10G-EPON 用通信LSI の開発

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とらふみかむら
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1 情報通信 10G-EPON 用通信 LSI の開発大道文雄 * 吉村明展神山真一西岡進吾 Development of Communication LSI for 10G-EPON by Fumio Daido, Akinobu Yoshimura, Shinichi Kouyama and Shingo Nishioka GE-PON (Gigabit Ethernet-Passive Optical Network) systems have been widely used for broadband access services. As the next generation technology of GE-PON, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Working Group standardized 10G-EPON in 2009 to define physical layer and data link layer specifications, and IEEE P (SIEPON: Service Interoperability in Ethernet Passive Optical Networks) Working Group has currently been working on the standardization of upper layer protocols to ensure service-level and multi-vendor interoperability for GE-PON and 10G-EPON. Along with the standardization activities for 10G- EPON, the authors have developed the communication LSI (large scale integration) for 10G-EPON, and successfully demonstrated technical feasibility of the 10G-EPON and SIEPON standardization. Keywords: FTTH, 10G-EPON, LSI 1. 緒言ブロードバンドアクセスサービスは電話線を利用した ADSL 1 から光ファイバーを利用した FTTH 2 へと発展し情報化社会を支える必須のインフラとなった当社はブロードバンド黎明期からブロードバンドアクセス機器を研究開発し市場に提供してきた国内のブロードバンドサービス契約者数は 2010 年 12 月末の時点で 3,459 万件でありその中でも FTTH サービスが 1,977 万件となっており全体の約 57 % を占めている (1) FTTH サービスは今後も契約者数が継続して増加していくと予測されている現在国内のブロードバンドサービスにおいて主に利用されているのは IEEE で 2004 年 6 月に標準化された GE-PON(Gigabit Ethernet Passive Optical Network) であるしかしながら多チャンネル映像配信クラウド通信インターネットへの接続端末数の増加などの利用形態の変化を考えるとより高速大容量なアクセス技術が次世代 FTTH システムとして必要であるまた近年 CO2 排出抑制のため ICT 技術を利用した情報通信機器の消費電力削減など新たな要求も出てきている IEEE では GE-PON を 10 倍高速化した 10G-EPON の標準化を 2009 年 9 月に完了した (2) 現在 IEEE P (SIEPON: Standard for Service Interoperability in Ethernet Passive Optical Networks) では IEEE で標準の対象外であったシステム仕様の標準化を進めており 2012 年 6 月に標準化完了予定である (3) SIEPON では EPON 機器の消費電力削減技術も標準の対象となっている当社は標準の技術実現可能性を検証するために標準化と並行して 10G-EPON の局側装置 (OLT) と宅側装置 (ONU) 用の通信 LSI の開発を行い実環境に近い規模での実機検証を行ったので仕様概要検証結果について報告する 2. 10G-EPON 2 1 要求条件 10G-EPON システム導入時に新たな光ファイバー網を構築すると多大な投資が必要となり現実的ではない従って GE-PON 用に敷設したファイバー網やユーザが使用中の GE-PON ONU がそのまま利用できることが要求されている当社はこれまで 10G- (4) EPON 非対称機の試作などを通じ 10G-EPON システムにおける GE-PON との共存機能の原理試作実機検証を進めてきた一方 10G-EPON システムの商用サービス化が近付くにつれ設備投資 (CAPEX) 運用費用 (OPEX) の低減要求が高まりつつある 10G-EPON システムは局側装置から宅側装置への速度が 10Gbps に高速化されているため局側装置から宅側装置へのファイバー網を多分岐化しより多くのユーザを収容することでユーザあたりの CAPEX OPEX が削減可能である当社は多分岐化が今後の 10G-EPON システムで重要視されると考え従来は 32 分岐対応であったが今回の開発では 128 分岐対応としたまた最近は情報通信機器の低消費電力化に対する関心年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 0 号 ( 43 )

2 が高まっている GE-PON や 10G-EPON システムについても例外ではなく消費電力の多くを占める ONU に対する消費電力削減が期待されている SIEPON の標準化では通信トラフィックが少ない時に ONU の機能の一部を停止させることで消費電力削減を図る省電力機能が検討されており標準化中の本機能を通信 LSI に実装した 2 2 標準化 10G-EPON の標準化に関して IEEE で標準化された標準は光の強度や波長符号化などを規定する PHY 層 3 とフレームのフォーマットや送受信処理を規定する MAC 層 4 を対象としており上位層の機能は標準の対象外であり通信事業者やベンダの仕様に依存していたしたがって異ベンダ間での相互接続に問題が生じることがあったそこで SIEPON では GE-PON と 10G-EPON の OLT と ONU 間でのシステムレベルの相互接続性を実現することを目標とし上位層の標準化を進めている 2012 年 6 月標準化完了を目標としており 2011 年 10 月現在 Draft2.0 を作成済みである SIEPON が規定する技術範囲は多岐に渡っているため標準化を効率的に進めるために SIEPON のワーキンググループは 5 つのタスクフォース (TF) から構成されている表 1 に各 TF が担当する技術範囲を示す当社は SIEPON の標準化に積極的に取り組んでおり TF4 のエディターを担当している TF1 TF2 TF3 表 1 各タスクフォースの検討テーマ名称 Service Configuration and Provisioning Performance Requirements and Service Quality Service Survivability 検討テーマ SIEPON アーキテクチャクラシフィケーション VLAN/ マルチキャスト QoS メトリック, MPCP フレームフォーマット機器トランシーバ状態監視 PON プロテクション省電力 TF4 System/Device Management ONU 管理暗号認証 TF5 Conformance Test Procedures 適合試験用し 10G-EPON の評価機を開発した 10G-EPON システムは局側装置 (OLT) と宅側装置 (ONU) で構成され当社はそれぞれの装置に使用される通信 LSI の開発を行った 10GE-PON システムの概略を図 1 に示す下り方向 (OLT から ONU) の通信は OLT からの光信号が全 ONU に同報され ONU が自分宛てかどうかの判定を行うそれに対して上り方向 (ONU から OLT) は各 ONU からの光信号が衝突しないように制御する必要があり上り動的帯域割当 (DBA: Dynamic Bandwidth Allocation) と呼ばれる帯域制御によって OLT が各 ONU に対して送信時間割当を行う今回開発した OLT 用の通信 LSI では対称 10G-EPON ONU( 下り 10G / 上り 10G) 非対称 10G-EPON ONU( 下り 10G / 上り 1G) GE- PON ONU( 下り 1G / 上り 1G) が接続可能であるこれまで当社で開発してきた OLT 用の通信 LSI に対する今回の通信 LSI の特徴は次の 2 点である 1 収容可能な ONU の台数を 32 台から 128 台に拡張 2 SIEPON で標準化中の省電力機能 (D2.0) に対応 3 2 仕様緒元 (1)OLT 用通信 LSI 表 2 に OLT 用通信 LSI の仕様諸元図 2 にブロック図を示す上位装置とのインターフェースは GE-PON システムとの互換性を考慮し 10G ポートの他に 1G ポートも備え図 1 10GE-PON システム GE-PON システムは既に世界各国で異なる仕様で運用されているため SIEPON では複数の仕様を規定しているそれぞれの仕様をパッケージと呼びパッケージ AからCまでの3 種類が規定されている異ベンダの OLT と ONU 間でも同一パッケージに対応していれば相互接続が可能となる 3. 10G-EPON 用通信 LSI 3 1 開発方針当社では標準化活動と並行しいち早く機能を実装検証するため市販の FPGA 5 を使 PON インタフェース SNI インタフェース PON プロトコルロジカルリンク数 128 バッファ数論理接続可能距離省電力プロトコル表 2 OLT 用通信 LSI 仕様緒元 (10G)XSBI (1G)TBI (10G)XAUI (1G)GMII IEEE802.3av 準拠上り 256MByte( 外部 ) 下り 256MByte( 外部 ) 90km SIEPON D2.0 準拠 ( 44 ) 10G-EPON 用通信 LSI の開発

3 PON I/F たまた最大で ONU 128 台分のフレームを蓄積する必要があるため FPGA の外部に上下トラフィック用にそれぞれ 256MByte の SDRAM 6 を置いた動作時に使用するキュー数やキューサイズに関しては設定によって変更可能である OLT LSI PCS (10G) PCS (1G) (2)ONU 用通信 LSI 表 3 に ONU 用通信 LSI の仕様緒元図 3 にブロック図を示す今回の開発で使用した FPGA では PON 光トランシーバ 7 からの 10G シリアル信号を直接入力できないため外部にシリアル信号をパラレル信号に変換する SERDES LSI を置き FPGA にはパラレル信号 (XSBI) として入力した端末側インターフェイス (UNI) として 10G と 1G の両方のインターフェースを備えており運用時には 1G もしくは 10G のどちらかのポートを選択し切り替えて使用することが可能である PON インタフェース UNI インタフェース PON プロトコル RS232-C CPU MPCP ロジカルリンク数 1 バッファ数 External SDRAM(DOWN) Buffer Controller External SDRAM(UP) Scheduler 図 2 OLT 用通信 LSI ブロック図表 3 ONU 用通信 LSI 仕様緒元 XSBI (10G)XAUI (1G)GMII IEEE802.3av 準拠 10G MAC 1G MAC 上り 4MByte( 外部 ) 下り 256MByte( 外部 ) 10G SNI 1G SNI 3 3 特徴 (1) 上り動的帯域割当 (DBA) EPON システムでは上り方向の通信は時分割多重アクセスで送信するため OLT は各 ONU から ONU の上りフレーム蓄積量の通知を受け ONU 間の公平性を考慮しながら DBA による送信時間割当を行う 10G-EPON の ONU では従来の GE-PON と比較すると 10 倍程度大きいバッファ 8 のフレーム蓄積量を算出する必要がある算出時間は 16µs 以内と IEEE 標準で規定されているがその時間内に上りフレーム蓄積量を逐次的に調べるこ (5) とは難しいそこで当社ではコードベクタ検索技術を用いることで上りフレーム蓄積量の高速算出を実現している具体的にはフレームをバッファに格納する際にデータを 1/64 に圧縮したインデックステーブルを作成しフレーム蓄積量算出時にはそのインデックスを参照することで高速算出を行うものである (2) 多分岐化 (ONU128 台対応 ) OLT 用の通信 LSI は従来の 4 倍の台数の ONU を収容可能とするため ONU 間の公平性送信レートフレームの優先度などに基づきフレームの送信順序を決定するスケジューリング機能の負荷が増加する上り方向については前述の DBA に関する処理時間が一つの制約となるがソフトウェアで行う計算の一部をハードウェアで高速処理するアクセラレータと呼ばれる回路を組み込みソフトウェアの負荷軽減を図った下り方向に関してもスケジューリング方式を改良し 128 台接続時でも送信レートを落とすことなくフレームの送信が可能な回路を開発した (3) 省電力機能 SIEPON では ONU の消費電力低減のため通信トラフィックが少ない場合 ONU の PON 送信受信部を一時的に停止 ( スリープ ) させるための OLT と ONU 間の制御プロトコルを規定している ONU のスリープモードとして送信部のみを停止させる Tx スリープモードと送受信両方を停止させる TRx スリープモードの二種類のモードがある図 4 に OLT と ONU 間の省電力制御プロトコルフローの一例を示すまず OLT はスリープさせたい ONU に対し省電力制御の開始を示すメッセージ (SLEEP_ALLOW) を 10G UNI 1G UNI ONU LSI 10G MAC 1G MAC Internal RAM(DOWN) Buffer Controller RS232-C CPU PCS MPCP PON I/F OLT SLEEP_ALLOW(Tx) SLEEP_ACK(Tx) SLEEP_ACK(WakeUp) External SDRAM(UP) ONU active sleep active sleep active 図 3 ONU 用通信 LSI ブロック図図 4 省電力制御プロトコルフロー年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 0 号 ( 45 )

4 A A A A 図台系実機検証環境送信する ONU はスリープ可能であれば省電力制御の開始を了解するメッセージ (SLEEP_ACK) を返答し間欠スリープ (active と sleep の繰り返し ) を開始する図 4 は OLT から省電力制御を開始する例であるがオプションとして ONU 側から省電力制御の開始を要請するメッセージを送ることも可能である省電力制御の終了は ONU がスリープの終了を通知する場合 (WakeUp) と OLT から ONU に対してスリープの終了を要求する場合とがある OLT 用の通信 LSI では下り方向の通信トラフィック量を ONU 用の通信 LSI は上り方向の通信トラフィック量をそれぞれ監視して省電力状態の開始または終了の可否を判定し上記の省電力制御プロトコルを実行する 4. 実機検証 4 1 多分岐化今回開発した通信 LSI が 128 台の ONU が接続された場合でも安定動作しまた各 ONU に対する上り動的帯域割当が期待通り動作することを確認するため図 5 に示すように 12 台の 10G-EPON ONU と 4 台の非対称 10G-EPON ONU 112 台の GE-PON ONU 表 4 動作可能な DBA サイクル範囲 ONU 収容可能台数最少 DBA サイクル最大 DBA サイクル 32 台 300µs 2,000µs 128 台 1,200µs 2,000µs からなる評価系を構築し実機検証を行った表 4 に OLT 用通信 LSI が対応可能な DBA サイクル時間を示す ONU の収容可能台数が増えるにつれ DBA 処理に必要な時間が増える ONU32 台収容可能時では最少 300µs で動作させることができたが ONU128 台収容可能時では安定動作させるために 1,200µs の時間が必要であった最大 DBA サイクル時間は 32 台 128 台収容可能時とも 2,000µs に設定可能であり OLT と ONU 間の距離を 20Km 以上に長延化することが可能である上りフレームの最大遅延時間は DBA サイクルの約 3 倍となるため DBA 処理をより高速化し DBA サイクル時間をより短縮することが今後の課題である表 5 は 128 台接続時に各 ONU に対する上りトラフィックをフル負荷入力した時の各種 ONU からのスループットである対称 10G-EPON ONU, 非対称 10G- EPON ONU,GE-PON ONU が混在して接続されている状態で ONU の種類に関係なく公平に帯域割当されていることを確認した表台系スループット測定結果スループット ONU % Mbps 対称 10G-EPON 0.58 % 5.7 非対称 10G-EPON 0.58 % 5.7 GE-PON 5.80 % 5.7 ( 46 ) 10G-EPON 用通信 LSI の開発

5 4 2 省電力機能まずは自社開発の LSI を使用している 10G-EPON OLT と ONU に省電力機能を実装し長時間安定動作することを確認したその際には省電力機能が標準の規定通りに動作していることを確認するため OLT と ONU 間の制御フレームをモニターし制御フレームのフレームフォーマットと設定値が期待通りであること制御シーケンスが規定通りに実施されていることを確認した次に実装した省電力制御プロトコルの正当性と省電力効果を実測するため市販の LSI を使用した GE- PON ONU との間で省電力機能を動作させ消費電力を測定した各スリープモードにおける ONU への入力トラフィックを変化させた場合の消費電力の変化を表 6 に示すスリープモードなしかつ入力トラフィックがない場合の ONU の消費電力を 1 としている Tx スリープモード時には GE-PON ONU の全体の消費電力が約 24 % 削減され TRx スリープモード時には GE-PON ONU の全体の消費電力が約 38 % 削減され省電力機能による ONU の消費電力低減効果が確認できた消費電力の低減率は PON 側の送受信回路の性能に依存しており停止復帰時間の高速化によりさらなる消費電力の削減が期待される表 6 スリープ時の ONU 消費電力比スリープモードトラフィック低トラフィック入力高トラフィック入力入力なし ( 上り 1pps) ( 上り下りフル ) スリープなし Tx スリープ TRx スリープ測定条件 : active 時間と sleep 時間の比は 1 : 10 用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line : 電話回線を使用した高速デジタル通信技術アクセス回線の通信速度は一般的に 1Mbps ~ 50Mbps 程度局舎とユーザ宅までの距離や回線の品質により実際の通信速度が影響を受ける 2 FTTH Fiber To The Home : 光ファイバーを使用した超高速デジタル通信技術アクセス回線の通信速度は一般的に 100Mbps ~ 10Gbps 程度局舎とユーザ宅までの距離などに通信速度が影響を受けない 3 PHY 層 Physical 層 : 通信機能の階層構造を規定する OSI 参照モデルの最下層 ( 第 1 層 ) を示し物理的な仕様や伝送路符号化などの仕様が定義されている 4 MAC 層 Media Access Control 層 : OSI 参照モデルの第 2 層 ( データリンク層 ) の副層を示しフレームのフォーマットやフレームの送受信処理などが定義されている 5 FPGA Field Programmable Gate Array : プログラミングにより内部の回路を書き換え可能な LSI 6 SDRAM Synchronoµs DRAM : パソコン用のメインメモリなどとして使われている安価で大容量な汎用メモリ 5. 結言 IEEE 標準と IEEE P のドラフト案に準拠した 10G-EPON の OLT と ONU 用の通信 LSI を開発し標準で規定された機能が実装可能であり実機で安定動作可能であることを確認した特に今後の 10G-EPON の商用サービス導入時に重要となる多分岐化と省電力機能に関しては多数の ONU を用いた実機検証環境を構築し技術的に実現可能であることを実証した 7 PON 光トランシーバー局側装置 (OLT) と宅側装置 (ONU) に内蔵され電気信号を光信号に変換して PON の光ファイバーに送信する機能と PON の光ファイバーからの光信号を電気信号に変換する機能を持つ回路ブロック 8 バッファ情報通信機器で受信したイーサネットフレームを送信するまで一時的に保持しておくためのメモリ年 1 月 S E Iテクニカルレビュー第 18 0 号 ( 47 )

参考文献 (1) 総務省報道資料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 22 年度第 3 四半期 (12 月末 ))( 平成 23 年 3 月 16 日 ) (2) IEEE P802.3av, 10Gb/s Ethernet Passive Optical Network (3) IEEE P1904.1. http://www.ieee1904.

6 参考文献 (1) 総務省報道資料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 22 年度第 3 四半期 (12 月末 ))( 平成 23 年 3 月 16 日 ) (2) IEEE P802.3av, 10Gb/s Ethernet Passive Optical Network (3) IEEE P (4) 大道他非対称 10G-EPON システムの開発 SEI テクニカルレビュー第 175 号 pp (2009) (5) 特許 : 第号執筆者大道文雄 * : 情報通信研究所グループ長ブロードバンド用アクセス機器の研究開発に従事吉村神山西岡明展 : 情報通信研究所主査真一 : 情報通信研究所進吾 : 情報通信研究所 * 主執筆者 ( 48 ) 10G-EPON 用通信 LSI の開発

伝送距離60kmを実現した10G-EPON用波長多重中継装置

伝送距離60kmを実現した10G-EPON用波長多重中継装置情報通信伝送距離 60km を実現した -EPON 用波長多重中継装置 -EPON Dense Wavelength Division Multiplexing Repeater Expands Transmission Distance up to 60 km 梅田 * 大助田中成斗吉村明展 Daisuke Umeda Naruto Tanaka Akinobu Yoshimura 木崎直也後藤慎也船田知之