28年 第2回 「伝送設備」



28_2_setubi_1_(1).png

問1
(1)
ア:⑬ CDN
イ:⑩ VOD
ウ:⑮ マルチキャスト
エ:⑤ RTP


補足
CDN(Contents Delivery Network):コンテンツ配信に特化したネットワーク。主にコンテンツサーバのアクセスを負荷分散し、ユーザに遅延の少ないコンテンツ提供することを目的としている。CDNでは、地理的な概念も考慮し、各地域に配置されたキャッシュサーバのうち、ユーザの近くにあるキャッシュサーバを選んでコンテンツを提供する。これにより、無駄なトラフィックを削減し効率的なコンテンツ配信を実現できる。
cdn.png

IP放送(IPマルチキャスト放送):衛星放送や、ケーブルテレビ(CATV)などと同じような多チャンネル放送サービスをIPネットワークで配信する技術
IP再送信:地上波放送などのテレビ用コンテンツをリアルタイムでIPネットワークを使って配信すること。放送局が電波で配信したコンテンツを通信事業者が受信し、そのコンテンツをIPネットワークで再配送することでインターネットに接続したユーザでもテレビのコンテンツを視聴することができる。
VOD(Video On Demand):放送局から一方向的に配信されるコンテンツと違い、ユーザの要求に応じてコンテンツが配信される放送方式

マルチキャスト通信:グループ分けされた特定のユーザに対して同時通信を行う通信。

RTP(Real-time Transport Protocol):音声や動画などのデータストリームをリアルタイムに配送するためのプロトコル
RTSP(Real Time Streaming Protocol):サーバ・クライアント間のストリーミング制御に関するインタフェースを規定しているプロトコル。このプロトコルにより、再生、停止、早送り、巻き戻しが可能になる。

類題
(同一問題)25年第1回(設備)問1(1)IPTV




28_2_setubi_1_(2)i.png

(2)
(ⅰ)
答え:②
解説
①SDH装置からの光信号は、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電気信号に変換され、等化増幅及びリタイミングの2R機能(正: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、波長制御された光信号に変換される。

② 正しい

③伝送路区間に置かれる中間中継装置では、一般に、光ファイバ増幅器が用いられており、WDM信号は、この光ファイバ増幅器で光信号のまま識別再生(正:線形増幅)された後、伝送される。

④伝送されたWDM信号は、受信側WDM装置の光スプリッタ(正:光合分波器)で各波長の光信号に分離され、SDH装置への光信号はトランスポンダを経由して伝送される。

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。

【参考】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)



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



28_2_setubi_1_(2)ii.png

(ⅱ)
答え:①
解説
①ROADM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OSSといわれる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、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





28_2_setubi_1_(3)i.png

(3)
(ⅰ)
答え:④
解説
④IP電話で利用される050番号の構成において、050に続く4桁は市内局番(正:事業者の識別番号)であり、電話番号と電話が設置された地域(正:IP電話サービスを提供している事業者)が関係付けられている。

補足
注意
平成27年に0AB-J IP電話の品質要件のうち、以下の項目が変更になっています。平成27年以前/以降の問題では、正解が異なりますので、ご注意ください。

・総合品質:「R値:80以上」が削除
・ネットワーク品質
-UNI-UNI間のパケット損失率:「0.1%以下」から「0.5%未満」に変更
-UNI-NNI間のパケット損失率:「0.05%以下」から「0.25%未満」に変更


・電話番号体系について
IP電話番号の体系には、「0AB~J番号」「050番号」の2つが存在する。
「0AB~J番号」は元々、アナログ電話でのみ使われていた電話番号体系であったが、総務省で定められた品質を満たしたIP電話網であれば、「0AB~J番号」を割り当てられるようになった。
0AB~J番号050番号
電話番号の例03-1234-5678050-1234-5678
端末設置場所固定規定なし
品質高(下表参照)低(R値:50超、
平均遅延400ms未満)
※平均遅延は、片方向の値
IP電話に0AB~J型の電話番号を割り当てるためには、総務省が定める通信品質を満たす必要があり、その通信品質は、「接続品質」、「総合品質」、「安定品質」、「ネットワーク品質」の4項目で規定されている。また、FAXや緊急通報が行える必要もある。
・0AB~J番号の品質
接続品質呼損率:
0.15 以下(国際電話発信は 0.1 以下、国際電話着信は 0.11 以下)
接続遅延(※1):
30 秒以下
総合品質端末設備等相互間の平均遅延:
150 ミリ秒未満
ネットワーク品質
平均遅延:
【UNI-UNI 間】70 ミリ秒以下
【UNI-NNI 間】50 ミリ秒以下
平均遅延のゆらぎ:
【UNI-UNI 間】20 ミリ秒以下
【UNI-NNI 間】10 ミリ秒以下
パケット損失率:
【UNI-UNI 間】0.5%以下
【UNI-NNI 間】0.25%以下
安定品質アナログ電話用設備を介して提供される音声伝送役務と同等の安定性が確保されるよう必要な措置が講じられなければならない。
FAXファクシミリによる送受信が正常に行えること。
緊急通報(※2)緊急通報を、その発信に係る端末設備等の場所を管轄する警察機関等に接続すること等

※1 接続遅延の詳しい規定文は「事業用電気通信回線設備が電気通信番号送出終了を検出した後、発信側の端末設備等に対して着信側の端末設備等を呼び出し中であること又は着信側の端末設備等が着信可能な状態でないことの通知までの時間が30秒以下であること。」となっている。
※2緊急通報は、110 (警察)、119 (消防)、118 (海上保安本部)との接続の事

・「総合品質」と「ネットワーク品質」の区間イメージ(平成27年改正後)
IP_tel_qual3.png

参照:(総務省)安定品質以外の品質要件の見直し等について:https://www.soumu.go.jp/main_content/000375636.pdf

・インターネット電話:インターネット回線上でVoIP技術を利用して提供される音声通話サービス。IP電話(0AB〜J番号や050番号)と比較して専用のIP回線を利用していないため、音声品質は低いが無料で利用できるなどのメリットがある。SkypeやLINE電話などが挙げられる。

・IP電話(050)の電話番号構成
050-(4桁)4桁)
事業者の識別番号加入者固有番号

・事業者識別番号:事業者ごとに割り当てられている番号。識別番号と事業者の対応表は、総務省が発行している。(「総務省」電気通信番号指定状況:https://www.soumu.go.jp/main_content/000697572.pdf
・加入者固有番号:事業者が加入者ごとに割り当てる番号


類題
25年第2回(設備)問3(1)IP電話網における音声伝送品質




28_2_setubi_1_(3)ii.png

(ⅱ)
答え:③
解説
①IP電話で用いられる音声符号化方式の一つとしてPCM方式があり、この方式では、一般に、300[Hz]~3.4[kHz]のアナログ音声信号を4[kHz](正:8[kHz])で標本化した後に量子化と符号化を行っている。

②PCM方式には、量子化雑音を信号に対して十分小さくするため、小振幅信号に対して粗い(正:細かい)ステップで、大振幅信号に対して細かい(正:粗い)ステップでそれぞれ量子化することにより、少ないビット数で必要とする量子化雑音特性を満足させる非直線量子化の技術がある。

③ 正しい

④ITU-T勧告G.722で規定されたオーディオ符号化方式は、符号化帯域が50[Hz]~7[kHz]であり、SB-ADPCM(帯域分割適応差分パルス符号変調)を用いて、符号化データをPCM方式の2倍(※)のビットレートで伝送している。(※PCM方式は64kbit/s。SB-ADPCM方式は、48、56、64kbit/s。いずれにしても1倍以下になる)

補足
・ITU-Tで標準化された音声信号の符号化方式
ITU-T勧告符号化方式ビットレート
(kbit/s)
説明サービス分類
G.711PCM符号化方式64PCM符号化を使って、サンプリング周波数8kHz、非線形量子化8bitで音声アナログ信号をデジタル信号に変換する。符号化則として、μ-lawとA-lawの2つがある。ISDN標準端末、IP電話機波形符号化方式
G.722SB-ADPCM48/56/6450~7kHz(サンプリング周波数:16kHz)の広帯域の音声符号化。高周波数帯と低周波数帯の2つに分けてADPCM符号化を行い、高周波数帯を粗く量子化することでビットレートを抑える。会議システム、放送中継波形符号化方式
G.726ADPCM32適応予測と適応量子化を用いることで、PCM符号化方式と同等の音声品質を保ちながら、32kbit/s(PCM方式の1/2)で伝送する方式PHS、デジタルコードレス電話機波形符号化方式
G.729CS-ACELP8音声波形ではなく、コードブックに登録された波形パターンの番号と音声の特徴情報を送ることで情報量を飛躍的に減らした方式IP電話機、インターネット電話機ハイブリッド符号化方式


※PCM符号とPCM符号化方式(PCM方式)について
PCM符号化は、音声アナログ信号から「標本化⇒量子化⇒符号化」という手順でデジタル信号に変換するための符号化技術の事を表しており、CD-ROMやその他の技術にも応用されている(サンプリング周波数や量子化方法は、用途に応じて使い分けられる)。PCM符号化方式(PCM方式)は、ISDNサービスの展開に伴い、デジタル音声通話のために開発されたITU-Tの規格のことで、サンプリング周波数や、非線形量子化の方式などが細かく規定されている。両者は、混同しやすいので注意が必要。

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。
degrade3.png

・PCM符号化方式における標本化について
人間が話す音声を明瞭に聞き取れる音声帯域は 300Hz~3.4kHzとされている。シャノンのサンプリング定理に基づき、元の波形を復元するには、原音の周波数の2倍以上で標本化(サンプリング)することが必要であるとされているため、IP電話におけるPCM符号化方式では、300Hz~3.4kHzの2倍以上である、8kHzで標本化が行われる。

・非直線量子化
量子化ステップ(目盛り)が等間隔である直線量子化と比較して、等間隔でない量子化ステップを使って量子化する方式。振幅の小さい波形(小さい音)に対しては、細かい量子化ステップを使用し、振幅の大きい(大きい音)に対しては、粗い量子化ステップを使用する。一般的に音声信号は、振幅の小さい波形が全体を占める割合が多く、非直線量子化を使用した方が出現頻度の多い小さい波形の量子化雑音を抑えることができるため、信号全体のSN比(信号雑音比)も改善される。
senkei_hisenkei_ryousika.png

CS-ACELP(Conjugate Structure - Algebraic Code Excited Linear Prediction)の仕組み
音声信号を10msずつ区切って、コードブックの波形パターンから類似しているものを選択し、その波形パターン番号、音声のピッチ、大きさ、その他の音声情報を合わせて80bitの符号情報として1秒に100回の速度で送信する(80bit×100回=8kbit/s)。受信側では、コードブックを使用して、波形パターン番号とその他の情報から音声を再現することができる。実際の波形ではなく波形パターン番号を送ることにより飛躍的に伝送する情報量を減らすことができる。
CELP_sikumi.png

SB-ADPCM(Sub-Band Adaptive Differential Pulse Code Modulation:帯域分割適応差分パルス符号変調)について
SB-ADPCMは、テレビ会議や電話会議など高音質な音声が求められる通信において、50~7kHzの広帯域音声を対象に使われる符号化技術。QMF(Quadrature Mirror Filter)フィルタと呼ばれるフィルタを用い、音声を低周波数帯と高周波数帯に分けて、それぞれにADPCM符号化を行う。低周波数帯域では、1サンプルあたり4、5、6bitで量子化を行い(ここでの選択により、ビットレートが48、56、64kbit/sに変化する)、高周波数帯では、1サンプルあたり2bitで量子化が行われる。
SB_ADPCM2.png

【参考】
ADPCM(adaptive differential pulse code modulation:適応差分PCM):適応予測と適応量子化を使用した差分PCM方式。PCM方式と同等の音声品質を保ちながら、32kbit/s(PCM符号化方式の1/2)で伝送することができる。PHSなどで使用される。

<ADPCMで使用される技術>
ADPCMでは、適用予測と適応量子化を使って、情報量を削減している。
・差分PCMと、それを応用した適用予測
音声は、連続性のある波形のため、隣接する1つ前の値から大きく変化することは少ない。そのため、波形の振幅値ではなく一つ前の値からの差分値を用いた方が、1サンプル当たりの情報を少なくできる(例えば、最大の差分量が128値で表せれば、8bit(256値)⇒7bit(128値)を使うことができる)。このように差分信号を量子化する方式を差分PCM(DPCM)という。更に、音声情報は、過去の信号と密接に関係しているため、将来の信号の予測を立てやすい。その特性を利用し、将来の音声信号の予測を立て、実際の信号とその予測値との差分値を伝送信号として使うことで更に情報量を減らすことができる。この技術を適用予測といい、ADPCMで使われている。
ADPCM_tekiou_yosoku2.png

・適応量子化
差分PCMにおける差分値を更に圧縮するため、振幅の変化が急激な部分は量子化ステップを大きくし、変化が緩やかな部分は量子化ステップを小さくすることで圧縮効率を更に上げることができる。
tekiou_ryousika2.png







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