JP2014068069A

JP2014068069A - 高速通信制御システム

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Publication number: JP2014068069A
Application number: JP2012209903A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kawanishi; 哲也川西; Atsushi Kanno; 敦史菅野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: US9231638B2; JP5288517B1; US20140086588A1

Abstract

【課題】通信容量を確保しつつ，伝送遅延の問題を解消できる高速通信制御システムを提供する
【解決手段】この通信システムは，送信局１３と受信局１５とを有する。また，通信システム１７は，送信局１３と受信局１５とを，情報の授受を行うことができるように接続する光ファイバ回線１９及び無線経路２１を有する。送信局１３は，通信経路を制御するための通信制御部１１を有する。受信局１５は，送信局１３と通信可能である。通信制御部１１は，情報を光ファイバ回線１９又は無線経路２１のいずれを経由して受信局１５へ伝えるかを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は，高速通信制御システムに関する。より詳しく説明すると，本発明は，光ファイバ通信と低遅延な無線通信とを併用することで，通信容量を確保しつつ迅速な通信要求にも応じることができる高速通信制御システムに利用する。

高速な情報通信を達成するためのシステムとして，光ファイバ通信システムが知られている。光ファイバ通信システムは，送信局と受信局とを光ファイバで接続する。光ファイバ通信システムの伝送容量は大きい。しかしながら，光ファイバ通信システムは，例えば自由空間を伝播する電磁波と比べて約１．５倍の伝送遅延を生ずる。

下記非特許文献では，光ファイバ通信システムがもたらす伝送遅延が問題視されている。例えば，証券取引は，超高速トランザクションが重要である。このため，光ファイバ通信では，伝送遅延が大きな問題とされている。例えば，日本から，シンガポールや欧米の証券等取引所へ取引の指令を伝送した場合，伝送距離が長いため，比較的大きな伝送遅延が生ずる。このため，例えば，日本企業が海外の証券市場において取引を行うことは，現地の企業に比べて著しく不利になる。

Low Latency "How low can you go?"Low Latency Design, transmode,whitepaper

本発明は，通信容量を確保しつつ，伝送遅延の問題を解消できる高速通信制御システムを提供することを目的とする。

本発明は，光ファイバ通信と低遅延な無線通信とを併用することで，迅速な通信要求に応じることができるという知見に基づく。

本発明の第１の側面は，光ファイバ通信と低遅延な無線通信とを併用することで，迅速な通信要求に応じることができる通信システムに関する。この通信システムは，送信局１３と受信局１５とを有する。また，通信システム１７は，送信局１３と受信局１５とを，情報の授受を行うことができるように接続する光ファイバ回線１９及び無線経路２１を有する。送信局１３は，通信経路を制御するための通信制御部１１を有する。受信局１５は，送信局１３と通信可能である。

そして，通信制御部１１は，情報を光ファイバ回線１９又は無線経路２１のいずれを経由して受信局１５へ伝えるかを制御する。例えば，送信局１３の制御通信部２０は，コンピュータなどの制御装置を有しており，制御装置が情報の種類を判断する。そして，その判断した情報の種類に応じて，制御通信部２０は，情報を光ファイバ回線１９又は無線経路２１のいずれを経由して受信局１５へ伝えるかを制御する。

第１の側面の通信システムの好ましい態様は，無線経路２１が，低軌道衛星及び電離層伝播経路のいずれか又は両方を含むものである。

第１の側面の通信システムの好ましい態様は，無線経路２１が低軌道衛星を含む。そして，低軌道衛星の地表からの高度をｈ［ｍ］とし，
送信局１３と受信局１５の光ファイバ回線の伝播距離をＬ［ｍ］とし，
地球の平均半径をＲ_ｅ［ｍ］としたとき，
光ファイバの屈折率ｎは，以下の関係式を満たす。

第１の側面の通信システムの好ましい態様は，通信制御部１１は，入力種別判断部３１と，経路記憶部３３とを有する。入力種別判断部３１は，送信局１３に入力された情報の種類を判断するための要素である。一方，経路記憶部３３は，入力種別判断部３１に入力された情報の種類に応じて情報を光ファイバ回線１９及び無線経路２１のいずれを経由して受信局１５へ伝えるか記憶するための要素である。

これにより，この通信システムは，入力情報に応じて，適切な伝送経路を選択できる。

第１の側面の通信システムの好ましい態様は，通信制御部１１は，閾値記憶部４１と，閾値判断部４３と，取引中止信号発生部４５とを更に有する。閾値記憶部４１は，閾値を記憶するための要素である。閾値判断部４３は，送信局１３に入力された数値が閾値を越えるか否か判断するための要素である。取引中止信号発生部４５は，閾値判断部４３が送信局１３に入力された数値が閾値を超える場合に取引中止信号を発生するための要素である。そして，通信制御部１１は，取引中止信号発生部４５が，取引中止信号を発生した場合に，当該取引中止信号を，無線経路２１を経由して受信局１５へ伝えるように制御する。

これにより，この通信システムは，所定の条件に至った場合に，自動的かつ迅速に取引を中止することができる。

本発明は，通信容量を確保しつつ，伝送遅延の問題を解消できる高速通信制御システムを提供できる。

図１は，本発明の通信システムのブロック図である。図２はトランスミッターとレシーバーにおける時間ドメインのデータパケットを示す。図３は，海底ケーブルシステムのトランスミッターとレシーバーの反応における遅延を無視した場合の，海底ケーブル（Ｕｎｉｔｙ）あるいは航空機（Ｂ７４７−４００）を用いたデータ伝達における所要時間を示す。図４は，負のグループ遅延が存在する分散媒体中の入力信号及び出力信号の時間ドメインのプロファイルを示す。図５は，ＬＥＯに基づく通信系とＯＦＣに基づく通信系の光波伝播パスの概念図である。図６は，様々な距離についてのＬＥＯ衛星システムの有効屈折率を示す。図７は，様々な高度についてのＬＥＯ衛星システムの有効屈折率を示す。図８は，ＬＥＯに基づくシステムとＯＦＣに基づくシステムの遅延の相違を示す。

以下，図面を参照しつつ，本発明の実施の形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されず，公知の要素を適宜取り入れることができる。

本発明の第１の側面は，光ファイバ通信と低遅延な無線通信とを併用することで，迅速な通信要求に応じることができる通信システムに関する。本発明の通信システムの例は，金融取引に用いられる通信システム，オンラインゲーム用の通信システム，及びオークションサイト用の通信システムである。たとえば，金融取引に用いられる通信システムの例は，送信局１３が金融取引を行うクライアントコンピュータであり，受信局１５が取引情報を提供するとともに金融商品の取引を行うサーバコンピュータである。オンラインゲーム用の通信システムにおいては，送信局１３が，ユーザにより操作されるクライアントコンピュータであり，受信局１５が各クライアントコンピュータにオンラインゲームに関する情報を提供するサーバコンピュータである。

図１は，本発明の通信システムのブロック図である。図１に示されるように，この通信システムは，送信局１３と受信局１５とを有する。また，通信システム１７は，送信局１３と受信局１５とを，情報の授受を行うことができるように接続する光ファイバ回線１９及び無線経路２１を有する。送信局１３は，通信経路を制御するための通信制御部１１を有する。受信局１５は，送信局１３と通信可能である。

光ファイバ回線１９は，送信局１３と受信局１５とを接続する１又は複数の光ファイバ網である。光ファイバ回線１９は，途中ルータの中継を介してもよい。光ファイバ回線１９及び光ファイバ回線を用いた通信システムは公知である。したがって，本発明の光ファイバ回線１９は，公知の光ファイバ回線を適宜用いることができる。さらに，光ファイバ回線１９を用いた情報の伝達方法も公知である。したがって，本発明は，公知の情報伝達方法を用いて，光ファイバ回線１９を介して，送信局１３と受信局１５との間での情報の授受を行うことができる。

無線経路２１は，無線信号を用いて送信局１３と受信局１５との間で情報の授受を行うための経路である。無線信号を用いた情報の伝達方法は公知である。したがって，本発明においても，公知の無線通信方法を適宜用いることができる。

低軌道衛星を含む無線経路２１は，送信局１３と受信局１５との間に１又は複数の低軌道衛星を設け，送信局１３から出力された無線信号を低軌道衛星が中継し，受信局１５へと伝える経路である。複数の低軌道衛星を用いた情報伝達システムは，例えば特開２００２−１８５３７９号公報に開示されている。

低軌道衛星の高度を調整する方法も公知である。低軌道衛星の高度は，以下のようにして設定することが好ましい。低軌道衛星の地表からの高度をｈ［ｍ］とし，
送信局１３と受信局１５の光ファイバ回線の伝播距離をＬ［ｍ］とし，
地球の平均半径をＲ_ｅ［ｍ］とする。光ファイバの屈折率ｎは，以下の関係式を満たすものが好ましい。

上記の式は，光ファイバの屈折率に関する式である。Ｌ及びＲ_ｅは，具体的な数値として求めることができる。このため，例えば，光ファイバの屈折率が得られた場合，低軌道衛星の高さをどの程度以下とすることが望ましいかは，上記の不等式から求めることができる。この値は，通常の低軌道衛星の高度より相当程度低い場合が含まれる。ｈの例は，２０００ｋｍ以下でもよく，８００ｋｍ以下でもよく，５００ｋｍ以下でも，２００ｋｍ以下でもよい。一方，ｈがあまりに小さいと衛星として機能しないため，ｈは，１００ｋｍ以上がよく，１５０ｋｍ以上でもよく，２５０ｋｍ以上でもよく，３５０ｋｍ以上でもよい。ｈの上限及び下限は，例えば上記に列挙したものから任意に組み合わせることができる。Ｌの例は，５０００ｋｍ以上でもよく，８０００ｋｍ以上でも，１００００ｋｍ以上でもよい。Ｌの上限はたとえばπＲ_ｅ（地球の半周分）であるが，任意の数を採用できる。

電離層伝播経路は，例えば，特開２００７−２３５２９０号公報に開示されるように電離層を電波の伝播経路とするものである。電離層を無線信号の伝播経路とすることは，上記の特許文献に開示されたとおり，既に知られた技術である。よって，本発明における電離層伝播経路も公知のものを適宜採用すればよい。また，無線信号を電離層を伝播させる技術は，例えば，上記の特許公報及びこの文献で引用された技術のとおり既に知られている。

第１の側面の通信システムの好ましい態様は，通信制御部１１が，入力種別判断部３１と，経路記憶部３３とを有する。通信システムに含まれる送信局及び受信局は，コンピュータを有するものが好ましい。コンピュータは，入出力部，制御部，演算部及び記憶部を有し，各要素はバスなどによって情報の授受を行うことができるように接続されている。そして，記憶部のうちメインメモリには，制御プログラムが格納されている。このため，入出力部から所定の情報が入力された場合，制御部は，記憶部に格納された制御プログラムからの指令を受けて，適宜記憶部から必要な情報を読み出し，演算部に所定の演算すよりを行わせる。そして，制御部は，演算結果を適宜記憶部に記憶するとともに，入出力部から出力する。

入力種別判断部３１は，送信局１３に入力された情報の種類を判断するための要素である。コンピュータの制御部，演算部及び記憶部に記憶された制御プログラムが，例えば入力種別判断部３１として機能する。

経路記憶部３３は，入力種別判断部３１に入力された情報の種類に応じて情報を光ファイバ回線１９及び無線経路２１のいずれを経由して受信局１５へ伝えるか記憶するための要素である。コンピュータの記憶部が経路記憶部３３として機能する。

例えば，金融商品に関する通信システムやオークションに関する通信システム（オンラインゲーム内のオークションに関する通信システムを含む）の場合について説明する。例えば，株価情報，銘柄名，それらを表示させるためにＧＵＩに関する情報といったデータは，それほど迅速に授受する必要がない。よって，経路記憶部３３は，これらクライアントに表示させる静的なデータに関する情報を，光ファイバ回線路と関連して記憶する。一方，クライアントに表示される銘柄や商品を購入するといった情報は，迅速に受信局１５へ伝えることが望ましい。この購入情報の情報量はそれほど大きくない。このため，購入情報は，無線経路２１によって迅速に伝播することができる。よって，経路記憶部３３は，購入情報と関連して無権経路を記憶する。なお，購入金額に関する情報は，購入情報とともに送信されるようにしてもよいし，光ファイバ回線路３３を通じて伝送されるようにしても良い。

例えば，コンピュータの入力装置（キーボード等）から，ある商品の買い注文と買い価格に関する情報が，コンピュータへ入力される。すると，制御部は，ある商品の買い注文と買い価格に関する情報を受け取る。そして，制御部は，制御プログラムからの指令に基づいて，入力された情報の種類を判断する。コンピュータに買い注文と買い価格を入力する際に，それぞれがある商品の買い注文及び買い価格であることを示す情報（例えばタグ）とともに，コンピュータへ入力されているため，制御部は，その情報（例えばタグ）を用い，適宜記憶部を参照することで，入力された情報の種類を判断する。この例では，コンピュータは，ある商品と関連した買い注文，及びある商品と関連した買い取り価格情報であると判断する。一方，記憶部には，例えば，買い注文が，無線経路（近距離衛星経路）と関連して記憶されている。また，記憶部には，買い取り価格が光ファイバ回線と関連して記憶されている。このため，制御部は，記憶部に記憶された情報を読み出して，買取注文の伝播経路を無線経路，買い取り価格の伝播経路を光ファイバ回線と判断する。コンピュータは，この制御部による経路判断の結果を適宜記憶部に記憶する。そいて，コンピュータは，適宜記憶部から経路判断の結果を読み出して，制御部が判断した経路に従い，情報を伝達するように制御する。

第１の側面の通信システムの好ましい態様は，通信制御部１１は，閾値記憶部４１と，閾値判断部４３と，取引中止信号発生部４５とを更に有する。

閾値記憶部４１は，閾値を記憶するための要素である。コンピュータの記憶部が閾値記憶部４１として機能する。閾値は，適宜事前に求めたものをコンピュータに記憶させればよい。閾値の例は，ユーザが設定する利用限度額である。また，閾値は，ユーザの個人資産や様々な要因に基づいてリアルタイムに求められる利用限度額であってもよい。閾値は，また，あるユーザの1日当たりの利用限度額であっても良い。また，ユーザが購入希望を出し続けている商品の価格の変動（Δ円／Δ時間）の設定値であっても良い。変動の設定値は，例えば，価格が上場しつつけている商品の価格がある時間単位で見たときに，マイナスに転じた場合に購入を止めたい場合は，変動の閾値を０とすればよい。また，ある程度の時間間隔である程度ある商品の価格が下がっても問題としないが，ある下がり度合いを超えた場合に商品の購入を止めたい場合は，変動（Δ円／Δ時間）の設定値をマイナスのある値とすればよい。

閾値判断部４３は，送信局１３に入力された数値が閾値を越えるか否か判断するための要素である。コンピュータの制御部，演算部及び記憶部に記憶された制御プログラムが閾値判断部４３として機能する。送信局１３に入力された数値は，送信局１３に入力された数値の蓄積された値であっても良い。コンピュータは，記憶部に上記した閾値を記憶している。コンピュータは，入力された情報を用いて，上記した閾値に関連する値を求める。例えば，その日の利用限度額が閾値の場合は，コンピュータはあるユーザの購入金額を記憶部に蓄積し，そのユーザが商品を購入するごとにその日の購入済み金額を更新する。そして，更新されたその日の利用額と，ユーザが商品を購入しようとする買い取り価格とを合計する演算を行って，その合計額を記憶部に記憶した閾値と比較する演算を行う。その結果，合計額が，閾値より大きいと判断した場合は，数値が閾値を越えると判断する。このように閾値の種類に応じた値をコンピュータが求め，適宜記憶して，上記した閾値と比較する。このようにして，閾値判断部４３は，送信局１３に入力された数値が閾値を越えるか否か判断できる。

取引中止信号発生部４５は，閾値判断部４３が送信局１３に入力された数値が閾値を超える場合に取引中止信号を発生するための要素である。コンピュータの制御部，演算部及び記憶部に記憶された制御プログラムが取引中止信号発生部４５として機能する。上記のとおり，閾値判断部４３が，送信局１３に入力された数値が閾値を越えると判断した場合例えば至急取引を中止する必要が生ずる。このため，取引中止信号発生部４５は，送信局１３に入力された数値が閾値を超えたとの判断結果を受け取って，受信局に対して取引を中止させるための取引中止信号を発生する。

そして，通信制御部１１は，取引中止信号発生部４５が，取引中止信号を発生した場合に，当該取引中止信号を，無線経路２１を経由して受信局１５へ伝えるように制御する。具体的に説明すると，取引中止信号を，無線信号の形態に変換する。その上で，無線信号を送信するための送信部（例えば，アンテナ）から，受信局１５へ送信する。例えば，この無線信号には，受信局１５の識別情報をも付されているため，適宜中継点を経由して，取引中止信号が受信局へ届けられる。このようにして，この通信システムは，所定の条件に至った場合に，自動的かつ迅速に取引を中止することができる。

高速データ伝達
光通信システムにおいて，高度なモジュレーション方式を用いた高速の変調や復調は，あらゆる光チャネルで高いビットレートを達成するにあたって重要な役を果たす。例えば二重分極化１６レベル直交振幅モジュレーション（ＱＡＭ）はモジュレーション速度が１２．５Ｇｂａｕｄの場合，１００Ｇｂ／ｓの伝送速度を供給できる［１］。

光ファイバは，波長ドメイン多重送信（ＷＭＤ）や空間ドメイン多重送信（ＳＤＭ）を用いることで，多くのチャネルを伝達することができる。近年，ビットレートが３００Ｔｂ／ｓを超える高速光ファイバ伝達が，マルチコアファイバーを用いて実現された［２］。この意味において，「高速」とは高い伝達容量を意味する。一方で，高速な信号の伝播は伝達システムにおけるレスポンスの遅延を軽減することができる。この遅延はレイテンシーと呼ばれる。図２はトランスミッターとレシーバーにおける時間ドメインのデータパケットを示す。時間ドメインにおけるパケットの長さは，データサイズをＤ［ｂｉｔ］，ビットレートをＲとした場合，ｔ_Ｄ＝Ｄ／Ｒで与えられる。レイテンシーｔ_Ｌは，ノードやトランスミッター，レシーバーにおける信号処理における遅延や，ファイバ内における信号伝播の遅延によりもたらされる。電磁波速度の限界に起因する伝播の遅延は，データ伝達システムにおけるレイテンシーの絶対的な下限をもたらす。そのため伝播距離をＬ，信号伝播速度をｖ_ｉとした場合，ｔ_ＬはＬ／ｖ_ｉより大きな値をとる。上述の通り，一般的には「高速な伝達」は伝達媒体内において信号が高速に伝播することを意味しない。Ｔ＝ｔ_Ｄ＋ｔ_Ｌにより与えられるデータ送信の合計所要時間は，所要時間の中でｔ_Ｄが大半を占める場合にＲやｖ_ｉの機能により減少し，伝達容量を示すビットレートＲを向上させることによりＴを大きく削減できる。以上が伝達における高速が高い容量を意味する理由となる。

光ファイバーケーブルは一般に，長距離の高容量伝達に用いられる。例えばＵｎｉｔｙという日本の千倉とアメリカのロサンゼルスを結ぶ高容量の大陸横断型海底ケーブルがある。その伝達容量の合計は４．８Ｔｂ／ｓを誇る。千倉とロサンゼルス間の距離は９６２０ｋｍに及ぶ。そのため，ファイバ内の光の伝播速度を光速（ｃ）の６７％と仮定すると，伝播の遅延は４８．１ｍｓとなる。レイテンシー（ｔ_Ｌ）はこの遅延より大きい。もしビットレートにのみ焦点を当てるならば，巨大な容量を持ったデータ伝達はストレージメディアによる物理的な転送でも達成可能である。一例として当該文書では，航空貨物輸送機のデジタルデータ伝達能力を概算する。東京の成田（ＮＲＴ）とロサンゼルス（ＬＡＸ）間を飛行するＢ７４７−４００航空機が輸送するメモリーカードのデータ量を考察する。成田は東京の首都圏に位置し千倉と非常に近距離にある。所要時間は，税関など空港にて要求される他の手続きを加味し２４時間と仮定する。航空機の最大有効荷重は，重量では９４トンで，体積では８０ｍ^３より小さい。荷重の重量密度が１１７５ｇ／ｃｍ^３を上回れば，重量面で有効荷重の限界を超える。ここで，重量密度が２．４２ｇ／ｃｍ^３の３２ＧＢマイクロＳＤカードを用いるとする。メモリーカード一つ分の重量は０．４ｇで，そのため航空機は２．３５ｘ１０^８＝（９２ｘ１０^３）／（０．４ｘ１０^−３）のメモリーカードを運搬することが可能となり，これは７．５ＥＢに相当する。一般荷重量が４０％ならば伝達能力の合計は，５００Ｔｂ／ｓとなる。その伝達容量はＵｎｉｔｙの海底ケーブルによるものよりもずっと大きい。しかし航空貨物輸送にかかる所要時間は，データサイズが７．５ＥＢよりずっと小さい場合であっても，２４時間となる。「高速」の定義が伝達における高い容量であるならば，航空貨物輸送によるデータ転送は高速であろう。しかし当然ながら，航空機はファイバ内の光波と比較して非常に低速なため遠隔会議や電子メールといったネットワークにおける典型的なアプリケーションに用いる場合は，これは実行不可能である。図３は，海底ケーブルシステムのトランスミッターとレシーバーの反応における遅延を無視した場合の，海底ケーブル（Ｕｎｉｔｙ）あるいは航空機（Ｂ７４７−４００）を用いたデータ伝達における所要時間を示す。明らかに，データサイズがそう大きくはない場合には，航空機による伝達よりも海底ケーブルを用いた伝達の方がずっと所要時間は短い。しかし海底ケーブルの所要時間は４８．１ｍｓで下限を迎える。これはファイバ内での光波の伝播遅延に起因するものだ。データサイズが５２ＰＢを超える場合，航空機による輸送の合計所要時間がケーブルによる伝達の所要時間を下回る。そのため，ストレージメディアによる物理的な転送は，高解像度の動画といった巨大なデータを流通させる場合に優位性を持つ。

両者の比較のためＢ７４７−４００とＵｎｉｔｙのエネルギー消費量を大まかに概算する。航空機のＣＯ_２排出量は片道の飛行（成田とロサンゼルス間の西回りと東回りの平均を用いる）で３５０トンに上る一方，典型的な海底ケーブルが２４時間で排出する量は双方向の伝達で０．２７トンになる。航空輸送機による伝達のｂ／ｓ当たりの電力消費は海底ケーブルによる伝達の２３倍に及ぶ。そのため航空輸送による物理的な伝達よりも光ファイバ通信の方がエネルギー効率は良いと考えられる。しかしながらネットワークシステムにおいてはノードの電力消費が大半を占める。これは電力消費の差異がより小さい可能性を示している。

伝達容量（あるいは情報量の）Ｒに加えて，当該セクションで論じたように，レイテンシーがデジタルデータ伝達システムを評するにあたって非常に重要になる。ファイル転送や電子メールといった様々なアプリケーションにとって光ファイバ内の光波は十分な速度を持つ。しかしながら，いくつかの特定のアプリケーションにおいて伝達システムのレイテンシーを注意深く設計する必要がある。以降のセクションでは伝達メディアやレイテンシーの低い伝達システムにおける光の速度について論じる。

電磁波の伝播速度
電磁波の限界速度に起因する伝播の遅延は，データ伝達システムのレイテンシーに絶対的な下限を付与する。よく知られるように，電磁波の情報の伝播速度（ｖ_ｉ）は光の速度（ｃ）よりも遅い。グループ速度（ｖ_ｇ）はウェーブパケットの伝播速度を示し，これは多くの場合ｃよりも小さな値をとる一方，フェーズ速度（ｖ_ｐ）はｃよりも大きい［７］。グループ速度（ｖ_ｇ）は共通データ伝達システムにおける情報の伝播速度（ｖ_ｉ）を示す。しかしながら，ある特定の条件を持った分散的な伝達メディアにおいては，ｖ_ｇはｃを超えうる［８］。そのためｔ_ＬはＬ／ｃあるいは０よりも小さな値をとりうる。図４は，負のグループ遅延が存在する分散媒体中の入力信号及び出力信号の時間ドメインのプロファイルを示す。図４に示される通り，ｔ_Ｌが０よりも小さい場合，出力信号の波形のピークが入力信号の波形のピークの先に起こる。このような場合，原因事項がｖ_ｇに直接関係しないため，ｖ_ｉはｖ_ｇに一致しない。パルスフロントの速度はフロント速度（ｖ_ｆ）とよばれ，常にｃよりも小さな値をとり，原因事情と直接関連する。言い換えれば，ｖ_ｉはｖ_ｆよりも小さい。しかし，これらｖ_ｐ，ｖ_ｇ，ｖ_ｆ，ｖ_ｉの４つの速度は，遠隔通信に共通して使用される伝達メディアにおいては大きな差異を持たない。光ファイバ内では，ｎが有効屈折率を示す場合，ｖ_ｉはおおよそｃ／ｎと表記できる。そのため後のセクションではｎに焦点を当てる。ｖ_ｇ＜ｎの時，ｎの実部は１より大きな値をとるであろう。

ＳＭＦｓでは，ｎは約１．５となるが，素材や導波管構造に左右される。リファレンス［４］で記述されるように，商業的に利用可能なＳＭＦｓの屈折率は０．５％の差異を持つ。もし海洋横断ケーブルに従来のＳＭＦのかわりとして，そのリファレンスの中で最も低い屈折率のファイバを用いると，その遅延の差異は無視できないものとなる。９６２０ｋｍの海底ケーブルシステムの中で，その差異は２６０マイクロセカンドとなり，１００−Ｇｂ／ｓビットストリームの２６Ｍｂｉｔに一致する。その遅延差異は，高頻度のトレーディングのようないくつかの特定のアプリケーションでは大きな影響があるだろう。最近では，精細な構造を用いた多くの光ファイバの形態が，分散的な特性や広帯域の信号での伝達ロスを改善すると報告されている。ＰＣＦｓはクラッド部に周期的な構造を有しており，エアコアへ光を誘導することができる。ＰＣＦｓでの信号伝播速度（ｖ_ｉ）はｃに接近しうる。そのため，光波の伝播に起因するレイテンシーはデータ伝達のためのＰＣＦｓを用いることで劇的に削減することができる。しかしながら長いＰＣＦｓの製作やベンディングロスの縮小などに関して，未解決の問題がある。

ＦＳＯや電波のワイヤレス通信を含むフリースペ−スの伝達においては，空気のｎと真空のｎの間の差異がほとんど０となるため，ｖ_ｉはおおよそｃに等しい。概して，空気中の伝播ロスや変動によって，ＯＦＣの合計伝達容量はＦＳＯよりも大きくなる。ＯＦＣもまた長距離伝達に適しており，光から電気へ，あるいは電気から光への変換をせずに光アンプリファイアが光信号を再生成できる。一方で，空気中のｖ_ｉがＳＭＦｓ内のｖ_ｉの１．５倍であるため，ＦＳＯのレイテンシーはＯＦＣ内でのレイテンシーよりも非常に小さい。

衛星通信システムにおけるレイテンシー
上述のように，ＦＳＯシステムにおけるレイテンシーはＯＦＣシステムにおけるレイテンシーよりも小さくなる。ＦＳＯにおけるリンクの距離はＯＦＣにおけるリンクの距離と比較して同程度，もしくはより短いため，地球上のＦＳＯは伝播速度に起因するレイテンシーを削減する。地球上のＦＳＯシステムの大部分は最後の１マイルの連結向けに設計されている。４ｋｍの伝達では，ＦＳＯのレイテンシーは１３マイクロセカンドである一方，ＯＦＣのレイテンシーは２１マイクロセカンドとなる。その差異は高頻度トレーディングといったいくつかの特定のアプリケーションにおいて影響がある。衛星通信は長距離の伝達において利用可能である。しかしながら，静止地球軌道（ＧＥＯ）衛星通信は，レイテンシーの影響を受けやすいアプリケーションにおいては適切ではなく，それはＧＥＯ衛星を通じた伝達のレイテンシーが海底ケーブルを用いるＯＦＣのレイテンシーよりもずっと大きくなるためである。ここでは，ＬＥＯ衛星システムにおける光波伝播に起因するレイテンシーについて考察する。レイテンシーは，地上から衛星，衛星間，衛星から地上へのリンクで起こる遅延で構成される。リファレンス［９］で示されるように，地上から衛星へのリンクにおける遅延（ｔ_{Ｌ（ｕｐｌｉｎｋ）}）と衛星から地上へのリンクにおける遅延（ｔ_{Ｌ（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）}）はおおよそ以下のようになる。

ここでｈは衛星の高度を示す。図５は，ＬＥＯに基づく通信系とＯＦＣに基づく通信系の光波伝播パスの概念図である。図５で示されるように，簡略化のため地球の半径をＲ_ｅとした場合，衛星を結ぶ光波は半径がＲ_ｅ＋ｈとなる円軌道に沿って伝播すると仮定する。衛星間リンクにおける遅延は次のように表現される。

実際のＬＥＯ衛星通信システムにおいては，衛星間の光波の伝播は円軌道からいくぶん外れるため，伝播の遅延はこれよりも大きくなる。もし衛星の数が十分に多く，また伝達距離（Ｌ）が十分に大きくなれば，そのずれは小さくなる。伝播遅延の合計は次のように表現される。

ここでｔ_０（＝Ｌ／ｃ）は，伝播速度の絶対的な下限を表す。屈折率をｎとした場合のＯＦＣのレイテンシーは次のようになる。

この時

ｔ_{Ｌ（ＬＥＯ）}はｔ_{Ｌ（ＯＦＣ）}よりも小さな値となりうる。そしてＬＥＯ衛星経由の信号の送信はファイバを通した信号より先に到達可能となる。ここで，ＬＥＯの有効屈折率を以下のように定義する。

ｎ_ＬＥＯ ^−１は地上の２点間を連絡するＬＥＯ衛星システムにおける相対的な信号伝播速度を示している。図６は様々な距離（Ｌ）における有効屈折率（ｎ_ＬＥＯ）を示す。高度が１３７０ｋｍ以下の場合，９６２０ｋｍの伝達におけるｎ_ＬＥＯは，ＳＭＦのｎ（＝１．５）よりも小さくなる。図７に示す通り，ｎ_ＬＥＯは漸近的にｈ／Ｒ_ｅ＋１に近づく。ｈ＝６００ｋｍでＬ＝２００００ｋｍの場合，ｔ_{Ｌ（ＬＥＯ）}はｔ_{Ｌ（ＯＦＣ）}の７７％となる（ｎ_ＬＥＯ＝１．１５）。このことは，ＬＥＯ衛星システムが超低レイテンシーの長距離伝達を提供しているであろうことを暗示している。図８は，式（３）と（４）を用いて算出された，遅延ｔ_{Ｌ（ＬＥＯ）}とｔ_{Ｌ（ＯＦＣ）}の差を表す。その差は１０ｍｓよりも大きくなる可能性があり，それは低い屈折率のファイバを用いたＯＦＣとの差よりもずっと大きい。以上に論じたように，光のリンクは円軌道上からのずれによって追加的な遅延を持つ。正確に伝播遅延を計測するためには衛星配置に関してより詳細な議論が必要である。

論点
低レイテンシーの伝達は，高頻度トレーディングやオンラインゲームのためのデータ転送などの，特定のアプリケーションにおいて要求される。これまでに論じたように，ＬＥＯ衛星に基づく伝達システムはレイテンシーを削減することができる。電離層により反射される電波もまた高速に信号を伝播すると考えられる［１０］。ＰＣＦｓを用いた有線伝達もまた低レイテンシー通信の候補に挙がる。ＰＣＦｓの屈折率は１に近づきうる［１１］。しかしながら，ＬＥＯ衛星や電波，ＰＣＦｓにおいて，予測される伝達容量はＷＤＭやＳＤＭを用いるＯＦＣよりもずっと小さなものとなる。ＦＳＯや無線電波システムの有効性は，金融や銀行業における高速伝達といったミッションクリティカルなアプリケーションにおいて重要な点となる。我々は，合計容量やレイテンシーを追及するために，伝達媒体のさまざまなタイプの組み合わせを考案した。例えばＬＥＯ衛星を経由してレシーバーサイドにいくつかの制御信号を送信する一方で，一般のトランザクションのデータをＯＦＣによって送ることができる。空気中の制御信号は光ファイバーケーブル内のデータを追い越すことができるため，マーケットの高速な変化を検知した場合には，すでにＯＦＣによって送信されたトランザクションのデータをキャンセルすることができる。

参考文献
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本発明は，光通信機器の分野で利用されうる。

１１通信制御部
１３送信局
１５受信局
１７通信システム
１９光ファイバ回線
２１無線経路
３１入力種別判断部
３３経路記憶部
４１閾値記憶部
４３閾値判断部
４５取引中止信号発生部

Claims

通信経路を制御するための通信制御部（１１）を有する送信局（１３）と，
前記送信局（１３）と通信可能な受信局（１５）とを有する，通信システム（１７）であって，
前記通信システム（１７）は，
前記送信局（１３）と前記受信局（１５）とを，情報の授受を行うことができるように接続する光ファイバ回線（１９）と，
前記送信局（１３）と前記受信局（１５）とを，情報の授受を行うことができるように接続する無線経路（２１）とを有し，
前記通信制御部（１１）は，情報を前記光ファイバ回線（１９）又は前記無線経路（２１）のいずれを経由して前記受信局（１５）へ伝えるか制御する，
通信システム。
請求項１に記載の通信システムであって，
前記無線経路（２１）は，低軌道衛星及び電離層伝播経路のいずれか又は両方を含む，
通信システム。
請求項１に記載の通信システムであって，
前記無線経路（２１）は，低軌道衛星を含み，
前記低軌道衛星の地表からの高度をｈ［ｍ］とし，
前記送信局（１３）と前記受信局（１５）の前記光ファイバ回線の伝播距離をＬ［ｍ］とし，
地球の平均半径をＲ_ｅ［ｍ］としたとき，
前記光ファイバの屈折率ｎは，以下の関係式を満たす，

通信システム。
請求項１に記載の通信システムであって，
前記通信制御部（１１）は，
前記送信局（１３）に入力された情報の種類を判断する入力種別判断部（３１）と，
前記入力種別判断部（３１）に入力された情報の種類に応じて情報を光ファイバ回線（１９）及び無線経路（２１）のいずれを経由して受信局（１５）へ伝えるか記憶する，経路記憶部（３３）とを有する，
通信システム。
請求項１に記載の通信システムであって，
前記通信制御部（１１）は，
閾値を記憶するための閾値記憶部（４１）と，
前記送信局（１３）に入力された数値が前記閾値を越えるか否か判断する閾値判断部（４３）と，
前記閾値判断部（４３）が前記送信局（１３）に入力された数値が前記閾値を超える場合に取引中止信号を発生する取引中止信号発生部（４５）と，
を更に有し，
前記通信制御部（１１）は，
前記取引中止信号発生部（４５）が，取引中止信号を発生した場合に，当該取引中止信号を無線経路（２１）を経由して受信局（１５）へ伝えるように制御する，
通信システム。