スタイルガイド　4:3

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アクセスネットワークへの

仮想化技術の適用動向

2020年11月12日

NTTアクセスサービスシステム研究所浅香航太

（TTC SWG2401専門委員）

TTCセミナー「5Gモバイル向け次世代光アクセスの最新技術・標準化動向」

(2)

 背景

 ONFにおける動向

 BBFにおける動向

• Cloud COプロジェクト

• PON Abstraction Interface for Time-Critical Applicationsプロジェクト

 ITU-Tにおける動向

 まとめ

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0 2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

FTTH DSL CATV BWA LTE

背景

 国内FTTH契約数： 3300万以上  これまでの光アクセスシステム：急増するトラヒックに対応するための大容量化  これからの光アクセシステム：大容量化に加え、FTTH以外のサービスへの適用が必要

契約数（万）

総務省「電気通信サービスの契約数及びシェアに関する四半期データの公表（平成26年度第4四半期（3月末））」および「電気通信サービスの契約数及びシェアに関する四半期データの公表（令和元年度第4四半期（3月末））」を元に作成

西暦（年度）

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NG-PON2による多様なサービス収容の例

 基本システム： TWDM-PONによる経済的な大容量化 (40-80 Gbps)  オプション： PtP WDMオーバレイにより伝送遅延要求条件の厳しいサービスにも対応 OSU1 OSU2 OSU3 OSU4

ルータ

OLT

コアネットワーク

PtPOSU

モバイルネットワーク

RRH

PtP WDM overlay

BBU: Baseband unit

NG-PON2: Next generation passive optical network 2 OLT: Optical Line Terminal

ONU: Optical Network Unit OSU: Optical subscriber unit PtP: Point-to-Point

RRH: Remote radio head

TWDM: Time and wavelength division multiplexing

ビジネスユーザ

マスユーザ

ONU

BBU

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光アクセスシステムのトレンド

 これまで：高速大容量化＋多様なサービスの収容  これから：多様なサービス収容に迅速かつ柔軟に対応するための、仮想化・部品化 技術の研究開発が活発 100 M 1 G 10 G 1990 2000 2010 2020 100 G 10M B-PON GE-PON 10G-EPON G-PON

西暦（年）

総帯域

(bit

/s)

NG-PON2 XG-PON1 (上り2.5G/ 下り10G) SIEPON Now IEEE PON ITU-T PON XGS-PON (上り10G/下り10G) 50G-EPON

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5

光アクセスシステムにおける機能部品化のイメージ

OLT software

OLT hardware platform

PHY

MAC

…

OAM

Multicast

DBA

…

Commodity hardware, chipset (e.g. x86 CPU, GP-GPU, etc.)

Open API

_{Disaggregated}

Conventional OLT

bound to ASIC

PMD

MSA IF

Optical transceiver

10G-PON TRx 1G-PON TRx Based on a figure from the presentation

by K. Nishimoto et al, OFC2020, M1K.4 10G-PtP TRx

従来のOLT

機能部品化されたOLT

ASIC: Application-Specific Integrated Circuit API: Application Programming Interface DBA: Dynamic Bandwidth Allocation

GP-GPU: General-Purpose computing on Graphics Processing Unit IF: Interface

MAC: Media Access Control

MSA: Multi-Source Agreement

OAM: Operation, Administration, and Maintenance PHY: Physical layer

PMD: Physical Media Dependent PtP: Point-to-Point

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 背景

 ONFにおける動向

 BBFにおける動向

• Cloud COプロジェクト

• PON Abstraction Interface for Time-Critical Applicationsプロジェクト

 ITU-Tにおける動向

 まとめ

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7

ONF (Open Networking Foundation)とは

 ONFは、SDN（Software Defined Network）の普及と商用化を目指す非営利団体  キャリア、OTTのみならず、装置・ LSIベンダまで幅広くコラボレーション • キャリア/OTTの役割：ユースケース/キャリア要件の提示、トライアルの実施 • ベンダの役割：装置/OSS仕様検討および開発 • ONFの役割： OSS開発拠点として、ONF社員によりOSS開発を主導（ONF社員に加え、キャリア・ベンダ派遣された技術者もOSS開発に参加） メンバーシップ 種別 企業数 キャリア/OTT ベンダ Partner （最上位ランク） 11社

AT&T, CU, DT, Google,

NTT, TT Ciena, Edgecore, Intel, Radisys, Tech Mahindra Member 62社 CM, CT, Sprint, Telefonica, TIM, Verizon,

ほか

Broadcom, Cisco, Dell, Ericsson, Fujitsu, NEC,

Nokia, Samsung, Tibit, ZTE, ほか

引用：https://opennetworking.org/member-listing/ ※2020/10時点

CM: China Mobile CT: China Telecom CU: China Unicom

DT: Deutsche Telecom TT: Turk Telecom

(9)

ONFにおけるプロジェクト

 様々なNWシステムの部品化を目的とした各プロジェクトにより各種検討を実施  2019年ComcastによるTrellisの商用導入が、ONFとして初の導入実績 プロジェ

クト SEBA Trellis NG-SDN(Stratum)

ODTN COMAC/

OMEC AETHER SD-RAN

概要仮想化技術を適用したアクセスシステム Leaf-Spine (WB-SW) 網のONOS による制御システム WB-SW向け設定・検証システム仮想化技術を適用した光トランスポートシステムモバイルと固定アクセス網の融合システム /OSSベースのEPCシステム仮想化技術を適用したモバイルエッジクラウドシステム nRT-RIC （O-RAN仕様検討中）のOSS開発参画キャリア /OTT AT&T, DT, NTT, Telefonica, TT Comcast CU, DT, Google, NTT Com, TT CU, Comcast, NTT Com, Telefonica AT&T, CU, DT, Google, TT, Sprint CU, Google, DT AT&T, CM, CU, DT, NTT, Facebook 導入状況 2019年導入済み（TT） 2020年予定（DT） 2019年導入済み (Comcast) SEBAと組み合わせた導入を予定 (DT) 2019年トライアル実施済み（Telefonica） COMAC :202 2年予定（DT）, OMEC: 2020 年導入済み（T-Mobile Poland） 2021-2022 年トライアル予定（CU）未定

COMAC: Converged Multi-Access and Core EPC: Evolved Packet Core

NG-SDN: Next-Generation Software Defined Network nRT-RIC: near Real-Time RAN Intelligent Controller ODTN: Open Disaggregated Transport Network OMEC: Open Mobile Evolved Core

ONOS: Open Network Operation System OSS: Open Source Software

RAN: Radio Access Network

SEBA: SDN Enabled Broadband Access SD-RAN: Software-Defined RAN WB-SW: White Box Switch

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ONFにおける光アクセスシステムの部品化

※R-CORD: レジデンシャルCORDの略で、マス向け光アクセスシステムのユースケース R-CORD（※)のアーキテクチャ ROADM Cor e OLT Acc es s ONOS Leaf-Spine Fabric

Commodity Servers, Switches, and I/O

出典： L. Peterson et al., “Central office re-architected as a datacenter,” IEEE Commun. Mag. Vol. 54, Issue 10, pp. 96-101, Oct., 2016.

 ONFにより開発されたSDNコントローラであるONOS のユースケースとして、

「局舎をデータセンタとして再設計する」コンセプトCORDに基づき局舎機能

を部品化

• ONOSコントローラ、汎用ハードウェア（ホワイトボックススイッチ

/OLTおよびサーバ）およびOSSで再構築することが特長。

• CAPEX/OPEX削減および迅速なサービスインを期待

CORD: Central Office Re-architected as a Datacenter ONOS: Open Networking Operating System

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10

SEBA (SDN-Enabled Broadband Access)とは

ONU ONU ONU

Compute

NFVO (e.g. ONAP)

SEBA

SDN controller (ONOS)

ASG

AN driver

(VOLTHA) ASG driver

Legacy OpS

OLT Hardware

Core NW

Network Edge Mediator (NEM) SEBA NBI client

 R-CORDの進化版

• キャリアが保有するOpSやNFVOから、部品化アクセスシステムを運用・管理・制御するためのNEMを新たに定義し、FCAPS機能の実装を強化

• 2019年3月SEBAの基本仕様をまとめたSEBA Reference Documentを一般公開  メインプレーヤ

• AT&T、ドイツテレコム、トルコテレコム、NTT • Ciena, Edgecore, Infosys, Netsia, Radysis

AN: Access Node

ASG: Aggregation Switch and Gateway

FCAPS: Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security NBI: Northbound Interface

NFVO: Network Function Virtualization Orchestrator ONAP: Open Network Automation Platform

OpS: Operation System

VOLTHA: Virtual OLT Hardware Abstraction

出典

https://opennetworking.org/wp- content/uploads/2019/04/ONF- Reference-Design-SEBA-032919.pdf

(12)

11

Other Access Systems

OLT ONU

ONU

ONU IEEE PON

OLT ONU ONU ONU ITU-T PON

抽象化技術VOLTHA

 ONOSからVOLTHA以下を、疑似的なEthernetスイッチとしてOpenFlowによりVLAN や帯域設定を制御することが可能 • OLTハードウェアのベンダ仕様差異を吸収 • アクセス方式（プロトコル、トポロジー）の仕様差異を吸収 SDN controller (ONOS) ホワイトボックススイッチ

VOLTHA

ベンダ仕様

差異を吸収

アクセス方

式の仕様差

異を吸収

大きな疑似

スイッチと

して抽象化

OLT ONU ONU ONU ITU-T PON ベンダA _ベンダB

ベンダ仕様

差異を吸収

UNI NNI

アクセス方

式の仕様差

異を吸収

NNI: Network-Network Interface UNI: User-Network Interface

アクセス方

式の仕様差

異を吸収

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VOLTHAの構成

 コアとアダプタにより構成 • コア：方式仕様に依存しない共通機能部 • アダプタ：OLTハードウェアおよび方式毎に開発が必要なアダプテーション部

VOLTHA

アダプタ

回線設定読込部

コア

OLTハードウェア設定部

テクノロジープロファイル OLTハードウェア

上位/下位の情報

のやり取りを制御

方式の差分を抽象化

QoS等の回線

設定

ベンダ独自IF

に変換

Kafka, REST, gRPC OpenFlow

(14)

13

NEM

 上位OpSからのコマンドをNEM配下のエレメント単位の設定に分解

 R-CORD での課題となっていた FCAPS （ Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security）機能をNEMに実装

Network Edge Mediator (NEM)

SDN controller (ONOS) VOLTHA

XOS

Kibana

（メッセージ用ダッシュボード）

DB

Kafka

（メッセージキュー） Failure

Performance Configuration_Inventory

ZTP Security Accounting att-workflow-driver dt-workflow-driver olt-service Kafka, REST, gRPC Kafka, REST, gRPC OpenFlow

上位/下位の情報

のやり取りを制御

故障・モニタ情

報などの可視化

下位からのイベ

ント情報を蓄積

SEBA NBI client 上位OpSとのメディエーション

キャリアごとの認

証手順の差異を吸

収するドライバ

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SEBAの開発/導入状況および課題

 基本機能は導入レベルまで完成度が向上（特にVOLTHA）  長期安定性の確保や複数OSS組み合わせ時の動作保証などが今後の課題  導入状況 • ドイツテレコム：2020年12月までに商用導入予定 • トルコテレコム：2019年12月に小規模商用導入済み（2020年規模拡大予定） 2017.9 2020.12 Ver.2.4 Ver.2.6 Ver.2.0

完成度

高

低

2019.5 2020.6 ドイツテレコム及びト ルコテレコムによる商 用導入へ スケーラビリティ検証機能 IEEE仕様対応機能 VOLTHAの開発状況イメージ OSSリリース時期 IEEE仕様対応機能 Ver.1.0 キャリアグレード版キャリア運用要件反映版多種アクセス方式対応版初リリース初期検証版 Ver.1.3 2018.9

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 背景

 ONFにおける動向

 BBFにおける動向

• Cloud COプロジェクト

• PON Abstraction Interface for Time-Critical Applicationsプロジェクト

 ITU-Tにおける動向

 まとめ

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16

BBF (Broadband Forum)とは

 1994年に米国で設立されたADSL Forum等を母体とし、2008年Broadband Forumと改称しファイバアクセス網までスコープを拡張  ブロードバンドサービスの普及促進、システム管理・制御プロトコル仕様および相互接続仕様策定を推進する会員制非営利団体（150社以上のサービスプロバイダおよびベンダから構成）技術委員会ワークエリア（WA）最高執行責任者・事務局・広報・マーケティング幹部諮問審議会理事会（BoD）ブロードバンドユーザサービス Common YANG ファイバアクセス網（FAN）物理層伝送無線有線融合ルーティング＆転送 SDN and NFV アーキテクチャ＆マイグレーション太枠：仮想化技術を導入した各種仕様策定または審議が行われているWA 市場要件検討グループ運営委員会サービスプロバイダ実行審議会（SPAC）出典：https://www.broadband-forum.org/about-the-broadband-forum/about-the-forum/bbf-working-structure

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BBFのスコープ

OLT コントローラ ONU （ベンダA） ONU (ベンダB) ONU （ベンダA） (ベンダA)

HGW遠隔管理・制御プロトコル仕様

例：TR-069 (DSL), TR-142(PON) ※これまでにHGW8億台に実装

相互接続・認証試験仕様

例：BBF.247 XGS/NG-PON2認証プログラム

OLT管理・制御プロトコル仕様

例：WT-385 (PON向けNC/Y) 光アクセスシステム仕様（ITU-T, FSAN）

例：ITU-T G.984 (G-PON), G.9807 (XGS-PON), G.989 (NG-PON2)など

 システム管理・制御プロトコル仕様および相互接続・認証試験仕様など、ブロードバンドサービスの社会実装に不可欠な仕様として、世界中のキャリア・ベンダが利用している。近年は、アクセス仮想化にも注力している。  光アクセスシステム仕様を策定するITU-TおよびFSANとは、共同認証試験イベント開催、共同ワークショップ開催およびリエゾン文書交換を通じて、密接に連携して活動している

(19)

18

Cloud CO (Central Office)

 2016年3Q（7月）会合で提案・合意されたプロジェクト。2018年1月に最初の文書TR-384を公開  スコープ：SDN/NFV＋Cloud技術を導入した次世代局舎の仕様化

（SEBAのBBF版的な位置付け。ハードウェア仕様化はスコープ外）  OLT装置等のアクセスノード抽象化のため、HALを導入（VOLTHAのBBF版）

Spine SW Spine SW

Leaf SW Leaf SW Leaf SW Leaf SW

Compute Node

Compute

Node Access Node

NW I/O NNI NFVI HAL VNF1 VNF2 VNF3 VNF4 VNFn PNF1 PNF2 PNFn CPE UNI Cloud CO Macro-Node

Cloud CO Domain Orchestrator

MANO

SDN Management & Control (M&C)

CO: Central Office

CPE: Customer Premises Equipment HAL: Hardware Abstraction Layer

NNI: Network to Network Interface NW: Network

PNF: Physical Network Function I/O: Input/Output

MANO: Management and Orchestration

NFVI: Network Function Virtualization Infrastructure

SDN: Software Defined Network SW: Switch

UNI: User to Network Interface VNF: Virtual Network Function

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19

BAA (Broadband Access Abstraction)

引用： Tim Carey (Nokia), OB-BAA Project Chair, “Open Broadband: Broadband Access Abstraction Overview” http://www.wiki.opencord.org/download/attachments/4981456/vOLTHA_April_2018_BAA.pdf  上位インタフェースは、BBFの既存NETCONF/YANG（NC/Y）モデルに準拠  オープン開発を行っており、2018年8月最初のBAAリリース（コードと文書）を実施  従来OLT装置への適用もスコープにしている点が、VOLTHAと異なる  IEEE仕様のOLT装置には、現時点では非対応  現時点で導入実績なし（システムベンダにて開発中） Access Node PNF1 PNF2 PNFn

HAL

(BAA)

SDN M&C 上位IF （原則NC/Y、 OpenFlowは未対応）抽象化および FCAPS機能上位IFおよびドライバ（IEEE仕様は非対応）

NETCONF: Network Configuration Protocol YANG: Yet Another Next Generation

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20

PON Abstraction Interface for

Time-Critical Applications (TCA)

 部品化によるメリット最大化のため、従来は部品化の対象外であったDBAなど

の時間制約の厳しい機能の部品化プロジェクトが開始された

（2016年10月）。

 部品化の基本方針として、フレーム生成を担う共通処理部と、柔軟に入替え可

能なアルゴリズム部とを、APIで分離。

API

Access Node PNF1 PNF2 PNFn

API: Application Programmable Interface PNF: Physical Network Function

用途に応じて入替

アルゴリズムA

アルゴリズムB

共通処理部

(22)

21

TCAにより策定されたBBF標準文書



TR-402: Functional Model for PON Abstraction Interface

– DBAの部品化コンセプト、ユースケースおよびAPI機能要件



TR-403: PON abstraction interface specifications

– DBA-APIの仕様詳細：APIフォーマットおよび処理時間要件

http://www.broadband-forum.org/technical/download/TR-402.pdf http://www.broadband-forum.org/technical/download/TR-403.pdf

Published on Oct., 2018 Published on Dec., 2018

(23)

TR-403におけるDBA-APIの仕様概要

 DBA-APIにより、エンジン部とアプリ部に分離

– エンジン部：フレーム生成（高速処理が必要な機能はハードウエアに配置）

– アプリ部：帯域割当計算（ソフトウェア部品化し適用先に応じて入替可能）

 DBA-APIの処理時間要件は、適用先に応じてクラス分けして仕様化

Class Min. call interval

[us] Max. processing time [us]

1 1000

1000

2

500

3

250

4

125

5

62.5

₂₂

Time requirement classes

DBA App

(Algorithm)

Processor (e.g. CPU)

PON (OLT) Hardware

DBA Engine

getReport() setGrant()

R R R

G G G

R

: Report message

G

: Gate message ONUs

DBA-API

from BBF TR-403, http://www.broadband-forum.org/technical/download/TR-403.pdf

Based on Fig.1 in K. Nishimoto et al, JOCN, in press

モバイルフロントホールへの PON適用を想定した仕様

(24)

DBA-APIのユースケース

 将来モバイル通信では、多数のスモールセルが展開される見込みであり、

TDM-PONによるモバイルフロントホール（MFH）収容によるCAPEX削

減が期待されるが、 TDM-PON内における遅延時間が課題となる

 ソフトウェア部品化したDBAを、FTTH向け（SR-DBA）からモバイル

向け（CO-DBA）に入れ替えることと、CU/DUからのスケジューリン

グ情報を活用することで、低遅延化を実現可能

DBAソフトウェア部品の入れ替え

OLT Power splitter 局舎 ONU ONU ONU SR-DBA Power Splitter 局舎 CU/DU OLT RU RU RU SR-DBA CO-DBA

FTTH

MFH

Small cells

CO-DBA: Cooperative DBA CU: Central Unit

DU: Distributed Unit MFH: Mobile Fronthaul UE UE UE UE UE

RU: Radio Unit

SR-DBA: Status Report DBA UE: User Equipment

UEスケジューリング情報

CO-IF

モバイル向け DBAに入れ替え

(25)

FTTH向けDBAにおける遅延

ONU HE _{SR-DBA App} OLT Data Report Report info Grant info Grant (BWmap) Data Pro ces sing delay at C PU API DBA engine PON HW CPU Ti me

K. Asaka et al, JOCN 11(2019)A33-A39

 FTTHにおけるDBA（SR-DBA

）では、全ONUからの要求に基づ

き、各ONUの上り信号送信のタイ

ミングと送信量の計算を行い、ス

ケジューリング情報（Grant）と

してOLTから各ONUに送信される。

 ONUは、OLTからのスケジューリ

ング情報が届くのを待つ必要があ

り、約1ms程度の遅延時間が発生

する要因となるが、FTTH向けに

は問題にならない。

BWmap: Bandwidth map HE: Home Equipment 1ms DBA

delay at ONU

(26)

25

MFH向けDBAによる低遅延化

K. Asaka et al, JOCN 11(2019)A33-A39

ONU UE RU CO-DBA App OLT Grant (BWmap) Data Low DBA delay at ONU CU/DU CO IF UE schedule info Grant info Data DBA engine Tim e Data request P ro ces sin g del ay at CP U API PON HW CPU MFH latency requirement < 250us

 モバイルシステムにおいて、

CU/DUは各UEの上り信号送信の

タイミングと送信量の制御を行う。

このスケジューリングをOLTが共

有することができれば、ONUに各

RUから届く上り信号が届く前に、

DBA計算を完了することができる。

 このようなCO-DBAにより、遅延

時間を大幅に削減することが可能

となる。一方で、モバイルシステ

ム（CU/DU）とOLTとの間に連携

インタフェース（CO-IF）が必要

になる

UEスケジューリング情報モバイル向け DBAに入れ替え

(27)

遅延時間の検証結果

 SR-DBAによる遅延時間は、約1 ms

 CO-DBAおよび連携IFの導入により、50

m

s以下の低遅延化を実現

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 1000 2000 3000 4000 5000

L

at

e

n

c

y

[

m

s]

Data rate

(each ONU)

[Mbps]

1 ONU 3 ONUs 4 ONUs 0 10 20 30 40 50 0 1000 2000 3000 4000 5000 1 ONU 2 ONUs 4 ONUs

w/o Cooperation with CU/DU

w/ Cooperation with CU/DU

6000

(28)

27

BBF大阪会合におけるデモ（2018/6）

Demo setup of mobile fronthaul over NG-PON2 system

DBA-API (BBF TR-402/403) implemented Box-type OLT DU/CU

(29)

 DBAソフトウェア部品の入替を可能とするDBA-APIについては、BBF

TR-402/403として2018年標準化完了

 CO-DBAの仕様化については、ITU-T G.989/G.hspとして審議中

 CO-IFの仕様化については、O-RAN Alliance (WG4)にて2020年標準

化完了

ONU OLT Controller

CU

/DU

PON IF

OLT

CTI CO-DBA

BBF

TR-402/403 ORAN alliance

CTI: Cooperative Transport Interface

ITU-T

(30)

 背景

 ONFにおける動向

 BBFにおける動向

• Cloud COプロジェクト

• PON Abstraction Interface for Time-Critical Applicationsプロジェクト

 ITU-Tにおける動向

(31)

ITU-Tにおける動向

 ITU-Tでは、仮想化の取り組みを二つのStudy Group (SG)で行っている。 • SG13: アーキテクチャ  基本アーキテクチャをY.3150(2018年3月)/Y.3151(2019年4月)として仕様化 • SG15：インタフェース等の詳細規定  G.hspにPONスライスの要件や制御などを議論中