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問1
(1)
ア:③ TCM
イ:⑧ 光方向性結合器
ウ:⑩ TDM
エ:⑤ CWDM

補足
TCM方式(Time Compression Multiplexing：別名：ピンポン方式):1心の光ファイバで双方向通信を実現する方式。デジタル信号の送信パルス列を2倍以上の速度で時間圧縮し、スイッチの切り替えにより上り信号と下り信号を交互に切り替えて1心の光ファイバで双方向通信を実現する。卓球の玉が交互にやり取りされる様子に似ているため、ピンポン方式とも呼ばれる。


DDM(Directional division Multiplexing):光の向きにより上りと下りを光信号を区別して1心双方向通信を行う方式
・光方向性結合器:1本の光ファイバの光信号を2本の光ファイバに分岐したり、逆に2本の光ファイバから1本の光ファイバに光信号を結合する機器



TDM(Time Division Multiplexing):デジタル信号にタイムスロットを周期的に割り当てて時間的に多重を行う方式


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)とDWDM (Dense WDM)の2種類が存在する。




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

類題
24年第2回（データ通信）問３(1)光アクセスネットワークの基本伝送技術

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(2)
(ⅰ)
答え:③
解説
① 光の変調方式には、大別すると直接変調と外部変調があり、超高速長距離伝送システムには、一般に、直接変調方式(正:外部変調方式)が用いられている。

② 直接変調方式では、一般に、光源として用いられる半導体レーザの駆動電流を変化させることで(正:を直接ON/OFFすることで)、半導体レーザの出力光の位相を(正:光強度)変調している。

③ 正しい

④ 外部変調方式には、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)を材料とし、加えた電界によって屈折率が変化する電界吸収効果(正:電気光学効果)であるポッケルス効果を用いたものがある。

補足
直接変調:半導体レーザ(LD)に対して、信号（印加電流）を直接入力して強度変調する方式。直接変調する場合、数GHz以上の高速で変調を行うとチャーピングと呼ばれる光波長（光周波数）が変動する現象が起こり光のスペクトルが広がってしまい信号の劣化が激しくなる。一般に、直接変調は、一般に、10GHz程度までの変調に制限される。

外部変調:半導体レーザに対して外部から変調を加える方式。数十GHz以上の高速変調が可能である。


・外部変調器の種類
外部変調器は、無変調された光を透過／遮断させることでON/OFFの強度変調を作り出す。また、外部変調器には、40 Gbit/s 以上の高速化を実現するための位相変調方式もある。
EA変調器(Electro-absorption:電界吸収型変調器):電界吸収効果を利用した光変調器。ダブルヘテロ型のpn接合（pn接合の間に別の層を挟んだ構成）に逆バイアス電圧をかけると、その強度によって特定の波長の光が吸収される性質を利用している。電圧が低いときは、長い波長帯に吸収特性を持っており、入力信号を吸収して光を遮断する（光信号OFF）。電圧を高くすると、短波長に吸収特性がシフトし、入力信号を吸収しなくなり光を透過する（光信号ON）。
一般的にLN変調器と比較すると小型にできるが、チャーピング特性は劣るため、長距離通信には向かない。


LN変調器:LiNbO3結晶(ニオブ酸リチウム)のポッケルス効果(電気光学効果)による屈折率変化を利用した光変調器。主要部分は、真ん中で2つの経路に分けられた導波路を電極で挟んだ構成をしている。電圧を印加していない場合は、光は透過するが（光信号ON）、電圧が印加されると、ポッケルス効果の影響で電極に挟まれた導波路の屈折率が変わり光の速度が変わるため、2つの経路で位相差ができる。電圧量と導波路の長さが計算され、分波された光がπの位相差を持って出てくるため、合波部分で打ち消され光は出力されなくなる（光信号OFF）。


・EA変調器とLN変調器の比較


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
25年第1回（データ通信）問３(1)WDM伝送システムの概要

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(ⅱ)
答え:①
解説
① 電気光学効果を利用した光変調器は、電界吸収効果を利用した光変調器と比較して、一般に、駆動電圧は高いが、小型にできる (正:大型になる) という特徴がある。

②③④正しい

補足
問題文の整理
設問に出てくる変調器を整理すると下記のようになる。
LN変調器　＝　電気光学効果を利用した光変調器　＝　マッハツェンダ干渉計を用いた光変調器　
EN変調器　＝　電気吸収効果を利用した光変調器

マッハツェンダ干渉計とLN変調器
マッハツェンダ干渉計は、1つの光源からの光を2つの光路に分け、その位相差を干渉によって検出する干渉計。LN変調器は、導波路によって2つに分けた位相のずれを利用しているため、LN-MZ変調器とも言われる。（MZ=マッハツェンダ）

・EA変調器とLN変調器の比較


直接変調:半導体レーザ(LD)に対して、信号（印加電流）を直接入力して強度変調する方式。直接変調する場合、数GHz以上の高速で変調を行うとチャーピングと呼ばれる光波長（光周波数）が変動する現象が起こり光のスペクトルが広がってしまい信号の劣化が激しくなる。一般に、直接変調は、一般に、10GHz程度までの変調に制限される。

外部変調:半導体レーザに対して外部から変調を加える方式。数十GHz以上の高速変調が可能である。


・チャーピング
半導体レーザでは、変調を行うために注入電流を変化させると、内部に屈折率の変化が生じ、その結果、波長（周波数）が変化する。この現象をチャーピングという。これによって、スペクトルが信号帯域を超えて広がってしまいファイバ伝搬中の波長分散の影響を大きく受けてしまうため通信品質に影響を与えてしまう。
・外部変調器の種類
外部変調器は、無変調された光を透過／遮断させることでON/OFFの強度変調を作り出す。また、外部変調器には、40 Gbit/s 以上の高速化を実現するための位相変調方式もある。
EA変調器(Electro-absorption:電界吸収型変調器):電界吸収効果を利用した光変調器。ダブルヘテロ型のpn接合（pn接合の間に別の層を挟んだ構成）に逆バイアス電圧をかけると、その強度によって特定の波長の光が吸収される性質を利用している。電圧が低いときは、長い波長帯に吸収特性を持っており、入力信号を吸収して光を遮断する（光信号OFF）。電圧を高くすると、短波長に吸収特性がシフトし、入力信号を吸収しなくなり光を透過する（光信号ON）。
一般的にLN変調器と比較すると小型にできるが、チャーピング特性は劣るため、長距離通信には向かない。


LN変調器:LiNbO3結晶(ニオブ酸リチウム)のポッケルス効果(電気光学効果)による屈折率変化を利用した光変調器。主要部分は、真ん中で2つの経路に分けられた導波路を電極で挟んだ構成をしている。電圧を印加していない場合は、光は透過するが（光信号ON）、電圧が印加されると、ポッケルス効果の影響で電極に挟まれた導波路の屈折率が変わり光の速度が変わるため、2つの経路で位相差ができる。電圧量と導波路の長さが計算され、分波された光がπの位相差を持って出てくるため、合波部分で打ち消され光は出力されなくなる（光信号OFF）。


類題
25年第1回（データ通信）問３(1)WDM伝送システムの概要

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(3)
(ⅰ)
答え:①
解説

①TCP/IPのプロトコル階層モデルはインターネットプロトコルスタックとして4層で構成されており、一般に、この4層のうちの最下位の層は物理層(正:リンク層【別名:ネットワークインタフェース層】)といわれ、物理的にデータを転送するための機能を担っている。

②③④正しい


補足
・OSI参照モデルとインターネットプロトコルスタックの構成比較
OSI参照モデルは7層、インターネットプロトコルスタック(TCP/IPプロトコルスタック）は4層に分れており、それぞれの対応は下図のようになっている。


・OSI参照モデルの各層の役割
アプリケーション層：メールやWebブラウジングなど具体的なアプリケーションサービスを規定する階層。
プレゼンテーション層：データの表現方法を規定する階層。アプリケーション固有の表現形式をネットワークの共通形式に変換する役割を持つ。
セッション層：通信プログラムの開始から終了までの一連の手順（セッション）を管理する階層。（例えば、暗号化通信のSSL/TLSでは、暗号化通信の開始・維持・終了を規定する）
トランスポート層：ネットワーク端末上で動くアプリケーション間の通信制御を行う階層。エラー訂正や再送制御など通信の信頼性を向上させる機能も提供する。
ネットワーク層：ネットワーク端末間の通信制御を行う階層。通信経路の選択（ルーティング）などを提供する。
データリンク層：直接つながっている機器間の通信制御を行う階層。
物理層：物理的な接続を規定する階層。コネクタ形状や電気信号の変換などが規定されている。

・トランスポート層のプロトコル
トランスポート層のプロトコルには、主に通信の信頼性を重きを置いたコネクション型のTCPと通信の高速性に重きを置いたUDPの2つがある。
TCP(Transmission Control Protocol) :コネクション型のトランスポート層プロトコル。再送やフロー制御など、信頼性の高い通信を実現する。TCPでは通信の開始時に3ウェイハンドシェイクが行われ、コネクションが確立される。
UDP (User Datagram Protocol) :コネクションレス型のトランスポート層プロトコル。TCPのように信頼性はないが高速な通信を実現する。リアルタイム性が必要な通信に利用される。

・TCPとUDPの比較

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(ⅱ)
答え:③
解説
①IPv6アドレスのビット長は、IPv4の32[bit]に対して2倍の64[bit](正:4倍の128[bit])となっており、IPアドレスの不足を解決することが可能とされている。

②IPv6のリンクローカル(正:グローバル)ユニキャストアドレス空間は、インターネットレジストリ(IR)といわれるアドレス管理組織により、上位ビットから階層的に分配、管理されている。

③ 正しい

④ IPv6ヘッダは可変長(正:固定長[40byte])となっており、動画伝送などのリアルタイム性が要求されるトラヒックやRSVP(Resource Reservation Protocol)によるQoSに対応することができる。

補足
・IPv6アドレスのビット構成
128[bit]を8ブロックに分け、各ブロックをコロンで区切り、それぞれを16進数で表示する方法が採られている。
（例）2001:0DB8:0000:1234:0000:5678:0000:1234

・IPv6アドレスの種類
グローバルアドレス:全世界で一意のアドレス。IPv4のグローバルアドレスと同じ。
サイトローカルアドレス:IPv4でいう、プライベートアドレス。自組織内で使用される
リンクローカルアドレス:ノードが直接つながっているリンク内のみで有効。インタフェースがリンクアップすると自己生成される

・IR（Internet Registry：インターネットレジストリ）について
IR（Internet Registry：インターネットレジストリ）は、IPアドレス（IPv4アドレス、IPv6アドレス）を管理し、割り振りを行う組織の総称。IRは、世界中の全IPアドレスを統括するIANA（Internet Assigned Numbers Authority）を頂点とした階層構造になっており、IANAの下に、世界の5地域（アジア太平洋地域(APNIC)、北米地域(ARIN)、欧州地域(RIPENCC)、中南米地域(LACNIC)、アフリカ地域(AfriNIC)）を管轄するRIR(地域IR）、その下にNIR（国別IR）、LIR（ローカルIR）と続いていく。日本のIPアドレスを管理するNIRは、JPNICと呼ばれており、その配下のLIRについてもリストが公開されている（https://www.nic.ad.jp/ja/ip/member/cidr-block-list.txt）。IPv6アドレスに関しては、IRによって上位ビットから階層的に分配・管理されている。（参考：IPv6アドレス割り振りおよび割り当てポリシー：https://www.nic.ad.jp/ja/translation/ipv6/20040714-01.html）


・拡張ヘッダの概念
IPv6では、通信オプションを追加する際、必須となる基本ヘッダ(40byte）に続けて、任意の拡張ヘッダ（可変長）を追加することで設定を行っている。拡張ヘッダが追加される場合には、基本ヘッダおよび拡張ヘッダ内の「ネクストヘッダ」フィールドに後続する拡張ヘッダがあることを示すことで、ルータなどのネットワーク機器に対して、その存在を知らせる仕組みになっている。IPv4では、通信オプションを追加する場合、IPv4ヘッダ内の可変長のオプションフィールドに情報を追加していたが、その場合、オプションが無い場合でも、中継する全ルータでそのオプションフィールドを確認する必要があり、処理するルータに負荷を与えていた。拡張ヘッダによるオプション設定では、オプションがない場合であれば、固定長の基本ヘッダを確認すれば良いだけなので、ルータに必要以上の負荷を与えなくて済む。このような理由から、IPv6では拡張ヘッダ方式が採用されている。


・主な拡張ヘッダの種類
主な拡張ヘッダの種類は以下の表のようになる。IPv6では、IPsecの実装が必須（使用は任意）となっており、IPsecで暗号化する場合は「暗号化ペイロードヘッダ(ESP)」、データの完全性を保証したい場合は、「認証ヘッダ(AH)」を拡張することで対応が可能である。


・IPv4とIPv6のQoS制御について
QoSには、DiffServ（Differentiated Services）とIntServ（Integrated Services）の2つのモデルが存在する。DiffServは、パケットに優先度をつけて、各ネットワーク機器内で優先度に応じてパケットを処理する方式の事であり、IPv4ヘッダのToS値やIEEE802.1QヘッダのCoS値を使ったQoS制御が該当する。一方で、IntServは、宛先までの経路上のルータに対して、必要な帯域を予約し、確保された帯域を使って優先的にパケットを転送されるQoS制御方式である。IntServの概念を使ったプロトコルにRSVP(Resource reSerVation Protocol)というものがあり、IPv6では、「フローラベル」フィールドを使って、このRSVPによるQoS制御が行われるように設計されている。


【参考】
・IPv4のパケットフォーマット
 

・各フィールドの説明



・IPv6の基本ヘッダのフォーマット
IPv6アドレスは、128bit(16byte)のため、送信元、受信先のIPアドレスを合わせると32byteのフィールドが用意されている。


・各フィールドの説明


類題
25年第2回（設備）問２(1)IPv4及びIPv6

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