VERA広帯域化とOCTAVE+（ディスクバッファ併用型光結合VLBI観測網）
小山友明（水沢VERA観測所、光結合VLBIチーム）

VERA-UM 090903

光結合（その１）• OLIVE（Optical LInked VLBI Experiment）• 1995～、1998/1 First Fring• NRO、USUDA→NTT武蔵野研究所、そして三鷹相関局・宇宙研相模原「はるか••」運用室へと光ファイバが敷設
256Mbps（回線2Gbps）
リアルタイムフリンジ（インフラ的）

国立天文台 川口則幸 Kawaguchi Noriyuki
小林秀行 Kobayashi Hideyuki
藤沢健太 Fujisawa Kenta
井口 聖Iguti Satoru
徂徠和夫 Sorai Kazuo
宇宙科学研究所 平林 久 Hirabayashi Hisasi
村田泰宏 Murata Yasuhiro
NTT情報流通プラットフォーム研究所 魚瀬尚郎
岩村相哲 Iwamura Sotetsu
NTTアドバンステクノロジ株式会社 星野隆資
HPより
http://veraserver.mtk.nao.ac.jp/evlbi/olive/outline/index.ht

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光結合（その２）• OCTAVE（Optically ConnecTed Array for Vlbi Exploration）

OCTAVE（Optically ConnecTed Array for Vlbi Exploration）•４ Gbps（山口、岐阜、筑波、鹿島）~2008 Mar•２ Gbps（苫小牧）•Kband（山口、岐阜、筑波、鹿島、苫小牧）
Xband（山口、筑波、鹿島）••

今後（高萩 4Gbps、臼田 数Gbps）･ ＃５ （２０００系記録）
S/X 筑波、鹿島OCTAVEの帯域幅ごとのSNR
Band-Width

鹿島

臼田

山口

80

420

420

350

324

780

780700

帯域幅４倍
感度約2倍

SNR

バンドパス補正後の帯域幅別ＳＮＲ
900
800
700
600
500
400
300
200
1000KASHIMA&B
USUDA&B
YAMAGU&B

0100200300
Band-Width400500

基線感度OK
１ｍJy@60秒

1329+315
Degrees

DIR1000
time

OCTAVE

Degreesの比較
CLOSURE PHASEOCTAVE

DIR1000
4C32.44time

ディスク記録装置の進展（２００５～）• HD単体記録速度向上– ２０Mbyte/s（1999）→100Mbyte/s（現在）– 24台RAID→８Gbps可能– Byte単価減少 （１Gbyte/７Yen）– DIR2000（600Gbyte）→4200円– VERA全テープ交換（1200万）• Disk Buffer開発

Fantech– RVDB（VDB2000、KJJVC用）– ４ Gbps/DDB– 24時間記録/DDB@2Gbps－ ファンテック、Mark5B,C, K5VSI– 2 or 4 Gbps/DDB– 24時間記録/DDB@2Gbps

RVDB（VDB2000）光結合（現状）• Gbit観測網の構築継続• 解析系整備• 光伝送10GbE汎用回線、ディスクバッファー• 広帯域観測に必要なアナログ系、サンプラー、Gbit相関器、解析系も整備（開発）→光伝送を含めた上記技術開発が各プロジェクトの発展に寄与（VERA、KVN、VSOP2、EAVN）
サイエンスと技術の両輪技術的な追求は継続
サイエンス、アレイからの要求は変化

光結合これから（１）（広帯域高感度、萌芽的な観点）• センチ波では比帯域10% 数GHzを達成• 10GbE汎用回線、フレーム• EVLA、eEVN、eMERLIN
SKA?
• 大容量光伝送（１Tbyte/s 大陸間）
• RF サンプリング技術
サブミリ波?
• 比帯域ではフロンティア（350GHz×10%＝35GHz帯域）• VLBI観測自体がフロンティア

サブミリ波VLBIにおける光結合• 光結合の高データレートはサブミリ波VLBIでこそ威力を発揮
するのは自明• 100Gbps＠500GHz×10%を媒体で？（eALMA？)• フリンジを検出するのも困難、トラブル多い– VSOPの初期と似ている？
– サブミリ波VLBIでこそリアルタイムフリンジ重要？
• 光空間伝送（サブミリ望遠鏡は山の上）• 水素メーザー共有（ASTE, APEX, ALMA)ASTE-APEX-ALMA･ リアルタイムフリンジチェック･ 源振伝送（検討開始2009/05、MPI、MIT）

光結合これから（２）（インフラ的な観点）• ファイバー接続局の増加（川口さん）• 従来の光結合アレイは運用ベースに– 大学連携のサブアレイ（プロポーザル）– リアルタイム、高頻度モニター観測は光結合– 高感度観測はDISKサーバー含めたハイブリット• VERA、VSOP2、EAVN、東アジアへの発展– 簡易なデータ転送– リアルタイムフリンジチェック

OCTAVE＋（Optically ConnecTed Array for Vlbi Exploration）
•

接続中
休止予定
接続予定
未接続

• OCTAVE+とは
右記＋海外（EAVN,EVN等）の様々なアレイすべての組
み合わせで、広帯域高感度の観測を行う。
方式
Disk bufferを導入し一時データをDiskに記録し、観測レートより低いレート(1/2～1/５程度）で相関局にデータを伝送する。
またはDiskを運搬三鷹相関局
にて相関処理Why do we need？
• Technically１）様々なレート、方式の異なる回線で観測局を繋げる必要性ex） リンクアグリゲート（北大他）、VERA、Dante（欧州回線）,バースト観測対応

２）相関器による制限（現有５局10基線相関器）
ex) 高萩、北大局増加、マルチパス相関処理（廣田）３） VSOP2地上局、JVN、EAVN対応• Scientific
１）アレイ増加→VERA：広帯域高感度観測での短基線補強ex) 共同利用観測での野辺山、鹿島Gbit化、近傍メーザー、Sgr A

２）光結合VLBIでのサイエンス
Bal QSO（S13a 土居他）、星形成領域非熱的電波源（廣田、梅本他）
ex) 臼田局、野辺山

３）2 Gbps４局のアレイを早急に立ち上げ、 サイエンスにしばらく集中し地力を蓄える（次のプロジェクトに備える）（SWG 基本方針）

10GbE

Data flow（１０ GbE)
ADSn000 1 or2 Gbps
Sampler or recorderwith VSI-H ports

運搬VOA200-DIO@observatory(ex, Tukuba)

PC or K5/VSI
1Gbps Soft Correlator

Using SINET3

ADSn000 1 or2 Gbps
Sampler or recorderwith VSI-H ports

VOA200-DIO@observatory(ex, Kashima)
Using JGN2+

VSI-H
2Gbps

10 GbE
Hub@Correlation
Center(ex,Tokyo)

VOA200-DIO@Corr CenterOr
VOA200-DIO@Corr Center

ADSn000 1 or2 Gbps
Sampler or recorderwith VSI-H ports

VOA200-DIO@observatory(ex, Usuda)
Using SINET3DDB(DiskBuffer)

Observing Site

K5/VSIOr
Mark5DDB(DiskBuffer)

VSOP-FX

K5/VSI

Mark5Correlation Site

DDBDir2000

三鷹相関局の状況
・ すべてのOCTAVE各局のデータは三鷹に伝送し集中処理（現状帯域の半分しか用いていない）
・ VLBI用ディスクバッファーの大型整備（2008年度）･ K5/VSI（バックアップ相関器用）･ VDB-2000（KJJVC用試験＋バックアップ相関器増強用）⇒18 Gbps（K5/VSI)＋24 Gbps（VDB-2000) のトータル記録レート
216時間記録＠2 Gbps（２００ Tbyte）

・ K5/VSI⇔VDB2000⇔Mark5B データ変換可能予定（2008年中）（工場試験、 RVDB⇒K5/VSI（PC） 500Mbps）⇒Mark5B、K5/VSI、VDB2000すべての記録に対応可能予定
上記装置群を用いてOCTAVE+を構築できないだろうかOCTAVE+（ソフト相関器）• 2005-2009 K5-VSIシステム導入（18 Gbps）
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1, 2 Gbps 安定記録試験（バグ取り）
2008/3
VDB-2000導入（16 Gbps）
2008/1-3 VDB-2000⇒光結合相関器
2008/4-8 VDB-2000⇒DIR1Ｋ and 2K記録試験
2008/7
三鷹相関局レイアウト変更
2008/8
臼田局VDB-2000導入(試験的）2008/12
VSOP2用2偏波試験4Gbps記録（臼田、山口、鹿島）
2008-2009/3 ソフト相関器改修、拡張化（混合相関、偏波）
2009/8-2010/4 ソフト相関器前後処理改修拡張
光結合相関器FITSGEN：両偏波化
GICO3ソフト相関器対応

KJJVC用ディスクバッファ（VDB2000）• 基本構成VSI-10GbEther変換器＋Dsik Buffer（将来的には１０GbEに統一）• DIO（VSI I/F）
（１ or ２ Gbps 入出力）×８ port
• DDB（ディスバッファ） 2 Gbps 入出力 or 4 Gbps 出力or 入力
記録容量8～24 Tbyte（2 Gbps×８～24 時間）/1台• 複数のDisk ServerとVSI I/F間のIF： １０ GbE、ハブ

VSI－Ether変換器（DIO) 10 GbE

2 Gbps×４入出力

１０ GbE
Disk
ハブServer（マルチキャスト） 10 GbE （DDB)

VSI-H
１台

最大4台
10 GbE、RTP、UDP（汎用ドライバ）
PC、Optical Fiber、Sampler、ハード相関器
ソフト相関、データチェック、

VDB-2000 and eVLBI Correlator
at Mitaka(Japanese eVLBI network)
VOA200(10GbE)
VOA100(ATM)

DDB(DiskBuffer)
Giga bit
Correlator(5stations)A result of test eVLBI Observation
using VDB-2000•••
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•
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Sites: Usuda(64m), Kashima(34m), Yamaguchi(32m)
Date: 2007 Dec 20、2008 Jan 19
Target s : J0721+71(Target), J0642+67, J0726+79(calibrator)
Band: X band
Band width : 512MHz
Sampling : 2bit , 1Gsps (ADS1000 developed by NICT)
Recording : VDB-2000 (Three DDBs were used )Correlation : Real time and playback correlation have doneusing the Gigabit Correlator at Mitaka
correlation center.
• Output data : FITS Format• Analysis ： AIPS

Cross PowerReal time correlation
Real time correlation

After recording , Playback correlation
After recording , Playback correlation

Rate

Real time correlation

After recording , Playback correlation

DelayReal time correlation

After recording , Playback correlation

Amplitude & Phase

Real time correlation

After recording , Playback correlation

Closure Phase

Real time correlation

After recording , Playback correlation

VDB-2000 ⇒ DR2K 全基線フリンジ検出《SNR比較》
臼田 - 鹿嶋

鹿嶋 – 山口

臼田 – 山口

鹿嶋 – つくば鹿嶋 – つくば
DR1K局 (VSOPT)
DR1K(VDB-2000)
DR2K(VDB-2000)：1339：1685：4983

DR1K / DR1K局 ：1.25倍DR2K / DR1K ：2.95倍
ほぼ理論どおりの良好な結果が得られた

臼田 – つくば

山口 – つくば

VERA広帯域化（高感度化）• 位置精度向上（離角小、SNR向上）①∆p = 0.5 θf （分解能）/ SNR

SNR=30, B=1500 km, f=22GHz, θf =2 deg
SNR=15, B=1500 km, f=43GHz, θf =2 deg
SNR=100, B=1500 km, f=6.7GHz, θf =2 deg② ∆p ~θs（離角）∆τa / B
天頂大気遅延残差[sec(z) tan(z) = 0.0 at z=0o; 3.5 at z=60o; 8.0 at z=70o]δτa= 4 mm, Z=40, δｚ=1 deg, B=1500km
δτa= 2 mm, Z=70, δｚ=0.3 deg, B=1500km
δτa= 10 mm, Z=60, δｚ=0.1 deg, B=1500km
Etc （short time variation）、Structure• 参照電波源数増加• DIR2000リプレース

８ Gbps ＆DIR2000→DISK記録あり
既存
ODS

既存
ODR

VESPA

PCD
DFU

分配器

2Gbps×2（メーザー）
新光伝送装置（VSI-H
Ether変換器）

DIR2000
10GbE
ハブ

新光伝送装置64-512 （VSI-H
Mbps Ether変換器）

VMAT

VSI

2Gbps×4（連続波）

VSI I/F

Bit mask
DISK#1４+α Gbps

DISK#210GbE
その他

予備

予備

メタノール
R偏波

メタノール
L偏波

4-8 GHｚ IF
AビームL偏波

4-8 GHｚ IF
AビームR偏波

4-8 GHｚ IF
BビームL偏波

4-8 GHｚ IF
BビームR偏波4-8GHz
既存5-7 DCBBCLO BBC

8 in
2 outselector

既存5-7 DCBBCLO BBC

8 in 4out selector

4-8GHz4,5,6 GHz？

4-6 or 6-8 BPF

2ndLO

2048 MHz帯域
0-0.5BPF

0.5-1.02048 MHz帯域

512 MHz帯域

PANDA（超高速サンプラー）

USB,LSB 512MHz
1-1.5

1.5-2.0

512 MHz帯域

4,5,6 GHz？

ADS1000

図１

ADS3000＋×２ or 拡張

ADS1000

既存光伝送

観測棟
既存DF＋K5VSI
ファンテック等

2048 MHz帯域
ADS3000+DF
Or DDC

512 MHz帯域

新光伝送装置 （VSI⇔10GbE）

10GbE 観測棟
新記録システムバックアップ相関器（GICO3)改修、拡張（2008－2009年継続中）• ソフト相関器（GICO3) with NICT 木村– 偏波処理未対応⇒対応化– 混合相関処理（512、256、128MHz帯域）– 10GbE VDB2000対応化（未定）• 前後処理ソフトの制限 with 富士通– VSOP-FXハードウエアに依存• PP積分時間、フレーム周期、FFTセグメント長整数倍⇒任意設定– 前後処理ソフトウエアはVERAモードに依存• 局数（最大5局）⇒基本的に制限なし（16）• 1 or 2bit 対応• 処理可能モードIF数（VERAモードのみ）⇒基本的に制限なし（32）• FFT点数（最大16KFFT 1024点出力×２）⇒制限なし（4M）• 入力速度（1Gbps固定）⇒制限なし（64Gbps)

新観測モード（VERAモード以外）
入力速度

IF数

帯域幅（MHz）

コメント

1 Gbps1256

VLBI1（DF）

2 Gbps1, 2512, 256

VSOP2、ADS1000

4 Gbps

1, 2, 41024, 512, 256

ADS1000、ADS3000+

8 Gbps

1, 2, 42048, 1024, 512

ADS3000+、PANDA

16 Gbs

1, 2, 4, 84096, 2048, 1024, 512

ADS3000+、PANDA

32 Gbps

1, 2, 4, 8, 16 8192, 4096, 2048, 1024, ADS3000+、512
PANDA

FFT点数：IF毎任意、FX相関器用FITSGEN動作確認要光結合FITSGEN改修• 両偏波対応（VSOP2） ：2009年度中• GICO3ソフト相関器対応 ：2009年度中• 複数IF（未定）
：未定

新規
既存

データ取得～FITS
VERA相関処理系
Optical（２Gbps)

VDB2000（２Gbps)

OCTAVE相関処理系
Optical（２Gbps)

VDB2000（２Gbps)

Digital Filter （1Gbps）

相関前処理
DIR2000、K5/VSI
VERA用相関前処理（５局１０基線）
バックアップ相関器

OCTAVE相関器

三鷹FX

相関後処理 FITS化(1Gbps)

相関後処理 FITS化(2Gbps)

e-VLBI はサブアレイ。マンパワー不足- 重複開発・重複機能の回避、機能必要度を意識した計画立案を考える材料
機能面 （バージョンアップは回数少なくステップ大きく、eVLBI基線で枯らしてメインに導入例）光結合の広帯域IF系＋DAS系をJVNの広帯域化で使用

JVN（VSOP2対応）
1or ２ Gbps化

記録 or 光結合必要（未完）事項

相関処理必要（未完）事項

・K5 or Mark5B+ or次世代相関器（2 Gbps可能）･アナログ系整備

・K5 2Gbps記録試験
・Mark5B+の試験
・次世代相関器バッ
ファー性能評価

・ソフト相関器・VERA用バックアッ
プ相関器拡張化
性能評価
・立ち上げ試験(512MHz) (256MHz×2）

・次世代相関器(2009）

光結合２Gbpsアレイ（リアルタイム）

・既存5局は実績あり（512MHz)・VERA局、苫小牧等の接続要
小笠原(2011年）

・分散相関器＋分散FX相関器

・FITS作成機能
・性能評価

EAVN ８Gbpsアレイ

・10GbE or Disk並列化
・サンプラー（4GHz バンド幅）開発中･アナログ系整備

・10GbE装置実用化
開発試験開始（光結合G）･次世代相関器(2009）、８Gbps処理
は偏波、多視野のみの可能性あり。要検討・立ち上げ試験

赤： 実績ありオレンジ ： 実施中
黄色： 開発中
白： 未定or検討中

Summary• ファイバー接続局の増加• OCTAVE＋の定常運用化（OK）• バックアップ相関器（GICO３）との融合（2010）• VERA広帯域化との融合（2010-2012）• 8 Gbps、FFT点数4M、IF（4-8GHz）• 定常運用はKJJVC相関器• JVN, EAVN, VSOP2地上局との連携