令和3年 第2回 「伝送設備」



33_2_setubi_1_(1).png


問1
(1)
ア:⑩ HFC
イ:⑦ 流合雑音
ウ:③ DOCSIS

解説
・HFC(Hybrid Fiber Coax):CATV網のネットワーク構成方法の1つ。センタ側の幹線系に既設の光ファイバが用いられ、ユーザ宅に近い分配系に同軸ケーブルが用いられる。CATV会社としては、既存の同軸ケーブル網を流用できるため、高速大容量化した光ファイバ通信の展開を経済的に行える。
HFC.png

・同軸ケーブル/HFCシステムと流合雑音について
CATVネットワークのうち、全区間で同軸ケーブルを用いる方式では、CATV局から伸びる幹線から樹枝状に分岐されたネットワーク構成をとる。各枝部の上り信号では、加入者宅内の家電製品などから発生する電気的雑音が乗ってしまい、幹線部では、それらの雑音が流合することで、通信品質に影響を与えるほどの雑音が累積されてしまう。このような雑音を「流合雑音」という。一方で、HFC方式では、従来、1本の同軸ケーブルで構成されていた幹線が複数の光ファイバで分配するような形で構成される。そのため、1幹線に接続されるユーザ数が少なくなり流合雑音を減らすことができる。
ryuugou_zatu2.png

DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications):同軸ケーブルでの通信サービスの国際規格



33_2_setubi_1_(2).png

(2)
答え:③
解説
① SDH装置などからの光信号は、SDH装置とWDM装置とのインタフェースであるトランスポンダで光のままWDM用の波長の光信号に変換される(※)(※トランスポンダで電気信号に変換され、等化増幅、リタイミング、識別再生の3R機能により符号の再生を行った後、WDM用の波長の光信号に変換される)

② 局間インタフェース部及び伝送路に置かれる中間中継装置では、光ファイバ増幅器が用いられており、WDM信号は個々の波長ごとに分離された後、増幅される(正:複数の波長の光信号が一括増幅される)

③ 正しい

④ DWDM伝送は、高密度に信号波長を配置するため、隣接信号とのポッケルス効果(正:光カー効果)により伝送品質の劣化が生じやすい。(※光カー効果による隣接信号との相互位相変調、四光波混合により伝送品質が劣化する)

補足
WDM(波長分割多重:Wavelength Division Multiplexing):1心の光ファイバに複数の波長を多重・分離することにより複数の光信号や上りと下りの光信号を同時に送受信可能とする光通信方式。WDMは波長の密度によって、CWDM (Coarse WDM)DWDM (Dense WDM)の2種類が存在する。

CWDMDWDM
波長密度粗い
波長1.29μm~1.61μm
1.55μm(193.1THz)
波長間隔20nm 間隔
12.5GHz、25.0GHz、50.0GHz 又は 100GHz
波長数最大16波長最大1000波長程度
伝送距離短距離(50km程度)長距離
コスト安い高い
用途同一都市の拠点間都市間・国家間

参照:波長多重の詳細(総務省):
https://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/joho_tsusin/catv_system/pdf/070315_1_sa1_4.pdf

・WDMシステムの構成
<送信側>
SDH/SONETの信号やイーサネット信号などのクライアント信号をトランスポンダで各波長の光信号に変換し、光合波器で多重化して伝送路に送出する
<線路>
WDM信号は、線形中継器で光増幅される
<受信側>
WDM信号を分波器で各波長の光信号に分け、トランスポンダを介して元のクライアント信号に復元する
WDM_system2.png

トランスポンダ:SDH/SONET装置などのクライアント信号とWDM装置に入出力される各波長の光信号を相互変換する装置
光合分波器:WDMで利用させる装置。波長の違う光を合成させたり、分波させたりする装置(MUX、DEMUXと表記されたりする)
光スプリッタ:PONで使われる受動素子。1本の光ファイバを分岐させる。

・増幅器について
線形中継器:受信した光パルスを電子信号に変換せずに増幅を行う中継器。光信号をそのまま増幅するため、累積したひずみや雑音などを整形することはできない。3R機能のうち、等化増幅のみを行う。WDMシステムでは、線形中継器として、光ファイバ増幅器が使われることが多く、中でもWDMで使われる1.5μm帯を増幅する.エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)が使われる事が多い。
再生中継器:受信した光パルスの有無(1,0)を判別し、新しい光パルスを再現させて送信する中継器。この中継器を通すことで、累積したひずみや雑音をリセットできる。再生中継器は、3R機能とよばれる3つの機能を持っている。

中継器の3R機能
3R.png

・等化増幅(Reshaping):減衰し歪んだ波形を、パルスの有無(1,0の判別)が識別できる程度まで増幅する機能
・リタイミング(Retiming):等化増幅された信号パルスからタイミングパルスを抽出する
・識別再生(Regenerating):等化増幅された信号から1,0の情報を判別し、リタイミングされたタイミングパルスに乗せて、識別した信号を送出する

SDH/SONET(Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical NETwork):基幹ネットワークでTDM方式(時分割多重方式)を使って高速通信を行うための規格。SDHは、国際標準化組織のITU-Tにより規定されており、SONETは、米国で標準化されたものだが、SDHはSONETをベースに標準化されており、これらはほとんど同じものを表すため、しばしばSDH/SONETという表現が使われる。

ファイバ増幅器
希土類添加光ファイバ増幅器
希土類元素(レアアース)を光ファイバに添加し、その誘導放出により光利得を得る増幅器。希土類によって、誘導放出により発する光の波長が違うため、増幅したい波長帯によって添加する希土類を使い分けられる。中でも、WDMシステムで使用される1.5μm帯を増幅するエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)がよく使われる。その波長帯の複数の光信号を一括増幅することができ、高利得及び高出力といった優れた特徴を有している。
増幅したい波長帯希土類の元素記号増幅器の名称
1.5μm帯域Erエルビウム添加光ファイバ増幅器
(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier
1.3μm帯域Prプラセオジム添加光ファイバ増幅器
(PDFA:Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 
1.4μm帯域Tmツリウム添加光ファイバ増幅器
(TDFA:Thulium Doped Fiber Amplifier)
1.0μm帯域Ybイッテルビウム添加光ファイバ増幅器
(YDFA:Ytterbium Doped Fiber Amplifier)


・光カー効果:信号光パワーが大きくなると現れ、光の強度に応じてファイバの屈折率が変化し、通信品質の劣化を招く現象
・光カー効果によって発生する非線形現象
名前現象伝送劣化発生する
光パワー
自己位相変調自分自身の光の強度により位相が変化する現象・信号光スペクトル幅の増大
・波長分散による波長歪み
>~10mW
相互位相変調別の光の強度により位相が変化する現象WDM光伝送において、
・信号光スペクトル幅の増大
・波長分散による波長歪み
>~10mW
四光波混合3つの異なった波長の波が入射した際に3つの波長とは異なる4つ目の光(アイドラ光)が発生する現象・新しい光の発生
・WDM光伝送における短波長におけるチャネル間のクロストーク
>~1mW


ポッケルス効果:物質に対して外部から電圧を加えると、屈折率が変化する現象。屈折率は加わる電圧に比例する。LN変調器で使われているLiNbO3は、ポッケルス係数(電圧量に対して屈折率の変化量)が大きい。

類題
(①③のみ)28年第2回(設備)問1(2)(i)WDMシステムの特徴



33_2_setubi_1_(3).png

(3)
答え:①
解説
① ROADMシステムは、一般に、多数のROADMノードがメッシュ状(正:リング状)に光ファイバケーブルで接続されており、これらのROADMノードを運用支援システムにより監視制御する構成を有している。

②③④正しい

補足
OADM(Optical Add/Drop Multiplexer):リング状に構成されたバックボーン用の光回線ネットワーク。WDM技術と光スイッチングを利用し、光信号のまま経路のやり取りができるため、高速通信が可能。

・OADMの動作
各OADM装置は、波長ごとにAdd(挿入)、Drop(分離)、Through(通過)を選択することができるため、OADM装置間でAdd、Dropする波長を決めておけば、リング状に構成したネットワークで任意のOADM装置間の通信が実現できる。

Add(挿入):ROADMネットワークに対して、外部のアクセスネットワーク等からのデータを乗せる
Drop(分離):ROADMネットワークで転送されてきたデータを、アクセスネットワークに降して転送する
Through(通過):データをDropせずに次のROADM装置にデータを中継する

oadm.png

ROADM(reconfigurable optical add/drop multiplexer):従来のOADMでは、各装置ごとにAdd、Drop、Throughする波長を固定的で、一度設置すると変更が困難だったが、ROADMでは、遠隔操作により各装置のAdd/Drop/Throughする波長の設定を動的に変える事ができる。

・ROADMの構成
遠隔地に設置された、OSS(Operation Support System)は、各ROADM装置に対して、Add(挿入)、Drop(分離)、Through(通過)のいずれかの指示を与え、任意の拠点間通信を実現する。


roadm_system.png

・ROADM装置の構造
ROADM装置は、合分波器と光スイッチにより構成される。それぞれの波長に分波された光信号は、光スイッチにより分岐、通過が選択できる。また信号を挿入する場合も、光スイッチの機能により実現される。
roam_device2.png

類題
(同一問題)28年第2回(設備)問1(2)(ii)ROADMなどの特徴



33_2_setubi_1_(4).png

(4)
答え:③
解説
① アイパターンは、デジタル伝送路などにおける信号の劣化の度合いを示したものである。アイの劣化は振幅方向と時間軸方向に分けられ、振幅方向(正:時間軸方向)の劣化の主な原因にはジッタ、ワンダなどがあり、時間軸方向(正:振幅方向)の劣化の主な原因には符号間干渉、エコーなどがある。

② PCM方式では、標本化された信号は量子化の際に離散的な値に変換されるため、実際の信号との誤差による雑音が生ずる。標本化された信号の振幅が量子化のステップ幅内に一様に分布しているとすると、その量子化ステップの幅を1/2に細かくすれば、量子化雑音電力は4倍に増加する(正:1/4になる)

③ 正しい

④ 長時間でのBERの値が同じ回線であっても、符号誤りがバースト的に発生する回線は、符号誤りがランダムに発生する回線と比較して、%ES(正:%SES)の値が大きい。

補足
アイパターン:連続して続いている信号波形を1ビットずつ区切り、重ね合わせて表示したもの。パターンを組み合わせた表示が目(eye)のように見えることからアイパターンと呼ばれる。波形が同じ位置に重なっていれば品質が良いと判断され、ずれていると品質が悪いと判断される。振幅方向のずれは、符号間干渉やエコーなどの振幅の変動を表し、時間軸方向のずれは、ジッタやワンダなどの時間的な変動を表している。
eye_pattern2.png

ジッタ(Jitter): 時間軸上の理想的な位置に対する、タイミング信号の短期的位相変動 (ここで、短期的とは、変動が10Hz以上の周波数である場合を意味する)。
ワンダ(Wander): 時間軸上の理想的な位置に対する、デジタル信号の長期的位相変動 (ここで、長期的とは、変動が10Hz未満の周波数である場合を意味する)。

・ゆらぎの発生イメージ(ジッタとワンダ)
Jitter_Wander.png
参照:JT-G810 同期網に関する定義と用語(https://www.ttc.or.jp/application/files/9715/5425/4125/JT-G810v1.pdf


PCM(Pulse Code Modulation)符号化:アナログ信号を「標本化⇒量子化⇒符号化」という手順でデジタル化する方法
・標本化(サンプリング):一定の間隔(サンプリング周期)でその時の値(標本値)を採取する
・量子化:アナログ値である標本値は無限個存在するが、それを有限個の値に区切る。量子化の過程で、ある範囲内にある標本値は、同一値になる。量子化によって情報が失われてしまう事を量子化雑音という。
・符号化:量子化によって区切られた値を、1と0のパルス値に変換する。

・PCM符号化と量子化雑音
送信側で量子化の際に失われた情報は、受信側で復元できず、ある範囲内にある標本値は全て同一値として復号される。
degrade3.png

・PCM方式における量子化ステップ幅と量子化雑音の関係
PCM方式において、標本化された信号の振幅が量子化のステップ幅内に一様に分布している場合、ステップ幅をS、量子化雑音電力をNQとすると、以下のように求められる。
\(N_Q=\frac{s^2}{12}\)
※上記の式により、量子化ステップが1/2になると、量子化雑音電力は、その2乗である、1/4になる。

・デジタル伝送路における品質の評価尺度
伝送品質指標英語説明
BERBit Error Rate受信したエラービット数 / 送信した全ビット数
%SESSeverely Errored Seconds1秒間の符号誤り率が10-3を超える符号誤り時間率
%ESErrored Seconds1秒間に1個以上の符号誤りが存在する秒の割合
%EFSErrored Free Seconds(100-%ES) の値
%DMDegraded Minutesバースト的な誤りがない時間内で符号誤りが10-6を超える分の割合



・%ESと%SESの使い分け
%ESは、1秒間に1つでも誤りが存在するとカウントされるため、1ビットの符号誤りさえも許容されないミッションクリティカルなサービスに使われる評価尺度である。一方で、%SESは、一定の符号誤り率を超えるまではカウントしないため、バースト誤りなどの符号誤りが集中して発生するようなシステムでの評価尺度として使われる。

・ランダム誤りとバースト誤り
ランダム誤り:1ビットの符号誤りが散発的に発生する。熱雑音などが発生原因となる。
バースト誤り:複数ビットの符号誤りが一定の塊となって発生する。無線回線のフェージングなどで発生することがある。
random_barst.png








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