自動化により光波長パスの設計・設定を数時間から数分へと大幅に短縮

　NTTとNECは10月13日、通信需要に応じたデータセンタ間の大容量低遅延接続の実現に向け、IOWN Global Forumにてアーキテクチャの制定が進んでいるAPNを活用した光波長パス設計技術を確立し、トリノ工科大学、コロンビア大学、デューク大学、ダブリン大学と共同で、National Science Foundation (NSF)の COSMOSテストベッドを用いてフィールド実証を行ったことを発表した。

　NTTとNECは「本成果により、これまで、熟練作業者が2～3時間以上かけて行っていた光波長パスの設計・設定を自動化により数分で実施することが可能となった。これはNTTやNEC等がIOWNにて提唱している、必要な対地間をオンデマンドに光波長パスで接続し、分散されたデータセンタ間で大容量低遅延通信を行うデータセンタエクスチェンジ (DCX) サービス（図1）の実現に大きく貢献する」としており、「本開発実証結果に関してはECOC 2023で報告しBest Paperに選出され、スペインで開催されたTelecom Infra Project Fyuz eventにて紹介した」と説明している。

研究の背景

　AIを活用したサービスの普及に伴い、データセンタ需要が急増している。また、光伝送の分野では、デジタルコヒーレント技術やシリコンフォトニクス技術などの技術革新を背景にDWDMトランシーバの大容量化・小型化・省電力化が急速に進んでいる。この潮流は、コヒーレントDSPとシリコンフォトニクスが一つのパッケージに実装されたCoherent co-packaged device等の光電融合技術によってさらに加速すると考えられ、DWDMトランシーバを用いた莫大な数の光波長パスを設定するための自動設計・設定技術が求められている。
　一方、コンピューティングリソースを収容するデータセンタの建設・運用の分野においても、これまで都市部に集中していたデータセンタに対し、電力やインフラスペースが豊富で災害リスクを分散できる郊外への移転が進んでおり、遠隔地を高速・低遅延に接続する光波長パスの必要性が高まっている。しかしながら、従来のDCIは一対一のシンプルなトポロジで、かつ単一ベンダ・単一伝送モードで装置を構成するのが一般的であるため、規模拡張性に乏しく、データセンタの分散化を大規模に進めることが困難だった。
　そこでNTTは、IOWN Global ForumメンバーであるNECと連携し、都市部に分散している多数のデータセンタ間を光ファイバで直接接続するデータセンタエクスチェンジ (DCX) のサービス実現に向け、技術検証を行ってきた。DCXは面的に展開した多対多のデータセンタ拠点間において光波長パスを用いて需要に応じて迅速に接続する構成となる(図2）。従来のDCIとは異なり、ユーザアクセス区間・キャリア区間にまたがって複数ベンダの装置を制御し、リンクの光信号品質に適した様々な伝送モードでオンデマンドに光波長パスを設定する必要があるため、DCXの実現には新たな技術開発が必要だった。

研究の成果

オンデマンド光波長パス設計技術
　オンデマンドにエンド・ツー・エンドの光波長パス接続を提供するには、ファイバ伝搬や光アンプ・光伝送装置・光スイッチのノイズによる光信号品質の劣化を短時間で算出する必要がある。近年、トリノ工科大学が提案したガウシアンノイズ モデルにより、長距離伝送時の光ファイバ非線形光学効果に起因する光信号品質劣化を短時間で計算できるようになり、多くのオペレータによってその精度が証明されてきた。一方でDCXが対象とする100～200km程度の短距離区間においては長距離伝送とは光信号品質劣化の支配要因が異なり、光伝送装置などこれまでに十分に考慮されていなかったノイズの影響を加味したモデル化が必要だった。
　NTTは本課題解決に向け、ガウシアンノイズ モデルのコンセプトを応用し、短距離区間にも適用可能な光信号品質の計算アルゴリズムを確立するとともに、複数のユーザアクセス区間・キャリア区間にまたがる場合や多種多様なWDMトランシーバを利用した場合でも、最小限のプローブ光を通すだけでオンデマンドにエンド・ツー・エンドの光波長パスを設計・設定可能な手法を提案した (図3)。そして、トリノ工科大、およびファイバ非線形光学効果と光伝送システム商用実装の知見を持つNECとともにその検証を行った。さらにNTTは、これを実現するためのユーザ拠点端末と通信事業者機器が連携・協調するアーキテクチャおよびコントロールプレーンのプロトコルを考案してきた。

オープンプラットフォームを活用した方式実装と実証実験

　NECは、NTTが考案したオンデマンド光波長パス設定手法をIOWN Global Forum, OpenROADM MSA,Telecom Infra Project (TIP)により制定されたオープンなインタフェース・アーキテクチャ・ツールを適用したLinuxベースのオープンプラットフォーム（ハードウェア、ソフトウェア、規格）を活用して実装した。オープンプラットフォームの構成要素として、TIPにてオープンに仕様化されたトランスポンダであるPhoenix, TIPでオープンソースとして開発された「トランスポンダを抽象化しベンダ間の差異を抽象化するインタフェース」であるTransponder Abstraction Interface, 同じくTIPでオープンソースとして開発されたNetwork OS (NOS) であるGoldstoneをベースとしたNEC NOS、OpenROADM MSAで標準化された伝送モード、IOWN Global Forumにてオープンに規定されたAPN機能アーキテクチャなどを活用した。なおNECは、NTT、Telia、Telefonica、Vodafone、Deutsche Telekom、MTNが定義したネットワークオペレータとしての商用利用のための要求仕様約160項目をクリアし、ネットワークオペレータによるテストをパスしたことを証明するSilver Badge認定を世界で初めて獲得している。
　またNTTとNECは、コロンビア大学・デューク大学・ダブリン大学の協力のもと、NSF出資による米国の学術網「COSMOSテストベッド」にて本手法のフィールド検証実験を行った (図4)。COSMOSテストベッドはニューヨーク市に構築された学術網であり、マンハッタンに敷設されたフィールドファイバ（BoldynとCrown Castleにより提供）や光アンプ・光ファイバスイッチ・光波長スイッチ(ROADM)を備えている。このCOSMOSテストベッド上にDCXを模擬した、ユーザ データセンタとキャリア網、それらを繋ぐアクセスファイバから構成される実験系を構築した。NTTとNECが実装した光信号品質の計算アルゴリズムおよび光波長パス設定手法により、短距離と長距離のルートについて光信号品質の計算結果をもとに適切な光伝送装置の伝送モードを設定し、約6分で光波長パスの設計・設定が自動的に完了することと、この方式をDCXサービスに適用した場合の誤差が十分小さいことを確認したという。

今後の展開

　NTTとNECは「今後は、ダブリン大学・デューク大学が推進する転送学習を使った光アンプ特性推定などの新規機能との連携や、トリノ工科大学の推進しているオープンな伝送設計ツール「GNPy」との連携などのさらなる性能向上および標準化活動を推進する。また、Orangeや中華電信などのIOWN Global Forum内の海外キャリアと協力し、光伝送ネットワーク制御のためのオープンなコントローラであるTransport PCEも活用して、IOWN Global Forumにおける機能アーキテクチャへの反映と他団体への普及・標準化活動を通じてAPNの普及・商用実装を推進していく」との考えを示している。