5G/IoTサービスを効率的に実現する光アクセスの仮想化技術

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(1)5G/IoT サービスを効率的に実現する光アクセスの仮想化技術鹿嶋正幸中平佳裕更科昌弘斉藤洋之岡本駿志無線システムは、2020年に第5世代モバイルシステム. 以下の本文では、次世代通信インフラの一部となる光ア. （5G）が普及を開始し、2025年には本格的に展開される. クセスネットワークの仮想化技術を紹介する。. 計画である。また、各種センサーが開発され、さまざまな IoTサービスが検討されている。これらが複合される5G/IoT. 光アクセスネットワークの仮想化. 時代は、通信サービス品質の要求が多種多様化するため、単一の物理インフラ上で、複数の品質要件を同時に提供で. 図1にネットワーク仮想化のイメージを示す。光アクセ. きるネットワーク仮想化技術が注目され、有無線統合ネット. スネットワーク、メトロネットワーク、コアネットワーク、. ワーク上でさまざまな社会課題を解決するための多種多様. エッジサーバー及びクラウドサーバーのハードウェアを. な通信サービスが提供されることが期待されている。. ネットワークの仮想化で検討されているSDNコントロー. 5Gでの実現が期待されている通信サービス種別であ. ラーやNFV-MANO＊4）で抽象化し、抽象化されたさまざま. る超大容量サービス（eMBB＊1））、超多数同時接続サービ. な仮想機能からオーケストレーターが仮想ネットワーク. ス（ m M T C ＊2 ））、超低遅延・超高信頼通信サービス. を構築し、要件の異なる仮想ネットワークをユーザーに. ）は帯域・同時接続数・遅延などの通信品質. 提供する仕組みである。この仮想ネットワーク上で、要件. 要件が大きく異なるため、単一の通信制御で要件を満た. の異なるさまざまなIoTサービス（自動運転・遠隔制御・. そうとした場合は、周波数の利用や装置の設置数に無駄. スマートシティー・農業自動化・超臨場感・デジタルシネ. が生じ、コスト（提供価格）の高騰につながる。. マなど）が実現できる。特に、我々は光アクセスネット. 我々はこのような多種多様な5G/IoTサービスを効率よ. ワークの仮想化の研究開発に携わっている。. く提供できる通信ネットワークとして、光アクセスネット. 将来の無線システムは、基地局の機能をCU/DUに最適. ワーク（PONシステム）仮想化の研究開発を総務省から. に配分し1）、さまざまな場所に設置されるため、ネット. の委託研究「IoT機器増大に対応した有無線最適制御型. ワークインフラもフレキシブルな変更が求められる。図2. 電波有効利用基盤技術の研究開発」の一環で行っている。. にCU/DUの配置及びメトロネットワーク・アクセスネット. （URLLC. ＊3）. +Q6ǘ»Ƕǜ. ҉ਨǰǦǫȒ»ǒ. ଝ໪टԽ. ǪǛǢȎǚǰȁ. ు؋ࠢ௓҈. ǜȁ»ǫǚǩǆ». ௫᝷䝑䝇䝌䝳䞀䜳. Ѡӿঘ‫ۥ‬. ᥞ౩ オーケストレーター. RoF: Radio on Fiber UE: User Equipment ǰǦǫȒ»ǒঘ‫ۥ‬ RH: Radio Head (66* SW: Switch（L2/L3）∼10Gbps ONU GW: GateWay. ∼10Gbps ǜȅ»ȎǞȎ. /'%. Ȝ∼ȜN. 10G-Tr. 10G-Tr.. 䝿䝿䝿. CU. SDNコントローラー / NFV-MANO. FH. DU ONU. UE. ௫᝷ 䜷䜦⣌㻃. ࠢ௓Ьஃ こị. ǲ»Ǭ ǉǊǅ. サーバー. ௫᝷ 䝥䝌䝱⣌㻃. ௫᝷䜦䜳䜿䜽⣌㻃. BH. ONU. 100G-Tr. RoF. Ƕ»ȃǸǌ»ȂȖǓ ∼10Gbps RH RoF. ＞10Gbps. FH. 4Q(. ௫᝷ 㻲㻯㻷. 㻶㻺. NGCORE ǋǦǛ ǘ»ǳ». ǒȌǉǬǘ»ǳ». 㻪㻺㻶㻺. 㻦㻸㻃 ∼数6DRU. ۶qx~}opx opx zqopx. 図 1 ネットワーク仮想化のイメージ＊1）eMBB（enhanced Massive Broad-Band）＊2）mMTC（massive Machine Type Communication）＊3） URLLC（Ultra Reliable, and Low Latency Communication）＊4）NFV-MANO（Network Function Virtualization-Management and Orchestration）. 52. OKI テクニカルレビュー 2018 年 12 月／第 232 号 Vol.85 No.2.

(2) ワークの役割を示す。PONシステムはモバイルのバック. 仮想OLT（vOLT）の開発. ホール（BH）やフロントホール（FH）として回線を割当て. 前述のようにフロントホール（FH）でのトラヒックの集約. ることができる。例えば、①はGW- CU間のBHをメトロ. が課題であり、光アクセスネットワークの仮想化にフォー. NW、CU-DU間のFHをPONで、②はGW-CUのBHをメトロ. カスし、開発を進めている。IoTサービスの場合の仮想ネッ. NWとPONで、CU-DU間のFHをPoint-to-Pointで、という. トワークを制御するアーキテクチャーはオーケストレー. ように割当を変更することができ、さまざまな無線システ. ター／SDNコントローラー／ハードウェアで構成する。オー. ムを収容できる。この変更はOLT-ONU間の波長や帯域量. ケストレーターはサービスを収容する仮想ネットワークご. を変更し、仮想資源として割当てることで実現する。. とのリソース（帯域）利用効率や通信サービス品質を監視・制御する。抽象化管理・制御部（SDN コントローラー）. 㻪㻺. ではFHの物理的なトポロジーや通信リソースをサービス利. 㻥㻫䐙. 䝒䞀䝍. 㻦㻸. 用者が意識しないで利用できるように通信リソースをサー䝥䝌䝱䝑䝇䝌䝳䞀䜳㻲㻯㻷. 㻩㻫. 㻦㻸. （vLink: vir tual Link）や仮想ノード（vNode: vir tual. 㻥㻫. 䐖. 䜦䜳䜿䜽䝑䝇䝌䝳䞀䜳 CU: Central Unit DU: Distributed Unit. ビスの要求レベルに抽象化し、抽象化された仮想リンク Node）を提供する。CU-DU間（FH）に仮想OLT（vOLT: 㻩㻫. 㻥㻫. virtual OLT）とONU が配置される。vOLTは抽象化・管理. 㻥㻫䝒䞀䝍. 㻩㻫. 㻲㻱㻸䐘䝱䞀䜯䝯䝑䝇䝌䝳䞀䜳㻦㻸. 㻲㻱㻸㻧㻸䐖㻲㻱㻸. 㻲㻱. 㻧㻸. 化されたリソースをvOLT内でダイナミックに物理リソース. 㻩㻫. に変換するアルゴリズム（帯域割当制御・管理）や仮想ネッ. 㻧㻸䐗. トワークごとに割当帯域を計算することによって要求条件. 㻳㼗㼒㻳. 䐘. OLTから仮想PON（vPON: virtual PON）を提供する。抽象. 㻦㻸䐗㻲㻱㻸. 䐙㻧㻸㻸. 㻩㻫. 制御部の指示に従ってFHの通信リソースを制御し、配下の. の異なるサービスを効率的に収容し，かつ高速にサービス. 図 2 PON システムによる回線割当. の追加・変更できる。また、従来のPoint-to-PointでCU-DU間を接続した構. vOLTの基本機能構成を図4に示す。同図は集線SW、リ. 成でeMBB・mMTC・URLLCのサービスを提供する場合、. ソースマッピング部、OSU（Optical Subscriber Unit）、. 図3(1)のようにネットワークの伝送容量を超えないように. 光トランシーバ（Tr.）及び光波長合分波部で構成される。. 異なるサービスごとに異なる周波数を割当てる必要があ. なお、図4のOLTは四台のOSUを実装した例である。リ. り、無駄が発生する。最新の P O Nシステム（ T W D M -. ソースマッピング部はOpenflowやNetconfなどのプロト. PON）にはDWA（Dynamic Wavelength Allocation）/. コルを使用し、上位制御装置（オーケストレーター，SDN. DBA（Dynamic Bandwidth Allocation）機能があり、こ. コントローラー）からの指示に従って効率よく仮想ネット. の機能を活用して、各種トラヒックを収容することができ、. ワークの収容先OSUを決定する。なお、OSUが異なる波. 図3(2)のように集約できる。このとき、ピークレートを超. 長で割当てられる場合はドメインDWA（DDWA）が連動. える場合はタイミング変更が許されるサービスのトラヒッ. して動作する。各OSU内にはドメインDBA（DDBA）機能. クをシフトすることで平滑化を図り、最小の資源で提供. が内蔵され、効率よく仮想ネットワーク帯域を割当てる。以. できるように割当てる2）。詳細は後半の章で述べる。. 下に、vOLTのキー技術であるリソース割当制御技術（リソースマッピング）とドメインDBA技術の詳細 3）を述べる。 . 㻋㻔㻌㻃ᚉᮮ䛴཭ᐖ䜹䞀䝗䜽䛮࿔ἴᩐ๪ᙔ㻃. 㻋㻕㻌㻃䝑䝇䝌䝳䞀䜳௫᝷໩᫤䛴཭ᐖ᪁Ἢ㻃㻃. 図 3 収容サービスと周波数割当. කTr.. 10GE. OpenFlow Agent Netconf Agent DDWA DDWA. 䝮䝁䞀䜽䝢䝇䝘䝷䜴. S OSU W DDBA DDBA TWDM-PON/OLT（vOLT）White Box. ↋ ⥲ ⿞ ⨠. 䜷䜦⿞ ⨠. 䝋䞀䝃䜿䝷䝃䞀. ONU ⟮⌦. OSU DDBA DDBA. 40GE 10GE. ↋⥲ ⿞⨠. OSU DDBA DDBA OSU DDBA DDBA. SDN䜷䝷䝌䝱䞀䝭䞀䠁NFV-MANO. 40GE 10GE. ᫤㛣㻃. කἴ㛏ྙฦἴ. 㻸㻵㻯㻯㻦. ᫤㛣㻃. කTr. කTr. කTr. කTr.. 㼐㻰㻷㻦. කTr.. 㼈㻰㻥㻥. ONU ⟮⌦ 䝿䝿䝿. 㻸㻵㻯㻯㻦. ↋⥲ ⿞⨠. 10GE. ᫤㛣㻃. ௫᝷໩䛴䛥䜇䛴᩺ぜᶭ⬗ ● 䝮䝁䞀䜽䝢䝇䝘䝷䜴 ● DDWA䟺䝍䝥䜨䝷ἴ㛏㈠″๪ᙔ䟻 ● DDBA䟺䝍䝥䜨䝷᫤㛣ᖈᇡ๪ᙔ䟻. 䝘䞀䜳䝰䞀䝌㻃. ࿔ἴᩐ㼄. ࿔ἴᩐ㼄㻃. 㼐㻰㻷㻦. ࿔ἴᩐ㼅. ᫤㛣㻃. 䜹䞀䝗䜽䛴㈠″๪ᙔ᭩㐲㻃䠃䠀䝃䜨䝣䝷䜴䜘䛠䜏䛝䝌䝭䝖䝇䜳䜘㞗⣑ 䠄䠀䝘䞀䜳䝰䞀䝌䜘㉰䛎䜑䝌䝭䝖䝇䜳䜘ᖲ⁝໩. 㞗⣑䝌䝭䝖䝇䜳㻃. 䝌䝭䝖䝇䜳㻃. 䝌䝭䝖䝇䜳㻃. . 㼈㻰㻥㻥㻃. ࿔ἴᩐ㼆. 䝌䝭䝖䝇䜳㻃. 䝘䞀䜳䝰䞀䝌㻃. 図 4 vOLT の構成概要. O K I テクニカルレビュー 2018 年 12 月／第 232 号 Vol.85 No.2. 53.

(3) リソース割当制御技術のリソースマッピング機能は、. 当ポリシーを個別設定できることが要求される。これら. SDNコントローラーからの指示により、複数のOSUから. の要求を満たすために従来の帯域割当方式に以下の機. vPONを構成する技術である。二台以上のOSUの合成や. 能を追加する必要がある。. OSUの部分機能の切出すことでvPONを構成する。図5は. （1）最大帯域の設定. TWDM-PONを使用した割当例を示す。従来の簡単な割当. （2）帯域割当ポリシーの個別設定. （図5 (1)）は、個別のサービスにOSU/波長を割当てた. （3）帯域割当回数の複数化. vPONになるが、本方式（図5 (2)）は空領域と分割量を算出. 図7に示すように、仮想ネットワークはOSU一台の上に. し、伱間なくOSU資源をvPONに割当てる。これにより、. 仮想的に複数構築される。この場合OSU一台の帯域を仮. OSUをスリープさせることができるため、消費電力の削減. 想ネットワークでシェアして使用することになる。従って、. が図れる。. 仮想ネットワークを帯域上でアイソレーションする機能が 10Gbps. vPON#1. OSU#1. OSU#1. vPON#2. OSU#2. 10Gbps. OSU#3. vPON#3 （2Gbps）. vPON#1. OSU#2. vPON#2. OSU#3. 空き帯域（sleep）. vPON#3 （3Gbps）. vPON#3（5Gbps）. (1) ᚉᮮ᪁ᘟ. (2) 䝮䝁䞀䜽䝢䝇䝘䝷䜴䛴๪ᙔ᪁ᘟ. 図 5 リソース割当制御方式の概略. 必要となる。そこで、図7(1)に示すように仮想ネットワークごとに最大帯域を設定し、その帯域を越えないように帯域割当機能を追加する。これによって、帯域がアイソレーションされ、OSU一台の上に複数仮想ネットワークを構築することができる。それぞれの仮想ネットワークが収容するサービス品質に個別対応するために、帯域割当ポリシーも個別設定できる必要がある。例えば、図7(2)のように仮想ネットワー. ドメインDBA技術はOSUによらず仮想ネットワーク（ド. ク#1は固定帯域割当とし、仮想ネットワーク#2と仮想ネッ. メイン）ごとにDBA機能を割当て、それぞれのDBAが駆動. トワーク#3は、ベストエフォート（BE）帯域割当とする。こ. する技術である。通常のPONシステムは1つのOSUで一つ. の帯域割当ポリシーの個別設定を実現するために、帯域. のDBAで帯域を割当てる。既存DBA（図6 (1)）では、三つ. 割当計算を仮想ネットワークごと、すなわち、帯域割当ポ. の異なるサービスVNW（Virtual NetWork）1∼3が同じ. リシーごとに分けて実施する機能を追加する必要がある。. DBAで駆動されるため、VNW1の帯域変動がVNW2/3に. さらに、図7(3)に示すように、ONU一台に対して仮想. 影響を及ぼす。本方式（図6 (2)）では、サービスごと及び. ネットワークが複数構築された場合、一回の帯域割当を. OSUごとにDBAを持つため、ほかのサービス（仮想ネット. 計算するために複数回帯域を割当てる機能が必要になる。. ワークVNW）への影響がなくなるので、仮想ネットワーク. この機能を実現するために、ONUに所属する仮想ネット. のアイソレーションが確保できる。. ワークの論理リンクを複数持たせる機能を追加する。これにより、各仮想ネットワークの帯域割当計算では、論理. OSU1-DBAVNW2. ONU. ONU. ONU ONU. ONU. ONU VNW3. ONU OSU2-DBA. VNW1 OSU1-DBA. ONU. ONU. ONU ONU. ONU. ONU OSU2-DBA. ONU. OSU2-DBA. VNW3. ONU. vOLT 㻲㻶㻸㻔 DDBA DDBA DDBA 㻲㻶㻸㻕 DDBA DDBA. 図 6 ドメイン DBA 方式の概要. 実際の動作では、リソースマッピング機能が決定した仮想ネットワーク構成に従い、その構成の範囲内で割当帯域計算することが要求される。さらに、帯域割当計算に対しては、収容するサービスの要求品質に応じた帯域割. 54. . 㻲㻶㻸㻕 DBA. 㻋㻕㻌䝍䝥䜨䝷㻧㻥㻤. ONU OSU1-DBA. ONU. リンク数分の割当帯域を計算できる。 vOLT 㻲㻶㻸㻔 DBA. 䟺㻔䟻௫᝷䝑䝇䝌䝳䞀䜳Ẏ䛴᭩ኬᖈᇡ䛴シᏽ㻃. ONU. OSU1-DBA VNW2. ONU. කἴ㛏ྙฦἴ කTr. කTr.. ONU. 㻋㻔㻌 ᪜Ꮛ㻧㻥㻤. කἴ㛏ྙฦἴ කTr. කTr.. VNW1. OKI テクニカルレビュー 2018 年 12 月／第 232 号 Vol.85 No.2. OSU ᖈᇡ. ௫᝷䝑䝇䝌䝳䞀䜳#1 （3Gbps）. ௫᝷䝑䝇䝌䝳䞀䜳#2 （4Gbps）. ௫᝷䝑䝇䝌䝳䞀䜳#3 （3Gbps）. 䟺㻖䟻㻲㻱㻸㻔ྋ䛾䛴々ᩐᖈᇡ๪ᙔ DDBA#1 D-DBA#1. ONU ๪ᙔᖈᇡ. 1. 2 ᅖᏽ. 3. DDBA#2 D-DBA#2. 1. 4. DDBA#3 D-DBA#3. 5. BE䠍Ẓౚ. 7. 6. BE䠍➴ฦ. 䟺㻕䟻ᇡ๪ᙔ䝡䝮䜻䞀䜘಴ืシᏽ䛝, 䝡䝮䜻䞀Ẏ䛱ᖈᇡ๪ᙔ゛⟤䜘ᐁ᪃. 図 7 ドメイン DBA 方式による設定例. 8.

(4) 現在、主信号導通及び波長切替動作の基本機能を確認し、リソースマッピング機能及びDDBA動作を検証してい. 1）3GPP Release15: http://www.3gpp.org/release-15. る。写真１に基本機能を搭載したv OLTの試作機を示す。. 2）中尾彰宏、他:5G/IoTアクセス網における周波数利用. なお、本試作機は国際標準化 I T U - T ＊ 5 ）/ S G 1 5 ＊ 6 ）の. 効率を向上する仮想化技術、電子情報通信学会総合大会、. NG-PON2に準拠している。. B-8-50、2018． 3）斉藤洋之、他:IoTサービス提供に向けたフレキシブル・ダイナミックにMFH/MBHを制御するアーキテクチャの提案、信学技報、CS2018-50、2018． 4）ITU-T:https://www.itu.int/en/ITU-T. 鹿嶋正幸：Masayuki Kashima. 経営基盤本部研究開発センター先端基盤技術研究開発部中平佳裕：Yoshihiro Nakahira. 経営基盤本部研究開発センター先端基盤技術研究開発部写真１ vOLT 試作機. 更科昌弘：Masahiro Sarashina. 経営基盤本部研究開発センター先端基盤技術研究開発部斉藤洋之：Hiroyuki Saitou. 経営基盤本部研究開発セン. 国際標準化の取組み現在、国際標準機関ITU-T/SG13. ター先端基盤技術研究開発部. では仮想ネットワー. ＊7）. クを制御・管理するアーキテクチャーを議論している。国. 岡本駿志：Shunji Okamoto. 経営基盤本部研究開発センター先端基盤技術研究開発部. 際標準化のポイントは、vOLTに実装されるリソース割当制御機能とドメインDBA機能の制御に重要となるSDN コントローラーとvOLT間のインターフェースを標準にすることで、vOLT製品の普及を図り、5G/IoTサービスを実現するネットワーク事業を展開させることにある。我々は2015年からFG IMT-2020に参加し、ネットワーク仮想化の課題を抽出し、2017年からSG13で仮想化アーキテクチャーの寄書提案を推進し、2017年11月に我々が提案する基本アーキテクチャーがY.3150（図8(1)）として合意された。引き続き、開発中の内容を織り込んだ Y. Netsoft-SSSDN（仮名称）の詳細アーキテクチャーを提案し、我々の標準化案が2019年に合意の方向で進んでいる（図8(2)）。 ◆◆ Slice Customer/Application. Slice Customer. OSS/BSS. Slice Orchestration R1S. Slice Life Cycle Management&Orchestration （Slice LCM&O）. SDN Controller R2S. R1 Slice Support Equipment (1) Y.3150（2017年合意）. SDN Applicable Hardware. NFV Management & Orchestration. NFV Infrastructure. (2) Y.Netsoft-SSSDN（審議中）. OpenFlow ネットワーク上でスイッチ又はルーターのフォワーディング・プレーンへのアクセスを可能にする通信プロトコルであり、ネットワーク機器を１つの制御装置で集中管理でき、フローテーブルにより複雑な転送制御を行う。 Netconf ネットワーク機器の設定を行うRPCベースの通信プロトコルの１つであり、YANGモデル（設定データや状態をモデル化したもの）により転送データを定義し、ネットワーク機器の制御を行う。 FG IMT-2020 （Focus Group International Mobile Telecommunications-2020） 2015年∼2016年のITU-T/SG13での集中会合であり、将来モバイル実現に向けた有線ネットワークの既存標準分析と注力分野の特定を議論した。. 図 8 国際標準化のアーキテクチャー＊5）ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication standardization sector）＊6）SG15 （Study Group 15）＊7）SG13（Study Group 13）. O K I テクニカルレビュー 2018 年 12 月／第 232 号 Vol.85 No.2. 55.

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