国際通信における光海底ケーブルシステムの技術

MPLS JAPAN 2008
(於 東京大学構内 弥生講堂)
2008年10月28日
及川 康志
E-mail: oikawa.yasushi@jp.fujitsu.com

富士通株式会社
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

はじめに
z国際通信を担う技術のいろいろ
z光海底ケーブルシステムとは？
z光海底ケーブルシステムの構成と技術
z安定した通信を支える高信頼度の中継器
z増え続ける回線需要への対応
zまとめ

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

国際通信における技術のいろいろ
光海底ケーブル•高品質で大容量•現在では国際通信の９９％以上が海底ケーブルを利用しているといわれている

光増幅↑TPC-5↑China-US↑JAPAN-US
・・・

光再生

衛星通信
•通信容量はおよそ1Gbps•伝送遅延が大きい•システム寿命は10年~15年↑TPC-3↑TPC-4

衛星同軸短波↑TPC-1↑TPC-2海底ケーブル（電信）1850

1900

1950
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

2000

(年,西暦)

光海底ケーブルシステムとは？

 光ファイバを伝送媒体としたケーブルを海底地形に沿って敷設し、陸上の地点間を結び通信を行うシステム
z 大容量通信z 長距離伝送z 伝送遅延が少ない
z システムの寿命は２５年
z 漏話もなく秘匿性が高い 一方・・・
z 新規建設や障害発生時の修理に時間がかかるz さまざまな種類の通信が一本のケーブルに集約されているため、障害発生時の社会的影響が大きい
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

光海底ケーブルシステムとは？
有中継システム海底区間で光増幅を繰り返し長距離伝送する方式

z 伝送路で減衰した光を最適な間隔で光増幅
z 伝送距離は数百km～1万km超
z 設計・敷設・試験にも長期間を要する

信号レベル 減衰量はおよそ0.2dB/km

光増幅中継器

増幅
距離All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

海底ケーブルのネットワークトポロジ
Point to PointRingBranching

Festoon

障害に強いネットワークを形成するため、これらの形態をもつ個別のケーブルシステムを複数組み合わせ、メッシュネットワークを構成している
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

国際通信における光海底ケーブルシステムの技術

z国際通信を担う技術のいろいろ
z光海底ケーブルシステムとは？
z光海底ケーブルシステムの構成と技術
z安定した通信を支える高信頼度の中継器
z増え続ける回線需要への対応
zまとめ

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

光海底ケーブルシステムの構成
海底ケーブル陸揚げ局
Cable Landing Station C

Cable Landing Station A
NMS

MCTo/From
Backhaul
SIE/
NPE

WDM
SLTE

P
F
ECTB

CableLandingStation B

Cable

REP GEQ

陸揚げ局
SLTE : 光海底伝送装置
PFE : 給電装置
MC : 海底システム監視装置
CTB : ケーブル終端箱

GEQ REP

BU

海中機器
NPE: ネットワーク切替装置
SIE: SDH接続装置
NMS: ネットワーク監視装置

Cable: 光海底ケーブル
REP : 光増幅中継器
GEQ : 利得等化器
BU : ケーブル分岐装置

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

PF
E

MCNMS

C
T
B

WDM
SLTE

SIE
/
NPE

To/FromBackhaul

Submarine Line Terminal Equipment(SLTE, 光海底伝送装置)

STM-16

E/O O/EE/O O/EE/O O/EE/O O/E

STM-64
or
10GbE

E/O
O/E

STM-64
or
10GbE

E/O
O/E

陸上区間

λ1

λ1
FEC

E/O
O/E

FEC

E/O
O/E

DC

FEC

REP

DC

DC

E/O
O/E

WDM

WDMλnλn
DC

DC

E/O
O/E

FEC

E/O O/EE/O O/EE/O O/EE/O O/E

STM-16

FEC

E/O
O/E

STM-64
or
10GbE

FEC

E/O
O/E

STM-64
or
10GbE

λ2

λ2

E/O
O/E

DC

E/O
O/E

海中区間
海底システム区間

 波長多重技術により伝送容量は10Gbps x 100波以上

陸上区間
E/O： 電気光変換(変調含む) DC： 分散補償部
WDM 波長多重分離部
O/E： 光電気変換(復調含む) WDM：
FEC： エラー訂正符号処理部

 両端局の陸上側ｲﾝﾀﾌｪｰｽ間を透過的に伝送 SDH/SONETのOHの終端処理は行わず 、B1エラーなどのモニタのみ
 N+1（N=16)の予備波長を利用したプロテクションも適用可能(切り替え時間は50ms以内)
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

超長距離、大容量伝送を実現する技術

波長多重の高密度化
z 中継器の利得帯域幅は1.53-1.57um帯の30~34nm程度
z 帯域幅を最大限に利用するため波長間隔を狭くする(a) 50GHz間隔
ITU準拠

50GHz
(0.4nm)37.5GHz(0.3nm)

1551

1552

1553

1554

1555 1550

ITU準拠

25GHz
(0.2nm)
さらに容量up

容量up

1550

(c) 25GHz間隔(b) 37.5GHz間隔

1551

1552

1553

1554

1555 1550

1551

1552

1553

1554

1555

(nm)

(nm)

最大の伝送可能波長数は伝送距離,利得帯域,OSNR,Q値,分散補償,保守方針などに依存する
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

(nm)

超長距離、大容量伝送を実現する技術

変調方式の最適化
z RZ-OOK （Return to Zero On-Off Keying)z 従来の変調方式、光のOn-Offで1,0を伝送
z 送受信機の構成が簡素
1101z RZ-DPSK (Return to Zero Differential Phase Shift Keying)z 光の位相を偏移させて1,0を伝送
z RZ-OOKに比べて2-3dB程度の受信感度向上
z 送受信機の構成が複雑
1011（復調後の波形）

これらの変調方式を伝送路に合わせて組み合わせ、システムごとに最適設計
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

超長距離、大容量伝送を実現する技術

分散補償技術10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0-2,000-4,000-6,000-8,000-10,000
0

RZ-OOKの波形

長波長
中心波長
短波長

分散補償前(ps/nm)

累積分散量

z 波長分散とは、波長よってファイバ中の伝播速度が異なる特性であり、このため伝送後の波形が歪む
z 伝送路中に挿入した分散補償用ファイバで数百kmごとに繰り返し補償z 伝送路で補償しきれない残留分を端局装置で補償
z 可変分散補償技術で、BER (Bit Error Rate)が最小になるように自動調整

2,000

4,000
距離 (km)

6,000

8,000

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

自動分散補償後

超長距離、大容量伝送を実現する技術

FEC (Forward Error Correction)技術
z エラー検出訂正用コードをデータと一緒に送信z 受信側でエラー検出訂正コードからエラーしている箇所を特定して、エラー訂正
z 符号化利得は8dB以上
エラー検出訂正用の冗長コード生成+

1.E-02受信

送信No FEC

1.E-03
1.E-04
1.E-05海底伝送路

エラー検出/訂正

BER after FEC

データFECOH

1.E-01

エラー発生!!

1.E-06
1.E-07

Conventional FEC

1.E-08
1.E-09
1.E-101.E-11
1.E-12

訂正されたデータ

FEC
OH+

エラーした
データ

1.E-13Ultra-FEC

1.E-14
1.E-15
1.E-05

1.E-04

BER before FEC

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

1.E-03

1.E-02

国際通信における光海底ケーブルシステムの技術
z国際通信を担う技術のいろいろ
z光海底ケーブルシステムとは？
z光海底ケーブルシステムの構成と技術
z安定した通信を支える高信頼度の中継器
z増え続ける回線需要を実現する技術
zまとめ

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

光増幅中継器 （Repeater、REP）
 水深8000mの海底で２５年間耐えうる高耐圧性、高気密性、高サージ耐力
筐体は円筒構造のベリリウム銅合金
 励起LDの冗長化による高信頼度
250 mm
265 mm 中継器モニタ機能~1200 mm~3300 mm

EDF
EQLIN

Redundant

0.98 LDsOUTOUTWeight including Coupling: 300kg (2 f.p.)

SV &Controller
LDCONTIN

EQLEDF

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

安定した通信を支える高信頼性
 海中区間の故障修理は25年で3回以下であることが要求される太平洋横断などの長距離システムの例）
zシステム寿命：25年
z中継器台数：約150台*fit : 故障率の単位、1fit = 1E-9 [回 / 時間]要求される中継器１台あたりの故障率：91.3 fit以下（MTBF:約1250年）
計算式： 25年間の故障 3回÷150台÷24時間÷365日÷25年÷1E-9 (ケーブル他は除く）

z部品レベルでの徹底した品質管理
z信頼性を確保するスクリーニング試験
z製造技術・作業機械の品質管理
z部品から完成体までのトレーサビリティ管理
z励起LDなどの冗長化
All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

国際通信における
光海底ケーブルシステムの技術

ケーブルに障害が発生したら・・・

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

どこで障害がおきたかを探る技術

まずは中継器モニタ機能で、障害区間を評定信号全体(信号波長全て）に変調をかける。

SLTE

Repeater
励起LD

励起LDを変調する事により信号にﾚｽﾎﾟﾝｽ信号を重畳する。

この区間に問題が！！
SLTE

OK!

OK!

OK!

OK?

OK!

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

OK!

SLTE

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・t!
Cu

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

新しいケーブルとSpliceしたら敷設

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

Final Splice

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

ケーブル障害地点が特定できたら・・・

修理完了!!

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

国際通信における光海底ケーブルシステムの技術
z国際通信を担う技術のいろいろ
z光海底ケーブルシステムとは？
z光海底ケーブルシステムの構成と技術
z安定した通信を支える高信頼度の中継器
z増え続ける回線需要への対応
zまとめ

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

増え続ける回線需要への対応
 ケース１： 新規システム建設
z システム全体を最新技術により最大容量に最適設計可能
z 容量増大に有利だが、システム完成まで時間が必要

 ケース２： 波長増設、端局装置の増設やリプレースz 海中機器、ファイバ伝送路は既設システムを利用し、端局装置のみ最新技術を適用したものを適用
z 短期間で容量増大が可能
z 既設伝送路の特性は変わらないので制約が多い

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

増え続ける回線需要への対応
端局装置のみの増設例
z 既設装置と海中機器の間に挿入したカプラを介して新規SLTEを接続
z 既設の端局装置の波長も利用可能
z オリジナルの設計容量を上回る増設が可能
海中区間

Existing SLTE

Existing SLTECPL

Ｍ
ＵＸ

Trib
Trib

New SLTE
Trib
Trib

W
DM

CPLＭ
ＵＸ

Trib
Trib

10Gbps

2.5Gbps:Existing wave(s):New wave(s)10GbpsNew SLTE
W
DM

Trib
Trib

新規SLTEAll Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

既設装置

新規SLTE

増え続ける回線需要を満たす技術

 さらなる大容量化に向けての課題
z10Gbpsレベルでの大容量化は限界に近づきつつある
z高ビットレート化（40Gbps）
z波長分散、偏波モード分散(PMD)などの影響がより顕著に
z従来の変調方式のままでは、スペクトル幅が約4倍、所要OSNRも現状より6dB必要（10G On-Off Keyingとの比較）
zそのためコヒーレント受信、位相変調、多値変調、偏波多重や多サブキャリア化などの技術の適用が必須

z将来的には100Gbpsに?

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008まとめ
 約１５０年前から受け継がれた海底ケーブルの技術と最新の光技術の結晶
 光海底ケーブルシステムは、通信における地球規模の太いパイプ システム完納後も増え続ける回線需要に対応するため、新しい技術をとりいれてシステムを刷新していく

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008

All Rights Reserved, Copyright FUJITSU LIMITED 2008