MPLS Japan 2022

IOWNに関わるOptical実装についての最新動向

Hideki Nishizawa, NTT Network Innovation Laboratories(hideki.nishizawa.zw@hco.ntt.co.jp)

Copyright 2022 NTT CORPORATION

Summary•

光伝送技術のデジタル化に伴ってモジュールの省電力・省スペース化が進み、多くのオペレー
タがコヒーレント技術を活用•

Open APNは今後10年を見据えたデザインゴールと新しいアーキテクチャを発表、今後はコンセプト実証を行う•

これまでは垂直統合型であった光伝送装置は、Disaggregationやサーバベースのアーキテク
チャによって柔軟性を増し、よりユーザの近く、DCの中に•長きにわたって光伝送の難しい課題であった、ファイバ非線形光学効果やトランシーバのモデル化にも進展がみられる•NTT研究所は、引き続きIGF、Open ROADM、TIP OOPTへの貢献を通してOpen APNの実現をめざしていく

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Hideki Nishizawa (hideki.nishizawa.zw@hco.ntt.co.jp)

2Last 10 years, Next 10 years
2010

2012

2014

2016

2018

First Interoperability Testing (100G DP-QPSK)ITU-TSC FEC/CFEC/oFEC (G.709.2, G.709.3)

CFP MSA MIS Ver.2

OIF
ONF/Linux Foundation

2020

400ZR

OpenDaylight

OpenConfig
IETF ACTNONOSOpen ROADM MSA
Telecom Infra Project OOPT

Coherent CMIS

TransportPCE

Transport API Ver 2.0

ceccarelli-teas-actn

CFEC

GNPy

Flexo/oFEC

TAI

Goldstone
Ver 1.0

Cablelabs P2P/IEEE

Ver 2.0

4x5

CFP

CFP2802.3ct

Ver 1.0

Open ZR+5x7

Deeper into data center

ietf-teas-actn

Optical Spec Ver 1.0～2030

OSFP/QSFP-DD

Evolution of Digital Coherent Transmission Systems and History of Openness
IEEE

10G-BASE-ER (40km)

ITU-T

10G metro WDM (G.698.x)

25G-BASE-ER (40km)

100G Lambda MSA

25G WDM for metro and mobile fronthaul(G.698.x, G.owdm, G.9802.1/2)
10km
40km
Mobile Optical Pluggable (MOPA)

10 Gbit/s

25 Gbit/s

Co-Packaged Optics / Optical tile

White Paper

50 to 100 Gbit/s

Evolution of IM-DD Transmission
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3Design goal of Open APN
技術の変化を見つつ、次の時代のネットワークのデザインゴールを検討
End-to-endのλ接続
ダイナミックな光パス設定/制御
省電力
マルチオペレータ環境

コンピューティングとネットワーキングの融合
自動的なリソース再配置
プロトコルに依存しない光通信
Image of Open APN

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モニタリング高度化

4ダイナミック光パスを実現するには••••••

ダイナミック光パスを実現するアーキテクチャとプロトコル
ネットワーク設計手法（主に物理・信頼性）
ユーザ端末からの接続を可能にする運用手法
オープンなIF開発・標準化
ユーザ拠点の光波長端点の管理機能（遠隔制御、認証・登録・ID管理）
キャリアエッジでの折り返し、光信号の通過・停止機能

Carrier Managed Network

Customertransceiver
Unknown Access Network

Customertransceiver
Unknown Access Network Components/Quality/Parameter unknown

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5

管理機能に関する課題
サーバやスイッチはLinuxをベースとしており、既にOpen
source softwareによる自動制御が可能である一方、光伝送のみがモノリシックであり、かつ光パス設定には専門技術が必要

Micro-service
readyOperation Center

Monolithic!
Transponder

Server/Storage
Switch
ToR

ToR

CPUCPUCPUCPU

CPUCPU

ToR

ToR

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

Line system

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6

機能追加の容易性•

New functions can be implemented as containers.
• Operators can create and implement their own agents that fit their operations• Vendors can offer their proprietary functionality as containers to operators
without disclosing their source code to competitors
oss

Goldstone NOS - architecture
CLI

netconf

restconf

binarygNMI

SNMP

GearboxController

Operator’sController

Vendor’sController

Muxponder
Platform(MXPP)

Agent for
operation

ProprietaryfunctionsysrepoPlatform
Controller

Ethernet ASIC
Controller

Coherent Optics
Controller
TAIdorchagent
ONLP

syncd

SAI
Broadcom SAI

TAI
Libtai-mux.so
Libtaiaco.so

Libtaidco.so

Kubernetes (k3s)
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Transponder+ROADM, Router based
Cost, Power consumption
and latency comparison

Source: Francois Moore, “Planning for 400G: transponder or 400ZR?,” Fujitsu Blog,
https://thecinict.com/2021/12/22/planning-for-400g-transponder-or-400zr/
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P-PNetwork

Large-scale
NetworkHighLowLow

High**Reference: Cost Model Comparison of ZR/ZR+Modules Against Traditional WDM Transponders
for 400G IP/WDM Core Networks, presented at
ECOC 20208

Packetponder/Muxponderサポート
Packetponder

Muxponder

mgmt if

mgmt ifmemorymemoryCPUCPU
storagestorage

gearboxEthernet ASIC

gearbox: ctrl: dataclient xcvr

line xcvr

clientxcvr

line
xcvr

client
xcvr

line
xcvr

Cassini

Galileo

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Galileo Flex T9Multi-vendor & Multi-generation
Goldstone (OSS)NOS-F (Fujitsu)

OcNOS (IPinfusion)

Galileo (Wistron)

Cassini (Edgecore)

Cassini (Edgecore)

NOS/BOX multivendor demo @TIP Summit 2018

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ACO/DCO multivendor interoperability demo @OFC201910

TIP Phoenix Project

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Telecom Infra Project, “Phoenix Technical Requirements,” https://cdn.brandfolder.io/D8DI15S7/as/q68919-gbk6e8mbhf7/20191210_Phoenix_Technical_Requirements_-_Telecom_Infra_Project.pdf.

11

実装例

NYCのCOSMOSテストベッドの様子
TIP要件、PhoenixとMUSTに適合しRibbonを獲得

TeraCoがNECのTIP要件適合製品を南アフリカにて導入
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12Plug & Play Data Center
Linuxをベースとし、コグニティブファウンデーションに対応可能なオープンな光伝送装置と光パス自動最適化技術を実現⇒データセンタ全体をOpen source softwareで制御【オペレーション自動化】
オーケス
トレータ

・光伝送装置・サーバの接続を自動検知、自動セットアップ
・通信障害時の遠隔からの故障個所切り分け
光パス自動最適化

Micro-service
ready(AOPPコントローラ)

Operation Center

Micro-service
Ready!

ServerSwitch

Optical Path Optimization!

Open Transponder

ToR

ToR

CPU

CPU

CPU

CPU

CPU

Line system

CPUToR

ToR

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

HD

【活用ユースケース】• データの大きいVMをDC間でコピー、超低遅延サービス提供

Copyright 2022 NTT CORPORATION• 災害時・電力供給限界時のDC間の迅速なバックアップ

等 13

DSPの進化に伴う性能の差• 以下は異なる世代のトランシーバを比較した結果を示す*。
•

最大帯域：２倍、伝送距離：1.5倍•

消費電力：1/2倍

200G DSP

200G/λ x 8
1000W
1.5U

CFP2-ACO
200G/λ50W

CFP2-DCO
400G DSP

400G/λ25W

Cassini (2018年商用開始)

100G QPSK

100G QPSK

200G 16QAM

200G QPSK

標準モード

400G/λ x 4
480W
1UGalileo Flex T (2022年商用開始)

400G 16QAM

独自モード
ADSLのように、伝送距離が短い方が広帯域で接続できる

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14

異なるトポロジと運用•

DCIはDCやクラウドオペレータが主導する形で発展、最新技術とソフトウェアを使った最適化により高い効率を実現•

従来のキャリア網とは要求条件が多きく異なるため、トポロジも運用も大きく見直しが必要になる
BackboneRing

3 Wavelength
100km5 Wavelength
250km

信頼性確保・人手による運用保守性を重視した設計• マニュアル保守に適したシンプルなトポロジ• 導入後１０年運用⇒新技術への切替えが難しい• リング長によらず一様なシステムを導入⇒未割当マージン・システムマージンが大きい

ch1 ch2 ch3 ch4 ch5

ch32

QPSK
4bit/symbol

・・・・・

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BlanchRing

Frequency

15光の難しい点：ファイバ非線形光学効果
図は以下から参照し、一部追記
http://what-when-how.com/fiber-optics/wavelength-domainmultiplexed-wdm-fiber-optic-communication-networks-part-2/
https://www.fiberlabs.co.jp/tech-explan/about-dispersioncompensating/

DSPはこの効果を、最終段でまとめてデジタル回路で補正→カー効果は摂動で良い→スパン数が多いほど精度良コヒーレント技術以前の課題：ファイバ非線形光学効果
Im [E]
EnlEsig

強い光が入力、分極が発生

Re [E]

ある波長の挙動が、自分自身や他のWDM光に影響を及ぼすカー効果がランダムに発生し、信号光がひずむ

PNL3 = ε0 χ(3)3111−𝑖2π𝑓1 𝑡−𝑖2π𝑓2 𝑡−𝑖2π𝑓3 𝑡
𝐸𝑒+ 𝐸2 𝑒+ 𝐸3 𝑒+ 𝑐. 𝑐.
2 122

非線形シュレーディンガー方程式を用いた厳密解（SSFM）
計算量も多く、シミュレーションに数日かかることも＃現在でもこの課題が顕在であると考えている技術者は多い

では、ショートリーチの場合は？
首都圏くらいだとここが重要だが、誰もモデル化できていなかった

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各波長の位相がそろったまま
光アンプ増幅・ファイバ入力→強いカー効果発生

16ガウシアンノイズの加法性
光アンプによるASEと、カー効果による光学非線形効果は同じガウス分布であるため、加法性が成り立つ

Im [E]Im [E]
Enlσiσr
Esig

Esig

Re [E]Re [E]

信号光に対し、自然放出光によるランダムノイズが乗る

𝑮𝑺𝑵𝑹−𝟏=

𝑺𝑵𝑹−𝟏
𝑨𝑺𝑬

カー効果がランダムに発生し、信号光がひずむ

+

𝑺𝑵𝑹−𝟏
𝑵𝑳𝑰+

𝑺𝑵𝑹−𝟏
𝑻𝑹𝑿

トランシーバモデル化に関する研究が進展

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トランシーバのモデル化•

これまでは専門家でないと最適化できなかった光パス最適化も、ソフトウェアによって自動制御できる準備が整ってきた

信号品質（誤り率）
BER
1.0E-01

必要品質（FEC限界）400G
送受信機ノイズによる信号劣化

100G

1.0E-02
実際の送受信機（ノイズあり）
1.0E-03

理想的な送受信機（ノイズなし）1.0E-04

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伝送路品質
OSNR

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Summary•

光伝送技術のデジタル化に伴ってモジュールの省電力・省スペース化が進み、多くのオペレータがコヒーレント技術を活用•

Open APNは今後10年を見据えたデザインゴールと新しいアーキテクチャを発表、今後はコンセプト実証を行う•

これまでは垂直統合型であった光伝送装置は、Disaggregationやサーバベースのアーキテク
チャによって柔軟性を増し、よりユーザの近く、DCの中に•長きにわたって光伝送の難しい課題であった、ファイバ非線形光学効果やトランシーバのモデル化にも進展がみられる•NTT研究所は、引き続きIGF、Open ROADM、TIP OOPTへの貢献を通してOpen APNの実現をめざしていく

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Hideki Nishizawa (hideki.nishizawa.zw@hco.ntt.co.jp)

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