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光信号光ファイバ電気信号光技術導入のチャレンジ光信号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光信号光電気変換電気光変換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超高速大容量化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遅延速度大熱い!! 装置規模膨大光パケットスイッチ高速処理低消費電力小型軽量電子交換機電気ルータ電気処理だけに頼った現状インターネット新世代ネットワーク ( 将来 ) 30

31 超高速光符号ラベル処理による光パケット SW システム * * * * 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 31

32 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光ネットワークシステムからの視点 32

33 陸上系伝送容量の進展と限界予測伝送容量 / ファイバ [bps] 1E 100P 10P 1P 100T 10T 1T 100G 10G 1G 100M 10 桁壁第 1 ブースター光ファイバアンプ Moore s Law 18ヶ月で 2 倍 1.6G 2.4G 400M WDM 10G 実験システム商用システム年 E-TDM ~25T 40Gx40 10Gx80 Guilder s Law 半年で 2 倍増幅帯域制限電子デバイス速度制限 P 100T 33 40G 現在第 2 ブースター新規伝送路を含めたイノベーション O-TDM 光パワー制限 1 波長当り 1E 10P 1P 10T 1T 100G 10G 1G

34 光量子技術併用で進展可能か? 世界人口 60 億 ( 日本 1.27 億 ) 70 億 (1.26 億 ) 80 億 (1.16 億 ) 安全安心で持続可能な社会地球規模の危機の顕在化 90 億 (0.95 億 ) 総トラフィックギガビット時代テラビット時代ペタビット時代エクサビット時代光アクセス 100M/ 個人 10G/ 個人 1 テラ / 個人無線アクセス 1M/ 端末 100M/ 端末 1G/ 端末 10G/ 端末光ネットワーク技術の発展 NGN 光波通信の限界まで追究コヒーレント ( 多値化 ) WDM, SDM 全光化オールバンド政府安全保障グレードの量子暗号技術実用化新世代アーキテクチャ古典的光通信技術の限界量子制御技術の併用による超大容量セキュア光通信よりイノベーティブなアーキテクチャ有無線一体のアクセスの実現年頃には光波量子制御技術の併用で壁を乗り越えるその先の地球的危機も乗り越えるべくアーキテクチャを研究する必要がある

35 おわりに光 ICT は我が国がリードしてきた分野でブロードバンド大国を支えている重要な基盤技術ただし最先端光 ICT 技術も変曲点にあり高速高効率低消費電力化に向けたブレイクスルーが必要ブレイクスルー技術への挑戦的な姿勢が必要グリーン ICT を支えるグリーン光 NW が今後は重要革新的な光 ICT 技術の中核は常に新しい機能の光デバイス電子回路など基盤研究がその基本効果的な研究開発には産学官の統一の取れた連携が必須 35

36 ご清聴ありがとうございました窒化物半導体応用 ICT Value Chain 36

大容量光ネットワークの進化を支える空間多重光通信技術

将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端空間多重光通信ペタビット級光通信マルチコアマルチモードファイバ大容量光ネットワークの進化を支える空間多重光通信技術みやもと宮本ゆたか 1 かわむらりゅうたろう 2 裕 / 川村龍太郎 1 NTT 未来ねっと研究所 2 NTT 未来ねっと研究所所長大容量光ネットワークの発展と技術課題近年では, インターネットを通じた動画, 電子決裁などが広く普及し,

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 2

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 2