適応制御による大容量フォトニックネットワーク
High-capacity photonic networks based on adaptive optical-path control

不可欠である[1-3]．しかし，これらの方法は光ファイバの非線形性及び光ノードによるスペクトル狭窄に起因する信号品質の劣化が顕著であるため，最大伝送距
離とノードホップ数が厳しく制限されてしまう[4]．一方で，伝送距離に従って変調時数を決定する距離適応
変調方式は周波数利用効率を大幅に向上することが可能である[3]．しかし超高密度波長分割多重システムで森 洋二郎 ( Yojiro MORI, Ph. D.)

は距離だけではなくノードホップ数も伝送性能に影響名古屋大学 工学研究科 情報・通信工学専攻 准教授を与えることから，距離適応変調を適用することは容(Associate Professor, Nagoya University)

易ではない．距離とノードホップ数に応じて変調方式

IEEE，OSA，電子情報通信学会 レーザー学会 他
研究専門分野：通信工学 光ネットワーク ディジタル信号処理とパス帯域を割り当てることでこの問題を解決できると考えられるが，全ての光パスに対して最適な変調方

あらまし式とパス帯域の組み合わせを決定する必要がありその光ネットワークが扱うデータトラフィック量は急速実現は困 難であ る．一方 で ，我々 が提案 してき たに増大している．このため光ネットワークのトラフィ

Grouped Routing ネットワークは，光パスをグループック収容効率の向上が急務である．収容効率向上のた単位でルーティングし，add/drop のみを光パス単位でめに，高次変調方式と超高密度波長分割多重方式の導行う．本方式を用いることで，超高密度波長分割多重入が望まれるが，このようなシステムでは光ファイバを実現しながらもスペクトル狭窄の回数を制御するこの非線形性及び光ノードにおけるスペクトル狭窄に起とが可能である[5]．このため，ノードホップ数を考慮因する信号品質の劣化が顕著であるため，伝送距離とすることなく高密度性を維持しながら距離適応変調をノードホップ数が厳しく制限されてしまう．距離適応用いることができる．

変調は光パスの伝送距離に応じて変調次数を選択する

本稿では，距離適応変調と Grouped Routing を組みことでネットワークの容量を向上することが可能であ合わせることで，周波数利用効率を大幅に向上できる

るが，超高密度波長分割多重システムに距離適応変調ことを伝送特性解析及びその結果に基づいたネットワを適用するためには距離とノードホップ数に依存するーク設計により示す．

伝送特性を考慮する必要があるため，その実現は容易ではない．
一方，我々が提案してきた Grouped Routing

２．距離適応変調 Grouped Routing ネットワーク

ネットワークは光パスをグループ単位でルーティング

従来，距離適応変調を用いる場合には，スペクトルすることで，超高密度波長分割多重を実現しながらも狭窄の影響を受けないほど十分に広い帯域を光パスにスペクトル狭窄の回数を規定値以下に制御する．この割り当てていた．一方で，光パス帯域を狭める事で周ため，距離のみを指標とした距離適応変調を使用する

波数利用効率を改善することが期待される．しかし，ことが可能である．本稿では，距離適応変調とそのよう な場合 ，光ノー ド内の波 長選択 スイッ チ

Grouped Routing を組み合わせることで光ファイバの(WSS: Wavelength-selective switch)に起因するスペ利用効率を大幅に向上できることを，伝送特性解析とクトル狭窄により最大ノードホップ数は厳しく制限さネットワーク設計により示したので報告する．

れてしまう．このため，スペクトラム狭窄を生じるシステムでは距離適応変調を有効に使用することはできない．図 1 に示すように，距離とノードホップ数に応

１．研究の目的
急速に増加を続ける光ファイバ通信需要に対応するじて変調方式とパス帯域を割り当てることでこの問題ためには，高次変調方式，超高密度波長分割多重シスを解決できると考えられるが，全ての光パスに対してテム及びエラスティック光ネットワークの導入が必要最適な変調方式とパス帯域の組合せを決定する必要が
1

TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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あり，パス割り当ての処理が複雑となるためその実現は困難である．

提案手法

周波数利用効率を高めながらもこの複雑性を解消す
距離適応変調距離及びホップ適応

距離適応Grouped Routing

主な劣化要因距離距離ホップ数

距離適応制御変調方式

変調方式
割り当て間隔変調方式

るために，我々は距離適応変調と Grouped Routing を組み合わせたネットワークを提案する．この手法では，
信号配置例複数の光パスが Grouped Routing Entity(GRE)と呼ばれるグループにまとめられ，ルーティング処理はGRE 単位で行われる[5]．GRE 内には信号を密に収容し，一方で GRE 間に十分なガードバンドを挿入することでルーティング処理時のスペクトル狭窄の影響を

図2最小化しながらも周波数利用効率を向上させることが手法の比較できる．スーパーチャネルを構成するサブキャリアとは異なり，Grouped Routing では add/drop 処理は光２．伝送特性解析

パス単位で行う．これによりグループ単位でのルーテ

図 3 に示す非線形系伝送路モデルを用いて伝送シミ

ィングにおける性能劣化の影響を抑制することができュレーションを行い，400Gps 信号の伝送可能距離及るが，隣接パスの add/drop 処理時にスペクトル狭窄びホップ数を評価した．使用した変調方式は 32Gbaudの影響を受けてしまう．この隣接パスの add/drop 処

DP-QPSK×4，43Gbaud DP-8QAM×2，32Gbaud

理時に生じるスペクトル狭窄の回数は波長割り当てア

DP-16QAM×2 とした．16QAM と QPSK のサブキルゴリズムを適用することで制御することができるたャリア間隔は 37.5GHz，8QAM のサブキャリア間隔

め信号品質はノードホップ数に依存しない．したがっは 50 GHz とした．各サブキャリアのスペクトルはロて，光パスの伝送距離のみを考慮することで最適な変ールオフ率 0.05 のルートコサインロールオフフィル調方式を割り当てることが可能となる．これまでに説ターにより成形される．入力パワーを最適化した後，明した手法の特徴を図 2 にまとめた．

信号は WSS を経由して伝送リンクへと入力される．
1 スパンは 100 km の SMF と EDFA からなる．SMF

Spectral efficiency[bit/s/Hz]
c

16QAMの損失係数，波長分散パラメータ，非線形係数はそれぞれ，0.2 dB/km，16 ps/nm/km，1.5 /W/km とし，EDFA の雑音指数は 5 dB とした．損失，波長分散，f8QAM

ファイバ非線形効果の相互作用はスプリットステップiQPSK

フーリエ法を用いて計算した．n スパン伝送させた後，Distance信号は隣接ノードに到達する．本研究では n=2，6 す(a)Distance-adaptive network
Spectral efficiency[bit/s/Hz]
abacb16QAM
ffcd8QAM f eg
QPSK hiDistance

なわちノード間距離を 200 km，600 km として数値実験を行った．ノードは route-and-select 型で接続されfた複数の WSS からなる．WSS のピーク損失は 6.5dB とした．WSS の通過帯域は，割当帯域幅を持つ矩形関数と 10 GHz の 3 dB 帯域幅を持つガウス関数との畳み込みによって表現されている．複数ノードを経由した後，目標の信号はドロップされディジタルコヒ

Hop count(b) Distance-/hop count-adaptive network
図1ーレント受信器で復調される．復調はディジタル信号処理によって行われ，ビット誤り率(Bit-error ratio:BER) が計算され る．前 方誤り訂正 (FEC: Forward

距離適応変調及び距離ホップ適応変調

2TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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6000

Rx

伝送路モデル

図 4 はパス帯域をそれぞれ 75 GHz と 100GHz に

Distance[km]DropDistance[km]図3× hop count-1

175GHzDistance[km]Hop countTxn6

Hop count

100-km SMF

n repeater spans

162.5GHz 3000

150GHzHop count

Add

10Distance[km]Hop count: WSS

100-km SMF

600 km span
5000

162.5GHz 3600
150GHz1000
51200
2 400Gbps DP-QPSK
400Gbps DP-QPSK
0000 01281002030
4The number of add/drop operations The number of add/drop operations
125GHz 2400
2400
124125GHz
1800
3112.5GHz
112.5GHz1600
821200100GHz800
100GHz41600
400Gbps DP-8QAM
400Gbps DP-8QAM
00000
10203012084
The number of add/drop operations The number of add/drop operations
100GHz
1600
1800
83100GHz
1200
687.5GHz
1200
287.5GHz
4800
75GHz
75GHz
1600
400
215: EDFA

200 km span
175GHzDistance[km]25Hop countを満たす限界を最大距離またはホップ数として求めた．

Distance[km]Hop counterror correction)を考慮して，信号が BER＜1.0×10-2400Gbps DP-16QAM0 400Gbps DP-16QAM01020300
12 0084
The number of add/drop operations The number of add/drop operations

設定し，32Gbaud DP-16QAM×2 の信号を 800 km0伝送させた時のコンスタレーションと BER を示している．パス帯域が 75 GHz の場合，帯域狭窄回数が増

図 5 伝送特性加する毎に信号品質が劣化していることが分かる．
図 5 はそれぞれノード間距離が 200 km，600 km の

３．ネットワーク特性解析

時の伝送特性を示しており，縦軸は伝送可能な最大の提案手法の有効性を確かめるために静的ネットワー

ノードホップ数または距離を，横軸はスペクトル狭窄クシミュレーションを行った．以下の 3 つの手法（図化の回数を示している．図 5 が示す通り，超高密度波2 参照）について光ファイバの利用効率を数値実験に長分割多重システムにおいてはノードホップ数が厳しより検証した．A)距離適応変調を用い，スペクトル狭く制限され，ノードホップ数と距離に応じて適切なパ窄化の影響を受けないチャネル間隔を設定し，ルーテス帯域を割り当てる必要がある．一方で，我々が提案

ィングは光パス単位で行う．B)距離とノードホップ数する Grouped Routing ネットワークでは隣接パスに応じて変調方式とパス帯域を選択する手法を用い，add/drop の回数，すなわち帯域狭窄回数を制限するこ

ルーティングは光パス単位で行う．C)距離適応変調ととが出来るため，変調方式を決定するためにノードホ

Grouped Routing を用い，隣接パス add/drop 回数はップ数を考慮する必要はない．このように提案手法は1 回に制限した．利用可能な帯域を C 帯(4.4 THz，352超高密度波長分割多重システムの導入におけるパス割スロット)とした．また，使用したネットワークトポロり当ての処理を簡素化することが出来る．

ジとその特徴を図 6 に示す．4×4 トポロジについてはノード間距離を 200km と 600km の二通りについてデ

Path bandwidth
The number of add/drop operations

ータを取得した．トラフィック需要は一様に発生する

100 GHz024ものとした．また，光パスの容量は全て 400Gbps と6し，変調方式は 32Gbaud DP-QPSK×4，
43Gbaud DP-Constellation diagram
BER
Path bandwidth

0.00074

8QAM×2，32Gbaud

0.00082

0.0037

0.0361

和するために GRE 間に 2 スロット(25GHz)のガード

800km 伝送後のコンスタレーションと BER 値バンドを挿入した．また，図 5 の伝送特性から得られ提案手法である Grouped Routing の各グループの幅

Constellation diagram

BER

図 4DP-16QAM×2 を想定した．

0.00078 0.00082
75 GHzは 48 スロットに設定し，スペクトル狭窄の影響を緩0.00110.0136

るそれぞれの手法が要するスロット数を図 7 にまとめ(1 スパン:200km)た．図 8 は変調方式と割り当てチャネル帯域の対応を3TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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High-capacity photonic networks based on adaptive optical-path control

示している．手法毎の選択範囲から伝送特性を満たし

4(200km) では 14.3％，4×4(600km) では 12.7%，た上で周波数利用効率を最大化するように変調方式とJPN48 では 10%，Pan-European では 13.5%のファ割り当てパス帯域を選択する．ここでは周波数利用効イバ数の削減が可能になる．一方で距離適応変調と率が高い順にアルファベットがつけられている．

Grouped Routing を併用することでファイバ数を 4×4(200km) では 18％，4×4(600km) では 15.4%，JPN48 では 17.8%，Pan-European では 16.3%も削減することができる．伝送距離が短い場合か最大ホップ

Pan-EuropeanNetwork

JPN48

4×4数が大きい場合，帯域狭窄による劣化の影響がファイバの非線形性による劣化の影響よりも大きくなるため従来手法との削減比が大きくなっていることが分かる．

266627 km(600 km)

The number ofModulation format

DP-QPSK
43-Gbaud
DP-8QAM
32-Gbaud
DP-16QAM

図741412,13 or 14122108, 9 or 108286, 7 or 860.80Scheme A
400G DP-16QAM 400G DP-16QAM
fdf

100GHz

400G DP-8QAM

ef

400G DP-8QAM

f

400G DP-QPSK

400G DP-QPSKghffi

Assigned bandwidth
図81AB0.9図 10 必要光ファイバ数比(4×4:600km)

400G DP-QPSK

162.5GHz

4×4 (600 km)

1.1f

125GHz112.5GHz

100GHz150GHzf

87.5GHz75GHz

400G DP-8QAM

20C0.810152005
The average number of paths between each node pair

cbf

1.2f

175GHzBroad

The number of fibers(/ Scheme A)a15

図 9 必要光ファイバ数比(4×4:200km)

Scheme B
Scheme C
400G DP-16QAM

5B
C10The average number of paths between each node pair

必要スロット数HighA

10.9

C

The number of assigned slotsa

subcarriers

32-GbaudB

4×4 (200 km)

1.1

使用したネットワークトポロジとその特徴

AModulation order

1.2

The number of fibers(/ Scheme A)

図648
14154 km(200 km)

The number of fibers(/ Scheme A)

The number of nodes
16
Maximum hop count
6Average link length(length in simulations) (200 or 600 km)

1.2

変調方式及び割り当てチャネル帯域の優先順位

JPN48

1.1

図 9，図 10，図 11，図 12 は各ネットワークトポロ

10.9

AB

C0.810152005The average number of paths between each node pair

ジに対するシミュレーション結果を示している，縦軸は手法 A において必要なファイバ数を 1 として規格化したものである．距離とノードホップ数に適応して変調方式とパス帯域を割り当てる事により 4×

図 11 必要光ファイバ数比(JPN48)

4TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN

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The number of fibers(/ Scheme A)

High-capacity photonic networks based on adaptive optical-path control[2] G. Bosco et al., “On the performance of Nyquist-

1.2

WDM terabit superchannels based on PM-Pan-European

1.1

BPSK, PM-QPSK, PM-8QAM or PM-16QAMA

1Subcarriers,”

B

0.9

IEEE/OSAJ.

Lightwave

Technology, Vol. 29, pp. 53-61, 2011.
[3] M. Jinno et al., “Distance-adaptive spectrum

C0.810152005
The average number of paths between each node pairresource allocation in spectrum-sliced elastic
optical path network,” IEEE Communication
Magazine,

図 12 必要光ファイバ数比(Pan-European)

Vol.

48,

p.

138-145,

2010.・・・・・・・・・・・・・・・・
伝送特性とその結果に基づく三つのネットワーク設[4] Y. Mori et al., “Joint pre-, inline-, and post-

計手法の数値実験を踏まえた特徴を図 13 にまとめた．

compensation of spectrum narrowing caused by

手法 A はパス割り当ての処理は単純だがファイバ利用

traversing

効率が手法 B，C より低い．手法 B は，ファイバ利用

European

効率は高いが距離とノードホップ数の両方を考慮する

Communication (ECOC), paper P1.SC3.45,必要があるため多くの伝送特性解析を要する．一方で

2017.

multiple

opticalConference

nodes,”
onProc.
Optical

我々が提案する手法Ｃでは大幅なファイバ利用効率の[5] Y. Terada et al., “Highly spectral efficient向上が実現できるうえに，ホップ数に適応することな

networks based on grouped optical path

く高密度なネットワークを実現できる．

routing,” OSA Optics Express, Vol. 24, pp. 6213-A

B

C

Routing unit

PathPath

Group (GRE)Impairment- related
metrics

Distance

Adaptive assignment

Modulation

Fiber utilization

Fair

Distance &hop count
Modulation &bandwidthGood6228, 2016.

Distance

この研究は，平成２８年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とModulationして採用され，平成２９～令和元年度に実施されたもExcellentのです．
図 13

数値実験を基にした手法の比較

おわりに
本稿では，距離適応変調と Grouped Routing を組み合わせた手法を提案し，伝送特性解析と，その結果に基づいたネットワークシミュレーションによりその有効性を証明した．また，Grouped Routing の導入によりファイバ利用効率が大幅に向上するだけではなくパス割り当ての処理を複雑にすることなく距離適応変調方式を超高密度波長分割多重システムに適用できることを示した．
参考文献[1] K. Kikuchi, “Fundamentals of coherent opticalfiber communications,” IEEE/OSA J. Lightwave
Technology, Vol. 34, pp. 157-179, 2016.
5TELECOM FRONTIER No.109 2020 AUTUMN