JP2006054648A - Ａｗｇシングルホップｗｄｍネットワークシステムおよび最適カプラ数算出方法、ならびに装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自律動作が可能で制御信号の交換が不要なパケットの衝突回避機構をカプラに適用し、与えられた遅延制約条件を満足しながら総トランシーバ数を最小化する最適設置カプラ数を導出することで、制御コストの増加をなくしながらＡＷＧネットワークのスケーラビリティの問題を解決する。
【解決手段】ＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークのうち、複数ノード１００をカプラ２００で集約した後、ＡＷＧ３００に接続する構成のネットワークで、各波長チャネル上でカプラ２００が空き状態であるときに、最初にカプラ２００に到着したパケットのみを通過させ、他のパケットをブロックするパケット衝突回避機構をカプラに付加し、与えられたトラヒック量から与えられた許容パケット転送遅延時間を満足する範囲で総必要トランシーバ数を最小化する最適な設置カプラ数を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）をハブノードに用いるＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を対象としたＡＷＧシングルホップＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）ネットワークのうち、複数のノードをカプラで集約した後で、ＡＷＧに接続する構成のネットワークにおいて、各波長チャネル上でカプラが空き状態であるときに、最初にカプラに到着したパケットのみを通過させ、他のパケットをブロックするパケット衝突回避機構をカプラに付与するネットワークシステムと、与えられたトラヒック量から与えられた許容パケット転送遅延時間を満足する範囲で総必要トンシーバ数を最小化する最適な設置カプラ数の算出方法と、システムに用いる装置に関する。

最近は、ギガビットイーサネット(登録商標)よびＷＤＭ伝送と大容量ルータもしくは光クロスコネクト導入の進展により、ＬＡＮとＷＡＮにおける伝送容量の飛躍的な向上が続いている。しかし、ＬＡＮとＷＡＮの間に介在するメトロエリアのネットワーク（ＭＡＮ）については、依然としてＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ／Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）が主流であり、メトロエリアの急激なトラヒック増加に対して電気処理に伴うノードのボトルネック化が懸念されている。そのため、ＭＡＮにおいても、ノードでのパケットのストア＆フォワードを廃し、光信号のままカットスルー伝送する全光ネットワークの導入が期待されている。しかし、ＭＡＮはコストに対してより厳格であるため、設備コスト（ＣＡＰＥＸ）と制御コスト（ＯＰＥＸ）の両方を抑えた全光ネットワークを適用することが重要である。

中央に単一のハブノードを設け、全てのノードをハブノードに接続することによりスタートポロジを構成するシングルホップＷＤＭネットワークが、ＭＡＮにおける全光ネットワークアーキテクチャとして注目されている。シングルホップＷＤＭネットワークにおいては、全てのノード間のパケット転送は他のノードを経由することなくハブノードを介して直接行われるため、ルーティングやシグナリングが不要、パケットの転送遅延が小さい、等の利点がある。また、ハブノードには受動的な光デバイスが用いられ、ネットワーク構成もシンプルであることから、設備コストが小さいという特徴がある。

ハブノードに用いる光デバイスについては、スターカプラ（ＳＣ：Ｓｔａｒ Ｃｏｕｐｌｅｒ）とＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）の二つが検討されている。ＳＣを用いた構成の場合、ハブノードに到着したパケットは、全てのノードにブロードキャストされるため、ノード数をＮ、各波長チャネルの伝送帯域をＣとし、多重波長数がＮである場合、ネットワーク全体で達成可能なスループットは最大でもＣＮとなる。さらに、同一波長チャネルを複数のノードで共有する構成上、アクセス制御が必要となる。そのため、波長資源の利用効率が低く、ＳＣを用いたシングルホップＷＤＭネットワークはＬＡＮを対象に検討されてきた。

一方、ＡＷＧには、波長周回性により波長資源を空間的に再利用することができ（同一波長を用いて同時に複数のノード間でパケットの転送が可能）、ＡＷＧをハブノードに用いた構成の場合、多重波長数Ｎに対してネットワーク全体で達成可能なスループットがＣ
Ｎ^２となり、さらに各ノードペアは波長チャネルを占有的に利用できることから、アクセス制御も不要である。このことから、コスト要求条件の厳しいＭＡＮにおける全光ネットワークとして、ＡＷＧをハブノードに用いたシングルホップＷＤＭネットワーク（以後、ＡＷＧネットワークと表記する）が注目されている。

図３は、ＡＷＧネットワークの構成図である。
ネットワークは、１個のハブノード（中央のノード）と、Ｎ個のノードから構成されるスター型であり、ハブノードにはＮ×ＮのＡＷＧが、各ノードにはトランシーバと波長多重分離装置が各々設置され、ノードｎのトランシーバはトランスミッタＴ_ｎとレシーバＲ_ｎから構成される。各光心線上には、Ｎ本の波長が多重されており、図に示すようにＡＷＧの波長周回性により、ＡＷＧの入力ポートｉ上の波長チャネル１，２，３，・・・，Ｎは、各々、出力ポートｉ，ｉ＋１，ｉ＋２，・・・，ｉ−１，に導かれ、出力ポートｊ上の波長チャネル１，２，３，・・・，Ｎは、各々、入力ポートｊ，ｊ−１，ｊ−２，・・・，ｊ＋１，より導かれる。この結果、各ノード間には、論理的に独立した波長チャネルが設置されることになり、他の対地間のパケットと競合することなく、占有的な波長チャネルを使用することができる。すなわち、ＡＷＧネットワークは、物理的にはスタートポロジでありながら、論理的にはＮ波長を用いてフルメッシュなネットワークを構成している。

全てのノード間でパケットを交換するためには、各ノードにはＮ波長に調整可能な可変波長トランシーバか、もしくは互いに異なる波長に設定されたＮ個の固定波長トランシーバを設置する必要がある。可変波長トランシーバを用いた場合、各ノードに設置するトランシーバは１個でよいが、複数の固定波長トランシーバをアレイ状に配置した形態の方が、信頼性、安定性、技術成熟度において勝っている。さらに、可変波長トランシーバを用いた場合、個々のパケット転送に先立ち送信ノードは受信ノードのレシーバを使用波長に調整させる必要があり、ネゴシエーションと波長調整に要する時間だけパケット転送が遅れ、スループットが低下する。また、各ノードは同時には一つの波長チャネル上からしかパケットを受信できないため、同時に複数のパケットが同一のノードを目指した時には受信ノード競合が生じ、やはりスループットの低下を招く。Ｎ個の固定波長トランシーバを用いれば、このような問題は発生しない。そのため、ＡＷＧネットワークのトランシーバ構成としては、Ｎ個の固定波長トランシーバを用いる形態が望ましい。
以上の技術については、下記非特許文献１〜６を参照されたい。

Ｃ．Ｆａｎ，Ｍ．Ｒｅｉｓｓｌｅｉｎ．ａｎｄ Ｓ．Ａｄａｍｓ，"Ｔｈｅ ＦＴ（Ｌａｍｂｄａ）−ＦＲ（Ｌａｍｂｄａ）ＡＷＧ Ｎｅｔｗｏｒｋ：Ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｈｏｐ Ｍｅｔｒｏ ＷＤＭ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｕｎｉ−ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔｉｎｇ，"ＩＥＥＥ Ｉｎｆｏｃｏｍ２００４ Ｍ．Ｓｃｈｅｕｚｏｗ， Ｍ．Ｍａｉｅｒ，Ｍ．Ｒｅｉｓｓｌｅｉｎ，ａｎｄ Ａ．Ｗｏｌｉｓｚ，"Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｕｓｅ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｐａｃｋｅｔ−Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ａｎ ＡＷＧ−Ｂａｓｅｄ Ｍｅｔｒｏ ＷＤＭ Ｎｅｔｗｏｒｋ，"ＩＥＥＥ Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈ．，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．６，ｐｐ．１４３５−１４５４，２００３． Ｎ．Ｐ．Ｃａｐｏｎｉｏ，Ａ．Ｍ．Ｈｉｌｌ，Ｆ．Ｎｅｒｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｓａｂｅｌｌａ，"Ｓｉｎｇｌｅ−Ｌａｙｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＷＤＭ／ＴＤＭ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ"Ｓｗｉｔｃｈｌｅｓｓ"Ｎｅｔｗｏｒｋｓ"Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｒａｎｓ．Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎ．Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１，ｐｐ．７３−８２，２０００． Ｋ．Ｎｏｇｕｃｈｉ．Ｙ．Ｋｏｉｋｅ．Ｋ．Ｈａｒａｄａ．ａｎｄ Ｍ．Ｍａｔｓｕｏｋａ．"Ｆｉｅｌｄ Ｔｒｉａｌ ｏｆ Ｆｕｌｌ−Ｍｅｓｈ ＷＤＭ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＡＷＧ−ＳＴＡＲ）ｉｎ Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ／Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ．"ＩＥＥＥ Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．２，ｐｐ．３２９−３３６，２００４． Ｓ．Ｍｏｒｒｉｓ，Ｔ．Ｓｕｄａ，ａｎｄ Ｔ．Ｎｇｕｙｅｎ，"Ａ Ｔｒｅｅ ＬＡＮ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｓｗｉｔｃｈ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，"Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ＩＳＤＮ Ｓｙｓｔｅｍｓ １７，ｐｐ．８９−１００，１９８９． Ａ．Ａｌｂａｎｅｓｅ，"Ｓｔａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ−Ａｖｏｉｄａｎｃｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，"Ｔｈｅ Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．３，ｐｐ．６３１−６３８，１９８３．

固定波長トランシーバを用いたＡＷＧネットワークにおいて、全てのノード間でのパケット転送を可能とするためには、各ノードにＮ個のトランシーバを用意する必要がある。そのためＮの増加に対して、総トランシーバ数はＮ^２に比例して増加するため、、ＡＷＧネットワークではスケーラビリティに問題がある。例えば、ＭＡＮのノード数として２００ぐらいを考えた場合、総トランシーバ数は４０，０００となり、一つのＭＡＮに設置するトランシーバ数として実現的ではない。

ＡＷＧネットワークにおいて、総トランシーバ数を削減するためには、図４に示すように、複数のノードをカプラ（ＣＰ）で集約した後でＡＷＧに接続することが有効である。ＡＷＧより送出されたパケットは、スプリッタ（ＳＰ）により配下のノードにブロードキャストされるため、目的のノード以外のノードにも到達する。ノードは受信パケットのヘッダを解読し、自ノード宛以外のパケットを棄却する。
Ｎ個のノードは設置されるＤ個のＣＰ（ＳＰ）の一つに接続されるが、ここでは便宜上、各ＣＰ（ＳＰ）に収容されるノード数Ｍは均一であり、Ｍ＝Ｎ／Ｄであるとし、ＣＰ（ＳＰ）ｄに属するｍ番目のノードのトランスミッタとレシーバを各々、Ｔｄｍ，Ｒｄｍと表記している。
各ＣＰとＳＰ間には論理的に独立した波長チャネルが用意されるため、各ノードは目的ノードが属するＳＰに対応する波長チャネル上でパケットを送出することにより、任意のノードにパケットを転送することが可能である。そのため、各光心線に多重される波長数はＤで十分であり、ＡＷＧのポート数と、各ノードに設置する固定波長トランシーバ数を全てＤに抑えることができる。

ただし、Ｍノードで波長チャネルを共有するため、ＣＰにおいてパケットの競合が生じる。送信ノードに完全ランダムなタイミングでのパケット送出を許した場合、アロハ方式と等価となるため、各波長チャネルのスループットは大きく劣化する。そのため、スループットを改善するためのアクセス制御が必要となる。これまで検討されている方法は、全て固定長のタイムスロットを用いたデマンドアサインにより資源競合を回避している。
しかし、全てのノード間でタイムスロットの同期を確立する必要があり、また、各ノードはパケット送出に先立ち資源要求を行い、集中制御局（もしくはノード）は発生した要求から資源割当てを行う必要がある。そのため、制御信号をノード間で交換する必要があり、制御コストが大きく、コスト要求条件の厳しいＭＡＮへの適用は困難である。シングルホップＷＤＧネットワークのシグナリングが不要という利点を生かすためには、全てのノードが自律して動作することが望ましい。

（目的）
本発明の目的は、従来提案されている自律動作が可能で制御信号の交換が不要なパケットの衝突回避機構をカプラに適用し、与えられた遅延制御条件を満足しながら、総トランシーバ数を最小化する最適設置カプラ数を算出することにより、制御コストの増加を避けながらＡＷＧネットワークのスケーラビリティの問題を解決することが可能なＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムおよび最適カプラ数算出方法、ならびに装置を提供することにある。

本発明のＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムは、ＡＷＧをハブノードに用いるＭＡＮを対象としたＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークのうち、複数のノードをカプラで集約した後で、ＡＷＧに接続するネットワークシステムにおいて、各波長チャネル上でカプラが空き状態であるときに、最初にカプラに到着したパケットのみを通過させ、他のパケットをブロックするパケット衝突回避機構を付与することを特徴とする。
また、ＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワーク構成方法において、ノードとＡＷＧの間に設置されるカプラの各入力ポートに波長選択フィルタを設置し、各カプラにゲート制御装置を設置し、ＭＡＮとＷＡＮとの間で交流する外部トラヒックを扱うＰＯＰを複数本の光心線でＡＷＧに接続することを特徴とする。
また、本発明の設置カプラ数の算出方法は、与えられた静的な交流トラヒック行列から各波長チャネル上に流れるトラヒック量を算出し、各波長チャネルにおける衝突回避機構を用いた場合のパケット平均転送遅延を導出し、そこから、与えられた許容平均パケット転送遅延を満足する設置カプラ数とＰＯＰ光心線数の最小値を各々求めることを特徴とする。
また、選択可能な設置カプラ数とＰＯＰ光心線数が存在するために、総トラヒック量が超えてはならない最大値を導出することを特徴とする。
また、与えられたトラヒック量から与えられた許容パケット転送遅延時間を満足する範囲で総必要トランシーバ数を最小化することを特徴とする。

本発明によれば、自律動作型のパケット衝突回避機構をノード集約のために設けた光カプラに導入し、設置光カプラ数を与えられた許容パケット転送遅延を満足する範囲で総コストを最小にするように決めることにより、特にトラヒック量が少ないときに総トランシーバ数を大きく削減することが可能であり、ＡＷＧネットワークと比較して、総コストを数１０分の１から数分の１に低減することができる、という効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る大規模シングルホップＷＤＭネットワークの構成図である。
図１において、１００はパケット送信ノードｓ、２００はノードとＡＷＧの間に設置されるカプラｍ、３００はＡＷＧ（ハブノード）、４００はＡＷＧとノードの間に設置されるスプリッタｎ、５００はパケット受信ノードｒである。
パケット送信ノード１００（ノードｓ）は、トランシーバ１０１と波長多重分離装置１０２を備える。また、カプラ２００（カプラｍ）は、入力ポート２０１、波長分離装置２０２、タップ２０３、光信号検出部２０４、ＳＯＡゲート２０５、ゲート制御部２０６、波長多重装置２０７、カプラ２０８を備える。また、パケット受信ノード５００（ノードｒ）は、波長多重分離装置５０１とトランシーバ５０２を備える。

パケット送信ノード１００では、トランシーバ１０１により各々の波長の光信号で送出されたパケットは、波長多重分離装置１０２により一本の光心線に入力される。
次のカプラ２００では、入力ポート２０１に到着した光信号は、波長分離装置２０２によって各々の波長に分離され、タップ２０３によってそのうちの一部が取り出され、光信号検出部２０４によって検出され、ゲート制御部２０６に通知される。ゲート制御部２０６は、各波長チャネル上のパケット到着状態に応じてＳＯＡゲート２０５を開閉する。
タップ２０３における残りの光信号はＳＯＡゲート２０５に到着するが、ＳＯＡゲートがＯＮ状態である場合にのみ、波長多重装置２０７に入り、多重された後にカプラ２０８に導かれる。ＳＯＡゲート２０５がＯＦＦ状態の場合、パケットはブロックされる。これらゲートの開閉処理は、他のカプラやノードと制御信号を交換することなく、カプラｍで独立に動作する。

カプラ２０８を通過したパケットはＡＷＧ３００に到着するが、ＡＷＧの波長周回特性に従い、ＡＷＧの入力ポートと波長から決まる固有の出力ポートにより出力され、スプリッタ４００（スプリッタｎ）に到着する。スプリッタ４００に到着したパケットは、このスプリッタに接続されている全てのノードに対してブロードキャストされ、パケット受信ノード５００（ノードｒ）に到着したパケットは、波長多重分離装置５０１によって多重され、トランシーバ５０２により受信される。
次に、本実施の形態に係る大規模ＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワーク構成方法について、１．ネットワーク構成、２．最適カプラ数の導出、をそれぞれ説明する。

（１．ネットワーク構成）
図２（ａ）に本発明の実施例に係るネットワークの構成を、また、図２（ｂ）にカプラの入力モジュールを、各々示す。
ＭＡＮには、ＭＡＮ内部の交流トラヒックである内部トラヒックと、ＭＡＮ外部との間の交流トラヒックである外部トラヒックが流れるが、外部トラヒックは全てＰＯＰ（Ｐｏｉｎｔ−Ｏｆ−Ｐｒｅｓｅｎｃｅ）を経由してＷＡＮに流出またはＷＡＮから流入するものと仮定する。そのため、ＰＯＰには大量のトラヒックが集中することから、ＰＯＰとハブノード（ＡＷＧ）３００間にはｋ本の光心線が用意されるものとする。そのため、各ノードはｋ本の波長チャネルを用いてＰＯＰに対してパケットを送受信できる。Ｄ個のＣＰ２００（ＳＰ４００）が設置されることから、ＡＷＧのポート数はＤ＋ｋとなる。

パケット衝突回避機構は、元来、電気信号でデータを扱うハブノードを対象にＣＳＭＡ／ＣＤを用いた帯域共有型ＬＡＮのスループット向上を目的に提案された方式であって、その原理は、各ハブノードにおいて制御モジュールが全ての入力ポートを常に監視し、送出伝送資源（全入力ポートで共有）が空き状態であるとき、最初に到着したパケットは通過させるが、そのパケットを転送中に他の入力ポートよりパケットが到着した場合には、全てブロックするというものである。どのように負荷が高い場合でも、最低でも一つのパケット転送が保証されるため、アロハ方式やＣＳＭＡ／ＣＤ方式という代表的なランダムアクセス方式で生じる高負荷時のスループット低下が回避できるという特徴がある。
本機構を光透過ノードに応用した文献も見られる。

パケットの衝突回避は、ゲート制御装置２０６の指示により通過波長が動的に切り替わる波長選択フィルタをＣＰ２００の各入力ポート２０１に設置することにより実現される。
図２（ｂ）では、２値光スイッチ素子（ＳＯＡ等）と波長多重分離装置（Ｍｕｘ，Ｄｅｍｕｘ）の構成による波長選択フィルタを用いた場合を示している。入力モジュールに到着した光信号は波長分離装置（Ｄｅｍｕｘ）により波長ごとに分離され、さらにその一部がタップ（Ｔａｐ）によって取り出され、光検出器（Ｐｈｔｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）により光信号の有無が検出される。

ゲート制御装置２０６は、各波長に対して、カプラ２０８がパケットを転送していない状態で最初にパケットが到着した入力モジュールのゲートのみをＯＮ状態とし、他の全入力モジュールの対応する波長のゲートをＯＦＦ状態とする。そして、そのパケットの転送が完了した時点で、それまで閉じられていた対応する波長のゲートを全てＯＮ状態とする。その結果、各波長チャネルにおいて、ＣＰ２００が空き状態であるときに最初に到着したパケットのみがＣＰ２００を通過し、そのパケットのパケット衝突が完全に回避される。

ゲートの開閉処理は、各ＣＰ２００において自律動作するため、ＣＰ２００やノード１００、ＡＷＧ３００間で一切の制御信号の交換が不要であり、各ノード１００は任意のタイミングでパケットの送出が可能である。他のパケットが転送されているときにＣＰ２００に到着したパケットはブロックされるため、パケットが消失する可能性を考慮しておく必要があるが、例えば、タイムアウト時間内にＡＣＫが返送されない場合に、送信端末はバックオフ時間後に同一フレームを再送する等の方法を用いることにより、パケット損失に対応することができる。

（２．最適カプラの導出）
ＡＷＧ３００のポート数はＤ＋ｋであるため、本実施形態における多重波長数はＤ＋ｋであり、総トランシーバ数は（Ｎ＋ｋ）(Ｄ＋ｋ）となる。そのため、設置ＣＰ（ＳＰ）数ＤとＰＯＰ心線数ｋが少ないほど、ＣＡＰＥＸを削減することが可能となる。しかし、Ｄの抑制は、一つのＣＰに集約されるノード数Ｍを増加させ、ｋの抑制はＰＯＰ用に使用できる波長チャネル数を減少させる。その結果、波長チャネル当たりの負荷が増大し、パケット転送遅延が増大する。そこで、与えられたトラヒック量に対して、平均パケット転送遅延が許容値γを超えない範囲で、Ｄ＋ｋの値を最小化することにより、最適な設置ＣＰ（ＳＰ）数ＤとＰＯＰ心線数ｋを導出する。

ただし、静的なトラヒックを考慮し、総トラヒック量Ｖ［ｂｐｓ］のうち、外部トラヒック量を内部トラヒック量のｒ倍であるとし、トラヒック交流は全て均一であると仮定する。Ｖ_１とＶ_Ｅを各々、総内部トラヒック量、総外部トラヒック量とすると、Ｖ_１＝Ｖ／（ｒ＋１）、Ｖ_Ｅ＝ｒＶ／（ｒ＋１）となる。また、各ノードは固定長Ｐ［ｂｉｔｓ］のパケットをポアソン過程に従って送出し、再送制御が実施されるエンド端末間のラウンドトリップ時間を一定値Ｒ［秒］とする。

カプラにおいて、ある波長チャネル上で単位時間当たりに転送できるデータ量をチャネル容量Ｃで正規化したものをチャネルスループットＳとし、再送を含めた単位時間当たりにこの波長チャネルに加わるトラヒック負荷をＣで正規化したものをＧとすると、ＳとＧには、

という関係が成立する。アロハ方式やＣＳＭＡ／ＣＤ方式では、Ｇの増加に対して始めはＳが増加するが、やがて減少に転じることが知られている。この場合に、衝突回避機構を用いればＳの低下は生じず、高負荷時にはＳが１に漸近する。ところで、ｒ_１［秒］をパケット転送成功時の転送遅延時間、ｒ_２［秒］を平均再送待ち時間とし、ここでは再送時のバックオフ時間を平均１０パケットのランダム時間と仮定すると、ｒ_１＝Ｒ＋ｒ、ｒ_２＝１０τとなる。ただし、τはパケット時間でτ＝Ｐ／Ｃである。一方、平均パケット転送遅延Ｔ［秒］は次式で与えられる。

次に、各波長チャネルにおける平均パケット転送遅延を導出し、Ｄに対する制約式を求める。任意のノードｉからｉ以外の任意のノードｊに流れる内部トラヒック量をｄ_Ｉ［ｂｐｓ］とすると、

となる。任意のカプラｃとスプリッタｓ間に対して設置される波長チャネル上に流れる（再送を含めない）トラヒック量をｖ_Ｉ［ｂｐｓ］とすると、

となる。

この波長チャネル上の平均パケット転送遅延Ｔ_Ｉ［秒］は前式〔数２〕より、

を得る。ただし、τ_１＜γであると仮定する。前記〔数４〕より、ｃ≠ｓのときの方がｃ＝ｓのときよりもｖ_Ｉが大きいので、ｃ≠ｓの場合のみを考えれば十分である。よって、前式〔数４〕，〔数５〕より、第一のＤの制約式を次のように得る。

一方、任意のノードｉからＰＯＰ、もしくはＰＯＰからノードｉに流れる外部トラヒック量をｄ_Ｅ［ｂｐｓ］とすると、

となる。任意のカプラｃからＰＯＰ、もしくはＰＯＰから任意のスプリッタｓに対して設置される波長チャネル上に流れるトラヒック量をｖ_Ｅ［ｂｐｓ］とすると、

となる。任意のカプラｃからＰＯＰに対して設置される波長チャネル上の平均パケット転送遅延Ｔ_Ｅ［秒］も、Ｔ_Ｅ≦γを満たす必要があるが、ｋ本の波長チャネルが用意されることを考慮すると、前式〔数２〕よりｖ_Ｅについての制約式

を得る。

ＰＯＰから任意のスプリッタｓに対して設置される波長チャネルはカプラを経由しないため、ｖ_Ｅ＜ｋＣを満たせば十分であるが、（γ−τ_１）／（γ＋τ_２）＜１であるので、前式〔数９〕が満たされれば十分である。よって、第二のＤの制約式を次のように得る。

前式〔数６〕，〔数１０〕より、Ｄの下限値はｋに依存しているので、Ｄ（ｋ）と表記する。ｋは整数値のみをとることから、

とすると、Ｄ（ｋ）はｋ＝ｋ_０まではｋの増加に対して単調に減少し、それ以降は一定となる。そこで、１≦ｋ≦ｋ _０ の範囲で全ての整数値ｋについて「Ｄ（ｋ）■＋ｋを計算し、この値が最小となるｋと「Ｄ（ｋ）■の値を各々、最適なｋとＤの値として採用する。

ところで、ＤはＮを超えることができないため、設定可能なＤとｋの値を得るためには、総トラヒック量Ｖは、

を満たす必要がある。

（評価条件）
次に、本発明による実施形態の数値評価結果について説明する。
波長の伝送帯域をＣ＝１０Ｇｂｐｓ、パケット長をＰ＝１５００Ｂｙｔｅとする（パケット時間はτ＝１．２×１０^−６秒となる）。ノード数ＮについてはＮ＝５０、１００、２００を、外部トラヒック量の内部トラヒック量に対する倍率についてはｒ＝０．１、１、１０を、許容平均パケット転送遅延についてはγ＝０．２、１、５×１０^−３秒を、各々考える。想定したγは全てτ_１＜γを満たす。また、これらのパラメータ条件下では、Ｎ＝５０、ｒ＝０．１、γ＝０．２×１０^−３のとき、前記〔数１２〕から定まる総トラヒック量Ｖの許容最大値が最も小さくなり、１２．５６Ｔｂｐｓとなる。以下の数値計算では、１００Ｇｂｐｓ≦Ｖ≦１１．４５Ｔｂｐｓの範囲で評価を行う。

評価は、全て本発明の実施形態とＡＷＧネットワーク（全てのノードをハブノードに接続する図３で示す形態）の比較で行う。ただし、ＡＷＧネットワークにおいても図２に示すような外部トラヒックを扱うＰＯＰを考え、ＰＯＰとＡＷＧ間にはｋ本の光心線を設置する。ｋをどのように設定するかが問題になるが、ＡＷＧネットワークではカプラによるノードの集約がなされず、各ノード・ノード間、およびノード・ＰＯＰ間には、論理的に独立な波長チャネルが設置される。よって、各波長チャネルに加わるトラヒック量がチャネル容量を超えない範囲で、ＰＯＰ心線数ｋを決めればよい。内部トラヒックを運ぶ波長チャネルについてはｄ_Ｉ＜Ｃを満たせばよいので、前記〔数３〕より、Ｖの制約式、

を得る。

上述のパラメータ条件は全て上式〔数１３〕を満足する。一方、外部トラヒックを運ぶ波長チャネルについてはｄ_Ｅ＜ｋＣを満たせばよいので、前式〔数７〕より、ｋは
ｋ＞ｒＶ／２ＣＮ（ｒ＋１）を満たせばよい。よって、ＡＷＧネットワークにおいては、

と設定する。

（評価結果）
図５〜図７は、総トラヒック量Ｖに対するＡＷＧポート数を示すグラフである。
まず、前述の（最適カプラ数の導出）で導出した最適カプラ数Ｄと最適ＰＯＰ心線数ｋにより、本実施形態がＡＷＧポート数をどの程度、削減できるかを示す。本実施形態のＡＷＧポート数はＤ＋ｋであるが、ＡＷＧネットワークのそれはＮ＋ｋとなる。
なお、図５〜図７の中の記載がないパラメータについては、Ｎ＝１００、ｒ＝１、γ＝１×１０^−３秒と設定した。

ＡＷＧネットワークは、総トラヒック量Ｖとは無関係に全てのノードに対してＡＷＧのポートを用意する必要があり、ＡＷＧポート数においてはＮの値が支配的である（図５のＮ＝２００，１００，５０のグラフ参照）。ＰＯＰに対して用意する光心線数はＶの増加に対して増加するため、Ｖの大きな領域で若干の増加が見られる。一方、本実施形態（図５のＰｒｏｐｏｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ）は、カプラとスプリッタを最適数だけ配置することにより、ＡＷＧポート数を大きく削減できる。本実施形態は、Ｖが小さい時には多くのノードをカプラに集約しても遅延制約を満足できるため、設置カプラ数Ｄをより少なくでき、ＡＷＧポート数の削減効果が顕著である。

Ｖの増加するに伴ってＤを増加させ、カプラに収容されるノード数を減らす必要があるが、このように本実施形態はＶに応じて適切に設置カプラ数を決めることができる。
本実施形態のＡＷＧポート数Ｄ＋ｋはＶが同じであれば、Ｎの影響を受けないが、ｒが大きくなるほど増加する（図６のＰｒｏｐｏｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ参照）。ＰＯＰはカプラで集約しないため、外部トラヒックの割合が増加するほど必要ＡＷＧポート数が増加
するためである。また、遅延制約γが小さくなるほど、ＡＷＧポート数も増加する（図７のＰｒｏｐｏｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ参照）。

次に、ネットワーク全体で必要となる総トランシーバ数Ｎ_ｔｒと、波長数で換算した総正規化波長多重分離装置数Ｎ_ｄｒｎについて比較する。本実施形態の多重波長数はＤ＋ｋであり、カプラの入力モジュール内にも波長多重分離装置が必要なことを考慮すると、Ｎ_ｔｒとＮ_ｄｒｎはそれぞれ、Ｎ_ｔｒ＝（Ｎ＋ｋ）（Ｄ＋ｋ）、Ｎ_ｄｒｎ＝（４Ｎ＋２ｋ）（Ｄ＋ｋ）となる。一方、ＡＷＧネットワークの多重波長数はＮ＋ｋであるため、Ｎ_ｔｒ＝（Ｎ＋ｋ）^２、Ｎ_ｄｒｎ＝２（Ｎ＋ｋ）^２となる。

図８および図９は、Ｎ＝１００、ｒ＝１、γ＝１×１０^−３秒としたときの総トランシーバ数Ｎｔｒと総正規化波長多重分離装置数Ｎｄｒｎの特性図である。
ＡＷＧネットワークは、総トラヒック量Ｖに無関係に、ノード数Ｎで決まる数のトランシーバや波長多重分離装置が必要になる（図８、図９のＡＷＧ ｎｅｔｗｏｒｋ参照）。
それに対して、本実施形態では、Ｖに応じて適切にカプラ数を設定することにより、これらデバイス数を大幅に削減することが確認された（図８，図９のＰｒｏｐｏｓｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ参照）。特に、Ｖが１Ｔｂｐｓ以下の場合、トランシーバ数を一桁以上、削減することが可能である。

最後に、ネットワークの総設備コストを比較する。メトロエリアのネットワーク規模では、伝送距離が短いために、光心線や光アンプ等の伝送に関するコストは、ノードのコストに比べて無視できる。そこで、ＡＷＧネットワークのコスト構成要素としては、トランシーバと波長多重分離装置のみを考える。本実施形態では、これに加えて、図２に示すように、ゲート開閉のためのＳＯＡ、カプラ、スプリッタ、タップ、光検出器、ゲート制御装置が必要になるが、カプラ、スプリッタ、ゲート制御装置の必要数はＤで、他のデバイスの必要数と比較して少なく、これらデバイスのコスト自体も小さいので、ここでは考慮しない。

ＳＯＡ、タップ、光検出器の必要数は、各々、Ｎ（Ｄ＋ｋ）となる。これら三つの光デバイスをまとめた１組当たりのコストをＣ_{ｏｔｈｅｒｓ}、トランシーバのコストをＣ_ｔｒ、波長当たりの波長多重分離装置のコストをＣ_ｄｒｎとする。これらのコストパラメータは、Ｃ_ｄｒｎを１とする相対値で考え、現状の価格を考慮して、ここではＣ_ｔｒ＝１０、Ｃ_ｄｒｎ＝１、Ｃ_{ｏｔｈｅｒｓ}＝２と設定する。

図１０〜図１２は、本実施形態の総コストをＡＷＧネットワークの総コストで除した総コスト比を示す図である。
図１０はＮ＝５０，１００，２００の場合のコスト比で、Ｎが小さいほどコスト差は大きい。図１１はｒ＝１０，１，０．１のときのコスト比で、ｒが小さいほどコスト差は大きい。図１２はγ＝０．２，１，５のときのコスト比で、γが大きいほどコスト差は大きい。
本実施形態においては、ＡＷＧネットワークと比較して、総コストが数１０分の１から数分の１に削減できることがわかる。特に、総トラヒック量Ｖが小さいときのコスト削減効果が大きい。Ｖの増加に伴って、遅延制約を満たすために必要なカプラ数Ｄが増加し（図５〜図７参照）、トランシーバ数などの削減効果が小さくなるため、コスト削減効果を低減する。また、Ｎが大きなほど、コスト削減効果が大きくなるため、本実施形態は大規模なＭＡＮほど有効である。

本発明の実施の形態に係るネットワークシステムの構成図である。 本発明の実施の形態に係るネットワークの構成およびその入力モジュールの構成図である。 従来におけるＡＷＧネットワークの構成図である。 カプラを用いてＡＷＧ規模の低減を図ったＡＷＧネットワークの構成図である。 本実施形態の総トラヒック量に対するＡＷＧポート数の特性図（Ｎに対する）である。 本実施形態の総トラヒック量に対するＡＷＧポート数の特性図（ｒに対する）である。 本実施形態の総トラヒック量に対するＡＷＧポート数の特性図（γに対する）である。 本実施形態の総トラヒック量に対する総トランシーバ数の特性図である。 本実施形態の総トラヒック量に対する波長数で換算した総波長多重分離装置数の特性図である。 本実施形態の総トラヒック量に対する総コスト比の特性図（Ｎに対する）である。 本実施形態の総トラヒック量に対する総コスト比の特性図（ｒに対する）である。 本実施形態の総トラヒック量に対する総コスト比の特性図（γに対する）である。

符号の説明

１００ パケット送信ノード
１０１ トランシーバ
１０２ 波長多重分離装置
２００ カプラ
２０１ 入力ポート
２０２ 波長分離装置
２０３ タップ
２０４ 光信号検出部
２０５ ＳＯＡゲート
２０６ ゲート制御部
２０７ 波長多重装置
２０８ カプラ
３００ ＡＷＧ
４００ スプリッタ
５００ パケット受信ノード
５０１ 波長多重分離装置
５０２ トランシーバ

Claims (8)

1. ＡＷＧをハブノードに用いるＭＡＮを対象としたＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムにおいて、
   各波長チャネル上で空き状態であるときに最初に到着したパケットのみを通過させ、他のパケットをブロックするパケット衝突回避機構を付与したカプラと、
   該カプラで集約した後に上記ＡＷＧに接続される複数のノードと
   を有することを特徴とするＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステム。
2. 請求項１記載のＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムにおいて、
   前記ノードとＡＷＧの間に設置されるカプラの各入力ポートに波長選択フィルタを設置し、
   該カプラに前記波長選択フィルタを制御するゲート制御装置を設置し、
   ＭＡＮとＷＡＮとの間で交流する外部トラヒックを扱うＰＯＰを複数本の光心線で上記ＡＷＧに接続することを特徴とするＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステム。
3. 請求項１記載のＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムにおいて、
   前記パケット衝突回避機構は、ゲート制御装置と該ゲート制御装置により制御されるＳＯＡゲートからなり、
   該ゲート制御装置は、他のカプラやノードと制御信号を交換することなく、自カプラ内で独立して動作し、各波長チャネル上のパケット到着状態に応じて該ＳＯＡゲートを開閉し、該ＳＯＡゲートがＯＮ状態である場合にのみ、該パケットを波長多重装置に入力し、該ＳＯＡゲートがＯＦＦ状態の場合には、パケットはブロックされることを特徴とするＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステム。
4. ＡＷＧをハブノードに用いるＭＡＮを対象としたＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの入力モジュール装置において、
   ゲート制御装置からの制御により通過波長が動的に切り替わる２値光スイッチ素子と波長多重分離装置を配置した波長選択フィルタを備えたことを特徴とする入力モジュール装置。
5. ＡＷＧをハブノードに用いるＭＡＮを対象としたＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適な設置カプラ数を算出する方法において、
   与えられた静的な交流トラヒック行列から各波長チャネル上に流れるトラヒック量を算出し、
   各波長チャネルにおける衝突回避機構を用いた場合のパケット平均転送遅延時間を導出し、
   そこから、与えられた許容平均パケット転送遅延を満足する設置カプラ数とＰＯＰ光心線数の最小値を、それぞれ求めることを特徴とするＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適カプラ数算出方法。
6. 請求項５記載のＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適カプラ数算出方法において、
   前記選択可能な設置カプラ数とＰＯＰ光心線数が存在するために、総トラヒック量が超えてはならない最大値を導出することを特徴とするＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適カプラ数算出方法。
7. 請求項５記載のＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適カプラ数算出方法において、
   前記Ｎ個のノードをＤ個のカプラに集約する場合に、
   

   

   または、
   

   

   に従って設置カプラ数を算出することを特徴とする最適カプラ数算出方法。
   （Ｎ：ノード数、Ｖ：総トラヒック量、ｒ_１：パケット転送成功時の転送遅延時間、ｒ_２：平均再送待ち時間、γ：平均パケット転送遅延の許容値、Ｃ：チャネル容量、ｒ：内部トラヒック量に対する外部トラヒック量の倍率、ｋ：ＰＯＰとＡＷＧ間の心線数、Ｐ：パケットの固定長）
8. 請求項５または６に記載のＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適カプラ数算出方法において、
   前記ＡＷＧとＰＯＰ間にｋ本の光心線が設置されている場合に、内部トラヒックを運ぶ波長チャネルについては、総トラヒック量Ｖの制約式は、
   

   

   で算出し、
   また、ＡＷＧネットワークにおけるＡＷＧとＰＯＰ間の光心線数ｋは、
   

   

   に設定することを特徴とするＡＷＧシングルホップＷＤＭネットワークシステムの最適カプラ数算出方法。
   （Ｎ：ノード数、Ｖ：総トラヒック量、γ：平均パケット転送遅延の許容値、Ｃ：チャネル容量、ｒ：内部トラヒック量に対する外部トラヒック量の倍率、ｋ：ＰＯＰとＡＷＧ間の心線数、Ｐ：パケットの固定長）

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