柔軟なサービス提供に向けた将来の 光アクセス技術
アクセスシステム つくばフォーラム2014 ワークショップ WDM/TDM-PON モバイル 柔軟なサービス提供に向けた将来の 光アクセス技術 お お た か あ き ひ ろ 大髙 明浩 NTTアクセスサービスシステム研究所 プロジェクトマネージャ これまで光アクセスは，より高速で安定したインターネットアクセ スの用途で広まってきました．一方，変化しつつある今後の市場に対 応するためには，単純な高速化に向けた技術開発だけでは解決できな い課題がみえてきました．次世代の光アクセスに向けてはリソースを 柔軟に利用するという考え方を用いる必要があると考えています．本 稿では，その概要とそれを実現するためにNTTアクセスサービスシス テム研究所で取り組んでいる技術の例を紹介します．なお，本特集は 2014年10月17日に開催された「つくばフォーラム2014」ワークショッ プでの講演を基に構成したものです． 次世代の光アクセスの課題 光アクセスは主にインターネットの ■固定回線 度に遠く及ばない状況です．さらに， 固定回線のユーザ当りのトラフィッ トラフィック増加の傾きをみると，ト ク量の経年変化を図1に示しま ラフィック増よりも技術の進歩による （1） ,（3） ,（4） ブロードバンドアクセス用途で広まっ す ．平均的には回線当り数100 速度増のほうが早いことが分かります． てきました．50 Mbit/sのPON （Passive kbit/s程度のトラフィック利用しかな ここで考えるべきは，このような議 Optical Network）で開始されたFTTH く， 1 Gbit/sの回線であれば 1 日に10 論は平均値の議論であって，まれに発 （Fiber To The Home）サービスは， 秒程度の通信量しかないことを示して 生する事象をカバーしていないという B（Broadband）-PONを 経 て， 現 在 います．また，上位 1 ％のヘビーユー ことです．PONなどの 1 つのアクセ はGE（Gigabit Ethernet）-PONシス ザにとっても平均速度は数Mbit/s程 スシステムにおいて帯域をシェアする テムにより最大 1 Gbit/sのサービスが 度であり，アクセスで提供している速 ユーザ数の規模では，必ずしも統計多 提供されています．総務省の統計によ ると， 日本のインターネットトラフィッ （kbit/s） 100,000,000 クは固定回線利用が約2.9 Tbit/s（2014 年 5 月） ，移動通信利用が約620 Mbit/s 1,000,000 れ ぞ れ 年 率30%，50%程 度 の 増 加 と クはますます増加する傾向があるもの 速 度 なっています． このように， トラフィッ 向がみえてきているなど，環境が変化 100 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 NTT技術ジャーナル 2015.1 1998 54 1997 状況を考えてみます． 上位 5 ％ ユーザ平均トラフィック （ダウンロード） 1996 動通信向け光回線のそれぞれについて 10 上位 1 ％ 1995 となるのでしょうか？ 固定回線，移 NG-PON2 10,000 1,000 将来に向けて光アクセスには何が必要 XG-PON 10GE-PON G-PON GE-PON B-PON 100,000 の，最近では光回線数の増加に鈍化傾 しつつあります．このような状況で， 標準化 10,000,000 （2014年 6 月）となっており（1），（2），そ 図 1 固定回線利用のユーザ当り平均トラフィックの推移 （年） 特 集 重効果が期待できません．このため， は光回線速度に十分な余裕がある状況 ています．モバイルの容量の拡大は無 アクセスにおいてはまれに発生する事 です．一方で，光回線には無線の速度 線伝送速度の向上に加え，小セル化， 象を考慮したうえでサービスを問題な 以上の速度が要求されます．今後，第 セルの密度の向上，周波数バンドの拡 く提供可能かどうかが， 1 つの重要な 5 世代移動通信に向けて10 Gbit/s超 大などにより実現される方向です．こ ポイントとなります．例えばIPでの の無線速度の実現が検討されており， の際，より多くの光回線が必要となり 映像サービスでは，コンテンツの帯域 光回線には現状広く提供している ます（図 3 ） ． とサービス上の同時視聴可能チャネル 1 Gbit/s以上の速度が要求されます． 数の全ユーザの合計値がアクセスの総 また，モバイル技術の進展により， さらに，モバイルに関する特有の課 題もあります．モバイルネットワーク 帯域以下になっていれば，全契約者が 光の速度面での拡張だけではなく，ま は基地局とコア網をつなぐバックホー 最大限まで視聴したとしても必ずサー すます光を利用する方向になると考え ルと，基地局と張出基地局を結ぶフロ ビス提供が可能になります．一方，こ のためには，平均的な利用量からみた 帯域よりも大きな容量がアクセスシス （kbit/s） 100,000,000 テムには必要となってしまい，無駄に 5G LTE-A 10,000,000 リソースを抱えている状況になりま 1,000,000 においては，特定の用途や帯域そのも 100,000 速 度 す．今後の光コラボレーションモデル のをコラボレーション先の事業者へ保 10,000 障するなどのビジネスモデルが進展す 1,000 ると考えており，このような無駄が生 100 10 当てることが経済的な光アクセスの提 供に向けて必要となります． ■移動通信向け光回線 3.5 Ｇ 基地局当り トラフィック 3 G 光回線平均 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 じることなく効率的にリソースを割り LTE （年） 図 2 基地局当り平均トラフィックの推移 移動通信の基地局は光回線でネット ワークと結ばれていますが，この回線 のトラフィックは利用者の増加と利用 セクタ数の増加 者当りの通信量増加の相乗効果でトラ フィックが増えている状況です．現状 アンテナ では，光回線速度のほうが無線速度よ 容量 拡大 光 りも大きいために無線区間が帯域のボ トルネックとなっている状況です． 移動通信のトラフィック量を基地局 数で割って算出した基地局当りのト ラフィック量の推移を図 2 に示しま 光 光 スモールセル 光 2.1 GHz 光 1.5 GHz マクロセル 周波数 バンドの 拡張 800 MHz 図 3 無線基地局の光回線適用例 （2）〜 （5） す ．固定回線と同様に平均的に NTT技術ジャーナル 2015.1 55 つくばフォーラム2014 ワークショップ ントホールに分類されます（図 4 ） ． があると考えています．ここでは，別 （WDM: Wavelength Division Multi- バックホールはトラフィック量に応じ の ア プ ロ ー チ と し てNTTア ク セ ス plexing）技術により，時間分割多重 た速度を持つ高速で高信頼のパケット サービスシステム研究所で取り組んで （TDM: Time Division Multiplexing） ネットワークです． 一方， フロントホー いるいくつかの技術を紹介します． PONを同一のファイバ上に複数重畳 ルは，電波のエリアが重なる複数の張 ■WDM/TDM-PON す る シ ス テ ム で す（ 図 5 ） ． 現 在， 出基地局の間の協調処理を基地局内部 ITU-Tに てNG-PON2（Next Gener- WDM/TDM-PONは， 波 長 多 重 で 容 易 に 実 現 す る た め のC-RAN （Centralized-Radio Access Network） 構成で用いられます．この構成では， コア網 張出基地局で高周波処理のみを行い， ベースバンド信号処理などは基地局で 行うため，フロントホール部分は無 線の電波波形をデジタル化したCPRI （Common Public Radio Interface）信 号が利用されます．CPRIはユーザ通 信の有無にかかわらず固定レートであ り，無線伝送速度の約16倍の速度が必 要となります．例えば，150 Mbit/sの ･ 高速，高信頼のパケットネッ トワーク バックホール BBU 基地局 BBU 基地局 フロントホール RRH を実施することにより，ア ンテナ間協調を容易化した フロントホール RRH RRH C-RAN RRH ･ 無線信号をデジタル化して 伝送 張出基地局 張出基地局 LTE（Long Term Evolution） で あ ･ 基地局でベースバンド処理 BBU: Battery Backup Unit RRH: Remote Radio Head 図 4 移動通信ネットワーク構成例 れば2.4 Gbit/sの光伝送速度が必要と なります．この方式をそのまま採用す ると，第 5 世代移動通信で10 Gbit/s 超の無線を実現する際には，張出基地 局当り160 Gbit/sの光アクセスが必要 TDM-PONを波長多重し総帯域を拡張：40 Gbit/s級∼ P2Pシステムを波長多重可能 となり，現実的ではありません． このように，移動通信に関しては， 主にフロントホールについて，ユーザ 通信の有無にかかわらずリソースを消 費し，かつ，必要帯域が非常に大きい という点が，将来のより高速な移動通 信の実現に向けた課題となります． 次世代の光アクセスを実現する技術 前述のような課題を解決するため に，過去のトレンドどおりに単純に高 速化を実現するというやり方では限界 56 NTT技術ジャーナル 2015.1 2.5∼10 Gbit/s ONU OSU OSU ONU PON ONU WDM （ 4 ∼ 8 波長） OSU OSU P2P OSU ONU λ1 P2P ONU WDM/TDM-PON λ4 P2P ONU 波長占有 波長 時間 波長占有 P2P WDMオーバレイ 図 5 NG-PON 2 の特徴 P2P OSU 特 集 ation-PON2）として10 Gbit/s級PON 理上のメリットが発生します．さらに， な構築にも利用可能です．さらに， の次のシステムとして標準化が進んで ONUの波長を動的に変更可能である ONUとOSUの接続関係を動的に変更 います ．典型的な10 Gbit/sのPON ことから，信頼性の向上や柔軟な帯域 可能であることから，帯域を確保する を 4 シ ス テ ム 多 重 し た40 Gbit/s級 割り当てが可能となります． 必要のあるユーザのONUをリソース （6） PONであり，さらにモバイル通信へ 信頼性の向上は，通信中の光加入者 を勘案して適切なOSUに随時接続替 の適用を考慮して，ポイント ・ ツー ・ ユニット（OSU: Optical Subscriber えする運用も可能になると考えてい ポイント（P2P）の通信システムも波 Unit）が故障した際に，ONUの波長 ます． 長多重することが可能な方式になって を切り替えることにより，別のOSU このように，現状ではトラフィック います． を利用して通信を継続可能であること 量が少ないにもかかわらず最大容量で こ のWDM/TDM-PONは10 Gbit/s のPONを 4 システム 1 本のファイバ （7） で実現します ． 設備を構築しなければならない状況 また， トラフィック量が少ない際に， を，波長多重の技術を利用して回避で きます． に多重することにより総帯域を 4 倍 全ONUを 1 つのOSUに接続すること にしていますが，単なる40 Gbit/s級 により，ほかのOSUのスリープによ NTTアクセスサービスシステム研 PONシステムではありません．イー る省電力化が可能となります（図 6 ） ． 究所では，このような考えのもと， サネットなどの歴史においては，シリ 逆に，あらかじめトラフィック量が少 WDM/TDM-PONの研究開発を推進 アル伝送での高速化が困難である初期 ないことが分かっていれば，初めは するほか，その成果を持ってITU-T の標準化において比較的低速な通信を OSU 1 つでサービスを開始し，トラ におけるNG-PON2の標準化に貢献し 波長多重することにより目標速度を実 フィック量の増加にしたがって順次 ています． 現する手法がとられてきました．しか OSUを増設するといった設備の柔軟 しこれらは，技術の進歩によりシリア ルの高速伝送に置き換わっていく過渡 的な技術でした． 一 方，WDM/TDM-PONに お い て 通信量が少ない際に，全ONUを 1 つのOSUに接続することにより，OSUのスリープ が可能 通信に影響を与えないために，高速の波長切替が必要 波長多重は単なる高速化へのつなぎの λ1u 技術ではありません．40 Gbit/sのシ ONU1 リアル通信と，10 Gbit/sの 4 波長多 ONU2 重は，波長を柔軟に利用可能という点 ONU3 で異なっています．ここで，波長の柔 ONU4 軟性の利用の利点を説明します． ONU1 柔軟性は，光回線終端装置（ONU： Optical Network Unit）が通信に使う 波長を設定可能であるという機能で実 現します．この機能により，図 5 に示 したような波長ごとに異なるONUを 波長 1（λ1u）に 切替 ONU2 ONU3 ONU4 OSU #1 λ2u OSU #2 λ3u OSU #3 省電力 λ1u WDM/TDM-PONにおける波長の OLT λ2u λ1u λ1u λ1u 増設 OLT OSU #1 OSU #2 Power断 OSU #3 図 6 波長切替を利用した省電力，柔軟な帯域割り当て 準備する必要がなくなり，ONUの管 NTT技術ジャーナル 2015.1 57 つくばフォーラム2014 ワークショップ ん．このような，効率的な通信社会を CPRI 変調 協調 機能 RF 変調 RF 新たな 協調 機能 インタフェース 変調 RF 変調 RF 張出基地局 基地局 図 7 モバイルフロントホールのインタフェースの再定義 ■圧縮技術と再定義技術 に機能を配分することにより，張出基 モバイルについては，主にフロント 地局間の連携を実現しつつ，フロント ホールの速度を下げる技術開発に取り ホールの帯域を削減する新たなインタ 組んでいます．ここでは圧縮技術とイ フェース定義が可能なことを示しまし ンタフェースの再定義技術について紹 た（9） （図 7 ） ． 介します． これらの技術により，通信している 前述のとおり，現状のフロントホー ときのみ，通信量に応じた帯域を消費 ルは電波波形の情報を伝送しているた する仕組みをつくり，従来は無駄に確 めに，ユーザトラフィックの有無にか 保していた光アクセスの帯域を柔軟に かわらず固定速度の光伝送が必要とな 割り当てることが可能になると考えて ります．NTTアクセスサービスシス います． テム研究所では，無線基地局と光アク セスシステムがユーザ通信状況の情報 次世代の光アクセスに向けては，従 ンプリングの情報量を落とし，数分の 来のように単純に速度を向上するだけ 1 のデータ量まで圧縮可能な技術を では解決できない課題があると考えて 開発しました ． おり，ここで紹介したような，必要な また，現状のフロントホールの構成 ところに必要なリソースを割り当てる では，張出基地局間の連携を基地局内 という考え方を基本としてさまざまな で処理するために，張出基地局に機能 研究開発を行っています．将来は，ビ をなるべく持たせず高周波処理のみを ジネスアワーにはホームからビジネス 行う構成となっています．NTTアク 街へ，夕食時にはモバイルからホーム セスサービスシステム研究所ではこの へと柔軟に帯域などのリソースをやり 機能配分を見直し，張出基地局に適切 くりできるようになるかもしれませ 58 NTT技術ジャーナル 2015.1 ■参考文献 （1） http://www.soumu.go.jp/main_content/ 000316564.pdf （2） http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/ field/tsuushin06.html （3） http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/ field/tsuushin01.html （4） 長：“ブ ロ ー ド バ ン ド ト ラ フ ィ ッ ク レ ポ ー ト，” Internet Infrastructure Review，Vol.20， p.32-37，2013． （5） http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/ field/denpa02.html （6） ITU-T Recommendation G.989.1: “40-Gigabitcapable passive optical networks（NG-PON2）: General requirements,” 2013． （7） S. Kaneko, T. Yoshida, S. Kimura, N. Yoshimoto, and H. Kimura：“Agile OLTProtection Method Based on Backup Wavelength and Discovery Process for Resilient WDM/ TDM-PON,” in Proc. ECOC 2014, Tu.1.2.4.， Cannes, France, Sept. 2014. （8）N. Shibata, S. Kuwano, J. Terada, and N. Yoshimoto：“Dynamic Compression Method Using Wireless Resource Allocation for Digitized Radio over TDM-PON System,” Proc. OFC 2014, Tu3F.4, Los Angeles, U.S.A., March 2014. （9） 宮本 ・ 桑野 ・ 寺田 ・ 木村：“PONを適用した 将来モバイルフロントホールの光伝送容量に 関する一検討,” 信学技報, Vol.114，No.119， CS2014-18，pp.7-12, 2014. 今後の展開 をやり取りすることで，無線波形のサ （8） 目指して日々取り組みを行っています． ◆問い合わせ先 NTTアクセスサービスシステム研究所 光アクセス基盤プロジェクト TEL 046-859-4920 FAX 046-859-5513 E-mail shibata.tomoko lab.ntt.co.jp
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