OTDM と TDM-PON が魅力的な理由

過去数十年にわたり、帯域幅と高速化の需要が高まるにつれて、光通信技術は急速に成長し、優れたパフォーマンスを実現してきました。しかし、ファイバの減衰、分散、非線形性のため、従来の光ファイバ通信システムの達成可能な伝送容量は依然として限られています。現在、光ファイバの伝送容量を増やすことができる技術は、波長分割多重（WDM）と光時分割多重（OTDM）です。しかし、WDMには、ファイバの非線形性が現れたり、増幅器の利得スペクトルが不均一になったりするなど、いくつかの欠点があります。OTDMは、はるかに魅力的な機能に基づいて、WDMのこれらの欠点を克服できます。これは長期的なネットワーク技術と見なされており、絶えず発展しています。本日、Fiber-Martのブログでは、OTDMの基礎知識とWDMとの違いについてご紹介します。さらに、TDM-PONとWDM-PONの違い、そしてWDM/TDM-PONについてもご紹介します。

OTDM（光時分割多重）は、時間領域で異なるビットスロットに信号を多重化するチャネル多重化技術です。言い換えれば、それぞれが固定かつ事前定義されたビットレートを持つ低ビットレートのストリームのセットを、単一のチャネルで伝送できる単一の高速ビットストリームに結合できます。WDMとは対照的に、OTDMは1つの波長、つまり直感的に言えば光ファイバー内の光の「色」のみを使用します。OTDMはユーザーに全チャネル容量を提供しますが、チャネルの使用をタイムスロットに分割します。これらの退屈な説明だけでは、まだOTDMについて混乱しているかもしれません。OTDMを直感的に理解するのに役立つ簡単な例を以下に示します。ロサンゼルスからニューヨークへ192 kbit/sで伝送できるチャネルがあるとします。そして、ロサンゼルスに3つのソースがあります。つまり、それぞれがニューヨークの個々のユーザーに64 kbit/sのデータを送信したいと考えています。図1に示すように、高ビットレートチャネルは一連のタイムスロットに分割され、3つの送信元がこれらのタイムスロットを交互に使用できます。これにより、3つの送信元は、単一の共有チャネルを介してすべてのデータを送信できます。当然のことながら、チャネルの反対側（この場合はニューヨーク）では、このプロセスを逆に行う必要があります。システムは、192 kbit/秒の多重化データストリームを元の3つの64 kbit/秒データストリームに分割し、それらを3つの異なるユーザーに提供する必要があります。この逆のプロセスは、多重分離と呼ばれます。OTDMは、光領域におけるこれらの利点を最大限に活用し、高速信号処理の開発に加えて、フォトニックネットワークの構築においても重要な技術となっています。

OTDMの動作原理

OTDMの基本的な動作原理は、その定義通り、複数の低ビットレート光チャネルを時間領域で多重化することです。OTDMシステム全体は、送信ブロック、伝送システム、受信ブロックという3つの大きなブロックで表すことができます。送信ブロックは、レーザー光源、変調器、チャネル調整システム、およびマルチプレクサで構成されています。伝送システムは、光増幅器と伝送ファイバーで構成されています。受信ブロックは、同期/タイミング抽出回路とチャネル多重分離回路で構成されています。

時分割多重化によるチャネル割り当ては、基本電気データレートと光パルス幅に依存します。電気クロックが固定の場合、クロック周期内により多くのチャネルを多重化するには、光パルス幅を短くする必要があります。さらに、パルス幅を短くするとビットスロットに余裕ができるため、チャネル間のクロストークを低減できます。しかし、短い光パルスは、伝送距離が長くなるにつれて大きな分散ペナルティを受けます。しかし、変換制限パルスと分散スロープ補償技術を用いることで、OTDMにおける分散の影響を軽減できます。

さらに、伝送速度が増加すると、固定クロック周期に多重化されるチャネルが増えるため、チャネルアライメントの正確な制御も重要になります。クロストークと分散のため、アライメントがずれると、OTDMシステムのパフォーマンスに影響する可能性があります。電気光学スイッチング技術または全光スイッチング技術は、受信側で多重分離を実現できます。電気光学技術は、40Gb/s未満の伝送速度に最適です。電気駆動電力の制約により、40Gb/sを超える速度を実現するのはより困難です。全光スイッチングは、光ファイバの3次非線形効果に基づいています。非線形応答がfs範囲であるため、超高速伝送に非常に適しています。また、個々のチャネルまたは複数のチャネルの追加/削除も可能であり、これはネットワーク運用にとって優れた機能です。ただし、全光スイッチは非常に大きく、製造コストも高くなります。多重分離を成功させるには、正確なタイミング抽出が必要です。抽出回路からのタイミング ジッタは、OTDM システムのビット エラー レート (BER) パフォーマンスに直接影響を与える可能性があります。

OTDMの魅力的な特徴

増大する情報伝送需要を満たすため、全光ネットワークは将来のネットワークのトレンドとなるでしょう。OTDMには、将来の全光ネットワーク技術として魅力的な特徴がいくつかあります。

OTDMとWDM

下の図（図2）をご覧ください。この図をざっと見てみると、OTDMはWDMに似ていることに気づくかもしれません。OTDMとWDMにはどちらも多くのチャネルがあるためです。実際には、それらは同じではありません。OTDMの場合、単一のファイバーには波長が1つしかなく、1つの帯域幅とも呼ばれます。チャネルは時間領域に従って分割されるため、タイムスロットと呼ばれます。信号は異なるビットスロットに多重化されます。一方、WDMでは、チャネルは波長と呼ばれ、単一のファイバーに複数の波長があります。図3を見ると、OTDM伝送とWDM伝送のこれらの違いが明らかになります。OTDMでは、信号波長（赤色）がプロセス全体を通して伝送されますが、WDMでは複数の波長（複数の色）があり、各波長が個別のチャネルに分割されます。

図2. OTDMとWDM軸

図3. OTDMとWDMの動作原理

T DM-PONとWDM-PON

OTDM技術とWDM技術はどちらもパッシブ光ネットワーク（PON）で使用されており、それぞれTDM-PONとWDM-PONと呼ばれます。TDM-PON（図4）は、1xNスプリッタを介して光パワーを分割します。この場合、Nは比較的小さく、加入者数も小さく、各エンドユーザへの配信可能なデータレートも小さいです。対照的に、比較的チャネル数の少ないWDM-PONは、チャネルと同じ数の光ネットワークユニット（ONU）にトラフィックを配信しますが、各ONUへのデータレートは高くなります。メディアはすべてのエンドユーザによって共有されるため、利用可能な帯域幅とネットワークリソースはWDM-PONよりもTDM-PONの方が有効に活用され、TDM-PONの方が効率的です。他の側面では、TDM-PONは固定数の十分に同期されたタイムスロットに基づいています。したがって、TDM-PONは簡単には拡張できません。逆に、WDM-PONはグリッドで使用可能な波長数によってのみ制限されます。

TDM-PONはブロードキャストの性質上、悪意のある人物が他のONUのタイムスロットを「盗聴」することが可能です。そのため、TDM-PONのセキュリティは低くなります。WDM-PONはデータをブロードキャストしないため、その点ではTDM-PONよりも優れています。しかし、盗聴者はONUへの不正アクセスやONUの入出力の盗聴によって、個々のONUからデータを抜き取ることも可能です。全体として、セキュリティはデータの暗号化と光ファイバーリンクのセキュリティ確保によって真剣に検討する必要がある問題です。

結論として、TDM-PONとWDM-PONは互いに補完し合う形で長所と短所を持ちます。前者の長所は後者の短所であり、逆もまた同様です。結果として、TDMとWDMの技術をPONに統合すること、すなわちWDM/TDM-PONは、複数のユーザーが1つのWDM波長の容量を共有できるため、非常に価値があります。一部の例外を除き、1波長の容量は個々のユーザーのトラフィック容量ニーズを超えます。WDM/TDM-PONには、次のようないくつかの特徴があります。

図4. TDM-PON

結論

WDM 技術は、現在大容量伝送用の成熟した実用的な光伝送技術であるため、今日のネットワークで広く使用されています。 透明性、再構成可能、ネットワークの存続可能性などの利点により、WDM は光波長スイッチングと波長ルーティングに基づく柔軟な光ネットワークの方向に開発されます。 より高速なネットワーク回復と容量の再構築の機能により、WDM は将来の光トランスポート ネットワークの主な方向になります。 ただし、WDM には避けられない制限がいくつかあります。 そのため、光伝送には、はるかに魅力的な機能から OTDM と呼ばれる TDM 技術が必要です。 OTDM は光多重化の非常に効果的な方法です。 スペクトル リソースを最大限に活用し、WDM システムにおける非線形効果の制限の一部を取り除くことができます。 ただし、近年 OTDM の研究は大きく進歩しましたが、いくつかの重要な技術がまだ解決されていないため、十分に成熟していません。実際、研究が進むにつれて、WDM 技術と OTDM 技術が相互に補完し合い、将来の超高速伝送ネットワークで広く利用されるようになると考えています。