JP7307388B2

JP7307388B2 - 光コア部を有する光ネットワーク、タイムスロット化した受信を使用するノード

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Publication number: JP7307388B2
Application number: JP2022502787A
Authority: JP
Inventors: イブラヒムサラ; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2023-07-12
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Description

本発明は、光ネットワーク、そこに使用される光ノードおよび光伝送方式に関する。

データセンターとは、コンピューター（メインフレーム、ミニコンピューター、サーバー等）やデータ通信装置等を設置・運用することに特化した施設の総称である。データセンター（ＤＣ）ネットワークは、トラフィック量の大幅な増加に対応しながら、広範囲のサービスを提供するために急速に成長してきた。しかし、このような状況に対応するために、ネットワークの基本構造は大きく変化していない。

図１は、従来技術のＤＣネットワークの構成を示す図である。典型的なＤＣネットワークは複数のレイヤから構成され、例えば図１に示すように３層ＤＣネットワークの構成を持つ。３層ＤＣネットワーク１００は、上位層側から、スイッチ１０１、光リンク１０２、スイッチ１０３、光リンク１０４、ＴｏＲ（TopOfRack）スイッチ１０５、サーバー１０６を備えている。スイッチ１０１、１０３は、それぞれ上下の電気スイッチとそれらを接続する光リンク１０７、１０８から成っている。したがって図１のＤＣネットワークでは、２つのＴｏＲ間で８ホップを有していることになる。各電気スイッチの広い範囲で、光－電気－光（ＯＥＯ：Optical-Electrical-Optical）変換が実施される。

このようなＤＣネットワーク１００では、１以上のサーバーからなるネットワークノードを接続するリンクにおいて、データは光信号として伝送される。各ノードにおいて、光信号は電気信号に変換され、電気スイッチすなわちＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)スイッチによりスイッチングされる。ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量は大幅に増加し続けており、現在では１２．８Ｔｂ／ｓの容量を持つものも報告されている。
White Rabbit project webpage, インターネット<ＵＲＬ： https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/home > K. Clark et al., "Sub-Nanosecond Clock and Data Recovery in an Optically-Switched Data Centre Network,"２０１８年, post-deadline paper in ECOC 2018, Italy

しかしながら、ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量の拡大はいずれ限界に達すると考えられる。その理由は、ＡＳＩＣスイッチの構成単位であるＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのサイズをさらに縮小することがますます困難になっているからである。ＣＭＯＳトランジスタをより小さくするために、ポスト平面ＣＭＯＳ製造プロセスが求められている。しかしながら、このようなプロセスは技術的に難しく、非常にコストが掛かり、経済的に魅力的なものになるのは難しい。

より差し迫った問題は、ＡＳＩＣスイッチに入出力する光信号に、非常に高いデータレートが必要となっていることである。高いデータレートに対応するため、これまでプラガブルなトランシーバが使用されてきたが、データ密度の制限という厳しい障壁に直面している。トランシーバおよびＡＳＩＣスイッチのコパッケージ実装が近年注目を浴びており、プラガブルなトランシーバを置き換える新しい手法と考えられているが、このような先進的なアプローチを採用しても、消費電力の問題が残っている。

上述のようなすべての問題に対する根本的な解決法は、ＡＳＩＣスイッチにとって不可避な光‐電気‐光（ＯＥＯ）変換を回避するかまたは少なくとも低減することである。そのため、ＤＣネットワーク構造に光スイッチングを導入することが必要となる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＡＳＩＣスイッチの様々な限界を解決する新しいＤＣネットワーク構造の提案にある。

このような目的を達成するために、１つの実施態様は、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備え、前記複数のノードの各々は、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定される光ネットワークである。

別の実施態様の光ネットワークは、前記複数のノードの各々が、ｍ個のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、当該ＡＷＧの複数の入力ポートは同一のグループに属する前記最大ｍ個のノードから対応する光信号を受信し、前記複数の入力ポートの動作波長に適合するように、前記最大ｍ個のノードの内の１つ以上のソースノードの使用波長が設定されている、ＡＷＧと、前記ＡＷＧの出力合波ポートに接続されたｍ個の受信機と、前記ｍ個の受信機からの電気信号をスイッチングして、複数のサーバーにルーティングするＡＳＩＣスイッチとを有することができる。

上述の光ネットワークは、光ネットワーク内のネットワークノードの発明としての側面も持っている。

本開示の光ネットワークによりノード構成を簡略化し、ＡＳＩＣスイッチの容量、消費電力を減らす。光ネットワークの大規模化、低消費電力化にも対応する。

従来技術のＤＣネットワークの構成を示す図である。本開示による新規なＤＣネットワークの構成を示した図である。ＤＣネットワークの代表的構成とアクセス方法を比較して示した図である。従来技術の光ネットワーク周辺部のノードの問題を説明する図である。本開示の光ネットワーク、受信ノードの構成を概念的に示した図である。本開示の光ネットワークで得られる受信機の削減効果を示した図である。光ネットワークの受信ノードにおけるデータ受信動作を説明する図である。異なるグループ構成のネットワークの受信動作の例を示した図である。本開示による例示的なネットワークおよびノードの仕様を示す。受信ノードで必要とされる受信帯域幅の異なる概念を説明する図である。異なる平均接続数の複数のノードの取り得る組合せを説明する図である。ネットワークで光クロックを生成、配分する構成を示した図である。ネットワーク分割によるノード対間の実効ＢＷ劣化を説明する図である。割り当てタイムスロット以外でデータ受信する方法を説明する図である。実効ＢＷ低下を補うソースノードの追加のスイッチを説明する図である。２つのソースノードにおける送信帯域幅の共有を説明する図である。ＴＳと並行した、回線によるトラフィック処理方法を説明する図である。回線交換に準じたデータ伝送による実効ＢＷの改善を説明する図である。ネットワーク全体のスイッチング電力の削減の例を説明する図である。図１９の各ノード分布の接続数、組み合わせ条件を示した表の図である。

以下の開示では、所望のノード対間でエンドツーエンド光伝送を実現し、光スイッチングをコア部で使用して、電気的スイッチングをネットワーク周辺部でのみ使用する新しいＤＣネットワーク構造を提案する。
[光ネットワークのコア部構成]
図２は、本開示による新規なＤＣネットワークの構成を示す図である。詳細は後述するが、ＤＣネットワーク１は、ネットワーク全体のコア部分であるフラット光ネットワーク２と、ネットワーク全体の周辺部にあるＳＷ部３、ＴｏＲ４、サーバー５とを含む。これらの周辺部の要素は、ノードの一部を構成する。図２では、簡単のため４つのＴｏＲを含むものを１ノードとして、２つのノードが示されているが、他の多くのノードがフラット光ネットワーク２の周辺にあるものと理解されたい。既に述べたように、コア部分であるフラット光ネットワーク２で光スイッチングを利用し、電気的スイッチングはその周辺部分であるＳＷ部３およびその周辺側でのみ利用されるネットワークを提示する。図２の光ネットワーク構造はスケーラブルであり、任意の対のノード間の高度に動的な接続をサポートする。含まれるノード数に応じて、ネットワークのコア部分は、物理的なフルメッシュネットワークとして、または、フルメッシュ様ネットワークとして実装できる。
図２に示した本開示のＤＣネットワークで前提とするフルメッシュネットワークまたはフルメッシュ様ネットワークは、図１の従来技術のＤＣネットワーク１００と比べて、コア部において光スイッチングのみを利用している点で相違している。図２のフラット光ネットワーク分では、図１の各階層のＳＷ１０１、１０３におけるＯＥＯ変換を行わずに、光スイッチングのみを利用している。

以下の開示では、各ノードにおいて、新規で実用的なデータ受信機構およびその関連ハードウェアを明らかにする。これらは、これまで必要としていた多数の光受信機ユニットおよび複雑な大容量スイッチング構成の一部を置き換えるものである。本開示の光ネットワークの構成の基本的なアプローチは、ネットワークノードから同じ宛先ノードへの伝送に対して、わずかな時間領域的制限を導入することにある。具体的には、ネットワークがタイムスロット方式によって動作する点にある。また、ＡＳＩＣスイッチにおけるスイッチング容量の削減、消費電力の低減についても開示する。最初に、本開示の光ネットワークのベースとなるＤＣネットワークのノードの構成とアクセス方法について振り返る。

図３は、ＤＣネットワークの代表的な構成とノードへのアクセス方法を比較して示した図である。図３の（ａ）は光回線交換（ＯＣＳ：Optical Circuit Switching）を、（ｂ）はオプティカル・フロー・スイッチング（ＢＭ－ＯＦＳ：Burst Mode Optical Flow Switching）を（ｃ）は光パケット交換（ＯＰＳ：Optical Packet Switching）をそれぞれ示している。（ａ）のＯＣＳネットワーク１１０は、最高のＱｏＳを有し、衝突なしに長距離伝送が可能である。しかし、リソースの共有の程度は低く、波長数によってリンク数が制限され、新しいリンクの確立に時間が掛かり、動的なトラフィックの変化に対応できない等の欠点を持つ。対照的に、（ｃ）のＯＰＳネットワーク１３０では、ネットワークリソースを大きく共有できるものの、衝突を完全に排除することはできない。

クラウドＤＣネットワーク内のノードの数は、数万にも達することがあるが、エンドユーザに近いエッジＤＣネットワークは、はるかに少ないノード数で構成される。ネットワークの光コア部分に関して、Ｎノードの光ネットワークで物理的なフルメッシュ接続を実現する場合、送信機、受信機、双方向光リンクの数がＮ×（Ｎ－１）個となるため、膨大なリソースが要求される。このようなネットワークは、例えば限られた少数のノードで構成されるエッジＤＣネットワークの場合に可能であるが、ノード数が増えればノードにおけるコストと実装の複雑さが増し、これらが物理的フルメッシュ接続の問題点である。

上述のように図３の（ａ）のＯＣＳネットワーク１１０は、上述のようにフルメッシュ接続によって実現され、膨大なリソースが要求される。そこで発明者らは、図３の（ｂ）のＢＭ－ＯＦＳネットワーク１２０を提案している。詳細は説明しないが、ＢＭ－ＯＦＳネットワーク１２０は、トーラスネットワークトポロジにおいて、専用の波長上で光バーストモード伝送を採用したフルメッシュ様ネットワークである。ＢＭ－ＯＦＳネットワーク１２０では、ラベルベースのスイッチングに依存しており、実現可能な波長資源を用いて、サービス品質（ＱｏＳ）を保証する動的光ネットワークを可能とする。より多くのネットワークノードで同じ波長を再利用することにより、高度にスケーラブルなＤＣネットワークが実現される。より詳細にはＢＭ－ＯＦＳネットワークでは、トーラスネットワークトポロジにおいて競合のない事前定義された光パスを設計し、および、並列に接続されている光ファイバ間で波長使用をインターリーブする。これらの技術をすべて組み合わせることにより、例えばＣバンドで利用可能な波長チャネルの部分的利用だけで、数千のノードを含むフルメッシュ状の光ネットワークを実現できる。
[光ネットワーク周辺部の受信の問題]
上述のようなフルメッシュネットワークまたはフルメッシュ様ネットワークでは、各ノードにおいて、大規模なスイッチング構成が必要となる。Ｎ個のノードを持つフルメッシュまたはフルメッシュ様ネットワークでは、ネットワーク内の任意の宛先ノードは、Ｎ－１個まで可能な任意の数のソースノードによって同時にアドレス指定（addressing）することができる。ここで「アドレス指定」とは、ノード間において通信リンクを設定するために、ソースノードが相手方の宛先ノードを通信先として特定し、指定することだけに限らず、実際に通信リンクを設定し、通信を実施することも含むものとする。

図４は、従来技術の光ネットワーク周辺部のノードにおける問題を説明する図である。図４はフルメッシュの光ネットワーク１４０を概念的に示しており、図２に示したフラット光ネットワーク１を、ノードの集合として示したものである。光ネットワーク１４０は、多数のノードが相互に接続されている。図４では、１つのノードに対して隣接する４ノードが相互接続されているように描かれているが、光ネットワーク内のすべてのノードに接続されていることをシンボル的に示している。

ここで、１つの受信ノード１４１に着目する。受信ノード１４１は、光ネットワーク側とのインタフェース部１４４を有しており、さらにＴｏＲ１４５に接続されている。インタフェース部１４４は、同時に着信する複数の光信号１４２を受信する受信機１４３を備えている。光ネットワーク１４０がＮ個のノードで構成されていれば、同時に着信するすべてのデータ通信を処理するため、受信ノード１４１では多数のポートと対応する（Ｎ-１）個の受信機１４３が必要となる。さらにインタフェース部１４４は、図示していない大規模な構成の受信ＡＳＩＣスイッチを備えている。最初に述べたように、ＡＳＩＣスイッチに入出力する光信号に、非常に高いデータレートが必要となっている。図４からも、すべての受信ノードにおいて、多数の受信機と大規模なＡＳＩＣスイッチが必要であることが理解できる。このようにフラット光ネットワークの周辺部にあるノードには、受信機の膨大な数とＡＳＩＣスイッチの容量の限界の問題がある。本開示の光ネットワークでは、これらを解決するために、ネットワークノードから同じ宛先ノードへのデータ伝送に対して、わずかな時間領域の制限の導入を提案する。
[提案するネットワーク方式]
Ａ．受信機の数の削減
図５は、本開示の光ネットワークおよび受信ノードの構成を概念的に示す図である。図４と同様に、図５はフルメッシュまたはフルメッシュ様の光ネットワーク１０を概念的に示している。簡単のため光ネットワーク１０は、Ｎ個（例えば３６）のノードからなっており、一例として、送信元ノードすなわちソースノード１１および宛先ノードすなわち受信ノート１３の間のデータ伝送を考える。当然のことであるが、以後の説明において、ソースノードは受信ノードともなり得るのであって、説明する動作の機能に応じて区別しているに過ぎない。したがって、受信ノードで説明している機能・構成を、ソースノードも同様に有していることに留意されたい。

光ネットワーク１０では、ソースノードである全てのＮ個のネットワークノードを多数のグループ（ｄ個）に分割し、各ソースノードが所属するグループが定義されている。図５の例では、第１のグループ（Ｇ１）～第６のグループ（Ｇ６）の６つのグループが定義されており、ソースノード１１は第１のグループ１２に属している。

任意のノードすなわち任意の受信ノードにおけるデータ通信の受信は、後述するように、ソースノードの属するグループ毎に、固定された持続時間Ｔのタイムスロットにおいて、別々に行われる。すなわち受信ノードは、ソースノードのグループに割り当てられたタイムスロットの間にのみ、そのグループに属する任意のソースノードによってアドレス指定され得る。具体的には、受信ノード１３は、ソースノード１１の属するＧ１に割り当てられたタイムスロットの間に、ソースノード１１からのデータを受信する。さらにＧ１に属する他の５つのソースノードからも、同じタイムスロットの間にアドレス指定される。

図５において１つのグループに属するノードは、ここでは説明のために近接したものとして示しているが、一般的にはネットワーク全体に空間的に分散している。このような分散ノードが、割り当てられたタイムスロットの時間Ｔ内で、１つの宛先ノードにデータを到着させるために、後述する位相キャッシング法を用いる。受信ノードは、異なるグループからタイムスロット毎に順次連続的にデータを受信し、すべてのグループからの受信が完了するサイクルの時間は、ｄ（分割数）×Ｔ（ＴＳ時間）である。各グループのノード数が均一であるネットワーク分割の場合、同一グループに属するノード数ｍは、ｍ＝Ｎ／ｄとなる。

上述のように、受信ノードにおけるデータ受信に時間的な制限を設けた場合、いずれの受信ノードにおいても、ｍ個の受信機を設置することによって、起こりうる最大の同時着信トラフィックに対応する必要がある。ここで各ノードの最大発信帯域幅（ＢＷ：Bandwidth）をＢ_ｏｕｔとする。以後の説明でも使用する用語「帯域幅」とは、ノードによって受信または送信することのできる伝送帯域幅の意味であり、伝送速度（伝送レート）として理解しても良い。用語「帯域幅」は、光通信の変調方式や信号構成に応じて決定されるデータ伝送のための通信リソースの容量を意味する広い概念であることに留意されたい。

通常、ノードから発信できる帯域幅と、ノードで受信できる帯域幅は同じであって、最大発信帯域幅をＢ_ｏｕｔは最大受信帯域幅でもある。割り当てられたタイムスロットＴの間では、特定の受信ノードに対して、このＢ_ｏｕｔの全帯域を投じることができる。しかしながら、あるソースノードが同じ受信ノードへ再びアドレス指定できるためには、１回の受信サイクルが経過するまで待たなければならない。十分長い観測時間に対しては、２つのノード間の実質的な帯域幅である実効ＢＷは、Ｂ_ｏｕｔ／ｄとなる。一般にネットワークにおけるノードグループの数ｄを増加させると、任意のノード対の間の実効ＢＷが減少することになる。この実効ＢＷの値を高める新しい方法は、後述される。

上述のソースノードから同じ受信ノードへのデータ伝送に対して、わずかな時間領域的制限を導入することで、図５の本開示の光ネットワークにおけるノードは、図４の従来技術のノードと比べて、受信機の数を大幅に減らすことができる。

図５を再び参照すると、受信ノード１３の詳細が下側に詳細図として示されており、図４に示した従来技術による受信ノードの構成と比較して説明する。本開示の光ネットワークにおけるノード１３では、受信データの入力光信号を受信するノードのフロント部において、異なる波長(ｄ個の異なるグループ)からの光信号を合波するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）１４が追加されている。Ｎ個のノードからのデータを同時に受信できるように、ＡＷＧ１４の各々は少なくともグループの数ｄ個の入力ポートを有し、ノード１３のフロント部では１つのグループ内のノード数ｍ個のＡＷＧを備える。ｍ個のＡＷＧ１４を経て、合波された受信データは、従来技術と同様のインタフェース部１５に供給され、受信機１６に入力される。ここでインタフェース部１５における受信機１６の数は、図４の従来技術の構成と比べて、１／ｍに大幅に減少している。

図６は、本開示の光ネットワークにおけるノードをグループに分割することで得られる受信機の削減効果を示す図である。図６はノードにおける受信機（Ｒｘユニット）の数と全ノード数の関係を、分割数すなわちグループの数をパラメータとして示しており、（ａ）は縦軸の受信機数を対数表示で、（ｂ）は受信機数を通常のリニア表示で示している。ノード数に関係なく、分割数が増えるに従って、必要な受信機数を大幅に減らすことができる。

したがって本開示の光ネットワークは、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部２と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備え、前記複数のノードの各々１３は、ソースノード１１が属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定されるものとして実施できる。また、前記複数のノードの各々は、ｍ個のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）１４であって、当該ＡＷＧの複数の入力ポートは同一のグループに属する前記最大ｍ個のノードから対応する光信号を受信し、前記複数の入力ポートの動作波長に適合するように、前記最大ｍ個のノードの内の１つ以上のソースノードの使用波長が設定されている、ＡＷＧと、前記ＡＷＧの出力合波ポートに接続されたｍ個の受信機１６と、前記ｍ個の受信機からの電気信号をスイッチングして、複数のサーバー１８にルーティングするＡＳＩＣスイッチ１７とを有するものとして実施できる。

上では光ネットワークの発明として説明したが、ネットワークノードの発明としての側面も持っている点に留意されたい。例えば、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部に接続されたノードであって、当該ノードは、前記コア部に接続された他の複数のノードとともに複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれており、前記最大ｍ個のノードの各々は、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定されるものとして実施できる。

再び図５に戻ると、受信ノード１３のインタフェース部１５は、従来技術の構成と同じく受信ＡＳＩＣスイッチ１７を備えている。しかしながら後述するように、そのスイッチング容量は、従来技術よりも大幅に減らされている。受信ノードにおけるインタフェース部の構成は、従来技術と比較して、受信機の数および受信ＡＳＩＣスイッチの容量の点で、大幅に簡素化されている。さらに詳細な受信ノードの動作および受信ＡＳＩＣスイッチの帯域幅の削減について述べる。
Ｂ．受信切り替えの簡素化
前述の１つのノードの最大発信帯域幅をＢ_ｏｕｔおよび１つのグループ内のノード数ｍを使えば、図５の本開示のノードが任意のタイムスロットで受信する最大ＢＷは、ｍ×Ｂ_ｏｕｔとなる。この最大ＢＷは、タイムスロットを使用しないで完全な非同期動作（例えばＯＰＳ）でデータを受信する場合のＢＷと比較して、約１／ｄに減少する。図５に示したように、受信ノードへの入力データは、所望のＴｏＲスイッチ１８へ切り替える必要がある。この切り替えに、受信ＡＳＩＣスイッチ１７が使用される。

図７は、本開示の光ネットワークにおける受信ノードのデータ受信動作を説明する図である。図７の（ａ）はタイムスロット構成を示しており、（ｂ）はＴＳ１においてデータ受信をしているときの切り替え動作を説明する図である。（ｂ）のインタフェース部１５のＡＳＩＣスイッチ１７は、ネットワークに面している入力側にｍ個のポートを、もう一方の出力側にＴｏＲスイッチ１８の数に相当するポート数をそれぞれ有している。ＴｏＲスイッチごとに複数のリンクを使用する場合は、その複数のリンクに応じたポート数が存在している。

図７の（ａ）のタイムスロット構成は、図５に示した全ノードを６つのグループに分割した場合の例を示しており、各グループに属するｍ個のノードは対応するタイムスロットのみで受信を行う。例えば、第１のグループに属する６つのソースノードからのデータは、（ｂ）に示したようにＴＳ１においてのみ各ＡＷＧの対応するポートで受信される。１つのグループ内に存在するノード数と同じ数のｍ個のＡＷＧ１４－１～１４－６において、ｍ個の異なるソースノードからのデータが受信される。したがって、特定のタイムスロットにおいては、ＡＳＩＣスイッチ１７のｍ個の入力ポートのそれぞれが、同一グループ内の異なるソースノードから受信したデータを取り込むことができる。すなわち、同一グループ内のｍ個の全ソースノードからの同時データ受信が可能である。

図７の（ｂ）に示したように、異なるグループのスイッチング処理を簡単にするために、ＡＳＩＣスイッチ１７の入力側の各ポートにＡＷＧが接続されており、同じグループのノードは、別々のＡＷＧに接続されている。割り当てられたタイムスロットの間、許可されたグループのノードだけがアクティブとなる一方で、他のグループのすべてのノードは、宛先ノードに送信を行わない。

例示のために、ＴＳ１においてアクティブなグループ（例えばＧ１）のすべてのノードによって、同じ波長λ１が使用されると仮定する。波長λ１の入力信号は、複数（ｍ個）のＡＷＧによってＡＳＩＣスイッチ１７に向かって、受動的にルーティングされることになる。すなわち、同一グループ内の異なるノードと、ｍ個のＡＷＧの対応する波長のポートとを接続することによって、ルーティングされている。次のＴＳ２において、次のアクティブなグループ（Ｇ２）のすべてのノードがλ２で送信しているとする。このときも、Ｇ２に属する各ノードからのλ２の入力信号は、複数（ｍ個）のＡＷＧによってＡＳＩＣスイッチ１７に向かって受動的にルーティングされる。

一般に、同じグループ内のノードが同じ波長で送信する必要はない。同じＡＷＧに接続された異なるグループのノードによって使用される複数の波長が、競合を生じないようにそれぞれ異なる波長に調整されれば良い。上述の説明の様に、同一のグループ内のすべてのノードで同一の波長を使用すれば、受信ノードにおけるＡＷＧの構成を共通化できる。

図８は、さらに異なるグループ構成のネットワークにおける受信切り替えの動作例を示す図である。図８では、全ノード数Ｎ＝５１２、グループ数（分割数）ｄ＝１６、グループ内のノード数ｍ＝３２の場合について、（ａ）Ｇ１からのＴＳ１における受信の例、（ｂ）Ｇ２からのＴＳ２における受信の例、（ｃ）Ｇ１６からのＴＳ１６における受信の例をそれぞれ示す。各図では、ＡＷＧの入力にノード番号（１～５１２）を示している。本例でも、同一のグループ内の３２個のノードは同一の波長を使用するものとして示したが、ＡＷＧ毎に波長が異なっていても良い。受信ノードにおいて３２個のＡＷＧ１４－１～１４－３２を使用することによって、同一のタイムスロットにおいて、同一のグループに属する３２個の異なるノードから、同時にデータを受信できる。この構成では、受信ノードのインタフェース部において３２個のＡＷＧに対応する３２個の受信機を備えれば良い。

図９は、本開示による例示的なネットワークおよびノードの仕様を示す。１６分割されたネットワークおよび対応する１６のタイムスロットによる構成のパラメータの例を示している。具体的には、１タイムスロットは、４００Ｇｂ／ｓパケットに対応する３０ｎｓおよびマージンの１０ｎｓを合わせて、４０ｎｓの長さとなる。１サイクルは、１６のタイムスロットに分割され、５１２個のネットワークノードは１６のグループに分割される。１グループ内のノード数は３２個である。各タイムスロットの宛先（受信）ノードは、許可されたグループによってのみアドレス指定される。同じソースノードは、同じ宛先ノードを１６タイムスロット毎にアドレス指定できる。
Ｃ．受信ＡＳＩＣスイッチのＢＷの削減
図５の説明でも言及したように、本開示の光ネットワークにおけるノードでは、従来技術と比べて、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を大幅に抑える構成とした。具体的には、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を、平均着信トラフィックに一致するか、または平均着信トラフィックをわずかに超える値に設定する。このスイッチング容量を超えるトラフィックを若干の遅延を伴って処理するために、受信ＡＳＩＣスイッチに関連付けられたメモリを備える。以下、図１０および図１１とともに、本開示のフラット光ネットワークのノードにおいて、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を従来技術のノードよりも削減しても、実質的に十分なトラフィックを扱えることを説明する。

発明者らは、ノード内のＡＳＩＣスイッチのスイッチング負荷を低減するために、受信ノードに入力されるトラフィック、言い換えると受信ノードの入力帯域幅ＢＷを、異なる要求を持つ２つのカテゴリに分類して検討した。２つのトラフィックのカテゴリは、（ａ）追加の遅延なしにリアルタイムでスイッチングする必要があるトラフィック、（ｂ）接続されたサーバーの処理能力を既に超えてしまっているために、受信ＡＳＩＣスイッチではリアルタイムですべてスイッチングする必要がないトラフィックである。（ａ）のトラフィックに対しては平均受信ＢＷが割り当てられ、（ｂ）のトラフィックに対しては最大受信ＢＷが割り当てられるものとする。以下では、受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量すなわち受信ＡＳＩＣスイッチの伝送帯域を、２つのカテゴリのトラフィックに対応する異なるＢＷにどのように配分できるかについて考える。

リアルタイム処理を要しない最大受信ＢＷの場合に、受信ノードの受信データを部分的に記憶するための記憶媒体（メモリ）を導入することは、受信データが失われたり、再送信したりする必要がないことを保証する。記憶媒体を導入する主な利点は、余分な追加遅延を導入する犠牲を受け入れる代わりに、受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量を減少させることができることである。

図１０は、受信ノードにおいて必要とされる受信帯域幅の異なる概念を説明する図である。図１０の（ａ）では、グループ数（ネットワークの分割数）ｄをパラメータ（ｄ＝８、１６、２４、３２）として、１つのノードが受信できる帯域幅Ｂ_ｏｕｔで正規化された受信ＢＷとネットワークのノード数Ｎの関係を示している。ここで受信ノードの帯域幅Ｂ_ｏｕｔは、図５で説明したソースノードの最大発信帯域幅と同一である。５１２のノードを１６のグループに分割したネットワークを例とすると、各受信ノードは、ノード自身で生成可能なＢＷの３２倍である正規化した最大ＢＷを収容するために、３２（＝５１２／１６）の受信機ユニットを備えるべきである。正規化した平均受信ＢＷを８と仮定すると、受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量は最大スイッチング負荷の場合と比較して８／３２だけ低減される。図１０の（ｂ）は上述の２つの受信帯域幅を説明する図であり、ＡＷＧの出力が接続されるインタフェース部のフロントでは、３２ノードからのすべての入力データを確実に同時に受信するために３２の受信機が必要なことを示している。一方で、インタフェース部内の受信ＡＳＩＣスイッチは、メモリを備えることで８ノード分の平均受信ＢＷを備えて、８ノード分のリアルタイムスイッチング処理をすれば良いことを示している。

平均受信ＢＷはノード毎に変動し得るが、限られた数の特定のノードを除いては、通常、最大受信ＢＷよりも平均受信ＢＷを大幅に低く設定することができる。これは、図２に示した本開示のＤＣネットワークで前提とするフラット光ネットワーク２におけるトラフィックの自然なバランスによるものである。そのバランスメカニズムは、フラット光ネットワークにおけるトラフィックの性質として、次のように説明できる。

図１１は、異なる平均接続数を持つ複数のノードの取り得る組み合わせを説明する図である。ここで、フラット光ネットワークにおいて前提となるトラフィックの性質について説明する。均一な接続性と１００%のトラフィック負荷を持つフラット光ネットワークでは、１つのノードあたりの平均受信接続数は１となる。この状態から、ノードが平均してより多くの接続を受信するようになると、平均受信接続数が１の状態から逸脱し始める。このときフラット光ネットワークでは、あるノードによって受信されていたトラフィックは新しいビジーなノードへ向けられることを意味している。より多くのノードがビジーになると、残りのノードの平均接続数は自然に減少する。

図１１ではこのアイデアを数値で解明するために、５１２ノードで、１００％トラフィック負荷のネットワークの例についてシミュレーションを行った。一般性を失わずに計算を単純化するために、ネットワークノードを３つのカテゴリに分類した。すなわち、（ａ）受信した接続の平均数がＱ（＞１）となるビジーノード、（ｂ）受信した接続の平均数が１となる非ビジーノード、（ｃ）データを受信していないノードの３つである。図１１の横軸には、カテゴリー（ｂ）のトラフィックを持つ非ビジーノードの割合を％で示している。縦軸には、上述のカテゴリー（ａ）のトラフィックに対応し、１より大きい平均接続数Ｑを持つビジーノードの最大割合を％で示している。したがって図１１のグラフは、カテゴリー（ａ）のビジーノードの平均接続数Ｑの値をパラメータとして、１００％トラフィック負荷の条件を満たすカテゴリー（ｂ）のノード割合とカテゴリー（ａ）のノード割合の関係を示していることになる。

図１１に示したように、ビジーノードの平均接続数Ｑの値が２、４、６、８と大きくなると、そのような平均接続数Ｑを持つカテゴリー（ａ）のビジーノードの最大割合は大幅に減少する。具体的にＡで示した点では、接続数１のカテゴリー（ｂ）の非ビジーノードの割合が１０％、データを受信しておらず接続数０カテゴリー（ｃ）のノードの割合が７９％という極端な条件下であっても、最大１１％のノードが８の平均接続数Ｑを持ち得ることがわかる。このＡ点では、大多数のノード（７９％）でデータを受信しておらず、残りのノードは、少数（１０％）の非ビジーノード（Ｑ＝１）と、少数（１１％）の平均接続数Ｑ＝８のトラフィックが集中したノードであるようなノード分布状態で、１００％トラフィック負荷のネットワークが成立している。この例では、受信ＡＳＩＣスイッチの最大受信スイッチング容量の観点からは、平均着信トラフィック程度の、わずかな容量しか持たない受信ＡＳＩＣスイッチでも十分に使用できることが強く示されている。図１１のシミュレーションは、５１２ノードを１６グループに分割したネットワークにおいて、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を、平均受信トラフィックに対応する正規化平均受信ＢＷを８に設定しておけば、十分にトラフィックを処理できることを示している。

図１０の（ｂ）に示したように、本開示の光ネットワークにおける受信ノードでは、異なるソースノードからの受信データを受動的にルーティングする複数のＡＷＧ１４およびインタフェース部１５を備える。インタフェース部１５のフロントには受信機および受信ＡＳＩＣスイッチ１７を備え、さらに受信ＡＳＩＣスイッチ１７と連動する記憶手段（メモリ）１９を備える。受信ＡＳＩＣスイッチ１７の容量を、平均受信トラフィックに一致するか、または平均受信トラフィックをわずかに超えるものとし、記憶手段１９を利用して、このスイッチング容量を超えるトラフィックをわずかの遅延を伴って処理できる。
Ｄ．タイムクロッキングと同期メカニズム
図５～図８に示した本開示の光ネットワークでは、ノード間のデータ伝送はタイムスロットを用い実施されるため時間的に連続して行われず、通常はバーストモード伝送となる。受信（着信）データを正しく受信するには、このデータの生成に使用されるクロック信号も受信（宛先）ノードに存在している必要がある。入力データからデータクロック回復を実行するためにいくつかの技術が考案されており、例えば、バースト信号を受信し始める際に、ＣＤＲ（Clock Data Recovery）回路に必要なブリアンブルが知られている。このようなデータクロック回復の技術は、受信のスループットに影響を与える。

別のアプローチは、マスタークロック信号を生成し、すべてのネットワークノードに分配することである。このアプローチにより、受信およびスイッチングをサブナノ秒精度で行うことは、数１０ｋｍ離れて配置されたネットワークノードについて既に実証されている（非特許文献１を参照）。

図１２は、本開示の光ネットワークで使用できる光クロックを生成・配分する構成を示す図である。図１２の（ａ）はデータセンター施設内で使用できる光クロック生成・配分システムの構成を示し、（ｂ）はクロックの同期動作を説明している。図１２の（ａ）に示したように、多数の同期した波長からなる周波数コムの出力３０は、マスタークロック信号によって変調される。ＡＷＧ３１を使用して、その変調出力を、別個の変調された光信号に空間的に分離する。ＡＷＧ３１で分離された信号は、１つ以上のネットワークノード（ノード１～ノード1000）に必要なクロックソースを提供するために使用される。

図１２の（ｂ）に示したように、同じタイムスロットであっても、開始タイミングは異なるノード間でわずかに変化してしまう。特定のネットワークノードに着信するデータが、割り当てられたタイムスロットに正しく収まるようにするには、ある程度の同期が必要となる。同じクロックがすべてのノード間で共有される場合、一般に、１つのノードから別のノードへの何らかの位相不整合が存在し得る。

位相キャッシング技術が、ネットワークの大規模で非現実的な同期を要求することなく、任意の２つのノード間の位相不整合を別々に補正するために使用できる。ソースノードが宛先ノードに実際のデータを送信する前に、まず、２つのノード間で位相調整を行い、送信されたデータを所望のタイムスロットに適合させる。その後、位相調整を行うために使用された値は保存すなわちキャッシュされ、この対のノード間で伝送が行われるたびに使用される。実際のＤＣネットワーク環境においては、数時間も追加位相補正が不要な位相キャッシング技術が実験的に実証されている（非特許文献２）。位相キャッシング技術は、任意のノード対間の光経路が決定論的であること、すなわち、任意のノード対間で確率的に決定されるような複数の経路を持たないことを要求する。上述の本開示の光ネットワークの構造は、この条件を満足している。

したがって、本開示の光ネットワークのノードは、データの送受信に先立って、２つのノードにおいて前記タイムスロットの位相調整のための調整値を求め、当該調整値を保持することで、前記関連付けられたタイムスロットに受信タイミングを適合させる位相キャッシング部を備えることができる。
[ネットワークノード間の実効帯域幅の増加]
これまで説明したように、本開示の光ネットワークは、受信ノードにおけるデータ受信に制限を加えるため、ソースノードから同じ宛先ノードへの伝送に対してタイムスロット方式によって動作している。したがって、ソースノードは、同じ宛先ノードを再びアドレス指定できるようになるまでに、一周分の受信サイクルが経過するまで待たなければならない。データ受信の制限によって、実質的な伝送レートが低下することになり、ノード対間のデータ伝送の実効ＢＷが劣化することになる。

図１３は、ネットワークの分割による任意のノード対間の実効ＢＷの劣化を説明する図である。横軸にはネットワークの分割数（グループ数）ｄを、縦軸には受信ノードにおける最大発信ＢＷのＢ_ｏｕｔで正規化した受信ＢＷを示す。図１３に示すように、ネットワーク分割数ｄの増加とともに受信ＢＷは低下し、例えば、分割数ｄが８から３２に増加すると１２．５％から３．１２％に低下する。このような実効ＢＷの低下を補うようなメカニズムが必要となる。以下、実効ＢＷの低下の問題を解決する２つの異なる解決法を提示する。

第１の解決法は、ソースノードが１つ以上のタイムスロットにおいて所望の宛先ノードに到達することを可能にするものである。例えば図８の各図に示したように、あるソースノードからのデータは、ソースノードの属するグループに割り当てられた１つのタイムスロットでしか受信できなかったものを、他のタイムスロットにおいても受信できるようにする。第１の解決法の仕組みは、送信側のノードすなわちソースノードに新しい構成を加えることで実施できるものである点に留意されたい。

図１４は、割り当てタイムスロット以外でデータ受信する基本的な仕組みを説明する図である。図１４の（ａ）は、これまで説明してきた本開示の光ネットワークにおける基本的な受信動作を説明している。（ａ）のＴＳ１～ＴＳ３のそれぞれの説明図において、左側に示したソースノードＮ_ｉがアドレス指定できる宛先ノードを、右側に示している。２つのノード間のボックス４１は、２つのノード間の経路を概念的に示している。これまで説明したように、タイムスロット１（ＴＳ１）では、ソースノードＮ_ｉは接続矢印で表示された特定のノードのみをアドレス指定することができ、次のＴＳ２、ＴＳ３では、アドレス指定可能なノードがＮ_ｊ、Ｎ_ｊ＋１、Ｎ_ｊ＋２と変化してゆく。データの送受信方向を逆にして考えれば、３つの受信ノードＮ_ｊ、Ｎ_ｊ＋１、Ｎ_ｊ＋２は異なるＴＳでデータ受信をしているので、異なるグループに属していることが理解できるだろう。

図１４の（ｂ）は、提案する第１の解決法を実現するソースノードの構成を示しており、複数のソースノード間で使用タイムスロットを調整する小規模の追加スイッチング部４２を付加している。追加スイッチング部４２によって、タイムスロットＴＳ１において、異なるネットワークグループに属する隣接するソースノードＮ_ｉ～Ｎ_ｉ+２は、異なるノードＮ_ｊ～Ｎ_ｊ+２をアドレス指定することができる。

図１５は、実効ＢＷの低下を補うソースノードにおける追加スイッチについて説明する図である。図１５におけるネットワーク４０において、各々が６つのノードを含む４つのグループ（Ｇ１～Ｇ４）が示されている。異なるグループに属する３つのノードＮ_ｉ４３、ノードＮ_ｉ＋１４４、ノードＮ_ｉ＋２４５を考える。３つのノード４３、４４、４５は、異なるタームスロットを共有するローカルグループ４６を構成し、データセンター内で物理的に隣接して配置されている必要がある。これら３つのノードは異なるグループに属しており、上述の追加スイッチング部４２が、これら３つのノードの間で、各ノードからのデータが使用するタイムスロットを空間的および時間的に調整することができる。このようにしてノードＮ_ｉ４３、ノードＮ_ｉ＋１４４、ノードＮ_ｉ＋２４５からの送信データのタイムスロットをコーディネートする小規模のスイッチング部４２を付加することにより、専用タイムスロットの間だけでなく、３つの異なるタイムスロットで、３つのソースノードのいずれも、受信ノードＮ_ｊ～Ｎ_ｊ+２に到達できるようになる。

したがって、本開示の光ネットワークは、前記複数のノードの内で、お互いに異なる前記グループに属する複数のソースノード４３、４４、４５の各々が、当該ソースノードに関連付けられたタイムスロットとは異なるタイムスロットを使用できるように調整する追加のスイッチング部４２を有し、前記関連付けられたタイムスロットおよび前記異なるタイムスロットを使用して、受信ノードへデータを送信するものとして実施できる。

図１５のソースノードのローカルグループ４６は、３つの異なるグループからのノード間でタイムスロットを共有しているが、これに限られずに２つのグループ間で共有しても、４以上のグループ間で共有しても良い。追加スイッチング部４２の構成と制御を複雑化させない範囲で、タイムスロットを共有するグループの数は限定されない。所属するグループの異なっている隣接する複数のソースノード間だけの共有に限定されるものの、タイムスロットを２つ使用できれば、図１３で示した実効ＢＷを単純に２倍にできる。異なるソースノード間で追加スイッチング部４２を備えることは、異なるノード間で送信ＡＳＩＣスイッチを一部共有していることに他ならない。すなわち、上述の追加スイッチング部４２を備えるのと同じアプローチに従って、２つの隣接するソースノード間で、一方のノードで余剰となったスイッチング容量を他方のノードに追加する場合について、より詳細に考察する。

図１６は、２つのソースノードにおける送信ＢＷの共有を説明する図である。図１６の（ａ）は後述するように、送信ＡＳＩＣスイッチの共有によるノード－ノード間の実効ＢＷの改善効果を説明する図である。図１６の（ｂ）は、ソースノードにおける送信ＳＣＩＣスイッチのＢＷ共有の概念図である。従来技術の共有なしの独立したノードの場合、ソースノードからデータ送信をする際は、送信ＡＳＩＣスイッチを使用して、対象ノードにのみ接続されているＴｏＲからのトラフィックを処理する。この送信ＡＳＩＣスイッチを送信機スイッチと呼ぶ。図１６の（ｂ）に示したように、２つのソースノード５１、５２の間で、一方の送信ＡＳＩＣスイッチ５３で余剰しているスイッチをもう一方のノード５２の送信ＡＳＩＣスイッチ５４と共有することができる。このスイッチングリソースの共有は、「ＢＷ共有」というラベルの付いた双方向の矢印で示されている。

図１６の（ａ）は、２つのソースノード間での送信ＡＳＩＣスイッチの共用の割合をパラメータとして、横軸にネットワークの分割数(グループ数)を、縦軸に最大発信ＢＷのＢ_ｏｕｔで正規化した送信ＢＷ（ＢＷ_Node _to _Node）を示している。共有レベルを０から１．０まで変えることで、実効的な送信ＢＷを改善することができる。完全な共有の場合は、実効送信ＢＷを２倍にできる。以上に述べた追加スイッチング部によるタイムスロットの共有も含めて、送信ＡＳＩＣスイッチのＢＷを共有する第１の解決法は、ＡＳＩＣチップのスイッチング容量を増加させることが必要となり、より多くの電力消費を伴うことになる。この消費電力の増加に対する対処については、後述する。

実効ＢＷの低下に対する第２の解決法は、任意のノード対間に光回線（Optical Circuit）を設定して、実効ＢＷを高める方法である。以下説明するように、第２の解決法において回線を設定するために集中制御を行う部分は必要なく、光ネットワークを介して、制御信号となるシグナリングメッセージをノード間で直接交換することができる。

図１７は、タイムスロットによる伝送を中断させること無しに、並行して設定された回線でトラフィックを処理する仕組みを説明する図である。図１７の受信ノード６０は、図５で示した本開示の光ネットワークにおける受信ノードの構成において、１つのＡＷＧ６３に沿った経路のみを示している。図１７のソースノード６０は、ソースノード側から、受信機および受信ＡＳＩＣスイッチを含むインタフェース部６１に向けて、１つのノードグループ内に属するノードと同じ数ｍの図示しない複数のＡＷＧが存在している。以下説明する、並行した回線設定のための構成がそれぞれのＡＷＧに付随している。

主ＡＷＧ６３からインタフェース部６１、複数のＴｏＲ６２までを含む図１７の受信ノード６０は、図５、図７および図１０などで示した受信ノードの基本構成と同じである。ノード対間の実効ＢＷを改善する受信ノード６０では、主ＡＷＧ６３へ入力する光伝送路の各々に、光伝送路から補助ＡＷＧ６５へトラフィックをバイパスする光結合手段６４を有している。光結合手段６４は、これに限定されないが光共振器構造とすることができ、例えばリング型光共振器、１×２光スイッチなどを利用できる。光結合手段６４は、主ＡＷＧ６３から補助ＡＷＧ６５へのトラフィックをバイパスするための回線を設定する時にオンとなる。

図１７の受信ノード６０では、主ＡＷＧ６３を経由してこれまで説明した割り当てられたタイムスロットの期間中だけにデータ受信を行うのに加え、未使用タイムスロットの期間中に、補助ＡＷＧ６５を経由して回線交換に準じて設定され回線を介して新たなデータ受信を行う。主ＡＷＧ６３とインタフェース部６１までのデータ伝送は、通常データ６６で示しており、回線交換に準じた新しい回線によるデータ伝送は、回線交換データ６７で示している。

図１７の受信ノード６０において、回線交換に準じた新しい回線によるデータ伝送は、ソースノードに割り当てられたタイムスロットを超えた時間で行われる。例えば、主ＡＷＧ６３の第１入力ポートでタイムスロット１においてソースノードからデータ受信が許可されているとする。この場合、補助ＡＷＧ６５の対応する入力ポートを経由して、タイムスロット１を除いた他のタイムスロットの期間において、同じソースノードから準回線交換データ６７を受信できる。図１７の受信ノード６０の構成によれば、設定された回線で既に実行中のあるソースノードからのデータによる干渉を受けることなく、他のソースノードからの通常データ６６をそれぞれの割り当てられたタイムスロットで受信することを可能とする。割り当てられた特定のタイムスロットに制限したデータ伝送と、回線交換に準じたデータ伝送の仕組みを並行して備えることで、柔軟な光ネットワーク構成が実現できる。光ネットワークにおいて使用する波長リソースに対して、波長毎に用途を決めたり、ネットワークの混雑状況に応じて、回線交換に準じたデータ受信のための回線を設定したりできる。

したがって本開示の光ネットワークは、前記ｍ個のＡＷＧ６３の前記入力ポートへの光伝送路から、光信号の一部を光結合する手段６４と、同一の前記グループに属する前記最大ｍ個のノードからの対応する光回線交換に準じた光信号６７を、前記光結合する手段を介して受信する複数の入力ポートを有する補助ＡＷＧ６５を備え、前記最大ｍ個のノードの各々の関連付けられたタイムスロットを除いた期間に、前記光結合する手段を動作させ、前記光回線交換に準じた前記光信号６５を前記ＡＳＩＣスイッチ６１に供給するものとしても実施できる。

図１８は、回線交換に準じたデータ伝送を併せて備えた場合のノード構成および実効ＢＷの向上を説明する図である。図１８（ａ）は、ネットワーク分割数とノード対間の実効ＢＷの向上を、追加する回線の数をパラメータとして示している。図１７で説明をしたように、ノード対間を接続する１つのリンクをいくつかの波長チャネルで構成すると仮定する。例えば回線交換に準じた回線のために８つの波長を使用できる場合、より多くの波長チャネルを追加していくことにより回線の粒度を調整できる。図１８の（ａ）に示したように、設定される光回線のために予約されていない残りの波長チャネルを使用して、他の宛先ノードをアドレス指定できる。８つの波長を利用できる場合には、図１７の受信ノード構成で利用する波長の数を１つずつ増やすことで、１／８すなわち１２．５％の粒度で回線による実効ＢＷを調整できる。異なる粒度レベルの光回線によって、実効ＢＷの相対的な向上も示されている。

図１８の（ｂ）は、２次元ネットワークの１つの節点において、トラフィックを様々な伝送方式によって伝送できることを示している。例えば図１８の（ｂ）において、１つの節点からネットワークに対して、図面左向きの伝送路においては同時送信が可能なパケット（ＯＰＳ）を伝送可能とする。一方で、図面右向きの伝送路においては、本開示の光ネットワークのようにパケットの同時送信を禁じ、特定の割り当てられたタイムスロットのみで伝送可能なように構成できる。さらに右向きの伝送路の一部の伝送路（リンク）においては、図１７に示したような回線交換に準じた回線を設定して、割り当てられたタイムスロット以外の時間で伝送可能とする。図１８の（ｂ）に示したように、本開示の光ネットワークおよびノード構成によって、柔軟なデータ伝送が可能となる。
[ＡＳＩＣスイッチにおける消費電力の削減]
フラット光ネットワークにおけるトラフィック受信の自然なバランスに関する上述の議論に続いて、個々のＡＳＩＣスイッチの消費電力を適応的に調整することで、以下のようにネットワーク全体の消費電力も削減できる。受信ノードへの入力データの平均ＢＷは時間によって変化するので、受信ＡＳＩＣスイッチは常に同じスイッチング容量で動作する必要はない。ＡＳＩＣスイッチの容量は、一般的な需要の増減に対応するために随時調整される必要がある。ＡＳＩＣスイッチは、低ＢＷの状態を扱うことができるよう、その構成を設定できる（Configurable）ので、物理的に動作電力消費を低減が可能となる。

図１９は、ネットワーク全体のスイッチング電力の削減の例を説明する図である。図１９の（ａ）は、様々な平均接続数を持つノードの組み合わせＡ１～Ａ４、Ｂ１～Ｂ４、Ｃ１～Ｃ４のノード数分布を示している。図１９の（ｂ）は、上述のノード数分布の組み合わせについて、ネットワーク全体でのＡＳＩＣスイッチ消費電力の削減量を示している。

図２０は、図１９に示したＡ１～Ａ４、Ｂ１～Ｂ４、Ｃ１～Ｃ４のノード分布における接続数およびそれらの組み合わせ条件を示した。いずれの条件も、ネットワーク全体では１００％の負荷を持つものであって、平均接続数の組み合わせが異なるものである。様々な負荷分布のネットワーク状態を想定したものである。Ａ１～Ａ４、Ｂ１～Ｂ４、Ｃ１～Ｃ４の各ノード数分布では、完全に異なる平均接続数を持つビジーノードおよび非ビジーノードの割合が大きく異なっていることがわかる。

図１９の（ｂ）は、個々のノードの各受信ＡＳＩＣスイッチの消費電力を－２０％および－４０％にそれぞれ設定した場合の、ネットワーク全体での消費電力の削減量を示している。例えば消費電力を－２０％とした場合、Ａ１の平均接続数およびノード数分布であれば、ネットワーク全体でも１９％近くの削減量を確認できる。Ａ４の接続数およびノード数分布でも１５％程度の削減量が可能であり、ビジーノードおよび非ビジーノードの分布の大きな変動の下でも、ネットワーク全体でかなりの省電力が達成可能である。従って、オンデマンドでリアルタイムに受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量を変更することにより、複数の段階（レベル）を持つ省電力モードでスイッチを動作させることができる。これは、ネットワーク全体の電力消費を低減するための適切な手段となり得る。

上述の説明のように本開示の光ネットワークでは、ノードにおける受信ＡＳＩＣスイッチと送信ＡＳＩＣスイッチに対して、それぞれ別のアプローチでＡＳＩＣスイッチの課題に対処している。ノードのインタフェース部における電気スイッチを双方向動作のものとせずに、データ送信および受信の特性に応じた別個の構成としている点でも、従来技術のすべてのトラフィックを処理すると電気スイッチの動作と異なっている。

以上、詳細に述べてきたように、本開示の光ネットワークにより、ＤＣネットワークの周辺部におけるノードの構成を簡略化し、消費電力を減らすことができる。ＡＳＩＣスイッチの抱えていた問題を解決または少なくとも軽減し、光ネットワークの大規模化、低消費電力化にも対応できる。

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。

１、１０、４０、１００ＤＣネットワーク
２フラット光ネットワーク
３、１０１、１０３スイッチ
４、１８、６２、１０５、１４５ＴｏＲ
５、１０６サーバー
１１、４３～４５、５１、５２ソースノード
１３、６０、１４１受信ノード
１４、１４－１～１４－３２、３１、６３、６５ＡＷＧ
１５、６１、１４４インタフェース部
１６受信機
１７受信ＡＳＩＣスイッチ
１９メモリ
３０周波数コムソース
４２スイッチング部
５３、５４送信ＡＳＩＣスイッチ
６４光結合手段
１０２、１０４、１０７、１０８光リンク

Claims

フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、
前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードと
を備え、
前記複数のノードの各々は、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定されることを特徴とする光ネットワーク。
前記複数のノードの各々は、
ｍ個のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、当該ＡＷＧの複数の入力ポートは同一のグループに属する前記最大ｍ個のノードから対応する光信号を受信し、前記複数の入力ポートの動作波長に適合するように、前記最大ｍ個のノードの内の１つ以上のソースノードの使用波長が設定されている、ＡＷＧと、
前記ＡＷＧの出力合波ポートに接続されたｍ個の受信機と、
前記ｍ個の受信機からの電気信号をスイッチングして、複数のサーバーにルーティングするＡＳＩＣスイッチと
を有することを特徴とする請求項１の光ネットワーク。
前記ＡＳＩＣスイッチは、
前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有し、
前記スイッチング容量を超えるトラフィックを記憶して処理する記憶媒体を備えていることを特徴とする請求項２に記載の光ネットワーク。
前記複数のノードの各々へ、マスタークロックによって変調された光コムを分配して得られる同期用信号を供給する同期手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２または３の光ネットワーク。
前記複数のノードの内のソースノードおよび受信ノードは、
データの送受信に先立って、それぞれ、前記タイムスロットの位相調整のための調整値を求め、当該調整値を保持することで、前記関連付けられたタイムスロットに
受信タイミングを適合させることを特徴とする請求項４の光ネットワーク。
前記複数のノードの内で、
お互いに異なる前記グループに属する複数のソースノードの各々が、当該ソースノードに関連付けられたタイムスロットとは異なるタイムスロットを使用できるように調整する追加のスイッチング部を有し、
前記関連付けられたタイムスロットおよび前記異なるタイムスロットを使用して、受信ノードへデータを送信することを特徴とする請求項２乃至５いずれかの光ネットワーク。
前記ｍ個のＡＷＧの前記入力ポートへの光伝送路から、光信号の一部を光結合する手段と、
同一の前記グループに属する前記最大ｍ個のノードからの対応する光回線交換に準じた光信号を、前記光結合する手段を介して受信する複数の入力ポートを有する補助ＡＷＧを備え、
前記最大ｍ個のノードの各々の関連付けられたタイムスロットを除いた期間に、前記光結合する手段を動作させ、前記光回線交換に準じた前記光信号を前記ＡＳＩＣスイッチに供給することを特徴とする請求項２乃至５いずれかの光ネットワーク。
前記ＡＳＩＣスイッチは、リアルタイムにスイッチング容量をオンデマンドで構成されることを特徴とする請求項２乃至７いずれかの光ネットワーク。
前記光コア部は、物理的フルメッシュネットワーク、または、電気－光－電気変換を伴わない物理的フルメッシュ様ネットワークであることを特徴とする請求項１乃至８いずれかの光ネットワーク。