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 2009.1.23 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
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
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 1.4-1.5 倍の伸び ( 総務省推計より ) 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 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
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 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 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 319.7 298.1 269.4 469.1 424.5 133.0 178.3 124.9 111.8 101.9 10 2.7 1 07.4 74.4 75.9 7 9.3 9 9.1 13 2.0 523.6 194.2 226.2 11 6.1 30.9 31.8 33.0 41.6 48.1 636.6 15 8.7 264.2 13 9.3 193.2 721.7 306.0 150.1 21 4.9 60.1 62.3 812.9 1 67. 0 879.6 339.8 70.8 2 38. 7 374.7 29 4.2 1 99.4 3 03.3 20 7.5 83.4 88.3 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 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
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 6 2008 年 8 月 24 日朝刊 1 面 6
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
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 ) 8
ファイバ 1 本あたりの伝送容量 [bit/s] 10T 1T 100G 10G 1G 100M 1980 400M 日本の光伝送技術の優位性 1981 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 1985 1.6G 800M 2.4G TDM WDM 10G 16 2.5Gx16 10G 1990 1995 40G 273 10.9T NEC/NICT 40G Ethernet 2000 160G 3.2bit/s/Hz, 25.6T (NICT/Lucent)) 80Gx25 2T Lucent 2005 100G 204 20.4T (NTT) 100G 140 14T (NTT) 3.2bit/s/Hz, 12.3T (NICT/Lucent) 2010 100GbE 160Gx8 1.28T Field(KDDI/NICT) 160G Field (NICT) [ 年 ] 9
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
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
2. 課題解決に向けて効率的な光波利用 省電力 12
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
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
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 8 4 2 10 40 80 160 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 10 2 10 3 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
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
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
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 DET4 1 2 3 4 40Gb/s 40Gb/s 40Gb/s 40Gb/s 1 2 3 4 クロック抽出部 40GHz 時分割分離部 (DEMUX) 160Gb/s 光信号... 4123 41... 光波形歪み補償部 18
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
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) -3-4 -5-6 : ASK in APSK? : DPSK in APSK : RZ- ASK 20-km 伝送後 -9 伝送前 -11-12 -40-35 -30-25 -20 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,
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 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 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
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
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
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
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
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
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 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 1 2 1 3 3 2 NICT 独自の研究開発目標 波長多重 (WDM) 伝送技術 2001 2005 OADM:OoticalAdd/DropMultiplexer OXC :OpticalCross-connect 2010~ 28
. 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
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
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
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
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 1980 1985 1990 1995 2000 2005 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 2010 2015 2020 2025 100P 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
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 2025-2030 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 2000 2010 2020 2030 2040 2050 34
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
ご清聴ありがとうございました http://www.nict.go.jp 2009.1.23 窒化物半導体応用 ICT Value Chain 36