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発表・掲載日:2010/08/24

高精細大容量映像時代を支える新しい光通信ネットワークの実証実験に成功

-産総研と企業5社・NICT・NHK技研による連携実験-

ポイント

  • スーパーハイビジョンに代表される高精細映像を従来技術に比べて大幅に低い消費電力で配信
  • 光パスネットワーク上の経路を切り替える小型光スイッチ、それにともなう光信号の劣化に対する補償技術、経路と配信サーバーの統合的な資源管理技術を開発
  • 光パケット・光パス統合ネットワークを実際に近い環境で構築し、ユーザーの利用形態に合わせたネットワークの柔軟な運用と省電力化を実証

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口 有】(以下「産総研」という)を拠点とする「光ネットワーク超低エネルギー化技術拠点」(以下「産総研拠点」という)、独立行政法人 情報通信研究機構【理事長 宮原 秀夫】(以下「NICT」という)は、NHK放送技術研究所(以下「NHK技研」という)の協力を得て、高精細映像などの巨大情報を低消費電力で配信できる新しいネットワークの相互接続の合同実験に成功した。

 映像時代の超低消費電力ネットワークの実現を目指して、産総研では科学技術振興調整費「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成」プログラムに基づき産総研拠点を設置して、日本電信電話株式会社(以下「NTT」という)、株式会社富士通研究所(以下「富士通研」という)、古河電気工業株式会社(以下「古河電工」という)、株式会社トリマティス(以下「トリマティス」という)、日本電気株式会社(以下「NEC」という)が参加して「光パスネットワーク」の技術開発を、NICTは新世代ネットワーク研究の構想のもとで、「光パケット・光パス統合ネットワーク」の技術を開発してきた。これらは現在のネットワークの消費電力、通信容量などの限界を超える新しいネットワーク構築において、各々適材適所の要素技術として期待されている。今回の実験では、JGN2plusテストベッドを用い、それぞれが開発してきたネットワークを相互接続した(図1)。この実験には、NEDOプロジェクト「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」でNHK技研が開発しているスーパーハイビジョン(SHV)の送受技術も導入している。

 この実験のデモンストレーションを8月25日(水)に公開する。今回のデモンストレーションは、新しい世代のネットワークを日本全体で構想し、構築して行く上での大きな契機になると期待される。

相互接続実験概要図
図1 相互接続実験概要図
① 産総研拠点ネットワーク
 光パスの統合制御による映像配信
② NICTネットワーク
 ハイビジョンテレビ会議(光パス)、
 ファイル転送(光パケット)同時利用
③ 産総研拠点、NICT連携
 秋葉原-大手町-小金井往復
 NHKスーパーハイビジョン配信
小金井-大手町間はJGN2Plusテストベッド

開発の社会的背景

 図2に示すようにネットワークの大容量化への要求が増える一方で、その消費エネルギーの増大も問題となりつつある。特に高精細映像のネットワーク伝送は、遠隔医療、テレビ会議、スポーツ映画などの高臨場感により人々の生活を豊かにし、またイノベーションの創出にもつながる期待があるが、現在のインターネットのルーターでは、情報量に比例して消費電力が増大するという問題がある。このようなインターネットの限界を乗り越え、大情報量の映像関連サービスを快適に提供できる世界を実現するためには、新たなネットワーク技術の創出が不可欠である。国内では新世代ネットワーク推進フォーラム、グリーンIT推進協議会などで検討が進められてきた。海外でも同様に、国際コンソーシアム「グリーンタッチ」などが新しいネットワーク創出の検討を始めている。

ネットワークのトラフィックの増大とルーター消費電力の図
図2 ネットワークのトラフィックの増大とルーター消費電力

研究の経緯

 産総研では、インターネットベースのネットワークが消費電力の観点から映像流通のボトルネックとなると考え、「光パスネットワーク」と名づけた新しいネットワークをいち早く提案し研究を開始した。この提案は、平成20年度 文部科学省科学技術振興調整費「先端融合領域イノベーション創出拠点の形成」プログラムに採用されるところとなり、NTT、富士通研、古河電工、トリマティス、NECが参画して、「光ネットワーク超低エネルギー化技術拠点(VICTORIES、Vertically Integrated Center for Technologies of Optical Routing toward Ideal Energy Savings)」を形成し研究開発を進めている。ここでは、従来比1000分の1以下の低消費電力で大容量データ転送を実現する技術を目指しており、このために必要な光スイッチデバイス、伝送路の信号品質を保つ技術、さらにネットワークならびにネットワーク上に配置されたストレージの管理制御技術までの技術を垂直融合という形で開発している。

 NICTでは、平成18年に新世代ネットワーク研究センターを創設し、インターネットの限界を超える新世代ネットワークの研究開発を開始した。この概念設計を行うAKARIアーキテクチャ設計プロジェクトの中で、「光パケット・光パス統合ネットワーク」の検討を行ってきた。これはユーザーがその時々の利用シーンに合わせて、高速で安価なサービスと遅延やデータ損失のない高品質なサービスを柔軟に選択できる環境を、全光化による大幅な省エネルギーかつ統合された簡易な制御のもとで提供するものである。同研究センターでは、超高速光ノード技術プロジェクトにおいて世界に先駆けた光パケット交換の研究を行っており、この成果を取り入れた統合ネットワークの開発を進め、本年6月に実験室での実証実験を成功させ、公開デモを実施した。

 一方、NHK技研では、スーパーハイビジョン(SHV)の研究開発を進めており、NEDOプロジェクト「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」の中で、放送局舎内のSHV配信技術の開発を進めている。今回のデモ実験では、平成23年度を目ざして開発中の技術から、SHVの信号を43Gbit/sの通信系のビットレートで送受する技術を導入している。

研究の内容

 産総研・秋葉原事業所の中に産総研拠点の「光パスネットワーク」、NICTの「光パケット・光パス統合ネットワーク」の一部、NHKのSHVのストレージならびに送受信装置を設置した。大手町とNICT本部(小金井)には、NICTの「光パケット・光パス統合ネットワーク」を設置し、JGN2plusの回線を利用し、秋葉原から大手町、小金井を経由するSHVの映像配信を行った。SHVの秋葉原小金井間の伝送には、産総研拠点で開発した伝送信号の品質を保つ分散補償技術、NICTで開発した光パケットを用いた光パス設定技術が使用された。

 「光パスネットワーク」は光スイッチのみを介してユーザー間を直接繋ぐ回線交換型ネットワークである。ルーティング用の光スイッチの一部として、産総研拠点で開発したシリコンフォトニクスベースの光スイッチを使用している。また、「光パスネットワーク」内に配信サーバーを分散配置し、ネットワークおよびストレージサーバー資源管理制御技術により、サーバーに保存された高精細映像を指定の端末に配信している。

 「光パケット・光パス統合ネットワーク」はNICTの先進技術である光パケット交換技術と、光パス技術を統合したノードから構成されるネットワークである。光パスの設定に必要な制御メッセージを光パケット交換技術で転送する機能を実装し、ネットワーク制御管理設備を簡素にする。また、パケットサービスとパスサービスに用いるデータを同一の光ファイバーに流し資源の効率利用を図り、かつ、ネットワーク内の資源を、双方のサービスのトラフィック量の変化により柔軟に変更する境界制御機能を持つ。今回はJGN2plusというフィールドテストベッド上に構築し、機能検証のみならず、より実際的な運用の実証も可能とした。

 いずれのネットワークもルーティングを光化することでネットワーク基幹部の省電力化が可能となる。光パス交換では1000分の1からそれ以上の省電力化が可能で、光パケット交換ではビットレートが10倍以上増えても消費電力を増やさないことが示されている。

 今回の実験では、産総研拠点の「光パスネットワーク」とNICTの「光パケット・光パス統合ネットワーク」のパス部分が相互につながり、産総研拠点の「光パスネットワーク」からの要求を基に、NICTの「光パケット・光パス統合ネットワーク」が秋葉原―大手町―小金井―大手町―秋葉原に光パスを提供し、テレビ会議やSHV信号を伝送するという連携動作に成功した。これにより、高精細映像情報などの巨大情報をそれぞれが開発してきた新しいネットワークで共通に取り扱えることが実証された。新しいネットワークの相互接続に関する本研究の成果は、高精細映像情報などの巨大情報を低消費電力で配信することを可能にするもので、グリーンイノベーションの推進を加速することが期待できる。

 今回のデモ実験には以下の研究成果を取り入れている。  1) 産総研拠点「光パスネットワークに関する研究開発の成果」
  • 伝送速度によらない高精細映像の配信
    光パスネットワークでは、任意の伝送速度の信号を送ることができる。今回、1 Gbit/s、10 Gbit/s、43 Gbit/sの信号を同じネットワークで配信している。
  • ネットワーク資源と映像ストレージの統合管理
    NTT未来ねっと研究所と産総研拠点で開発した、ネットワークと映像ストレージサーバーを統合して管理する技術で秋葉原事業所内の光パスネットワークの映像配信を統合管理している。
  • シリコンフォトニクススイッチの初めての実装
    小型・省電力でルートを切り替えることのできるシリコンフォトニクスによる光スイッチ(産総研開発のものと富士通研開発のもの)を一部に実装している。
  • 新規方式によるファイバーの分散補償
    高精細映像などの高速の光信号を長距離伝送しても、波形を保てるようにするために、光パラメトリック波長変換という手法の分散補償技術を開発、SHVを秋葉原から小金井のNICTまで往復させるのに適用している。この技術には、波長変換に古河電工の高非線形ファイバー、トリマティスの高速制御技術が用いられている。
  • ダイナミック波長資源管理技術
    波長による光パスの拡張をねらって、NECが開発したダイナミック波長資源管理装置を導入している。
2) NICT「光パケット・光パス統合ネットワークに関する研究開発の成果」
  • 光パケット交換
    パケットを光信号のまま交換。光バッファを利用し、データ衝突による損失を極力なくした。2009年には1.28 Tbit/s(1280 Gbit/s)の光パケット交換を基礎実験で達成。今回はIPパケットを含んだ80 Gbit/sの光パケットを交換している。
  • 光パケット交換と光パス交換の同時利用
    同じ光ファイバーで光パケット(間欠的光信号)と光パス(ビットストリーム)を伝送。光パケット交換でファイル転送など多くのユーザー利用と同時に、別のチャンネルの光パスで安定性とリアルタイム性を確保したTV会議の利用が可能である。
  • ネットワーク資源の動的変更(境界制御機能)
    光パケットと光パスの資源量(チャンネル数)を動的に変更可能。光パケット交換と光パス交換の両交換方式を柔軟に使い分け、突発的なユーザーニーズへの対応が容易である。
  • 光パケット交換と光パス交換の制御部統一
    従来、別のネットワークに転送していた光パス制御メッセージを、光パケット交換ネットワークを使って転送。両交換の制御ネットワークを一元化し、制御管理設備を簡素にする。
 以上の世界初の本格的技術を、汎用的な分散補償光ファイバーと40 kmを超えるJGN2plus 光ファイバーによる光路を含むネットワークにおいて適用できることを実証した。

今後の予定

 さらに引き続き、「光パスネットワーク」及び「光パケット・光パス統合ネットワーク」を構成する要素技術の開発・高度化を進め、新世代ネットワーク推進フォーラムなどで検討している新しいネットワークに寄与し、将来の超低消費電力ネットワークに大きく貢献することを目指す。また、産総研拠点とNICTの連携を強化することにより相乗効果を高め、新しいネットワークで国際的なイニシアチブを維持・促進していくことを目指す。

用語の説明

◆光パスネットワーク
ユーザーとユーザー間、ユーザーとデータセンター間を光スイッチで繋ぎ、光のまま情報のやり取りを行うネットワーク。ユーザー間の光の経路をパスという。[参照元へ戻る]
◆新世代ネットワーク
インターネットの改良だけでは解決が困難な社会問題の解決や、人や社会の潜在能力の開花とそれによる生活の質や生産性の向上を可能とする、白紙から新しく設計されたネットワーク。[参照元へ戻る]
◆光パケット・光パス統合ネットワーク
高精細映像伝送や遠隔医療、TV会議など高品質な要求をするエンドユーザーに対しては光パスを提供し、Webアクセスや電子メールの転送、超大量端末からのセンサーデータなどの転送には、光パケット交換を用いるネットワーク。[参照元へ戻る]
◆JGN2Plus
NICTが2008年4月から運用しているオープンな研究用の超高速・高機能研究開発テストベッドネットワーク。[参照元へ戻る]
◆NEDOプロジェクト「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」
NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)のプロジェクトで、PETRA(研究組合光電子融合基盤技術研究所)、産総研、NHK技研、ISTEC(国際超電導産業技術研究センター)が参加して、大規模エッジルーター光化技術、超高速LANシステム、ルーターの光化、超高速LAN、超電導信号処理技術などの開発を行っている。[参照元へ戻る]
◆スーパーハイビジョン(SHV)
NHKが開発を進めている総画素数3300万(7680×4320)の超高精細映像システムである。2025年の一般放送を目指して開発が進められている。[参照元へ戻る]
◆高精細映像
ハイビジョンテレビ(画素数:1920×1080)、4Kデジタルシネマ(同:4096×2160)、スーパーハイビジョン(同:7680×4320)などの高画素数をもつ映像を総称して高精細映像と呼ぶ。[参照元へ戻る]

◆ルーター
インターネットにおける中継点でパケットを振り分ける機器で、アドレスを読み取り、次のルーターへ送り出して、情報をユーザーからユーザーに届ける。インターネットでは複数のルーターを経由して情報が伝えられる。[参照元へ戻る]

◆グリーンタッチ
通信ネットワークのエネルギー効率を現在の1000倍に向上するために必要となる技術の創出を目標とした国際コンソーシアムであり、2010年1月11日に発足した。ベル研究所(米国)、マサチューセッツ工科大学(米国)、Interuniversity Microelectronics Center(IMEC、ベルギー)、AT&T(米国)など世界の15機関が創設メンバーとなっている。正式名称は、「Green Touch Initiative」。[参照元へ戻る]
◆AKARIアーキテクチャ設計プロジェクト
新世代ネットワークの設計図を示すプロジェクト。2020年以降の実用化を目指して全体設計、および要素技術の研究開発を進めている。[参照元へ戻る]
◆Gbit/s
情報の単位で、0か1かの情報が1ビットである。ギガ(G)は10の9乗の単位で、毎秒10の9乗ビットの情報を送る場合を1 Gbit/sと表す。毎秒10の12乗の情報の場合1 Tbit/sと表す。Tはテラで10の12乗を表す。[参照元へ戻る]
◆分散補償技術
高速の光信号を光ファイバーで伝送すると、波長による光の伝播速度の僅かな違い(分散)により光信号が劣化する。この分散による悪影響を補償する技術が分散補償技術である。[参照元へ戻る]
◆光パケット
光ファイバーで伝送するパケットで、光パケットノードで光処理するために光信号化したものである。光パケットは、ノードで電気処理されるパケットと異なり、データがあるときだけ伝送され、光ファイバー上では間欠的に光信号が流れているように見える。[参照元へ戻る]
◆回線交換型
通信の開始から終了まで伝送路(回線)を設定して通信を行う方式。回線の設定(交換)は中継ノードに設置されたスイッチで行う。従来の電話網はこの方式。光パスネットワークもこれに近い回線交換を目指している。[参照元へ戻る]
◆ルーティング
ネットワークの中継点でそこに到達したデータを宛先に向けて送り出すこと。インターネットのルーターと光パケット・光パス統合ネットワークの光パケット交換では、パケットごとにこのルーティングを行っている。光パスネットワークでは、予め光スイッチを宛先に向けて切り替えておき、光スイッチに到達した連続データをルーティングしている。[参照元へ戻る]
◆シリコンフォトニクス
電子回路の基板であるシリコン半導体がもつ高い光屈折率(ガラスの3倍以上)を利用して、光スイッチなどの光学機能素子を集積する極微小光回路素子技術。将来的には、シリコン光回路とシリコン電子回路を同じ基板上に集積することを目指している。[参照元へ戻る]
◆ネットワークおよびサーバー資源管理制御技術
ネットワークならびにサーバーを資源と考えて管理し、ユーザーが必要とするネットワークとサーバーを動的に提供する技術。[参照元へ戻る]
◆光パケット交換
光ファイバー上の光パケットを電気信号に変換せず、光スイッチの高速切り替えにより光パケットを転送。従来のパケット交換方式と比べて飛躍的に多くの情報を効率的に転送可能であるが、極めて高度な光信号処理が必要となる技術。[参照元へ戻る]
◆ノード
ネットワークは、ノードと光ファイバーなどのリンクからできていて、データは、リンクとノードを介して所望の地点に配送される。ノードは複数のリンクを繋ぐ中継点におき、リンクを流れて到着したデータを別のリンクに振り分ける機能を持つ装置。[参照元へ戻る]
◆フィールドテストベッド
実験室での検証から、実展開にいたる途中段階で、実用可能性を検証する一つとして用いられる実験室外の試験環境。光ファイバーは地中や空中架線など敷設状況によって異なる外乱が発生するので、光通信や光スイッチの研究開発では、実験室の検証だけではなくこのようなフィールドテストベッドでの検証が大切。[参照元へ戻る]
◆光パス交換
2地点間の光信号伝送において、伝送の途中で何らの情報処理も加えずに情報伝送されている場合、光パスが設定されていると呼ぶ。ネットワークの中継ノードに設置された光スイッチにより目的地まで光パスを設定することを光パス交換と呼ぶ。従来型の電話網で取り入れられている回線交換方式と類似した方法である。[参照元へ戻る]
◆IPパケット
インターネットのデータのやりとりは、インターネットプロトコル(IP)の取り決めによって行われている。この取り決めで作られているパケットをIPパケットという。[参照元へ戻る]

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