階層化光パスネットワークにおける多地点配信通信の効率的な収容法
Efficient Accommodation of Point to Multi-point Distributions to Hierarchical Optical Path Networks

１． はじめにブロードバンド回線の普及や P2P トラフィックの増加、動画配信サービスの浸透等を経て、クラウドサービスや携帯型情報端末の一般化、e-science/VPN の進展等により、今世紀に入ってから継続的にネットワークの通信トラフィック量が増え続けている。すなわ
ちビットあたりの消費電力、装置コストを通信トラフ

長谷川 浩 (Hiroshi HASEGAWA, Dr. Eng.)

ィック量の増加に伍する比率で引き下げることが要請

名古屋大学 准教授

されており、中継ノードで、光ファイバ中の光信号を(Associate Professor, Nagoya University)

電気信号に変換することなく経路制御するフォトニッ

電子情報通信学会 IEEE
受賞：電子情報通信学会 通信ソサイエティ論文賞 Best Tutorial Paper
Award (2008 年 9 月) 13th Conference on Optical Network Design andModeling (ONDM2009), Best Paper Award 18th OptoElectronics andCommunications Conference (OECC 2013), Best Paper Award
研究専門分野：フォトニックネットワーク ネットワークアーキテクチャ

クネットワークが注目され導入が始められている。
現状のフォトニックネットワークでは、光ファイバ中の波長多重信号を、波長毎に、始点と終点とを直接接続する「波長パス」として用いている。中継ノード
では波長パスを単位として経路制御することが求められ、空間光学系と MEMS によるミラー駆動や LCOSとを組み合わせた波長選択スイッチにより実現されている。しかし、このような波長選択スイッチは波長毎・出力ポート毎にビームを高精度に制御する必要があり、デバイス個別での調整が要求されることから一般に高コストであり、更に一定の光路長を確保するためにある程度のサイズとなる。そこで、複数の波長パスをグループ化し、グループ単位での経路制御を行うフォトニックネットワーク「階層化光パスネットワーク」が提案され[1][2][3]、検討されてきている[4][5][6]。具体的には、グループ化された光パスを収容するための大光パスを階層化したフォトニックネット

容量光パス「波長群パス」が定義され、波長パスはそワークにおける、多数の細粒度の光マルチキャスト通の始点・終点を直接接続している波長群パス、もしく信の効率的な収容を実現する。粗粒度のルーティングは複数の連続した波長群パスの系列で、かつ波長パスと細粒度の終端のみ行える当該ネットワークでは、細の始点・終点を接続するものにより伝送される。この

粒度マルチキャスト通信を適切に集約した上で粗粒度ようなパスの階層構造は、電話や SDH [7]、OTN [8]のマルチキャストを最適化し、所望の通信の収容に要等で用いられる常識的なものである。しかし、フォトする光ファイバ資源を最小化することが必要である。

ニックネットワークの場合には、波長パスが波長とい本稿では与えられた細粒度マルチキャスト通信同士のう物理的パラメータにより特徴付けられている関係上、集約の容易さを表現する指標を新たに導入し、これに特定の波長をカバーする波長群パスで無くてはその波基づき細粒度マルチキャスト通信の組み合わせを決定

長パスを収容できないという、ネットワーク全体を最する。この後、整数線形計画問題として粗粒度マルチ適化する上で困難な制約が存在する。このため、このキャストを最適化する。更に、実際のネットワークを制約を鑑みた上でネットワーク全体を最もコンパクト含む複数のトポロジにおける占有ネットワーク資源のに実現するための手法が数多く提案されてきた。

あらまし

階層化光パスネットワークのコンセプトは主に従来削減を数値実験により示す。
1TELECOM FRONTIER No.87 2015 SPRING

階層化光パスネットワークにおける多地点配信通信の効率的な収容法
Efficient Accommodation of Point to Multi-point Distributions to Hierarchical Optical Path Networks型ネットワークからの類推や、ネットワーク最適化のプリケーションに加え、データセンターやキャッシュ観点から示されたものであった。しかし、効率的な経サーバ間のコヒーレンシを保つ為のデータ配信、多数路制御を可能とするデバイスやノード装置の構成など、利用者への同時ストリーミング配信等、配信元・配信具体化するハードウェアについては十分な検討が行わ先が互いに異なるマルチキャストを多数かつ同時に取れてこなかった。我々は波長パス・波長群パスの特性り扱う必要が生じると考えられる。そこで、多様な配を考慮したコンパクトなノード装置のアーキテクチャ

信元・配信先を持つ波長マルチキャストの設立要求かをこれまで提案してきた[9]。特に、国立研究開発法人

ら、同一の波長群マルチキャストに収容すべき需要群情報通信研究機構の委託研究としての支援や企業の協を抽出してそれらを収容可能な波長群マルチキャスト力をいただき、光集積回路としてモノリシックに集積を設計する手法を開発した。本稿ではその成果の特徴した「波長群選択スイッチ」の試作と性能評価を実施的な部分について述べる。

している[10][11]。当該スイッチは空間光学系に頼らず平面光波回路として実現されており、チップ単体を波２．本研究の成果

長選択スイッチと比較した場合には、体積比・消費電２.１ 階層化光パスネットワーク

力で共に 1/100～1/1000 程度と大幅なコンパクト化・従来型フォトニックネットワークでは、光ファイバ低消費電力化を達成している。

中の波長多重信号の各々を単位として、始終点ノード

一方、従来型ネットワークでも利用されている、多を接続する波長パスとして用いる（図 1）。ノード装置

地点への情報配信に適したマルチキャスト通信についは波長クロスコネクト（Wavelength Cross-Connect,ては、波長信号のマルチキャストが、光カプラによりWXC）を主体として構成され、主に波長選択スイッチ光レベルで自然に実現されることから、波長マルチキにより実現される。しかし、波長選択スイッチを多数ャスト通信のフォトニックネットワークへの効率的な必要とするため、大規模な光クロスコネクトを実現す収容という形で検討が進められてきた[12]-[15]。これることには困難が伴う。

に対し、階層化光パスネットワークでの効率的な情報配信を実現する上では、同様にノード装置に変更を加えること無く、かつ波長群と波長との階層構造を維持しながらの新たなマルチキャスト通信が必要となっていた。そこで筆者らは、一般的な階層化光パスネット
E/O

ワークノード装置では、波長群単位でのマルチキャスLSR

O/E

トと波長単位での終端処理とが自然に行えることに着目し、適切な数の波長マルチキャストを束ね波長群マWXC

ルチキャストに収容することを提案した。波長群マルチキャストでは、前述した波長パスと波長群パスの階WXC: Wavelength Cross-Connect

層構造と同様に、波長と波長群の包含関係に起因する制約の影響を受ける。よって、波長群マルチキャストへの収容においては、波長マルチキャストの始点と終波長パス点とが完全に一致する波長マルチキャストが複数与えられ、更に同一の始終点を持つ波長群マルチキャスト

光ファイバにそれらの波長マルチキャストを直接収容する場合が、最も効率よく収容できる状況である。しかし今後見込
図１

まれるマルチキャスト配信は、キー局から地方局への従来型フォトニックネットワーク

番組配信等の配信元・配信先が固定的に与えられるア
2

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一方、階層化光パスネットワークでは、波長群クロえなくてはならない。しかし、波長群パスが導入されスコネクトと波長クロスコネクトがスタックされた構ない場合についても、当該問題は NP 完全に属する計造を取る（図 2）[9][16]。波長群パスは波長パスを複算コストの高い問題で有り、設定されるパス数が多く、数収容可能であり、また波長群パス単位での経路制御

波長多重数は 40～100 程度、ネットワークの規模も数は波長群クロスコネクトで実現される。波長クロスコ十ノード規模に達することから、最適解の算出は現在

ネクトは、波長群パス内の波長パスの組み合わせを変のところ不可能である。そこで近似的なメトリックをえる、あるいは終端するためのみに用いられる。波長導入する、あるいは制約の一部を除外する等して問題群単位での経路制御を極力行うことから、波長クロスを緩和することが必要となる。

コネクトでの処理が減少し、結果として波長クロスコネクトをコンパクトにすることにつながる。一方、経２.２ 波長群マルチキャスト

路制御能力そのものについては、波長群単位での経路

図 3 に、従来型光クロスコネクトでの光マルチキャ制御は、波長単位での経路制御に比べて劣るため、同ストの様子を示す。この光クロスコネクトは入力側に一光ファイバ網内に収容できる波長パス数が減少する。

光カプラを配置し、出力側に波長選択スイッチを配置

そこで、波長群単位での経路制御の割合を最大化しつする Broadcast & Select と呼ばれる一般的な構成を取つ、一方でネットワーク資源の占有量を最小化するこっている。各波長信号は光カプラで複製され、全てのとが求められる。この最小化を達成する上では、与え波長選択スイッチに配信される。各波長選択スイッチ

られた波長パス設立要求の集合に対して、波長群パス

では波長毎に、いずれの入力ポートからの信号を出力をどのように配置するか、波長パスをいずれの波長群するかを選択するかを独立に決定している為、ある入パスに収容するか、波長群パスの経路と使用波長をど力ポートからの信号を複数の出力ポートへ配信するマのように選択するか、という割当に全て適切な解を与ルチキャスト機能は容易に実現可能である。

光カプラ

WXC

波長選択スイッチ
波長選択スイッチ

BXC

波長選択スイッチ

BXC: WaveBand Cross-Connect

波長選択スイッチでブロック

波長群パス

所望のポートから出力

波長パス図３従来型光クロスコネクトでのマルチキャスト

光ファイバ
図２ 多階層光パスネットワーク

3TELECOM FRONTIER No.87 2015 SPRING

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終端

続いて図 4 に、階層化光パスネットワーク用クロスコネクト[9][16]でのマルチキャストの様子を示す。従

WXC

来型光クロスコネクトとの主要な差異は、クロスコネクトがスタックされかつ相互接続されていること、波波長選択スイッチ

長群用クロスコネクト（WaveBand Cross-connect,BXC（図 5））では波長群選択スイッチ[10][11]が用い同一波長群られていることである。すなわち、光カプラでの複製

BXC

波長群選択スイッチと波長群選択スイッチおよび波長選択スイッチでの取捨選択を経て、波長群マルチキャスト内の全ての波長波長群選択スイッチ

マルチキャストが同時に所望の全終点ノードへ配信され、各終点ノードでは所望の波長マルチキャストのみを抽出する。波長マルチキャストの始終点を通過する

波長群選択スイッチ

範囲内で波長群マルチキャストの経路には任意性があり、適切なマルチキャストの収容設計を行うことが重波長群選択スイッチ要となる。
図４

内部アーキテクチャ
Input

階層化光パスネットワーク用クロスコネクトでのマルチキャスト

モジュール全容

11x5 SC

5x1 WBSS

1

21x5 SC

5x1 WBSS

2

31x5 SC

5x1 WBSS

3

41x5 SC

5x1 WBSS

451x5 SC

5x1 WBSS

5220 mm

135 mmOutput 5x5 波長群クロスコネクト
 フットプリント: 135 x 220 [mm]
 40 wavelengths/fiber• 100GHz spacing on ITU-T grid
• 194.6 + 0.1 x n [Thz]; n=0 to 39

 5WB/fiber (8 wavelengths/WB)
図５ ５×５波長群クロスコネクトモジュール[11]4TELECOM FRONTIER No.87 2015 SPRING

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２.３ 波長群マルチキャストの収容設計

この階層構造に基づき、始終点間のパスの通過リン複数の波長パスを波長群パスへ効率よく収容する上ク情報を、リンク・パス毎に定義される 2 値変数としでは、多くの場合、始点・終点が近い波長マルチキャて表し、パスの連続性と、上記包含関係とを線形制約スト要求同士を組み合わせ、同一の波長群マルチキャとして表現した上で、波長群マルチキャストの延べ通ストへ収容することが望ましい。従来の階層化光パス過リンク数を評価関数として最小化する。すなわち、ネットワークでは、波長パスの始点・終点間の距離を整数線形計画法にて解を求める。当該最適化について直接用いて組み合わせるべき波長パスを探索していたは IBM CPLEX をソルバとして用いた。

が[6]、マルチキャスト通信では終点の個数は一定ではなお、本研究においては、信号劣化特性の考慮やそ無く、距離を直接用いることはできない。

れに伴う最適な再生器の配置についての検討[17]等、そこで今回の検討ではまず、マルチキャスト通信に上記定式化に付帯する検討も実施しているが、紙面の適したメトリックを提案した。このメトリックは、あ都合上本稿では割愛する。

る波長マルチキャスト需要の始点および終点の近傍（図 6）に、他の波長マルチキャストの始点および終２.４ 数値例点が全て含まれることが波長群マルチキャストへの収提案する波長群マルチキャストのインパクトを評価容の容易さを示すという考えの下、定式化されている。

するため、3 つのネットワーク（7x7 正方格子（図 7）

近傍を定義する半径を順次拡大することで波長マルチ/ 9x9 正方格子 / British Telecom Network（図 8）：ノキャスト需要間の類似性を計り、類似性の高い需要をード数 49/81/79、リンク数 84/144/139）を想定し、数適当数束ねることにしている。

値実験を行った。

続いて、束ねられた波長マルチキャスト需要を包含する波長群マルチキャストを設計する上で、以下の階層構造を利用している。
波長群 ルチキャスト

波長 ルチキャスト
波長 ルチキャスト内の終点のパス

図７７×７正方格子

別の ルチキャスト需要の 点が属することが望ましい領域

終点#1

半径

終点#2点

終点#3
和集合: 別の ルチキャスト需要の終点が属することが望ましい領域

図６

マルチキャスト需要と始終点の近傍

図８5

British Telecom Network

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波長多重数（光ファイバ内の波長数）を 80、波長群スト収容に必要となる光スイッチポート数に換算し、内の波長数を 4, 8, 10 とした。波長マルチキャスト設

従来型光クロスコネクトとの相対値により行った。図

立需要は、単一の始点と 3 つの終点を持つものとし、9, 10, 11 に各ネットワークでの結果を示す。ノード数

これら始終点はネットワーク内のノードからランダムの多い大規模ネットワークであるほど効果は大きく、に選んでいる。複数の波長マルチキャスト需要を生成

特に 9x9 正方格子にて 4 割弱のネットワーク資源の削し、必要十分な数の波長群マルチキャストに収容して減を実現していることが見て取れる。

いる。占有するネットワーク資源の評価をマルチキャ

図９７×７正方格子でのスイッチポート削減

図１０９×９正方格子でのスイッチポート削減

6TELECOM FRONTIER No.87 2015 SPRING

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図１１British Telecom Network でのスイッチポート削減

３．まとめ
本稿では、光マルチキャストの階層化光パスネット

くと予想される。

ワーク上での効率的な実現に関する検討を行った。特

本稿でのマルチキャスト集約や波長群マルチキャスに、波長群マルチキャストへの収容が重要であること

トの最適化は、整数線形計画問題など、本来は多くのから、波長マルチキャスト間の類似性を評価するメト変数・制約式をもって表現される形式にて記述される。

リックを新たに定義し、これに基づき波長群マルチキ

しかし、今回の報告では数式の使用を極力避ける必要ャストとして集約した上で、整数線形計画問題にて最があった為、ごく限定的な範囲についてコンセプトの適なマルチキャストを設計する手法を提案した。大規

みを文章で述べている。より詳しい内容は、例えば文模ネットワークでのインパクトが特に大きく、9x9 正献[17]をご覧いただきたい。

方格子ネットワークでは使用ハードウェア量が 4 割弱削減されることを数値実験により確認している。
ディジタルコヒーレント受信の実用化と商用100Gbps 伝送の実現、各光パスの使用する周波数帯域を固定値とせず、フレキシブルに必要十分な帯域を割

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光パスネットワーク自体も、波長群選択スイッチと波長単位の終端を組み合わせ、新たなグループ化ルーティングネットワーク[20] へと発展を遂げるなど、進化を続けている。通信量の増加に伴うフォトニックネッ
トワークの適用領域の拡大と、高精細映像配信に代表される大容量通信・配信の必要性の高まりから、本研究で取り上げた光マルチキャストの重要性が増してい
7

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この研究は、平成２２年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２３～２５年度に実施されたものです。

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