JP2011166392A - 光スイッチ装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチキャスト送信を実現する。
【解決手段】２×２光スイッチがトーナメント状に多段接続されている。各光スイッチは、印加される制御信号に応じて、光スイッチ状態（バー状態、クロス状態）と分配スイッチ（３dBカップラ）状態のいずれかの状態となる。選択された光スイッチを分配スイッチ状態とすることにより、入力信号を同時に複数の機器に出力するマルチキャスト送信を行うことができる。このとき、出力に至る経路中に存在する分配スイッチの数を制限することにより、所要の伝送品質を保つことができる。制限数以上の分配スイッチを通過することが必要な場合には、送信対象を分割し、複数回に分けて送信する。マルチキャスト送信に使用していない光スイッチを用いて同時にシングルキャスト送信を行うこともできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光スイッチがカスケード接続されて構成された光スイッチ装置及びその制御方法に関する。

従来より、ＰＯＮ（Passive Optical Network）と呼ばれる光アクセスネットワークが用いられている。
図１３は、ＰＯＮの構成を示す図である。
この図に示すように、ＰＯＮは、ＯＬＴ（Optical Line Terminal：局端末装置）１０１、光スプリッタ（光分岐装置）１０２、及び、複数のＯＮＵ（Optical Network Unit：終端装置）１０３、１０４、１０５から構成されている。
ＯＬＴ１０１からの光信号は、光スプリッタ１０２で分岐されて全てのＯＮＵ１０３、１０４、１０５に対して送信される。各ＯＮＵ１０３、１０４、１０５では、受信した光信号から自分宛のデータを受信し、自分宛以外のデータは廃棄する。
このように、ＰＯＮでは、光スプリッタ１０２を用いて全ユーザにデータをブロードキャストする方式であるため、分岐後の光パワーが減少し、最大分岐ユーザ数が３２に、最大距離が２０kmに制限されている。

図１４は、前記光スプリッタ１０２の構成例を示す図である。
この図に示すように、１：３２の分岐を行う光スプリッタ１０２は、３dBカップラを５段にカスケード接続することで実現される。この場合、log₂32＝５で、−３dB×５＝−１５dBのロスとなる。

また、複数の光スイッチをカスケード接続した光スイッチも提案されている（特許文献１）。このような光スイッチを用いる場合には、一人のユーザに対して入力信号を送信するシングルキャスト（ユニキャスト）送信が行われる。
なお、高速な光スイッチとして、ＰＬＺＴ（鉛（Pb）、ランタン（La）、ジルコニウム（Zr）、チタン（Ti）の酸化化合物）を用いた光スイッチが知られている（例えば、特許文献２など）。

特開２００４−１７７５１５号公報 特開２０００−３０５１１７号公報

上述のように、ＰＯＮはブロードキャストをベースとしているため、同時に全ユーザに信号を配信し、ユーザ側で信号を選択する方式であり、各ユーザ間のセキュリティ問題と、−３×log₂（ユーザ数）dBのロスが発生するため、大規模化に向かないという問題があった。
また、全ユーザが同一の番組を見ることはまれであり、ブロードキャストよりも複数のマルチキャストの方が利便性も高い。

そこで、本発明は、ブロードキャストベースではないマルチキャスト送信を実現することができる光スイッチ装置及びその制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の光スイッチ装置は、２×２の光スイッチをトーナメント状に多段接続した光スイッチ装置であって、前記２×２の光スイッチは、印加される制御信号に応じて、クロス状態、バー状態及び分配スイッチ状態のいずれかの動作状態で動作することができるものであり、前記光スイッチをクロス状態又はバー状態で動作させることにより、入力信号を最下段に配置された光スイッチのうちの選択された光スイッチの出力ポートから出力するシングルキャスト送信、及び、前記光スイッチのうちの選択された光スイッチを分配スイッチとして動作させることにより、同一の入力信号を最下段に配置された複数の光スイッチの出力ポートから出力するマルチキャスト送信を行うことができるものである。
また、前記マルチキャスト送信を行うときに、所要伝送品質に応じて、入力信号が伝搬する経路中の分配スイッチとして動作させる光スイッチの段数が制限されるものである。
さらに、前記２×２の光スイッチは、ＰＬＺＴ光スイッチとされている。

さらにまた、本発明の上記光スイッチ装置を制御する方法は、前記マルチキャスト送信を行うときに、前記光スイッチ装置における上位側の光スイッチから優先的に制限段数となるところまで分配スイッチとして動作させるように設定し、複数回の伝送を行うことにより、最下段に配置された複数の光スイッチの出力ポートから同一の信号を出力するものである。
さらにまた、前記マルチキャスト送信を行うときに、分配スイッチとして動作させる光スイッチの組合せについて、同時に出力することができる出力数が最も多い組合せを求め、その結果に基づいて分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定するものである。
さらにまた、下段に配置された光スイッチに接続されたユーザに対して順次付与したアドレスに基づいて分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定し、該分配スイッチとして動作させる光スイッチの組合せにおいて、分配スイッチとして動作させる光スイッチの段数の制限の下で同一の信号を同時に出力することができるユーザ数が最も多い組合せを選択することにより、分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定するものである。
さらにまた、マルチキャストを要求しているユーザと該ユーザに接続している最下段の光スイッチの間のリンクにおける光信号パワーのオンオフを示す変数値の合計の最大値を目的関数として、光スイッチごとに光信号のパワーと光スイッチの利用方法の関係を示す線形式で表される第１の制約条件と、分配スイッチとして動作させる光スイッチの使用制限段数を示す線形式で表される第２の制約条件と、ユーザのマルチキャスト要求状態と光信号のパワーの関係を示す線形式で表される第３の制約条件の下で、各光スイッチを分配スイッチとして動作させるか否かを示す変数及び光スイッチ間のリンクにおける光信号パワーのオンオフを示す変数に０又は１を割り当てる各組合せにおいて、前記第１〜第３の制約条件を満たす組合せのうち前記目的関数の値が最大となる組合せを選択することにより、分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定するものである。
さらにまた、マルチキャスト送信を優先的に行い、それと同時に未使用の光スイッチを用いて、シングルキャスト送信を行うものである。
さらにまた、多段に接続された光スイッチの任意の段に、シングルキャスト用の信号を入力することができる入力ポートを設け、マルチキャスト送信とシングルキャスト送信を同時に行う、もしくは、シングルキャスト送信を複数同時に行うものである。

本発明の光スイッチ装置及びその制御方法によれば、ブロードキャストベースの従来ＰＯＮではできなかったマルチキャスト送信、マルチキャスト送信とシングルキャスト送信の同時送信、さらに、複数のシングルキャストの同時送信が可能となり、利便性の高い光アクセスネットワークを形成することができる。

本発明の光スイッチ装置の一実施の形態の構成を示す図である。 ２×２のＰＬＺＴ光スイッチの一設計例を示す図である。 ２×２の光スイッチの動作状態を示す図であり、（ａ）はバー状態、（ｂ）はクロス状態、（ｃ）は分配スイッチ状態を示す図である。 ２×２ＰＬＺＴ光スイッチにおける動作状態の変化について説明するための図である。 入力信号を４箇所にマルチキャスト送信する場合について説明するための図である。 ユーザに付与するアドレスについて説明するための図である。 分配スイッチとすべき光スイッチを決定する方法について説明するための図である。 光スイッチの利用方法、光スイッチ間の信号パワーの状態及びユーザのマルチキャスト要求の有無を示す変数Ｓ_i、Ｐ_u→d及びＵ_jについて説明するための図である。 光信号のパワーの状態と光スイッチの利用方法の３つのパターンを説明するための図である。 線形計画法を用いる実施の形態について説明するための図である。 マルチキャスト送信に使用しない光スイッチを用いてシングルキャスト送信を行うようにした実施の形態について説明するための図である。 マルチキャスト送信とシングルキャスト送信を同時に、又は、シングルキャスト送信を複数同時に行うようにした実施の形態について説明するための図である。 ＰＯＮの構成について説明するための図である。 ＰＯＮにおいて用いられている光スプリッタの構成例を示す図である。

図１は、本発明の光スイッチ装置１０の一実施の形態の構成を示す図である。
この図において、１−１〜m−２^m-1（ｍは２以上の整数）は２×２の光スイッチ、すなわち、２個の入力ポートと２個の出力ポートを有する光スイッチであり、図示するようにトーナメント状（ツリー状）に多段接続されている。すなわち、最上段には１個の光スイッチ１−１が配置され、２段目には最上段の光スイッチ１の出力ポートにそれぞれ一方の入力ポートが接続された２個の光スイッチ２−１及び２−２が配置され、３段目には２段目の光スイッチ２−１、２−２の出力ポートにそれぞれ一方の入力ポートが接続された４個の光スイッチ３−１、３−２、３−３、３−４が接続されており、以下同様に、ｍ段目には、（ｍ−１）段目の２^m-2個の光スイッチの出力ポートにそれぞれ一方の入力ポートが接続された２^m-1個の光スイッチｍ−１〜ｍ−２^m-1が接続されている。そして、最下段の光スイッチｍ−１〜ｍ−２^m-1の出力ポートには、ＯＮＵ＃１〜ＯＮＵ＃２^mが接続される。
例えば、ｍ＝７段構成とすることにより、７段目には６４（＝２⁶）個の光スイッチが配置され、各光スイッチが２個の出力ポートを備えているため、１２８個のＯＮＵに出力を供給することができる。

１１は制御部であり、光スイッチ１−１、２−１、２−２、・・・、ｍ−２^m-1の動作モードを制御する制御信号を各光スイッチに供給する。
２×２の光スイッチ１−１、２−１、・・・、ｍ−２^m-1はいずれも印加される制御信号に応じて、光スイッチのバー状態、クロス状態を選択することができるのに加えて、一方の入力ポートに入力される信号を２個の出力ポートに出力する３dBカップラ状態（分配スイッチ状態）とすることができる。このような機能を有する光スイッチとしては、マッハツェンダー型の光スイッチがある。
以下では、ＰＬＺＴ（鉛(Pb)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)の酸化化合物）により導波路を形成した２×２のＰＬＺＴ光スイッチを用いるものとして説明する。

図２は、２×２のＰＬＺＴ光スイッチの一設計例を示す図である。
この図に示すように、２×２のＰＬＺＴ光スイッチは、２個の３dBカップラの間に形成された２本の光導波路（変調部）を有するマッハツェンダー型の導波路構造をしている。変調部の近傍に設けられた２個の電極に印加する電圧を変えることにより屈折率が変化して光信号の位相が変化し、バー動作とクロス動作を切り替えることができる。
また、前記電極にバー動作とクロス動作の間の中間的な電圧を印加することにより、一の入力ポートからの入力信号を両出力ポートに分配する分配スイッチ（３dBカップラ）として動作させることができる。

図３は、前記２×２の光スイッチの動作状態を示す図であり、（ａ）はバー状態、（ｂ）はクロス状態、（ｃ）は分配スイッチ状態を示している。
２×２の光スイッチは２個の入力ポートＡ、Ｂと２個の出力ポートＸ、Ｙを備えている。（ａ）のバー状態では、入力ポートＡから入力された信号が出力ポートＹに出力され、入力ポートＢから入力された信号が出力ポートＸに出力される。（ｂ）のクロス状態では、入力ポートＡから入力された信号が出力ポートＸに出力され、入力ポートＢから入力された信号が出力ポートＹに出力される。このバー状態とクロス状態のときには、入力信号の原理的損失は０dBで、導波路及び接続等のロスがあるのみである。
（ｃ）の分配スイッチ状態では、一方の入力ポート（図示する例では、Ａ）から入力された信号が出力ポートＸ及びＹに分配して出力される。このように３dBカップラとして動作させる場合は、原理的に３dBのロスがある。

図４は、前記２×２ＰＬＺＴ光スイッチにおける動作状態の変化について説明するための図である。
図示するように、２×２ＰＬＺＴ光スイッチの変調部の近傍に設けられた電極２１と２２に印加する電圧を低い値から高い値に変化させると、入力ポートＡから入力された光信号が出力ポートＸに出力されるクロス状態から、出力ポートＹに出力されるバー状態に変化する。そして、その変化の途中の状態、図中に電圧１／２として示した中間的な状態では、入力ポートＡから入力された信号が、出力ポートＸとＹに１／２ずつ分配して出力される。すなわち、３dBカップラとして動作することになる。
本発明においては、前記制御部１１から各光スイッチに印加する制御信号の値を制御することにより、各光スイッチをバー状態、クロス状態及び分配スイッチ状態（３dBカップラ状態）とすることができる。

このように、本発明の光スイッチ装置は、光スイッチをトーナメント状に多段に接続して構成し、各光スイッチをバー状態、クロス状態及び分配スイッチ状態から選択した状態で動作させることができるようにしているため、全ての光スイッチをバー状態又はクロス状態で動作させる場合には、１×Ｎの光スイッチとして動作させることができる。すなわち、入力信号を一の出力に出力するシングルキャスト送信を行うことができる。
また、選択した光スイッチを分配スイッチ状態とすることにより、入力信号を複数の出力に出力するマルチキャスト送信を行うことができる。
さらに、後述するように、マルチキャスト送信時に使用されていない光スイッチを使用して、マルチキャストとシングルキャストの同時送信、あるいは、複数のシングルキャスト送信を行うことができる。

前述のように、光スイッチを分配スイッチ（３dBカップラ）として動作させる場合は、原理的に３dBのロスがあるため、その使用段数が制限される。
そこで、本発明においては、実際の分岐は必要最低限の光スイッチのみを３dBカップラ（分配スイッチ）として動作させるようにしている。
このことについて図５に示す例を参照して説明する。
図５に示す例は、３段構成とされた光スイッチ装置において、入力信号を図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示す４箇所にマルチキャスト送信する場合を示している。
この例の場合には、図中で３dBと表示されている３個の光スイッチ１−１、２−２及び３−１を分配スイッチとして動作させることにより、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４箇所に同時にデータを送信することができる。この場合、入力信号がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに到達するまでに通過する分配スイッチの数はいずれも２個であるため、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄともに信号強度は６dB低下することとなる。

なお、全ての光スイッチを分配スイッチにしてもＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４箇所にデータを同時に送信することができるが、信号の劣化が起こり、ユーザ数や伝送距離が少なくなる。そこで、本発明では、信号が通過する分配スイッチの段数を制限し、その制限の下でなるべく多くのユーザに信号を送信できるようにしている。

次に、マルチキャスト送信時に分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定する方法の一例について説明する。
この方法では、まず、光スイッチ装置に接続されている各ユーザにアドレスを付与する。そして、このアドレスを用いて分配スイッチとして動作させる光スイッチを決める。
３段構成の光スイッチ装置の場合を例にとって説明する。
図６は、３段構成光スイッチ装置において、Ａ〜Ｈまでの８人のユーザに順次３ビットのアドレスを付与した様子を示す図である。図中の最上段（Ｘ段）における分岐に対して０と１、次段（Ｙ段）における分岐に対して０と１、図中の最下段（Ｚ段）における分岐に対し０と１を割り当てることにより、図示するように、Ａ〜Ｈまでの８人のユーザに対して、Ａ（000）、Ｂ（001）、Ｃ（010）、Ｄ（011）、Ｅ（100）、Ｆ（101）、Ｇ（110）、Ｈ（111）のように３ビットのアドレスを割り当てることができる。
このように、最下段に配置された光スイッチの出力ポートに接続されたユーザに対して、端から順に２進法にしたがってアドレスを付与することにより、付与されたアドレスの桁位置は多段構成とされた光スイッチの段に対応し、そのビット値は分岐の方向に対応する値となる。

ここで、８人のユーザのうち、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆの５人のユーザにマルチキャスト送信をするものとする。このとき、マルチキャスト送信の対象となるユーザのアドレスを比較し、そのビット値が異なっている場所から、分配スイッチとすべき光スイッチを決定することができる。
図７を参照して、分配スイッチとすべき光スイッチを決定する方法について説明する。
図７に示すように、マルチキャスト送信の対象となるユーザＡ，Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆのアドレスを昇順に並べる。ここで、列数がスイッチの段数（この場合、Ｘ、Ｙ、Ｚの３段）に、行数が対象となるユーザ数に対応する。

この図７を用いて、分配スイッチとして動作させるスイッチ（マルチキャスト接続するスイッチ）の数を次の手順で求める。
（１）始めの段（この場合、Ｘ段）全体を四角形で囲む。
（２）（１）で囲んだ四角形の中の０と１の境目で次の段以降の０、１成分を分割する。次の段の分割部分に０と１が共に含まれている場合、その分割部分を四角形で囲む。
（３）最後の段まで（２）を繰り返す。
（１）〜（３）の操作を行うことで、四角形の数からマルチキャスト接続するスイッチ（分配スイッチとして動作させるスイッチ）の数を求めることができる。

図７の例では、上記（１）の操作によりＸ段の四角形１が作成され、（２）の操作によりＹ段の四角形２が作成される。そして、上記（３）の操作によりＺ段の四角形３と４が作成される。これから、Ｘ段に１つ、Ｙ段に１つ、Ｚ段に２つ、計４つのスイッチを分配スイッチとして使用すべきことが分かる。
すなわち、図６におけるＸ段の光スイッチ３１、Ｘ段の０の下位にあるＹ段の光スイッチ３２、Ｙ段の０の下位にあるＺ段の光スイッチ３４及びＸ段の１及びＹ段の０の下位にある光スイッチ３６の４個の光スイッチを分配スイッチとして使用すべきことがわかる。

ここで、分岐数は２段のみ、すなわち、６dBまでのロスしか許容されないものとする。このとき、ユーザＡ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆの全員に対して１回のマルチキャスト送信で入力信号を分配することができないので、複数回に分けて分配する。
図６に示した実施の形態では、上位側から優先的に制限段数となるところまで分配スイッチとし、１回のマルチキャスト送信で送信することができないときには複数回に分けて送信するようにしている。
すなわち、図６において、最上位段から探索してＸ段の光スイッチ３１を分配スイッチとし、２ビット目のＹ段の光スイッチ３２も分配スイッチとすると、Ｚ段については、ＡとＢに関する光スイッチ３４は分配スイッチとすることができないが、ＥとＦに関する光スイッチ３６は分配スイッチとすることができる。すなわち、第１回目のマルチキャスト送信で、（Ａ又はＢ）、Ｃ、Ｅ及びＦにマルチキャスト送信し、第２回目にＡ又はＢの残りの方のユーザにシングルキャスト送信する。
このようにして、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ及びＦに同一の信号を送信することができる。

次に、１回のマルチキャスト送信で同一の信号を送信することができる最大ユーザ数を求めるようにした実施の形態について説明する。第１回目のマルチキャスト送信でなるべく多くのユーザに信号を送信することができると、第２回目の送信では対象となるユーザ数が少なくなって使用される光スイッチの数が少なくなり、同時に他の信号を他のユーザにシングルキャスト送信することが可能となる。

図７に示した例では、前述のように、Ｘ、Ｙ、Ｚの３段のスイッチが存在する。２段までマルチキャスト接続に使ってよいとすると、（Ｘ、Ｙ）、（Ｘ、Ｚ）、（Ｙ、Ｚ）、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の組合せがある。この組合せ全てについて、１回のマルチキャスト送信で送信されるユーザ数を検討する。

図７における四角形において、０と１で分割された上下のユーザ部分がマルチキャスト接続可能となる。例えば、Ｘ段の四角形（１）を選択すると、（ＡもしくはＢもしくはＣ）と（ＥもしくはＦ）が、マルチキャスト接続可能となる。
前記組合せのうち、Ｘ，Ｙ（１，２）を用いるとすると、すなわち、図６における光スイッチ３１と３２を分配スイッチとして用いるとすると、（ＡもしくはＢ）とＣと（ＥもしくはＦ）の３ユーザに同時にマルチキャスト送信することができる。
Ｘ，Ｚ（１，３，４）、すなわち図６における光スイッチ３１、３４及び３６を分配スイッチとして用いるとすると、（Ａ，ＢもしくはＣ）とＥ，Ｆの最大４ユーザに同時にマルチキャスト送信することができる。
Ｙ，Ｚ（２，３，４）、すなわち、図６における光スイッチ３２、３４及び３６を分配スイッチとして用いるとすると、（Ａ，Ｂ，Ｃ）もしくはＥ，Ｆの最大３ユーザに同時にマルチキャスト送信することができる。
Ｘ，Ｙ，Ｚ（１，２，４）、すなわち、図６における光スイッチ３１、３２及び３６を分配スイッチとして用いるとすると、（ＡもしくはＢ）とＣとＥ，Ｆの最大４ユーザに同時にマルチキャスト送信することができる。

このように、この実施の形態によれば、どの組合せが１回のマルチキャストで一番多くのユーザに信号を送信することができるかを求めることができる。そして、このようにして求めた組合せにより第１回目のマルチキャスト送信を行うようにすれば、第２回目の送信時に使用される光スイッチの数が少なくなり、後述するように、空いている光スイッチを使用して同時にシングルキャスト送信を行うことができる。

次に、本発明のさらに他の実施の形態について説明する。
マルチキャストを要求するユーザが増加した場合、使用制限段数下でマルチキャスト接続する（分配スイッチとして動作させる）光スイッチの選択には膨大な計算量が必要になる。例えば、１２８ユーザへのマルチキャストを想定すると、２¹²⁸パターンの要求が発生する。
そこで、この実施の形態では、マルチキャストで接続できる最大ユーザの選択、すなわち、１回のマルチキャスト送信で同一の信号を送信できるユーザ数が最大となる、分配スイッチとして動作させる光スイッチの組合せを、線形計画法を用いて導出している。これにより、ユーザ数が増大しても、計算量を抑制することが可能となる。

この実施の形態においては、まず、アクセスネットワーク構成モデルの定式化を行う。そのために、光スイッチの利用方法、光スイッチ間の光信号パワーの状態及びユーザのマルチキャスト要求の有無を、図８に示す３つの変数Ｓ_i、Ｐ_u→d及びＵ_jで表す。
変数Ｓ_iは、ｉ番の光スイッチ（光スイッチｉ）がマルチキャスト接続であるか否か（分配スイッチとして動作させるか否か）を表す変数であり、マルチキャスト接続であるときに「１」、マルチキャスト接続でないときに「０」の値をとる。
変数Ｐ_u→dは、上段の光スイッチ（光スイッチｕ）と下段の光スイッチ（光スイッチｄ）間のリンクにおける光信号のパワーがオンであるかオフであるか（光信号が存在するかしないか）を表す変数であり、オンのときに「１」、オフのときに「０」の値をとる。
変数Ｕ_jは、ｊ番のユーザ（マルチキャストユーザｊ）がマルチキャスト要求しているか否かを表す変数であり、要求ありの時「１」、要求なしのとき「０」の値をとる。

目的関数は、次の式（１）の線形式で定義することができる。

ここで、LB_swは光スイッチ装置における最下段の光スイッチの番号であり、userはマルチキャストを要求しているユーザのユーザ番号である。
マルチキャストで接続できる最大ユーザの選択が目的であるため、マルチキャストを要求しているユーザと該ユーザに接続する光スイッチ（最下段の光スイッチ）間のリンクにおける光信号のパワーがオンであるか否かを示す値Ｐ_{LB_sw→user}の合計の最大値が目的関数となる。

制約条件としては、光スイッチごとの２つの制約条件と、ユーザごとの１つの制約条件があり、以下の線形式で定義することができる。
１．光スイッチごとの制約条件
１−（ａ）光信号パワーと光スイッチの利用方法の関係を示す線形式
光信号パワーと光スイッチの利用方法の関係は、式（２）の線形式で示される。

ここで、Ｐ_u→iは光スイッチｉとその上段の光スイッチｕとの間のリンクにおける光信号のパワーのオンオフを示す値、Ｐ_{i→left_d}は光スイッチｉとその下段左側に接続された光スイッチとの間のリンクにおける光信号のパワーのオンオフを示す値、Ｐ_{i→right_d}は光スイッチｉとその下段右側に接続された光スイッチとの間のリンクにおける光信号のパワーのオンオフを示す値である。

光信号のパワーの状態と光スイッチの利用方法は、図９に示す３つのパターンに区分することができる。
図９の（ａ）は、上段の光スイッチｕと光スイッチｉの間の光信号のパワーがオフ（Ｐ_u→i＝０）で、光スイッチｉがマルチキャスト接続でない（Ｓ_i＝０）場合を示す図であり、この場合は、光スイッチｉとその下段左側に接続された光スイッチの間、及び光スイッチｉとその下段右側に接続された光スイッチの間の光信号のパワーがともにオフ（Ｐ_{i→left_d}＝０、Ｐ_{i→right_d}＝０）となる。

図９の（ｂ）は、上段の光スイッチｕと光スイッチｉの間の光信号のパワーがオン（Ｐ_u→i＝１）で、光スイッチｉがマルチキャスト接続でない（Ｓ_i＝０）場合を示す図であり、この場合は、光スイッチｉに入力された光信号が左側の出力ポートに出力されるか右側の出力ポートに出力されるかに応じて、光スイッチｉとその下段左側に接続された光スイッチの間の光信号のパワーがオン、光スイッチｉとその下段右側に接続された光スイッチの間の光信号のパワーがオフ（Ｐ_{i→left_d}＝１、Ｐ_{i→right_d}＝０）となるか、あるいは、光スイッチｉとその下段左側に接続された光スイッチの間の光信号のパワーがオフ、光スイッチｉとその下段右側に接続された光スイッチの間の光信号のパワーがオン（Ｐ_{i→left_d}＝０、Ｐ_{i→right_d}＝１）となる。

図９の（ｃ）は、上段の光スイッチｕと光スイッチｉの間の光信号のパワーがオン（Ｐ_u→i＝１）で、光スイッチｉがマルチキャスト接続される（Ｓ_i＝１）場合を示す図であり、この場合は、光スイッチｉとその下段左側に接続された光スイッチの間、及び光スイッチｉとその下段右側に接続された光スイッチの間の光信号のパワーがともにオン（Ｐ_{i→left_d}＝１、Ｐ_{i→right_d}＝１）となる。

１−（ｂ）マルチキャスト接続する光スイッチの使用制限段数を示す線形式
マルチキャスト接続する光スイッチの使用制限段数は、式（３）の線形式で表される。

ここで、Maxは光スイッチの構成段数、LB_swは光スイッチ装置における最下段の光スイッチの番号、Ｈはマルチキャスト接続する光スイッチの使用制限段数である。また、LB_sw／２ⁿは、LB_swを２ⁿで割った整数部（商）を示す。
この式は、最下段の光スイッチに到達するまでの各段に位置する光スイッチのマルチキャスト接続状態とされるか否かを示す値の合計値が光スイッチ使用制限段数以内になるように定義している。

２．ユーザごとの制約条件
ユーザのマルチキャスト要求状態と光信号のパワーの関係を示す線形式は、次の式（４）で示される。

前述と同様に、LB_swは光スイッチ装置における最下段の光スイッチの番号、userはマルチキャストを要求しているユーザのユーザ番号である。
この式は、最下段の光スイッチと該光スイッチに接続されているユーザｉの間のリンクの光信号のパワーがオンの状態の場合、必ずそのユーザｉがマルチキャストを要求していると定義している。

上のように定義される目的関数、１−（ａ）と１−（ｂ）の光スイッチごとの制約条件、及び、２のユーザごとの制約条件を用いてネットワーク構成モデルの定式化を行い、制約条件中のＳ_i、Ｐ_u→d及びＵ_jの３変数に「０」，「１」の値を代入し、前記制約条件を満たすかどうか判定することでマルチキャストで接続される最大ユーザの選択の候補となる組合せを求めることができる。そして、得られた候補となる組合せのうち、マルチキャストで接続することができるユーザ数が最も多いものを選択する。

図１０に示す構成の光スイッチ装置を例にとって具体的に説明する。
この例では、図示するように、光スイッチが７個、構成段数が３段、ユーザ数がユーザ８からユーザ１５の８人とされている。また、マルチキャスト接続とされる光スイッチの使用制限段数が２段とされているものとする。
この構成において、ユーザ９、１０、１１及び１２がマルチキャストを要求している場合、要求している４人のユーザ全員に同時にマルチキャストを行うためには３段分のマルチキャスト接続される光スイッチが必要となる。そこで、使用制限段数の２段以内に抑えるようにマルチキャスト接続する光スイッチを選択する必要がある。

この例の場合、目的関数は次の式（５）で表される。

マルチキャストを要求しているユーザ９、１０、１１及び１２へできる限り多くマルチキャスト接続することができるパターンを探索する。

また、光スイッチごとの制約条件のうちの１−（ａ）光信号のパワーと光スイッチの利用方法の関係を示す線形式は、光スイッチごとに次の式（６）のように定義される。

さらに、１−（ｂ）マルチキャスト接続する光スイッチの使用制限段数（図１０の例では、H＝２）を示す線形式は、最下段の光スイッチ４、５、６及び７について、次の式（７）のように定義される。

さらにまた、２．ユーザごとの制約条件であるユーザのマルチキャスト要求状態と光信号のパワーの関係を示す線形式は、図１０の例では、Ｕ₈，Ｕ₁₃，Ｕ₁₄，Ｕ₁₅＝０、Ｕ₉，Ｕ₁₀，Ｕ₁₁，Ｕ₁₂＝１であり、ユーザごとに次の式（８）のように定義される。

以上のように、目的関数、光スイッチごとの制約条件及びユーザごとの制約条件を定義することで、前記図１０に示されたアクセスネットワーク構成モデルの定式化を行うことができる。
そして、上述のように設定された制約条件下で、光スイッチ１〜７の利用方法を示す変数Ｓ₁〜Ｓ₇、Ｐ_1→2〜Ｐ_7→15の１４本の光スイッチ間リンクの光信号パワーの状態を示す変数に、「０」、「１」を割り当てる各組合せ（Ｐ_0→1は「１」とする。）において、上記式（６）、式（７）及び式（８）の３つの制約条件を満たす組合せがマルチキャスト可能な組合せとなる。そして、マルチキャスト可能な組合せの中で、式（５）の目的関数の値が最大となる組合せを選択することで、１回のマルチキャストで接続できるユーザ数が最大となる組合せを決定することができる。

このように、この実施の形態によれば、マルチキャスト送信を要求しているユーザと該ユーザに接続している最下段の光スイッチの間のリンクにおける光信号のパワーのオンオフを示す変数値の合計の最大値を目的関数として、光スイッチごとに光信号のパワーと光スイッチの利用方法の関係を示す線形式で表される第１の制約条件と、光スイッチごとにマルチキャスト接続する光スイッチの使用制限段数を示す線形式で表される第２の制約条件と、ユーザのマルチキャスト要求状態と光信号のパワーの関係を示す線形式で表される第３の制約条件の下で、マルチキャスト接続する（分配スイッチとして動作させる）光スイッチの使用制限段数Ｈ及び各ユーザがマルチキャスト要求をしているか否かを示す変数Ｕ_jを最初に設定し、各光スイッチがマルチキャスト接続するか否かを示す変数Ｓ_i及び光スイッチ間のリンクにおける光信号パワーのオンオフを示す変数Ｐ_u→dに「０」「１」を割り当てる各組合せにおいて、前記第１〜第３の制約条件を満たす組合せをマルチキャスト可能な組合せとし、該マルチキャスト可能な組合せのうち前記目的関数の値が最大となる組合せを選択することにより、１回のマルチキャストで接続できるユーザ数が最大となるマルチキャスト接続する光スイッチの組合せを決定することができる。

これにより、マルチキャスト要求ユーザ数が増大したときであっても、１回のマルチキャストで接続できるユーザ数が最大となる光スイッチの利用方法を決定するための計算量を抑えることが可能となる。
そして、このようにして求めた組合せにより第１回目のマルチキャスト送信を行うようにすれば、第２回目の送信時に使用される光スイッチの数を少なくすることができ、次に説明する実施の形態のように、空いている光スイッチを使用して同時にシングルキャスト送信を行うことができる。

上述のように、本発明においては２×２の光スイッチを使用しているので、入力が２つあってもよい。そこで、一方をシングルキャスト送信に用い、他方をマルチキャスト送信に使用するということもできる。
マルチキャスト送信に使用しない光スイッチを用いてシングルキャスト送信を行うようにした実施の形態について、図１１を参照して説明する。
図示するように、この例では、バー状態とされている最上段の光スイッチ４１の一方の入力ポートにマルチキャスト用信号が入力されており、該信号は、分配スイッチ状態とされている光スイッチ４３に入力される。そして、光スイッチ４３の一方の出力ポートから出力される信号は光スイッチ４６を通ってアドレス101のユーザに送信されるとともに、他方の出力ポートから出力される信号は分配スイッチとされている光スイッチ４７を通ってアドレス110と111のユーザにマルチキャスト送信されている。
また、前記最上段の光スイッチ４１の他方の入力ポートには、シングルキャスト用のＯＬＴが接続されており、使用していない光スイッチ４２及び４４を利用して、アドレス001のユーザに同時にシングルキャスト送信されている。
このように、マルチキャスト送信を優先的に行い、マルチキャスト送信に使用されていない光スイッチを利用して同時にシングルキャスト送信を行うことができる。

次に、多段に接続された光スイッチの任意の段にシングルキャスト用のＯＬＴを接続することができる入力ポートを設け、マルチキャストとシングルキャストを同時に、又は、シングルキャストを複数同時に行うようにした実施の形態について説明する。
図１２は、この実施の形態の構成例を示す図である。
図示する例では、第２段の光スイッチ５２に、アドレス000〜011のユーザ用のシングルキャスト入力ポートを設けている。また、同じく第２段の光スイッチ５３に、アドレス100〜111のユーザ用のシングルキャスト入力ポートを設けている。このような構成とすることにより、前記図１１に示した実施の形態と同様に、マルチキャスト送信に使用されていないときに、光スイッチ５２又は５３においてシングルキャスト入力ポートからの信号を出力ポートから出力するように制御することにより、途中の段からシングルキャスト送信を行うことができる。また、シングルキャスト送信を同時に２つ行うこともできる。
このように、最上段以外の光スイッチからも信号を入力することができる。

なお、上述した各実施の形態においては、２×２のＰＬＺＴ光スイッチを用いる場合について説明したが、これに限られることはない。マッハツェンダー型光スイッチのように、バー状態からクロス状態の切り替えの過渡的な状態で、２出力に同時に分配出力することができるタイプの光スイッチであれば同様に用いることができる。

１−１、２−１、２−２、３−１、３−２、３−３、３−４、ｍ−１、ｍ−２^m-1、３１〜３７、４１〜４７、５１〜５７：光スイッチ、１１：制御部、２１，２２：電極

Claims (9)

1. ２×２の光スイッチをトーナメント状に多段接続した光スイッチ装置であって、
   前記２×２の光スイッチは、印加される制御信号に応じて、クロス状態、バー状態及び分配スイッチ状態のいずれかの動作状態で動作することができるものであり、
   前記光スイッチをクロス状態又はバー状態で動作させることにより、入力信号を最下段に配置された光スイッチのうちの選択された光スイッチの出力ポートから出力するシングルキャスト送信、及び、
   前記光スイッチのうちの選択された光スイッチを分配スイッチとして動作させることにより、同一の入力信号を最下段に配置された複数の光スイッチの出力ポートから出力するマルチキャスト送信を行うことができることを特徴とする光スイッチ装置。
2. 前記マルチキャスト送信を行うときに、所要伝送品質に応じて、入力信号が伝搬する経路中の分配スイッチとして動作させる光スイッチの段数が制限されることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
3. 前記２×２の光スイッチは、ＰＬＺＴ光スイッチであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ装置。
4. 請求項１記載の光スイッチ装置の制御方法であって、
   前記マルチキャスト送信を行うときに、前記光スイッチ装置における上位側の光スイッチから優先的に制限段数となるところまで分配スイッチとして動作させるように設定し、複数回の伝送を行うことにより、最下段に配置された光スイッチに接続された複数のユーザに対して同一の信号を出力することを特徴とする光スイッチ装置の制御方法。
5. 請求項１記載の光スイッチ装置の制御方法であって、
   前記マルチキャスト送信を行うときに、分配スイッチとして動作させる光スイッチの組合せについて、同時に出力することができる出力数が最も多い組合せを求め、その結果に基づいて分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定することを特徴とする光スイッチ装置の制御方法。
6. 請求項５記載の光スイッチ装置の制御方法であって、
   最下段に配置された光スイッチに接続されたユーザに対して順次付与したアドレスに基づいて分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定し、該分配スイッチとして動作させる光スイッチの組合せにおいて、分配スイッチとして動作させる光スイッチの段数の制限の下で同一の信号を同時に出力することができるユーザ数が最も多い組合せを選択することにより、分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定することを特徴とする光スイッチ装置の制御方法。
7. 請求項５記載の光スイッチ装置の制御方法であって、
   マルチキャストを要求しているユーザと該ユーザに接続している最下段の光スイッチの間のリンクにおける光信号パワーのオンオフを示す変数値の合計の最大値を目的関数として、光スイッチごとに光信号のパワーと光スイッチの利用方法の関係を示す線形式で表される第１の制約条件と、分配スイッチとして動作させる光スイッチの使用制限段数を示す線形式で表される第２の制約条件と、ユーザのマルチキャスト要求状態と光信号のパワーの関係を示す線形式で表される第３の制約条件の下で、各光スイッチを分配スイッチとして動作させるか否かを示す変数及び光スイッチ間のリンクにおける光信号パワーのオンオフを示す変数に０又は１を割り当てる各組合せにおいて、前記第１〜第３の制約条件を満たす組合せのうち前記目的関数の値が最大となる組合せを選択することにより、分配スイッチとして動作させる光スイッチを決定することを特徴とする光スイッチ装置の制御方法。
8. 請求項１記載の光スイッチ装置の制御方法であって、
   マルチキャスト送信を優先的に行い、同時に未使用の光スイッチを用いてシングルキャスト送信を行うことを特徴とする光スイッチ装置の制御方法。
9. 請求項１記載の光スイッチ装置の制御方法であって、
   多段に接続された光スイッチの任意の段に、シングルキャスト用の信号を入力することができる入力ポートを設け、マルチキャスト送信とシングルキャスト送信を同時に行う、もしくは、シングルキャスト送信を複数同時に行うことを特徴とする光スイッチ装置の制御方法。

Images