多様化するサービスに向けたアクセスシステム技術

アクセスサービスとシステム技術 の変遷

■商用初期のFTTH

FTTH（Fiber To The Home）は， インターネットアクセスの普及に伴い 拡大展開し，現在日本全体で2600万 ユーザ以上が利用する通信インフラと しての地位を築きました．日本におけ るFTTHは1997年に商用導入が開始 され，提供されるサービスやシステム 技術もこの約20年の間大きく変わっ たものもあります． 初期のFTTHは，アナログ ・ ISDN 電話系通信とアナログ多チャネル映像 配信サービスを提供していました．当 時のアクセスシステムは，電話系サー ビスのためのシステム（STM-PON: Synchronous Transfer Mode-Passive Optical Network）と映像配信サービ ス の た め の シ ス テ ム（SCM-PON: Sub-Carrier Multiplexing-PON）によ り構成され，波長多重技術（WDM: Wavelength Division Multiplexing） を用い同一の光ファイバ上で 2 つの サービスを提供していました（1）_．アク セスネットワークは，光スプリッタを 用いた32分岐のPON構成です．当時 の通信系サービスは，電話系に限られ ていたためFTTHシステムも16 Mbit/s 程度の低速なものでした．しかし， WDMによる光信号の多重とPON構成 によるアクセスサービスの提供は，現 在のFTTHでも用いられている技術で す（図 1 ）． ■ブロードバンドアクセスとして のFTTH 2000年を境にアクセスサービスに 大きな変化が起きました．従来の電話 系のサービスからインターネットアク セスへの変化です．2000年初頭，前 述のSTM-PONを用い最大10 Mbit/s の帯域を利用できるシステムの開発 ・ 導入も行いましたが，ADSLに代表さ れる高速メタリック通信との速度的差 別化を図るためにもFTTHシステムの 高速化が求められました．そこで， 2002年にATM-PONをベースにデー タ 通 信 の み に 特 化 さ せ 開 発 し た B-PON（Broadband-PON）（2）_，さら に，2004年にイーサネット技術をベー ス に 開 発 さ れ たGE-PON（Gigabit Ethernet-PON）（3）_{の導入を行いまし} た．この間，アクセスシステムは， 2000年初頭の10数Mbit/sの速度から 数年で 1 Gbit/sの速度をサポートする までになりました．この大きな理由は， LANにおける高速化技術が市中技術 として安価に利用可能となり，また， それまで比較的独自仕様であったイン タフェース条件がIEEE802やITU-T （International Telecommunication U n i o n - T e l e c o m m u n i c a t i o n Standardization Sector）の標準化規 格により規定され，数多くのデバイス 等が利用可能になったことも挙げられ ます（4）_{．さらに，サービスをインター} ネットアクセスと限定することで，複 雑な電話系インタフェースの装置への 実装を省くことにより大幅なシステム の簡略化もでき，システムコストの大 幅な低減も可能となりました． FTTHによるブロードバンドアクセ スの本格的な展開が進むと，提供サー ビス拡張への対応（NGN，マルチキャ スト，BS/CS信号），大量開通の稼働 削減への対応（DYI化，ONU一体化）， 提供エリア拡大に向けた対応（長延 化），ECO化（省電力化）などのシス テム機能追加と改善へと研究開発の対 象は移り，システムの成熟度を上げる 技術開発を中心に現在まで行われてき ました．これら技術開発は，現在約 1900万ユーザにサービスを安定的に NTTアクセスサービスシステム研究所では，FTTH（Fiber To The Home）サービス提供のためのアクセスシステム技術の研究開発に取り組 んできました．本稿では，商用展開されてすでに20年近く経過している FTTHのシステムの技術的特徴，および対象としてきたサービスを振り返 ります．また，多様化するサービスに向けたアクセスシステム技術の研 究開発の方向性について述べます．

藤

本 幸

洋

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

提供する通信インフラとしての役割を 支えています（図 2 ）． アクセスシステム技術開発の現在 の取り組み ■トラフィック増加に向けた技術 FTTHの本格展開から今日に至るま で，ブロードバンドトラフィックの伸 びは過去10年間で14倍となっていま す（図 3 ）．この傾向は高精細映像な どのリッチコンテンツの普及に伴い今 後も増加することが容易に予想されま す．一方，移動体通信のトラフィック は，スマートフォンなどの普及に伴い ここ数年，毎年50％以上の大きな伸び をみせており，移動体ネットワークの バックボーンの帯域増強は大きな課題 です．現在の光アクセスネットワーク は，移動体基地局のバックボーンとし ても利用されており，バックボーンの 帯域増強への対応が求められます．こ のようにブロードバンドアクセスと移 動体通信のトラフィックの伸びに対応 したアクセスシステムの高速化が必要 な技術の 1 つであることはいうまで もありません．アクセスシステムの高 速化は，現在，10 Gbit/sの速度を伝 送するPONシステムが技術的に確立 さ れ て お り，IEEE802， お よ び ITU-Tにおいても規格化されていま す（5）_{．しかし，爆発的なトラフィック} の伸びと，高速光アクセスシステムの 適用先の多様化を考慮した場合，より 柔軟な運用を可能とするシステムが求 ONU お客さま宅 光スプリッタ 32分岐 光波長 設備センタ

ONU: Optical Network Unit OLT: Optical Line Terminal STM-PON: STM-OLTとSTM-ONUにより構成 SCM-PON: V-OLTとV-ONUにより構成 図 1  商用初期のFTTHシステム構成 STM-ONU 電話 映像 V-ONU WDM WDM 1.3 μm 1.3 μm 1.3 μm 1.55 μm _{1.55 μm} 1.55 μm 電話網 映像配信 ヘッドエンド STM-OLT V-OLT 図 2  ブロードバンドアクセスの伸びとFTTHシステム技術開発 02/03 03/09 05/03 06/09 08/03 09/09 11/03 12/09 14/03 CATV DSL FTTH 0 10 20 30 40 （百万） 通信系 FTTHシステム 映像配信系 FTTHシステム

▲B-PON ▲GE-PON ▲NGN対応（ONU＋HGW一体化）

▲PON Multicast 対応 ▲DYI化 ▲省電力化 ▲長延化（37 dB） ▲V系広帯域化（BS/CS110°対応） ▲GV系一体化 ▲V-ONU経済化 ユーザ数

め ら れ ま す．WDM/TDM（Time Division Multiplexing）-PON（6） _は， 複数のTDM-PONをWDMにより同一 PON上に複数多重化するシステムで す（図 4 ）．この仕様は，現在，ITU-T に お い てNG（Next Generation）- PON2として規格化が進められていま す．それぞれのTDM-PONは2.5〜10 Gbit/sの 速 度 の も の が 用 意 さ れ， TDM-PONを 4 波多重することによ り最大40 Gbit/sのPONとして運用す ることができます．また，任意の OSU（Optical Subscriber Unit） の 通信波長をONUへ動的に割り当てる ことにより，柔軟な速度設定や故障時 の変更等が可能となります．また，ポ イント ・ ツー ・ ポイント（P2P）型の 通信波長を同時にWDMオーバレイさ せることにより，PONとは独立した 占有型の通信の多重も可能となりま す．このような柔軟性は，同一のアク セスネットワークで一般向けサービス とビジネス向け，モバイル向けアクセ スサービスを同時に提供することを可 能にすると考えられます（図 4 ）． ■モバイルフロントホール利用に 向けた技術 モバイルフロントホール（MFH: Mobile Front-Haul）は，基地局とな るBBU（Base Band Unit）＊ 1_とアンテ

ナとなるRRH（Remote Radio Head）＊ 2

が離れて設置される場合のリンク区間 を指します．MFHでは無線の信号を 光デジタル信号へ変換するにあたり， CPRI（Common Public Radio Interface）に準拠したインタフェー スを用います．CPRIは無線電波をそ のままデジタル化するため，通常無線 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 （Gbit/s） 37.5％ 50.9％ 約14倍 2004 2005 2006 2007 トラフィック 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 ブロードバンド 総トラフィック （ダウンロード） 移動通信 総トラフィック （ダウンロード） 図 3  インターネット・モバイルトラフィックの増加 帯域占有 帯域占有 波長 λ1 λ4 時間 OSU # 1 OSU # 2 OSU # 3 OSU # 4 WDM # 1 WDM #n 図 4  WDM/TDM-PONの構成 P2P WDMオーバレイ 速度無依存の占有型通信として利用 WDM/TDM-PON 最大40 Gbit/sのPONとして利用 TDM-PON：2.5 ∼10 Gbit/s ／波 WDM： 4 ∼ 8 波長 一般向けアクセス ビジネス向けアクセス モバイル向けアクセス 移動体 ネットワーク コア ネットワーク ＊1 BBU：デジタル信号処理，バックボーン ネットワークとの接続等を行います． ＊2 RRH：無線信号と光信号の変換等を行い ます．

の伝送速度の16倍以上の帯域が必要 となります．したがって，光伝送シス テムによるCPRIの伝送には，非常に 高速なシステムが求められます．今後， 移動体通信は現在のLTEやLTE-Aか ら，10 Gbit/sをサポートする5Gへと 移行するにあたり，CPRIのままでは アクセス区間に100 Gbit/sを超えるシ ステムをMFH投入しなければならず， 経済的なRRHの展開のハードルとな ることが予想されます（図 ₅ ）．そこ で，将来の移動体通信の高速化に対応 した経済的なMFHを実現するために， 従来のBBUの物理層の機能構成を見 直し，よりデータレートに近い速度の 信号を光信号として伝送する技術を開 発しています（7）_{．具体的には，基地局} の各機能構成を分解し，現在のCPRI で行われている基地局間の密な協調が 可能であり，かつ，帯域幅を大幅に削 減可能な部分を新たなインタフェース として定義し，従来のCPRIと比較し て90％以上の帯域削減が可能となる ようにします．これにより高速化する 移動体基地局に対し，経済的なMFH のシステム化の実現が期待されます． 例えば，将来の5GのMFHであっても， 商用のLANなどで用いられている 10 Gbit/sの光インタフェースが利用 できるため，現在安価に入手可能な商 用技術を用いたシステム化が可能とな ります．さらに，MFHをPONへ収容 する形態も可能となり，さらなる経済 化と効率的運用も期待できます． 次の研究 ･ 技術開発領域に向けて ■新たなサービスとネットワーク これまでの人と人を中心とした通信 に加え，この数年，M2M（Machine to Machine）やIoT（Internet of Things） といったモノとモノ，人とモノをネッ トワークでつなぐことに関する議論が さかんに行われており，新しいサービ スやビジネスがすでに創出されつつあ ります．現在自動運転の研究が多方面 で行われていますが，仮に日本国内の 自動車がネットワークに接続されると 8000万台の「端末」が新たに生まれ ることになります．また，2020年ま でに世界中で約500億個以上のセンサ などのデバイスが「端末」化されネッ トワークに接続されるといった予測も 出され，それでも全体の数％にも満た ないといわれています．このような莫 大な数のデバイス ・ 端末がネットワー クに接続される世界では，アクセス ネットワークの構成もこれまで構築さ れてきたFTTHとは大きく変わる可能 性があると考えられます．例えば， M2Mにおけるアーキテクチャの中で 定義されているM2Mエリアネットワー クや基幹ネットワークは，これまでの アクセス ・ 中継といった区切りとは異 光伝送 帯域削減 （10分の 1 程度へ） 100 Gbit/s超 無線レートの16倍以上 LTE-A 225 Mbit/s LTE 150 Mbit/s LTE 100 Mbit/s LTE 75 Mbit/s CPRI 100 G 10 G 1 G 100 M 2010 2020 Mobile 5 G 4 G（LTE-Advanced） 3.9 G （LTE） （bit/s） 伝送速度 5 G 4 G 3.9 G 図 5  モバイルフロントホールの帯域削減 上位層 MAC層 物理層 BBU 現行のMFH構成 MFH （CPRI） RRH _無線 送受信 端末 上位層 MAC層 物理層 の一部 BBU RRH 物理層分割伝送 無線 送受信 物理層 の一部 端末 機能配備変更に より，無線デー タレートに近い 速度の信号を光 伝送する

なるものかもしれません．また，適用 されるネットワーク技術に関しても， 1 つに集約できるものでもないよう です（図 6 ）．さらに，モノが送受信 する情報の特性がどのようなものにな るのかも多種多様な議論があります． このように，M2M，IoT時代のネット ワークをどう実現するか，どのような アクセスサービスとして提供できるか は，非常に大きな研究開発テーマであ り，次に向けた新たな領域になると考 えています． ■部品としての技術の適用 NTTアクセスサービスシステム研 究所では，現在に至るまでさまざまな 技術を開発してきました．各々の技術 に関して接近してみると，ネットワー ク以外の領域に利用できる技術もある かもしれません．例えば，光ファイバ の 損 失 を 測 定 す るOTDR（Optical Time Domain Reflectometer）は，光 ファイバネットワークの故障を探索す るだけでなく，光ファイバの物理的変 化を観測できるといった特徴を活か し，河川堤防の状態や構造物の歪みな どの観測にも用いられています（8）_．同 様に，PONを構成する個々の技術を 「部品」としてみなし他の分野への応 用（光信号の衝突回避制御が物流の制 御に利用できる等）も十分考えられる と思います．逆に他分野で利用されて いる技術を「部品」とみなし，ネット ワーク技術の不足する部分への組み込 みも考えられます．今回のつくば フォーラムでは，「アクセスシステム 技術」「オペレーション技術」「ネット ワーク技術」「基盤技術」として研究 所で開発されている技術が紹介されて いますが，この技術分類にとらわれな い「部品」として，何に利用できるか も考えていきたいと思います．同時に 各方面からの意見交換などを通し，新 たな領域でのコラボレーションも積極 的に進めたいと考えます． 今後の展開 多様化するサービスの創出には，こ れまで以上に研究開発のテーマの多様 化が必要となります．NTTアクセス サービスシステム研究所では，高速 ・ 広帯域化のアクセスシステム技術開発 に加え，M2M，IoTに向けた新しい視 点での技術開発，さらに，これまでの 領域を超えたところでの応用など，幅 広い研究開発にチャレンジしていきた いと思います． ■参考文献 （1） http://www.ntt.co.jp/RD/OFIS/active/1998pdf/ tn.pdf （2） http://www.ansl.ntt.co.jp/history/access/ ac0109.html （3） 落 合 ・ 立 田 ・ 藤 本 ・ 田 中 ・ 吉 原 ・ 太 田 ・ 三 鬼：“Gigabit Ethernet-PON（GE-PON）シス テムの開発，” NTT技術ジャーナル，Vol.17， No.3，pp.75-80，2005.

（4） Y. Fujimoto: “Application of Ethernet Technologies to FTTH Access Systems,” IEICE Trans. Commun., Vol. E89-B, No.3, pp.661-667，2006. （5） 可児 ・ 鈴木：“次世代10G級PONシステムの 標準化動向，” NTT技術ジャーナル，Vol.21， No.9，pp.90-93，2009. （6） 浅 香 ・ 可 児：“次 世 代 光 ア ク セ ス シ ス テ ム （NG-PON2）の標準化動向，” NTT技術ジャー ナル，Vol.27，No.1，pp.74-77，2015． （7） 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. （8） 藤橋 ・ 宮本 ・ 奥津 ・ 奥津：“光ファイバセン シング技術を用いた防災分野への取り組み，” NTT技術ジャーナル，Vol.19，No.9，pp.52-56，2007. 図 6  M2Mの機能アーキテクチャ例 M2Mアプリケーション M2Mプラットフォーム M2Mゲートウエイ M2Mデバイス 基幹ネットワーク M2Mエリアネットワーク M2Mデバイス M2Mデバイス 有線（FTTHなど） 無線（ 3 G, LTE, WiMAX, 5 Gなど） 10年以上使われる 共通インフラ デバイス・利用に応じた エリアネット IEEE802.11, .15.xなど ◆問い合わせ先 NTTアクセスサービスシステム研究所 光アクセスサービスプロジェクト TEL　046-859-5280 FAX　046-859-5514 E-mail　fujimoto.yukihiro lab.ntt.co.jp