JP2011166392A - 光スイッチ装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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)。
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。
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、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。
この図において、1−1〜m−2m-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2m-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2m-1個の光スイッチm−1〜m−2m-1が接続されている。そして、最下段の光スイッチm−1〜m−2m-1の出力ポートには、ONU#1〜ONU#2m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。
2×2の光スイッチ1−1、2−1、・・・、m−2m-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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
変数Si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Pu→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Uj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。
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PLB_sw→userの合計の最大値が目的関数となる。
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。
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(Pu→i=0)で、光スイッチiがマルチキャスト接続でない(Si=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(Pi→left_d=0、Pi→right_d=0)となる。
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。
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。
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。
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。
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、P1→2〜P7→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(P0→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。
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。
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。
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。
Claims (9)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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