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1 第 2 章 ( 続き ) 各種光通信システム (3) 2011 年 11 月 7 日 ( 月 )

2 メトロ系ネットワーク

3 メトロ ネットワークの領域 都市内 都市間を結ぶリング状の光ネットワーク 範囲によって 2~3 つのカテゴリに分類 メトロ コア (~ 400km) 波長数 : ~40 メトロ コレクタ (~ 100km) 波長数 : ~16 メトロ アクセス (~ 40km) 波長数 : 4-8 ユーザ

4 メトロ ネットワークの特徴と用途 特徴 ダーク ファイバを用いて都市部に構築 L3SW や WDM 装置を使い安価なサービスを提供 イーサネット インタフェースで 1~10Gbps までの高速サービスを提供 インターネット 1 高速インターネット接続 2 拠点間接続 (IP-VPN, 透過型 LAN サービスなど )

5 メトロ ネットワークの要求条件 1 トランスペアレントなネットワークの実現 多様なサービスの収容 (VPN, SAN, CDN, 波長貸し,FTTH,...) 多様なインタフェースの収容 (Ethernet, SONET,...) 2 低コストかつ高信頼度の光ネットワークの実現 3 要求に応じた迅速な波長パス設定のクリック & プロビジョニングでの実現

6 高信頼度ネットワークへの対応 ( プロテクション ) 2 リング構成 運用ファイバに障害が起きたとき 他方に自動切替 (<50ms) Node3 運用ファイバ 通常運用 ( 左回り ) Node4 Node2 障害発生 プロテクション用ファイバ Node1 ファイバ切替 ( 右回り ) プロテクション用ファイバを通常使用せず障害時に切替 1+1 通常 プロテクション用を併用 1:1 など

7 Bidirectional Line Switched Ring (BLSR) 通常運用 切換後 CCW Ring Work Path ( 1~ 20) Protection ( 1~ 40) Node4 障害発生 Node3 CW Ring Work Path ( 1~ 40) Protection ( 1~ 20) Node2 Node1

8 メトロ ネットワークに求められる機能と光デバイス 項目波長合分波器光パワーレベル制御波長分散補償波長パス制御波長パス切替高速プロテクション機能監視モニタ機能 要求される光デバイス サブシステムフラットトップ, 低波長分散 AWG 光可変減衰器 DCF, 分散補償デバイス波長可変 LD, 波長可変フィルタ光マトリクスSW, 波長選択 SW 光 SW, 高速応答型光増幅器光スペクトルモニタ

9 重要度の増す Optical Add Drop Multiplexer (OADM) ROADM: Reconfigurable OADM ノード ノード ノード 運用局 OSS ADD( 挿入 ): データのリングへの挿入 DROP( 分岐 ): 目的データの取得 Thru( 通過 ): ノードを通過 拠点 A 入力 WDM 信号 拠点 B 出力 WDM 信号 従来の OADM では光パス (1 波長による光信号経路 ) 開通に現場作業が必要 急な需要に対応困難 (R)OADM ROADM により遠隔作業可 (GMPLS は国際標準の管理プロトコル ) 拠点 A 用の波長 拠点 B 用の波長 OSS(Operation Support System): 各ノードの ADD, DROP, Thru を管理 制御するシステム

10 トランスポンダインタフェース部 2011 年度光通信システム ROADM システムトランスポROADM スイッチ部 ンダOSS の指示に従い ADD, DROP, Thru を制御 Thru 設定において 1 方路にしか送出できず Ethernet, SONET/SDH

11 マルチ リングシステム ノード OSS ROADM ノードの課題 拠点 A ノード ROADM から多方路 ROADM への発展 ノード 拠点 B 複数リングの接続の際にはリング システムごとに光パスを設定 中継インタフェースを接続して転送が必要 多方路 ROADM ノードのメリット 複数のリングを束ねることにより 光パスの設定が 1 回で済み 開通 廃止作業の大幅な削減 リング間の中継インタフェース不要

12 多方路 ROADM (Colorless, Directionless, Contentionless:CDC へ ) ROADM スイッチ部 OSS の指示に従い方路を制御 インタフェース部

13 光アクセスシステム (FTTH)

14 アクセスネットワークを取り巻く環境の変化 (2001 年時点 ) サービス内容の激変 電話中心のサービスからデータ通信 インターネット中心のサービスへ アクセス回線速度の高速化の進展 :64kbps 1.5Mbps 10Mbps 100Mbps... 高速化にふさわしいコンテンツの要求 : ダウンロード時間の短縮 ストリーミング ライブ 遠隔講義... 競争の激化 インターネット常時接続 低コストでの定額制 ADSLの急成長 :NTT 東西 ( フレッツ ADSL) 東京めたりっく イーアクセスなど FTTH 事業者の登場 :NTT 東西 ( フレッツ網 ) NTT-BB( 光サービス会社 ) 有線ブロードネットワークス ケイ オプティコム etc. NTT 東西シェア 2008 年度 多種多様なサービスを低コストで迅速に提供可能なアクセスネットワークの重要性

15 FTTH 実用化のための状況変化 1990 年代半ばまでのトライアル 実用化に至らず ( 理由 ) 1 映像 電話 データ通信それぞれに異なるプロトコル使用 装置構成複雑 2 構成要素 デバイスが高価 2000 年以降の利用形態の大きな変化 : 1ADSL によるブロードバンド ネットワークの急激な成長のインパクト : 高速 低額 定額 2 音声 映像 データすべてが IP 処理化 3Ethernet 製品の高速化 低価格化 IP パケットと Ethernet フレームのみの透過的伝送の要求に変化

16 事業戦略 日米で見えたか?FTTHのビジネス展開 (2004~2005 年時点 ) ADSL との競争 日本 CATV 局の地上デジタル対策 同軸の帯域不足 アメリカ CATV 事業者との競争 技術面 GE-PON 標準化にメド 通信と放送の WDM 多重 B-PON による WDM 多重 規制緩和 著作権問題 電気通信役務利用放送法 (2002 年 1 月施行 ) IP 多重せず FCC による光ファイバ開放義務の緩和 商用サーヒ ス 1Gbps の FTTH (2004 年秋頃 ) FTTH 放送サービス開始 オプティオキャスト改正著作権法により放送の 同時再送信に限り K-CAT IP 送信可 ( 施行 ) すべてのサービスを光ファイバで多重 トリプルプレイ サービス開始 波及効果基幹 NW の大容量化と経路制御の光化サービス統合の進展

17 光双方向伝送方式 方式方式イメージ利点欠点 TCM PD LD PD 1 PD LD バースト周期ごとに繰り返す PD 光ファイバ心数が少ない サービスを波長に割り当てた WDM 伝送が可能 伝送速度が情報伝達速度の 2 倍必要 伝送距離が制限される WDM SDM LD PD LD PD LD 2 WDM 素子 LD PD LD LD PD 光ファイバ心数が少ない 伝送距離の制限が少ない サービスを波長に割り当てた WDM 伝送が可能 伝送距離の制限が少ない サービスごとの波長割り当てを行うと 波長数が必要 光ファイバ心数が 2 倍必要

18 メタリック現在導入中~今後ハイブリッド方式2011 年度光通信システム アクセスネットワークのトポロジー ADSL インターネット接続 センタ HFC 同軸 光ファイバセンタ 770MHz-CATV ケーブルインターネットケーブル電話 FTTC メタリック 光ファイバセンタ 電話 (π システム ) FTTH メタリック センタ インターネット接続 CATV 電話

19 アクセスネットワークの基本構成 ユーザ宅 ユーザビル アクセス点 OLT 交換機 配線点 ( き線点 ) LXM ユーザ系 配線系幹線系 ( 地下 ) アクセス系 中継系 LXM: Subscriber Line Cross Connecting Module

20 光アクセスネットワークの配線形態 自己支持型緩み付き光ファイバケーブル 配線系設備 FTTH 架空用光クロージャ π システム 架空集合ドロップ光ファイバ 架空エリア 架上スプリッタ き線点 所内系設備 ループ配線 幹線系設備 多心光ファイバケーブル

21 光クロージャと架上スプリッタ 日経コミュニケーション 2002 年 11 月 18 日号より抜粋

22 光ファイバの技術的進展 空孔ファイバ (Hole Assisted Fiber, HAF) による曲げ半径縮小の効果 宅内施行性の向上 多芯ケーブルの細径化 重量の軽量化 (1000 芯ケーブル :( 従来 )23mmD 16mmD 50 従来の SMF(ITU-T G.652) 最小曲げ半径 (mm) モード フィールド径縮小による接続損失増大 低曲げ損失 SMF(ITU-T G.657) HAF 曲げ半径縮小とモード フィールド径維持を両立 モード フィールド径 ( m)

23 2011 年度 PON(Passive Optical Network) システムのOLT~ONU 間光通信システム信号伝送イメージ (TDM/TDMA) 下り (OLT ONU): TDM 伝送 ONU #1 ONU #2 ONU #3 ONU #n n n n n n 波長 1.3 m OLT OSU 上り (ONU OLT): TDMA 伝送 ONU #1 ONU #2 ONU #3 ONU #n n n 3 2 波長 1.3 m OLT: Optical Line Terminal OSU: Optical Subscriber Unit ONU: Optical Network Unit 1 OLT OSU

24 電話サービスの光アクセスシステム (π システム ) 提供サービス アナログ回線 ISDN DA1500 屋外集合 ONU A/O クロージャ ( 分配用 ) 標準仕様 伝送距離伝送速度 A/O クロージャ ( 接続点用 ) PDS 区間分岐数使用波長 標準 10km( 最大 20km) Mbps m IDM OLT LXM スタンダードクロージャ マンホール 交換機 LXM: 加入者系半固定パス接続装置 OLT: 光加入者線端局装置 IDM: 統合配線モジュール (Integrated Distribution Module) ONU: 光加入者線終端装置

25 標準仕様 NTT 映像通信網サービスを利用 3 波多重の通信 放送サービス オプティキャストのFTTH 放送サービス伝送距離標準 7km( 最大 20km) PDS 区間分岐数 使用波長 32 通信系 1.49 m( 下り )1.3 m( 上り ) / 映像系 1.55 m STB S-ONU SCM- WDM ONU フィルタ (V-ONU) IDM WDM スプリッタ SCM-OLT 波長 1.55 m OLT 放送センタ ヘッドエンド 映像伝送装置 (FM 一括変換器 ) SCM: サブキャリア多重 STB: セットトップボックス 映像は IP パケット化せず アナログ信号 インターネット

26 FM 一括変換器 FMレーザ SCM-PDS 装置の構成 PDS: Passive Double Star (PON の別称 ) 局発レーザ 広帯域 FM 変調 光ヘテロダイン検波 SCM-OLT 遅延検波型 FM 復調器 FM 変調器 伝送レーザ光 AMP RA AMP/ BRC APD FM 復調器 f 1GHz 数 GHz 90~380MHz: アナログ変調 590~770MHz:QAM 変調 f

27 番組提供事業者 KDDI のトリプルプレイ (IP 電話 インターネット IP 放送 ) 放送センター 全国網 光ファイバを用いた CDN( コンテンツ デリバリ ネットワーク ) ISP GC リング GC リング IP 電話網 MG 固定電話網 アクセス回線 : ダークファイバ 直収もあり マンション MC SW VDSL VDSL モデム HGW VoIP- TA STB

28 FTTH 用 Ethernet 方式 GE-PON(IEEE802.3ah) の仕様 2004 年 6 月国際標準化 (1000Base-PX10/20) 波長 下り 1.49 m/ 上り 1.31 m 伝送帯域 最大 1Gbps 伝送距離 分岐数 10km/20km 以上 16 以上 保守管理 OAM: 遠隔故障通知機能リモートループバック機能リンクモニタ機能

29 標準化 MAC 層 物理層 サービス フレーム G-PON ITU G.984 フルサービス ( 電話, イーサネット,TV) GEM フレーム GE-PON IEEE 802.3ah イーサネット イーサネット フレーム 距離 10km/20km 10km/20km ( 理論的には最長 60km) 最大分岐数 64( 理論的には128) 16 以上 伝送速度 G-PON,GE-PON の比較 上り :155M/622M/ 1.25G/2.4Gbps 下り :1.25G/2.4Gbps 上り :1.25Gbps 下り :1.25Gbps 伝送容量同上 (NRZ) 1Gbps(8B10B) 光線路損失 15/20/25dB 15/20dB 波長 上り信号用 PON ヘッダ 上り : nm 下り : nm 1.25Gbpsの場合 :12バイトガードタイム :32ビットプリアンブル :44ビットデリミタ :20ビット 上り : nm 下り : nm レーザ オン / オフ : 最大 512ns レシーバ セット : 最大 400ns クロック リカバリ : 最大 400ns デリミタ :4バイト

30 WDM-PON,G-PON,HG-PON の比較 WDM-PON (RSOA/FP) G-PON ( 低分割比 ) HG-PON (WDM 下りの共有 ) 技術 高密度 WDM +RSOA G-PON G-PON+WDM(8 波長 ) 分割数 到達距離 60km 20km 20km ONU 当たりの下り容量 (GPON 比 ) 2.5Gbps ( 32) 0.6Gbps ( 8) 0.6Gbps ( 8) ONU 当たりの上り容量 (GPON 比 ) 1.2Gbps ( 32) 0.03Gbps ( 8) 0.03Gbps ( 8) 32 分割の G-PON と比較したときの ONU 当たりの機器コスト 商用製品の入手可能時期 12.6 倍 高密度 WDM が必要 2010 年頃 上り用の送信器は未熟な状態で 技術的な問題あり 6 倍 OLT ポートが 8 個必要 現在 標準化が済んでいる 1.8 倍 G-PONのONUを使うことでコストを抑えられる G-PON の ONU は既に入手可能 OLT や RN は 2007 年頃

31 各種 PON の相違 GE-PON Ethernet フレーム ( 可変長フレームのまま伝送 ) ONU OLT B-PON ATM セル (53 バイトセルに分割 ) ONU OLT STM-PON 固定長フレームにマッピング ONU OLT

32 GE-PON 用伝送装置 端局装置 OLT (Optical Line Terminal) 終端装置 ONU(Optical Network Unit) 最大 32 分岐 WAN-IF:1000Base-SX/LX/T PON-IF: 本製品は明言していないが他社製品として 1000Base-PX10/20 が多い UNI-IF:10/100Base-TX

33 GE-PON 用トランシーバ インフィニオン製 SFF MSA 準拠

34 次世代 PON の求められる背景 大容量化 ユーザ数の増加への対応 2010 年末までに 2000 万加入目標 映像系アプリケーションの増加 高精細化への対応 IP 系トラフィック増大への対応年率 40% の増加 (2 年で 2 倍,6 年で約 10 倍 ) イーサネット高速化への対応 100/40GbE へ 高信頼化 ビジネスユースへの対応遠隔監視等高信頼を要求する通信の増加 長距離化 多分岐化 低コスト化への対応

35 PON システム高速化のロードマップ 100Gbps Ethernet PON 10Gbps Bit Rate 1Gbps 100Mbps 10Mbps 年

36 次世代 PON 標準化 (IEEE802.3av) のシステムターゲット IEEE802.3av 2007 年 11 月に Draft1.0 リリース 2009 年 9 月標準化完了 パワーバジェット :30dB MAC Tx Rx WDM 1.58 mwdm Tx 10GE-OLT Tx MAC MAC Tx Rx 1.27 m Rx

37 10GE-PON 仕様 (Draft2.2) 下り / 上りとも Gbps( 下り Gbps, 上り1.25Gbpsの非対称 PRX 仕様もあり ) 項目 Downstream ( 下り ) Upstream ( 上り ) PR10-D PR20-D PR30-D PR10-U PR20-U PR30-U 送信器 EML DML 波長 (nm) Tx 出力 (dbm) 消光比 (db) 受信器受信感度 (dbm) 最大損失 (db) +2~ ~ +9 +2~ +5 9(Tx 出力 Up で 6dB に緩和可 ) PIN w/fec PIN w/fec APD w/fec -1~ +4-1~ +4 6 APD w/fec +4~ ペナルティ (db)

38 10GE-PON 波長配置 GE-PON からのマイグレーションを考慮して決定 GE-PON Downstream Upstream 映像信号 nm 1400nm 1500nm 1600nm 10GE-PON Downstream Upstream nm 1400nm 1500nm 1600nm

39 10GE-PON の基盤技術 10G 光デバイス技術 高出力 DFB レーザ /EA 変調器 / 半導体光増幅器 (SOA) 高感度 APD 波長配置 10G バースト光送受信技術 バースト LD ドライバ バースト受信プリアンプ / リミッタ 位相同期回路 (CDR) Transport Control レイヤ制御技術 フレームフォーマット Dynamic Bandwidth Allocation 二重切替制御 FEC

40 PON の物理レイヤ技術 (1) ONU のバースト モード送信器 セットアップ信号 T_off T_on データ ONUのデータ送信器電気信号光信号 Burst Mode Transmitter (Tx) T_on, T_off( 遷移時間 ): 異なるONUからの上り信号間の影響抑制のため 確実な消光を目的 セットアップ信号 : OLT 受信器が受信準備できるための規則的なパターン送信

41 PON の物理レイヤ技術 (2) OLT のバースト モード受信器 ONU A A スプリッタでの原理損 ( 4 8=32 分岐で 15dB) のため 大きなパワーバジェットが必須 ONU B B B A OLT 異なる距離 送信パワー差などにより ONU 間の信号強度に差が発生 同レベルの電気信号に等化 ( 自動利得等化 Auto-Gain Control, AGC) 光強度 セットアップ信号を読み取りながら クロック抽出 同期確立 データ B 光信号 データ A OLT の受信器 Burst Mode Receiver (Rx) データ B 電気信号 データ A

42 EPON (Ethernet PON) の伝送制御技術 シェアードアクセス技術に似ているが 可変長の MAC フレームを扱う点が異なる 1 ブロードキャストで OLT が定期的に新しい ONU を確認 2 新しい ONU が応答 3 OLT が応答にかかった時間で ONU の距離を測定 LLID(Logical Link ID) を割り当てる 4 ONU は送信したデータ量を OLT に通知 5 OLT は他の ONU の要求を見て ONU に送出開始時間と時間幅を通知 OLT は伝送遅延を計算して ONU に通知 LLID2 LLID1 ONU 6 ONUは許可された時間にデータを送信 7 下りデータを全 ONUに配信 ONU OLT LLID3 ONU Pr MAC データ FCS LLID をプリアンブルに埋め込む

43 10G-EPON 標準化後の光アクセス技術とは? に IEEE802.3av (10G-EPON) の標準化完了 ECOC2009(34 th European Conference on Optical Comunication) ではその先の技術を目指そうとの動きが目だった 発表内容の分類 光アクセス TDM/WDM 8 WDM 8 OFDM 3 OCDMA 2 DMT 1 Ether 1 GPON 1 ROF WiMAX SCM OFDM UMTS-FDD UWB 60GHz 3 OFM 1 WDM 1 次世代光アクセスの狙い 多分岐 (> 64) 長距離 (Long Reach, ~100km)

44 WDM-PON のネットワーク構成例 WDM の使い方 : ユーザごと ( 以下の図のイメージ ) サービスごとの例もあり OLT 側 : 波長多重装置のコスト分配可 ONU 側 : 低コストのためにONU 側は光源なし OLTからのDS 光の再利用 RSOA(Reflective SOA) の広帯域性 ( 任意波長対応 ) 利得飽和によるDSデータの変調度減(RFとの重畳 フィルタ ONU 分離の例もあり ) OLT 1 DS PD Downstream(DS) US data data RSOA MOD LD Upstream(US) PD 架上 AWG AWG 2 3

45 OFDM-PON OFDM Tx Constellation Mapper IFFT SP Conv. DAC MOD LD OFDM Rx Constellation Demapper FFT PS Conv. ADC PD スペクトル強度 高周波数利用効率狭帯域による分散の影響低減, 高速信号の長距離化 DS: ユーザごとにキャリア割り当ての例あり 周波数