特集 3-1 アクセス系伝送技術

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Vol.100 No.8 (2017/8) 目次へ

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タイトル

寺田 純 正員:シニア会員 日本電信電話株式会社NTTアクセスサービスシステム研究所

Jun TERADA, Senior Member (NTT Access Network Service Systems Laboratories, NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE CORPORATION, Yokosuka-shi, 239-0847 Japan).

電子情報通信学会誌 Vol.100 No.8 pp.777-782 2017年8月

©電子情報通信学会2017

abstract

 光アクセス技術は,超広帯域の光ブロードバンドサービスを実現するための経済的光伝送技術として進展されてきた.本稿では,光アクセス技術の技術動向を解説するとともに,移動体通信システムでの光アクセスの役割を紹介し,これを支えるアクセス系伝送技術として,光伝送容量削減に向けた取組み,経済化のためのPON技術適用時の低遅延化技術について述べる.また,更なる光アクセス技術の高度化に向けて,ソフトウェア技術の活用やオープン化などの取組み,ディジタルコヒーレント技術の適用についての取組みを紹介する.

キーワード:PON,モバイルフロントホール,低遅延,ソフトウェア技術,ディジタルコヒーレント

1.は じ め に

 アクセスネットワークは,通信キャリヤの局舎から家庭やオフィスまでの間のネットワークを指す.その中でも光ファイバを家庭まで引き込むFTTH(Fiber To The Home)は,超広帯域の通信が可能な光ブロードバンドサービスである.TVをはじめとする高精細映像サービスの普及や,インターネットショッピング,クラウドサービスなど多様なサービスの登場に加え,Wi-Fiなどの無線技術も手軽に使える環境も整い,我が国においては2,000万をはるかに超えるユーザがFTTHサービスを享受している(1).FTTHが広く普及した要因の一つに,PON(Passive Optical Network)技術が挙げられる.PON技術は,1本のファイバを複数のユーザで共有する経済的な光アクセスシステムである.現在広く用いられているPON技術は,総帯域がおおむね1Gbit/sであるが,更なる広帯域化に向けた検討が進められているほか,第5世代移動通信網(5G)をはじめとする次世代の移動体通信システムを支える光アクセス技術として活用することを目的とした研究開発が活発化している.また,様々なサービスのアクセスネットワークに対する要件を迅速かつ柔軟に対応するための研究開発や,更なる広帯域化・長延化への挑戦も進められている.

 本稿では,2.で光アクセス技術の技術動向を,PON技術とその標準化を中心に解説し,3.にて移動体通信システムの動向とそれを支える光アクセス技術について述べる.4.では,更なる将来を見据えた新しい光アクセス技術の取組み例を紹介し,5.にてまとめる.

2.光アクセスの技術動向

 本章では,主にFTTH向けに進化してきた光アクセス技術としてのPONシステムについてその技術概要と標準化動向について解説する.

2.1 PON

 光アクセスネットワークで最も普及しているシステムがPONである.PONは,光信号を複数に分岐し,一芯の光ファイバを複数ユーザで共有する.ファイバの分岐には給電不要の受動(Passive)素子である光スプリッタが用いられ,経済的なネットワークを実現できる.PONの構成を図1に示す.PONは局舎に設置されるOLT(Optical Line Terminal)とユーザ宅に設置されるONU(Optical Network Unit),及び局舎からユーザ宅まで敷設された光ファイバと,光ファイバを分岐する光スプリッタにて構成され,一つのOLTに複数のONUが接続される(2).PON構成は,ユーザ局舎内の装置設置スペースを小さく抑えられ,低電力化が可能というメリットもある.

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 OLTと複数のONUがPONを用いて通信をするためには多重技術が必要であり,時分割で伝送するTDM(Time-Division Multiplex)技術や波長で多重するWDM(Wavelength Division Multiplexing)技術などがある.現在広く用いられているPONシステムでは,複数ONUの信号の多重にはTDM技術が使われており,TDM-PONと呼ばれる.OLTからONUへの下り信号とONUからOLTへの上り信号の多重にWDM技術が用いられている.上り信号の多重では,複数のONUからの信号が伝送路上で衝突することのないよう制御するTDMA(Time-Division Multiplex Access)技術が使われている.ONUの上り信号の帯域割当には,固定帯域割当と動的帯域割当の2通りの方法がある.固定帯域割当はONUごとに帯域を固定的に割り振る方法である.この方法は,制御が簡単である一方で,通信量の少ないONUに対しても固定の帯域を割り当てるため,未使用帯域が増えるという課題がある.動的帯域割当(DBA: Dynamic Bandwidth Allocation)では,ONUからの送信要求と,他のONUの通信状況等を加味して,OLTがONUの送信タイミングとデータ量を割り当て,通知する方法である.ONUは通知されたタイミングに割り当てられたデータ量を送信する.この方法は,統計多重効果としてPONの総帯域を最大限有効活用できる一方で,上り信号のOLT到達までの遅延が大きくなる.

 一般的な光通信では,安定した通信を行えるよう,データを送信していないときはアイドル信号を送信し,常に何らかの信号を送受しているが,PONにおいては,ONUは自身に割り当てられた時間のみ上り信号を送信し,その他の時間は,他のONUからの信号に影響を与えないよう光出力を止める必要がある.そのため,ONUには,送信時に光出力を瞬時に安定させ,データ送信後は瞬時に消光するバースト光送信機能が,OLTには,距離差の違うONUからの光強度と位相の異なる信号を正しく受信するため,瞬時に利得を調整して同期・再生するバースト光受信機能を持っている.

2.2 PONの標準化動向

 ここでは,PON技術の標準化動向を紹介する(2)(5).PONの標準化は,図2に示すように,ITU-TとIEEEの二つの標準化団体で行われている.ITU-Tでは,ラインレートが上り155Mbit/s,下り622Mbit/sのB-PON(Broadband PON, G.983 series),上り1.25Gbit/s,下り2.5Gbit/sのG-PON(Gigabit-capable PON, G.984 series),上り2.5Gbit/s,下り10Gbit/sのXG-PON(10Gigabit-capable PON, G.987 series)と標準化された.また,XG-PONはNG-PON1(Next-Generation PON1)とも呼ばれおり,更にその次の標準として,NG-PON2(G.989 series)が策定された.NG-PON2ではWDMが取り入れられ,送受とも1波長当り2.5Gbit/sまたは10Gbit/sで,4波のWDMにより,ラインレート40Gbit/sまでをサポートする.NG-PON2では,更に別の波長を占有して1対1通信を実現するWDMオーバレイも取り入れている.また,上り下りの伝送速度が非対称だったXG-PONを上下対称の10Gbit/sにしたXGS-PON(10Gigabit-capable Symmetric PON, G.9807.1)も標準化された.一方,IEEEでは,イーサネット技術をベースに標準化されており,上り下りとも1.25Gbit/sのGE-PON(Gigabit Ethernet PON, 802.3ah),上下10Gbit/sの10G-EPON(10-Gigabit Ethernet PON, 802.3av)が標準化された後,サービスインタオペラビリティに関してSIEPON(Service Interoperability of EPON, 1904.1)が策定された.現在,802.3caとして100Gbit/s級のPONシステムに関する議論が開始された.

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3.移動体通信システムへの適用

 光アクセス技術は,主にFTTH実現のための経済的な技術として進化してきた.近年では,この光アクセス技術を新たに,移動体通信システムに適用しようとする動きが活発化している.本章では,移動体通信システムの動向を簡単に解説し,そこに向けた光アクセスシステムの要件について述べる.

3.1 移動体通信システムの動向

 移動体通信システムは,NTTドコモが2010年12月にLTE(Long-Term Evolution)の商用サービスを開始して以降,現在ではLTEの発展形であるLTE-Advancedのサービスを提供している.LTE-Advancedは,移動体通信の標準化プロジェクトである3GPP(3rd Generation Partnership Project)が策定したRelease 10から13を指す.近年のスマートフォン・タブレットや多様なアプリケーションサービスの普及に伴いトラヒックが大幅に急増しているが,更に2020年代には2010年に比べて1,000倍とも予測されている爆発的なトラヒックの増加と多種多様な新規サービスの出現へ対応する必要がある.そのため,LTE-Advancedに続いて,2020年以降に導入が期待される第5世代(5G)方式においては,飛躍的な無線アクセスネットワークの能力向上が求められる(6),(7).それに対し,欧州の5G-PPP,中国のIMT-2020(5G)Promotion Group,韓国の5GForumなど世界各国において5Gに関する検討が進められている.日本においては,第5世代モバイル推進フォーラム(5GMF)が2014年に設立され,無線,ネットワーク,アプリケーションを含めて,5Gの早期実現を図る活動を行っている.現在は,広域をカバーするマクロセルと,トラヒックの多いエリアにはスモールセルをオーバレイしてスループットの向上を実現しているが,5Gにおける更なる超高速・大容量無線アクセスに向けては,より高い周波数帯の活用と,多数のアンテナ素子を用いたMassive MIMO技術の導入も期待されており,複数の無線システムを適材適所に配置するマルチRAT(Radio Access Technology)構成となると想定されている.そのため,モバイル光ネットワークは様々なセルを収容するために,図3に示すようにRATに応じた特性が必要となる.

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3.2 モバイルバックホールとモバイルフロントホール

 基地局は信号処理を行うベースバンド部(BBU: Baseband Unit)と電波の送受信など無線信号を扱う無線アンテナ部(RRH: Remote Radio Head)から成るが,これらが一体となった基地局構成と,ベースバンド部と無線アンテナ部が別々に構成され,光ファイバ等で接続される基地局構成がある.前者をD-RAN(Distributed Radio Access Network),後者をC-RAN(Centralized RAN)と呼んでいる.基地局と上位のコアネットワークとの間はモバイルバックホール(MBH)と呼ばれる.MBHには,安定した無線通信を行うためには基地局間の周波数及び時刻同期が必要となる.現行システムでは,基地局での周波数精度として50ppb,時刻精度として500nsが要求されている(8).C-RAN構成では,BBUは局舎等に,RRHはアンテナと同じ場所に配置されることが多い.BBUとRRHは光ファイバで接続され,無線信号を送受する.BBUを一つの場所に集中して配置するため,セル間協調送受信CoMP(Coordinated Multi-point transmission/reception)など高度な処理を行うことが可能となる.BBUとRRHを接続する基地局内光リンクはモバイルフロントホール(MFH)と呼ばれる.BBU-RRH間のインタフェースとしては,CPRI(Common Public Radio Interface)やOBSAI(Open Base Station Standard Initiative)がよく知られている(9),(10).これらは無線信号をディジタル化して伝送するDRoF(Digital Radio on Fiber)技術の一つである.MFHの伝送速度は,サンプリング周波数,量子化ビット数,MIMO数などから決定され,無線データレートの10倍以上の伝送速度が必要である.

3.3 MFHの帯域削減

 前述のように,MFHの伝送速度は無線データレートに対して10倍以上の伝送速度が必要であり,CPRIでは24Gbit/sを超える伝送速度の規定されるまでになっている.現在,光伝送に用いられる光トランシーバは,10Gbit/sクラスのものが多く使われているが,広く普及した光トランシーバを活用すれば,モバイル光ネットワークを経済的に実現できる.現在のC-RAN構成では,物理層の機能のうちRF機能のみがRRHにある構成になっているが,BBUとRRHの機能分割点を変えてMFHの伝送速度を下げる議論が行われている.図4に基地局機能のブロック図を示す.C-RAN構成での機能分割点は(e)である.一般にRRH側に機能を増やすと光伝送帯域の削減効果が大きいが,C-RAN構成の特長であったセル間協調などが難しくなり,干渉による無線スループットの低下を抑制することが難しくなる.また,遅延に関しての要求も変わってくる.LTEでは,誤り訂正手法として,HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)による再送制御が用いられており,その応答時間を8ms以下に規定している.この時間には無線物理層や無線MAC層での処理時間も含まれるため,光伝送に用いることのできる時間(伝送遅延+処理遅延)は制限される.

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3.4 モバイル向け光アクセス技術

 現行のCPRIでは,無線トラヒックがなくても常にDRoF信号を伝送しているが,基地局機能の分割点が変更になると,MFHは,無線トラヒックに応じたトラヒックとなり,複数回線の多重による統計多重効果も期待できる.TDM-PONは統計多重効果を活用できるシステムであるため,そこで,基地局機能の分割点変更を前提として,MFHにTDM-PONを適用する検討が行われている(11),(12).MFHにTDM-PONを適用する上での大きな課題は2.1で述べたように,上りトラヒックの遅延である(図5(a)).この遅延は帯域割当のための制御遅延が大きな割合を占める.このような上りトラヒックのスケジューリングは,無線システムにおいて,BBUと端末の間でも無線リソース情報を通じて行われている.この無線リソース情報を端末だけでなくBBU-OLT間の連携IFを介してOLTにも通知することで,OLTはONUからの帯域要求がなくてもONUに対する帯域割当計算を実施することができる(図5(b)).これにより,帯域割当の処理遅延を大幅に減らすことができ,100µs以下の遅延を実現できる(13),(14)

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 基地局の機能分割点に関しては,光伝送容量の削減とセル間協調による無線特性向上とのトレードオフとなる.この両立を目指した検討も行われている(15),(16).本検討では,特に難しい上りのセル間協調において,図4における(c)で分割することとし,復調後の信号の確からしさを示すLLR(Log Likelihood Ratio)を量子化して送信することで,BBUにおいてLLR合成することでセル間協調を実現する.

 MBHに関しては,時刻同期に対する取組みがある.時刻同期にはGPSが広く用いられているが,GPSアンテナの設置場所の確保が困難などの理由により,ネットワークを介した同期が期待されており,PTP(Precision Time Protocol)とSyncE(Synchronous Ethernet)を組み合わせた高精度の時刻同期システムの検討が行われている(17)

4.将来光アクセス技術

 ここでは,更に将来の光アクセスシステムに向けた技術についての研究開発の動向について述べる.

4.1 柔軟な光アクセス技術

 TDM-PONを移動体通信向けに適用する事例を述べたように,今後,光アクセス技術は様々なサービス要求に柔軟に対応できるシステムとしていく必要がある.現在の光アクセスシステムは,それぞれのアクセス方式に応じて専用のハードウェア,ファームウェアを用いているため,迅速な機能追加や変更による新しいサービスへの対応が困難となっている.そこで,機能を部品化し,それらを自由に組み合わせることによって,様々なサービスに対応するシステムを柔軟かつ経済的に実現しようという試みも登場している(18).また,光アクセスシステムをオープン化する動きも活発化している.例えば,OCP(Open Compute Project)のテレコムワーキンググループ(OCP Telecos)では,Open GPONやOpen XGPONを仕様化する活動を行っている.また,ON. LabにおけるCORD(Central Office Re-architected as a Datacenter)プロジェクトでは,PONの仮想化とオープンソフトウェア開発を行っている.更に,より挑戦的な取組みとして,物理層の信号処理を汎用のハードウェア上のソフトウェアで実現する検討も行われている(図6)(19)

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4.2 大容量化技術

 更なる大容量化を目指した取組みも活発である.2.2で述べたように,IEEEではラインレート100Gbit/sを実現するPONを目指すタスクフォースが発足しており,ONUが複数の波長を同時に使用することが検討されている.また,コアネットワークにおける大容量化技術であるディジタルコヒーレント技術をアクセスネットワークに適用しようとする検討も行われている.TDM-PONに適用する場合には,光強度の異なるバースト信号を受信する必要があるが,バースト対応の光アンプの検討により,20dB以上の対応が可能であると示した例もある(20).また,アクセスネットワークへの適用に向け,経済的なディジタルコヒーレント通信を実現する技術についての検討も始まっており,インジェクションロッキング技術を活用して,光部品数削減に向けた研究開発も行われている(21)

5.ま  と  め

 光アクセス技術は,主にFTTHサービス実現のために研究開発され,光ブロードバンドを実現する足回りとして根付いてきた.今後は,移動体通信をはじめとする様々なサービスに柔軟に適応するアクセスネットワーク実現に向け研究開発が行われていくであろう.

文     献

(1) 総務省情報通信統計データベース,ブロードバンドサービス等契約数の推移(四半期),
http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/field/data/gt010103.xls

(2) “技術基礎講座【GE-PON技術】,”NTT技術ジャーナル,vol.17, no.8, pp.71-74, Aug. 2005.

(3) 葉玉寿弥,吉本直人,木村俊二,可児淳一,“高速・低消費電力化を目指す次世代PON技術,”信学誌,vol.95, no.1, pp.62-67, Jan. 2012.

(4) 浅香航太,可児淳一,“光アクセスシステムの最新標準化動向,”信学誌,vol.99, no.7, pp.644-649, July 2016.

(5) 可児淳一,鈴木謙一,“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, Sept. 2009.

(6) NTT Docomo WhitePaper,
https://www.nttdocomo.co.jp/binary/pdf/corporate/technology/whitepaper_5g/DOCOMO_5G_White_PaperJP_20141006.pdf

(7) T. Nakamura, S. Nagata, A. Benjebbour, Y. Kishiyama, T. Hai, X. Shen, Y. Ning, and L. Nan, “Trends in small cell enhancements in LTE Advanced,” IEEE Commun. Mag., vol.51, no.2, pp.98-105, Feb. 2013.

(8) Small cell forum document, 075.07.01, Feb. 2014.

(9) CPRI, “CPRI specification V7.0,” Oct. 2015,
http://www.cpri.info/

(10) OBSAI, http://www.obsai.com/

(11) J. Terada, T. Shimada, T. Shimizu, and A. Otaka, “Optical access network technology for 5G wireless front/backhaul network,” OECC 2016, no.S1-7, July 2016.

(12) J. Terada, T. Shimada, T. Shimizu, and A. Otaka, “Optical network technologies for wireless communication network,” ECOC 2016, no.Tu1.F. 2, pp.232-234, Sept. 2016.

(13) T. Tashiro, S. Kuwano, J. Terada, T. Kawamura, N. Tanaka, S. Shigematsu, and N. Yoshimoto, “A novel DBA scheme for TDM-PON based mobile fronthaul,” Proc. OFC2014, no.Tu3F. 3, March 2014.

(14) H. Ou, T. Kobayashi, T. Shimada, D. Hisano, J. Terada, and A. Otaka, “Passive optical network range applicable to cost-effective mobile fronthaul,” Proc. IEEE ICC2016, no.SAC/ASN 1.5, May 2016.

(15) K. Miyamoto, S. Kuwano, J. Terada, and A. Otaka, “Performance evaluation of mobile fronthaul optical bandwidth reduction and wireless transmission in split-PHY processing architecture,” OFC2016, no.W1H. 4, March 2016.

(16) K. Miyamoto, S. Kuwano, J. Terada, and A. Otaka, “Uplink joint reception with LLR forwarding for optical transmission bandwidth reduction in mobile fronthaul,” Proc. VTC2015-Spring, no.6E. 1, pp.1-5, May 2015.

(17) 中西 隆,坂井勝太,高田 祐,小倉康夫,小林正人,“高精度時刻同期アクセスシステムの性能向上に向けた検討,”信学技報,CS2016-44, pp.23-28, Nov. 2016.

(18) NTTプレスリリース, “Introducing the new FASA concept for future access systems,” Feb 8. 2016.

(19) T. Suzuki, S. Kim, J. Kani, K. Suzuki, and A. Otaka, “Real-time demonstration of PHY processing on CPU for programmable optical access systems,” IEEE GLOBECOM 2016, no.SAC-ANS. 1, Dec. 2016.

(20) R. Koma, M. Fujiwara, J. Kani, S. Kim, T. Suzuki, H. Mori, T. Wada, K. Suzuki, and A. Otaka, “22-dB dynamic range, real-time burst-mode reception of digital coherent 20-Gb/s QPSK PON upstream signals,” ECOC2016, no.M. 1. E. 4, Sept. 2016.

(21) K. Kasai, M. Yoshida, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Injection-locked homodyne detection system for higher-order QAM digital coherent transmission,” ECOC2016, invited talk, no.M1. C. 3, Sept. 2016.

(平成29年2月28日受付)

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(てら)() (じゅん) (正員:シニア会員)

 平5慶大・理工・電気卒.平7同大学院修士課程了.同年日本電信電話株式会社入社.A-D・D-A変換器,光トランシーバ用高速回路に関する研究に従事した後,光アクセスシステムの移動体通信システムへの適用に関する研究に従事.現在,同社NTTアクセスサービスシステム研究所主幹研究員・グループリーダ.


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