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通信処理概論

システム工学群（電子・光系） 担当教員：野中 弘二

講義：6月9日～8月4日 第1回小テスト：6月30日 第2回小テスト：7月28日 最終テスト：8月4日

ノート②【TDM多重伝送】 【通信網構築】

多重通信方式 •  TDM（時分割多重）：同期が重要！ 　　データの読み取り、書き込み重ね合せの周期が正確に決定される必要がある 　　⇒フレーム同期周波数の統一

S2 S1

・・・

PCM（8bit2進数データ列）

サンプリングデータ

この周期を実現するにはネットワーク内の 【送受信端末・交換機・多重伝送装置】 全てのタイミングが「同期」している必要がある。

•  「網同期」 •  「フレーム同期」 •  「バイト多重」

125µm

8kHz(125µs)

フレーム同期 （ここに多chの多重データ）

・・・ ・・・ ・・・

ch1 ch2

S3

S2 S1

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TDM:網同期・Byte多重化

•  網同期→親局がクロック配信 　ネット内従属同期方式で125µsのフレームを同期 　クロック周波数とフレーム位相が完全に一致

•  なぜバイト多重(オクテット多重)→ 　64kbit/sの量子化ステップ8bitをばらさない

　キャラクタ信号+パリティでの直接処理可能

　↑＜TDM多重や品質監視が楽な組み合わせ＞

デジタル変調方式

ＰＣＭ して時間的に“1”，“0”の情報列送信 ⇒TDM：時分割多重

信号をサンプリング 　　　　 量子化 　　　　 2進符号化

1.  クロック周波数の網同期 2.  フレーム規格の統一，同期 3.  フレーム内に時間的に圧縮したByte情報をタイミングをずらして並べる 4.  誤り訂正など監視・管理ヘッダーをつける 5.  送信 ⇒ ビットごとの3R再生中継 ⇒ 受信 6.　群としてフレーム内に時間多重：「デジタルハイアラーキ」

多重の方法(TDM)

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多重の方法(TDM)

演習：TDM多重のビットレート

（多重化する際のビット数、ビットレートが変化する　例１）

0次群：１フレームで1サンプリング8bitを 　　24ch 多重化した場合 １フレーム周期(125µs)に24×8＋1=193bit

フレーム同期パルス（フラッグビット）

2次群　6.312Mbit/s 1次群 1.544Mbit/s

4ch多重 ⇒　1秒に6.312×106 bit 125µsに○bit ⇒　1秒に1.544×106 bit 125µsに△bit

193 193 193 193 ?

125µs

789bit/frame

｛6.312×106　｝×｛1.25-4×10　｝=789bit/frame ｛1.544×106　｝×｛1.25-4×10　｝=193bit/frame

17bit

（例題3：0次群から2次群に96ch多重化した場合、フレーム同期パルスは何ビット？）

（多重化する際のビット数、ビットレートが変化する　例2）

⇒　1.544×10 bit/s　 １次群インターフェース

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フレーム・ISDN・SDHの関係

SDH：TDMのメインメニュー！   同期デジタルハイアラーキを世界標準化　 1988CCITT　→　SDH ( Synchronous Digital Hierachy ) 　SDHではフレーム内に顧客情報＝ペイロードと 　　　　　　　　　　　管理ヘッダー（SOH,AU-Pointer)を搭載

  155.52Mbit/sを基本速度→フレーム基本単位

　STM-1( Synchronous Transport Module-1)

　　ＳＴＭーＮ　多重単位→追加のフラッグビット不要、 　　　　　　　　　　　　　　　　同期多重、リアルタイム(再送なし) 　　　　　　（滅多にエラーが起きない光通信前提）

STM0(52Mbit/s)~STM64(9.95Gbit/s),256(40Gbit/s+FEC) まで実用化

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世界標準化されたハイアラーキ 群の階層 群の構成 周波数帯域 チャンネル数

0次群 1×音声 64kbit/s 1

1次群 24×0次群 1.544Mbit/s 24

2次群 SG

4×1次群 6.312Mbit/s 96

3次群 （STM- 0）

7×2次群 51.84Mbit/s 672

4次群 （STM-１）

3×3次群 155.52Mbit/s 2016

5次群 （STM-４）

4×STM-１ 622.1Mbit/s 8064

6次群 STM-16

16×STM-1 2.488Gbit/s 16256

STM-48 48×STM-1 9.9952Gbit/s 4倍

STM-256 256×STM-1 約40~43Gbit/s 4倍

+Flag 1bit

+Flag 17bit

Flag-bit -追加なし

FEC誤り 訂正bit追加

STM-N多重（バイト多重）

固定同期パターンA1バイト（フラッグ）がフレームの同一箇所に続いているので追加のフラッグビットはもうけず、そのままNフレーム多重（ビットレートも単純にN倍）→管理　楽、単純

＊B1、B２はパリティ符号誤り監視の一種

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ペイロード 顧客情報をのせる領域（契約ユーザに部分貸しありVC） →信号と伝送路の保守・監視、アドレスデータ無し 　パケット交換やATM、IPはヘッダもペイロード上に

セクションオーバヘッド (Section Over Head : SOH)

•  A1..,A2..→フレーム同期の固定パターン(11110110 , 00101000)

•  C1→STM-Nの多重内順序指示 •  B1-2→BIP-8　パリティ符号誤り監視 •  E1-2、メンテ音声打ち合わせ用 •  F1、運用自由　Z1-2 予備 •  D1-12,データ通信チャンネル→監視制御データ •  K1-2,故障時自動切り替え・警報

注意点！：送信ノードも受信ノードも「固定された伝送装置間の通信」なので、行き先表示アドレスなどはありません。伝送品質管理のために特化した管理ヘッダです

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パスオーバヘッド (Path Over Head:POH)

  J1→固定パターンで導通確認   B3→BIP-8　パリティ符号誤り監視   C2→VC3(=0) or VC4(=1)を区別   G1、パス状態表示バイト   F2、ユーザチャンネル　運用自由   H4、位置表示 ペイロード中のVC位置

ポインタ(PRT:Pointer)

•  フレーム同期・データ頭出しを瞬時に取る手段 •  情報コンテナは125msにあわせて来るとは限らない →ペイロード頭とずれた信号を運ぶ手段

・全データをメモリして頭出しして送信

・ずれたまま乗せて、信号頭位置の情報を付加

•  ポインタ数値処理でフレーム位相ずれも吸収

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TCP/IPを支えるSDHと光通信

  インターネットプロトコルは再送制御 　→再送多では非効率

　→高速転送可能でエラーも少ない通信に乗っかる必要

　公衆網　SDH光伝送方式（誤り訂正、同期管理） 　大学内　ATM-光LAN　

  日本はあちこち光ファイバだらけ！

  高信頼の再送ないバックボーンがネット支える

  　IP を運ぶコンテナ 　　　　→SDH伝送方式とTDM/WDM光通信

TDM : 時分割多重

Ａ

Ｂ

Ｃ

Ｄ

時間

複数のパルス信号のタイミングをずらして重ねあわせる

高速の光のタイミング制御 が必要になる

10Gbit/sの信号を光パルス化　隙間に詰めこんで40多重化 1本の光ファイバに400Gbit/sの信号

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WDM : 波長多重

A

Ｂ

Ｃ

Ｄ

A

Ｂ

Ｃ

Ｄ

1本の光ファイバ 1台のEDFAで 一括処理可能 →省エネ

波長（色）の異なる光 細かい波長の合分波器が必要

各波長に分離

合波器 分波器

電気信号でSTM-64(10Gbit/s)　　波長の異なる40色の光で多重化 　　　　1本の光ファイバに400Gbit/sの信号

光ファイバ通信網 日本全国の主要都市間は 光ファイバリング、メッシュ で結ばれている 　総延長：700万ｋｍ@1997

高速伝送路

超高速伝送路

大阪

福岡

広島 名古屋

東京

仙台

札幌

海外へ

海外へ

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  完全グラフ（単純メッシュ）

伝送路数 N(N-1)/2, SW数N, 切り替えパス N-1 　使われない伝送路多　装置数・線路数多　

  完全星形（単純スター）

　伝送路数 N, SW数1, 切り替えパス N(N-1)/2 　使われない伝送路節減　伝送路占有大　SW負荷大

この組み合わせと回線の共用、多重を利用して 　リング型、多段階層（ツリー）型接続が用いられる

回線の利用数・率と多重共用でほど良い規模を決める

→トラフィック理論

通信網の基本接続形態

交換機

膨大なユーザやトラフィックで論理的にメッシュ型機能をどう実現？ →長距離転送に便利なリング網、多数エンドユーザ集約星形網 　組み合わせて階層型（ツリー型）ネットワーク形成

交換機

交換 交換

交換 交換

Osaka Nagoya Tokyo

NTT-West

NTT-East

Access: ISDN,ADSL,Modm

NTT-Com.

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公衆網構造：回線交換方式 (P108-109）

  電話ネットワークの階層構造1980年代にはほぼ完成

  　Tree 構成<<集約・多重化の発想>>　スター型とリング、メッシュの組み合わせ

  基幹局（~8）

  中心局（~60）

  集中局（~550）

  端局（~6000）

Osaka Nagoya Tokyo

NTT-West

NTT-East

Access: ISDN,ADSL,Modm

NTT-Com.

回線交換：スイッチの集約（Sスイッチ）P110

（Sスイッチ2段リンク接続）

スペース

・　空間分割スイッチ回路網 　　　　⇒N×N接点の巨大な箱

・　N×Mの大規模スイッチ数を小規模 　スイッチの複数モジュール化で節約 　　⇒多段リンク接続回路

β×α2　＋α×β2　=（α＋β）N=switch数 個 個 スイッチ スイッチ

出線 入線

β×α=Nとおけるαβ選択

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回線交換の集約（Tスイッチ）P111

吸吹呁

1　2　3　4 3　4　2　1

TDM-MUX 位相変換 TDM-DeMUX 1 2 3 4

3 4 2 1

α β γ

δ

（Tスイッチ）

タイム

・　時分割スイッチ回路網 　　　⇒TDM多重伝送技術を交換に利用

・　大規模データの切替を3段階のタイミング処理で対応 　　　　⇒多重化スイッチ 　　　　⇒位相変換スイッチ 　　　　⇒共通線スイッチ

Sスイッチ節約法：多段リンク接続

 　1000chを2段リンクで接続するスイッチ数，4段リンクで接続するスイッチ数，単純接続 　　からの削減率

• 　2段リンクで接続した場合の総スイッチ数は N= 1000 = α・β =25×40

5×200 20×50 25×40 50×20 200×5

β×α2　＋α×β2　=（α＋β）N=switch数 個 個 スイッチ スイッチ

入線 出線

よって、総スイッチ数は(25＋40)×1000 = 65000（個）

• 　単純接続した場合 N2　=1000000 よって、65000個を6.5％に削減 （あるいは93.5％削減）

総スイッチ数が最少になる組み合わせ

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演習：Sスイッチの多段リンク接続

• 　4段リンクで接続した場合の総スイッチ数は

α×α （25×25）

β×β （40×40）

625

1600

よって、総スイッチ数は、 40×250＋25×520=23000（個）

単純接続した場合は、N2=1000000 なので 23000個は2.3％への削減 　　　　　（あるいは97.7％削減）

25（5×5） =250

40（8×5） =520

5×5 5×5

呍呍呍

呍呍呍

5個

5個

5×5 8×8

呍呍呍

呍呍呍

8個

5個

 単位時間当たりに換算したトラヒック量 →[呼量（アーラン）]　

  次の利用者が回線を使えない確率 →[呼損率]　

回線交換のつながりやすさを設計 ：アーランの呼損式

回線数n

呼の生起率

呼の終了率

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演習：アーランの呼損式の活用例

例：3　回線を10人のユーザが各々単位時間あたり10分話したときの呼損率は？

∴約16％の呼損率

出線数nは3本、総呼量はa=5/3なので

を代入

単位時間当たりの総呼量

リアルタイムでない通信 蓄積型（パケット）交換機

•  データをパケット単位(256×2N)bitに分割

•  ヘッダ（フラッグ・アドレス・番号）付与 •  蓄積(遅延を許容） •  情報量(Packet個数)課金

•  似たサービス 　　→可変長フレームリレー

　　・固定長ATMセルリレー

　　　(53Byteセル、5Byteヘッダ）

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蓄積パケット交換 (p112～114)

• 　情報を固定長パケットに分割 • 　ヘッダにフラッグ・アドレス・番号付与 • 　アドレスをもとに近い交換機に送付 • 　混雑していたらメモリーで待機 　　　⇒あいたタイミングで送付 • 　受信側全ﾊﾟｹｯﾄそろった時点で再構成 →呼損回避できるが遅延発生　

→各交換機で逐次蓄積・転送 　遅延大

回線交換型ネットワークと パケット交換型ネットワークの比較（p114）

• 　ユーザが使用する回線を時間貸し • 　接続先は送信者が指定、「接続を確認後」リアルタイムで交換 • 　伝送路はリアルタイム信頼のSDH • 　混雑していたら接続できず 　　　　⇒接続できたら確実キープ

• 　細切れパケットを個別に課金、送信 • 　接続先はルータがアドレスを見て　パケットごとに指定、ゴールを待たず発信、接続断 • 　伝送路はSDH上のVCをプロバイダーが管理、いつ届くかはサーバ能力次第 • 　混雑したら待機、再送、接続断 　　 　⇒接続できても次のクリックでは1から接続 チャレンジ直し

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LAN コンピュータネットワーキング（p119）

  データ通信は有象無象の技術の混在

・TCP/IP　・UDP Streaming　・IPX,AppleTalk　・ISDN　・ATM

  統一プロトコル体系は望み薄

異なる機器、ネット間をつなぐ仕組み →ある層のみの共通規格、変換・接続

機能レイヤー 処理規格: 処理単位 通信を橋渡しする機器

アプリケーション層 Telnet.FTP:Application アプリケーションゲートウェイ，サーバ

トランスポート層 TCP/UDP: File トランスポートゲートウェイ

インターネット層 IP:Packet ルータ

データリンク層 : Byte, Frame ブリッジ

物理層 Ethernet:bit,Byte リピータ（ハブ）⇒共有バス型

トランシーバ ブリッジ

リピータ （ハブ）

ゲートウェイ

ホストPC

ターミネータ

Ethernet

フルメッシュ型 スター型 リング型

バス型 ツリー型

通信網の基本設計要素：ネットワーク構成

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IPパケット交換を利用したLANとインターネット (p118)

Internet:ネットワーク同士がたくさんつながった「ネットワークの集合体」

IP プロトコルを共通言語とし、異なるネットワーク間の 相互通信を実現　もともとはリスクの分散が目的

多くのLANと公衆網が無償でネットワーク伝送路を 相互利用。相互接続拠点IX（Internet Exchange) は東京等都会に一極集中

LAN(Local Area Network):各組織が自前で構築するプライベートなネットワークネットワーク

最近はEthernet規格の機器を利用したTCP/IP on ATMやon Fiberを基本としている

公衆網とは、有料の専用線伝送路コストを支払って接続

マルチメディアと公衆網SDHの位置づけ

•  低速(64k-数Ｍ)を束ねた中速(52-155M)以上のデータを多重化して、瞬時に1Byte誤りも無く伝送する手段

→ 信号と伝送路の保守・監視、アドレスデータ無し、パケット交換やATM，IPはヘッダもペイロード上に

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インターネットプロトコル ：IPパケットに含まれる情報 (p119)

  IPv4データグラムフォーマット ・ヘッダ（20Byte+オプション）・ボディ全長　64kByte以下 ・TOS　QOS に使用したい→無視！ ・ID　実際許容長はネット下位層で制限→無視 ・TTL　ネット滞在許容時間　セット数×255秒→無視 ・上位層プロトコル、ヘッダチェックサム→無視

・送信、受信アドレス　各4オクテット（32bit）

・パケット番号　・フラッグバイト

→もうすぐ枯渇する？　IP-Ver.6へ移行作業進む

  アドレスフォーマット:4オクテットの内訳は次ページ

IPv4アドレスとルーティングp119   アドレスフォーマット:4オクテット(32bit) ・ClassA: 0nnnnnnn.hhhhhhhh.hhhhhhhh.hhhhhhhh　LAN内に16777214台接続OK ・ClassB: 10nnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh.hhhhhhhh　LAN内に65534台接続OK ・ClassC: 110nnnnn.nnnnnnnn.nnnnnnnn.hhhhhhhh　LAN内に254台接続OK

  ネットアドレスの表記　　例　ClassB 140.44.165.20　 　　　　　　　　　　　　　　　　　10001100　00101100　11100001　00010100 ネットワークのアドレス　ネット内のホストのアドレス

  ネットマスク設定の意味　255.255.255.0　はLANのアドレス部（11111111）が   　Class-Cで規定され、0(00000000)の部分にホスト番号を振れることを意味する。   サブネットマスク　例B 255,255,240,0　 240→11110000

　本来はClassBであるがユーザ側で外向けサブネット桁と隠れるホスト桁を設定 ホストアドレスの番号をグループ化したサブネットとその下に接続するホスト数に振り分け

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注: netアドレス、ホストアドレスとも

全て1や全て0は不許可！

注: ルータだってホストです！

演習問題：アーランの呼損率

問題：　A～Tの20ユーザがそれぞれ1時間当たり10分回線を使用した場合の、【Q1】呼量、【Q2】外部接続2回線のときの呼損率、【Q3】呼損率が10%以下になる最小の外部接続回線数を求めよ。

交換機

A B C

・・・

T・・・

・・・

R S

外部接続

20ユーザ

1時間当たり10分回線を使用

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演習問題：アーランの呼損率（解答）

出線数は2本、総呼量は10/3なので　　n = 2 ，a =10/3を代入

∴約56％の呼損率

Q2　

Q1　

∴呼量は10/3アーラン

Q3　

回線数n の値を変え、アーランの呼損率の式で順番に計算して行く。

【 n=6 < 10% < n=5 】より10%以下の最小回線数は6本

n = 5 のとき

n = 6 のとき

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演習問題：回線交換 問題：　下図を用いて答えよ。【Q1】S-SWを2段リンクでSW数を削減し、【Q2】いくつのT-SW，S-SWでいくつの回線を処理しているか求めよ。

T-SW

T-SW

T-SW

in 1 in 2 in 3

in 1′

in 100′

in 4 in 5 in 6

in 298 in 299 in 300

呍呍呍　

呍呍呍

in 2′

S - SW out 1 out 2 out 3

out 1′

呍呍呍　

呍呍呍

out 4 out 5 out 6

out 2′

out 100′ out 298 out 299 out 300

多重化器 逆多重化器

演習問題：回線交換（解答）

Q2　

単純接続した場合，　N×N=(100)2=10000(SW)

(10×10)のSWにした場合 102(SW)×10group＋10group×102(SW) =(10＋10)×102=2000(SW)

∴80%削減 又は 20%削減

Q1　

T-SW 100個，S-SW 1個，300回線の処理