モバイルネットワークにおけるトラフィックオフロード アルカテル ルーセント ( 株 ) 矢頭俊英 2010 年 11 月 1 日
Agenda 1. はじめに 2. トラフィックオフロード技術 3. オフロード技術導入の検討 4. まとめ
1 はじめに 3 Presentation Title Month Year
インターネットトラフィックがモバイルネットワークを圧迫して行く傾向 10,000 Total Global Mobile Traffic (PB/Mth) 9,000 8,000 7,000 6,000 LTE non-internet TOTAL (PB/M onth) 3G non-internet TOTAL (PB/M onth) LTE Internet TOTAL (PB/M onth) 3G Internet TOTAL (PB/M onth) LTE インターネットトラフィックが増加 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000-2010 2011 2012 2013 2014 2015 3G インターネットのトラフィックが飛躍的に増加
そしてそのトラフィックの殆どは一部のハイエンドデバイスから 91% 以上のトラフィック量 : 2 種類のスマートフォン 12 種類のデータカード 86% 以上のトラフィック量 : 2 種類のスマートフォン 2 種類のデータカード 100.0% 80.0% 60.0% 40.0% 20.0% 0.0% Total Network Loading Due to high-end Smart Phones and PC Cards Active Device Count Volume (MB) Connections Airtime (Hrs) PC Card 2 PC Card 1 Smart Phones ソース : ALU 9900 WNG による とある大都市 でのモニタ結果 スマートフォンとデータカードのトラフィックのほぼ全てはインターネットトラフィック 通信料金以外の収入源が無い 5
そこで トラフィックオフロード インターネット及びその他のデータトラフィック帯域の増加に伴って増加するコスト バックホール コアの回線コスト パケットコアの機器コスト 一般的にルータよりもスループット単価が高額 上記コストをトラフィックのオフロードにより削減 IP/MPLS(-TP) 網を専用線等の代わりに使用 マクロセル以外のアクセス方法 (Femto 無線 LAN 等 ) インターネット向けのトラフィックをなるべく無線アクセスに近い場所で 曲げる MNO のパケットコアを通過させずにインターネットに向ける
前提条件 この辺でオフロードしたい? インターネット レガシー端末 スマートフォン NodeB enodeb バックホールネットワーク SGSN RNC SeGW インターネット サービスプロバイダコアネットワーク SGW PGW/ GGSN モバイル事業者ドメイン MNO 自前 もしくは別事業者によるバックホール回線 Ethernet ATM トラフィックオフロードの使用 回線 パケットコアのコスト低減 別事業者によるバックホールの提供ではサービスの付加価値となり得る?
2 トラフィックオフロード技術 8 Presentation Title Month Year
トラフィックオフロードのためのソリューション U-plane トラフィックパスを変える Pseudowireによるバックホールの併用 WLAN 等 3GPP 以外のアクセスを使用 (3GPP TS 23.402) 高コストなバックホールネットワークを極力通さない ネットワークの途中でトラフィックをインターネット等に 曲げる Pre-standardなIPオフロードソリューション SIPTO (Selected IP Traffic Offload 3GPP TR 23.829) パケットコアも極力通さない
Pseudowire によるオフロード みんな今ここ 既存の ATM 専用線のリプレースを考えると VC( もしくはそのグループ ) 単位でサービスクラス毎の QoS を保証してやる必要がある
ATM Pseudowire によるデータトラフィックのオフロード データトラフィックの増加に併せてバックホールの容量を増やしたいが ATM IMA(NxT1/E1) STM-1 NxT1/E1/STM-1 音声 シグナリング 既存バックホールネットワーク (ATM 等 ) STM-1/STM-4 QoS-aware な MPLS ネットワークをいきなり用意するのは難しい NodeB 7705 SAR-F ATM PWルータ ( 分散配置 ) Ethernet データ DSL DSLAM Modem IP/MPLS ネットワーク IP/ Ethernet 等 ATM PW ルータ ( 集約ノード ) STM-1 RNC ATM PW MPLS LSP もしくは GRE トンネル 光ファイバが使用不可な場所でも DSL により広帯域アクセスを提供 GRE 等の IP トンネルを使用する事により ISP 等の通常の IP ネットワークにデータ帯域をオフロード 通常時はデータトラフィックが ATM-PW を使用し障害時には ATM 回線にフォールバック
WLAN 等非 3GPP アクセスによるオフロード TS 23.402 specifies a path to the PDN via the EPC サービス継続性をネットワークベースの MIP (S2b: PMIPv6) クライアントベースの MIP (S2c: DSMIPv6) もしくは GTP により提供 DSMIPv6 GTP IPSec ( オプション ) UE GERAN UTRAN eutran S11-MME WLAN SGSN S4 S-GW S3 MME S11 Trusted アクセス SWa S6d/Gr S6a Untrusted アクセス S5 HLR HSS SWx AAA SWm P-GW GGSN HA S2x epdg S2x: DSMIPv6 使用時には epdg/pgw 間はただの IP I/F そうでない場合は S2b UE の動作はオペレータが ANDSF 経由で制御 PGW が Mobility anchor SGi PDN PMIPv6 クライアント ( オプション )
Pre-Standard な IP オフロードソリューション インターネット インターネット 企業ネットワーク SGSN 企業ネットワーク スマートフォン NodeB バックホールネットワーク RNC NAT TOF サービスプロバイダコアネットワーク GGSN モバイル事業者ドメイン レガシー端末 NodeB 標準外の インターセプト によるアプローチ TOFはシグナリングをモニターし オフロード用のトラフィックを選択 TOFでNAT 適用後 トラフィックをインターネットに送出 モバイル事業者自体へのトラフィックは既存 GGSNに送られる 欠点 : IPSecにて暗号化されているLTEサービスでは適用不可能 ポリシー制御 課金 LI 冗長構成等の機能の欠如
SIPTO (Selected IP Traffic Offload): 定義と要件 (TR 23.829) マクロセルアクセスネットワークと H(e)NB の両方にフォーカス UE になるべく近いポイントでインターネット等の IP ネットワークにアクセスする事にフォーカス SIP によりトラフィックを制御可能な単位 APN 毎 : 特定の APN( 例 : インターネット用 ) の全トラフィックをオフロード アプリケーション毎 : 特定のアプリケーション (5-tuple や DPI 等により識別 ) をオフロード 宛先 IP アドレス : 宛先 IP アドレスをベースにオフロード対象を識別 オフロード機能が同一 UE のその他のサービスに影響を与えない 加入者に意識させずにトラフィックをオフロード Release 10 以前の UE もサポート オペレータが UE 毎 IP ネットワーク毎等でオフロード適用有無を制御可能 ( 加入者種別 料金プラ ン等 ) マクロネットワーク H(e)NB 間 H(e)NB 間のモビリティをサポート
SIPTO のマクロセルへの適用 現状 SA2#78 にて 2 つの SIPTO ソリューションにフォーカスする事を合意 ソリューション 4: Traffic Offload Function (TOF) + NAT 短期解として UMTS のみにフォーカス ソリューション 5: ローカル GGSN/PGW セレクション + Direct Tunnel 長期解として LTE/UMTS 両方にフォーカス At SA2#79 にて両方のソリューションへのステージ 2 CR が可決 各ソリューションの共通点 HSS の subscription data 中にオフロード可否を設定 MME/SGSN にて APN 毎に SIPTO 使用有無を設定 (HSS 上に SIPTO 関連情報が無い等の場合に使用 ) wildcard APN も使用可能 UE モビリティの提供時に MME/SGSN は PDN コネクションを別 GW にリダイレクト可能 TAI/RAI and/or serving enodeb/rnc ID を PGW の選択に使用 (DNS 等 オペレータ環境に左右される ローミング時の home 向けにルーティングされるトラフィックに対しては SIPTO 適用不可
ソリューション 4: Iu-PS でのオフロード (TOF) 適用領域 動作概要 UMTS マクロセル HNB サブシステム LTE への適用計画無し ユーザ APN サービスタイプ IP アドレス等をベースにしたパケットインスペクションと NAT によりオフロード Iu-PS インタフェース上でオフロード CG LIG Ga UE NB RNC TOF SGSN GGSN Uu Iub Iu Iu Gn Iu Gi UE HNB HNB GW Gi VAS Uu Iuh Internet
ソリューション 4: 長所と短所 長所 Direct Tunnel が不要 ( ソリューション 4 では必要 ) 短所 TOF は SGSN と GGSN の多くの機能を持ち 更に新機能の実装が必要 SGSN 機能 : RANAP と NAS のスヌーピング DL パケットバッファリング ページング NAS 処理 GGSN 機能 : Gx( ポリシー制御 ) Gy( 課金 ) LI( 法的傍受 ) RADIUS Accounting 冗長構成 : Iu-Flex-above-RAN 機能 LTE には適用不可 L-PGW の追加が必要 TOF 間のモビリティはサポートされていない オフロードされないトラフィックは TOF と GGSN の両方を通過 インターネット以外のトラフィックが多い状況では TOF のコストが増加 バージョンアップによる AS/NAS メッセージの変更が TOF にも影響
ソリューション 5: ローカル PGW/GGSN 選択による SIPTO 適用領域 マクロ H(e)NB の両方 また UMTS/LTE の両方に適用可能 複数 PDN 接続に対応 非対応両方の UE に対応 動作概要 地域 トポロジ的に近い GW を MME/SGSN が選択 TAC/RAC レベルの粒度で十分なら既存の Release 8 DNS メカニズム (NAPTR) が使用可能 そうで無い場合は RNC/ ID 等をベースにした新規の拡張が必要 インターネット及びオペレータ自身のサービスに同一の APN が使われる場合にはオフロード対象 対象外のトラフィックの両方に同じ GW を使う必要がある GSN/PGW にてオフロード対象トラフィックの選択 ( 宛先 IP アドレス APN プロトコル等 ) が必要 1 つの PDN 接続しか出来ないレガシー UE をサポートする事が可能 オペレータが複数の APN を使う場合 オフロード対象 対象外トラフィックにそれぞれ別の PDN 接続が使用可能 UE 上で SIPTO の制御単位 (APN 宛先 IP アドレス プロトコル等 ) に応じてルーティング フィルタ等を適用 複数 PDN 接続をサポートしたインテリジェントな UE が必要
ソリューション 5: 単一 PDN 接続 ( 現状 UMTS のみが対象 ) 全トラフィックがローカル GW/GGSN を通過 オフロード対象でないトラフィックがモバイルオペレータのサービスネットワークにトンネルされる トンネルは以前モバイルオペレータのネットワークの一部 ( ローミングトラフィックはオフロードされない ) Gi 上のモバイルオペレータサービス オフロード対象のトラフィックにもペアレンタルコントロール アンチウイルス等のサービスを提供したい場合には それらのサービスを分散配置する必要がある - この点はどのオフロードソリューションでも変わらない WAP/MMS もオフロード対象としたい場合には RADIUS アカウンティングが使用可能 - ユーザ IP アドレス サービスによるフィルタ - 既存の課金 LI RADIUS アカウンティング機能を再利用 MS RAN RNC Internet SIPTO Traffic L-GGSN Iu Gn Gn/Gp SGSN - ペアレンタルコントロール アンチウイルス等の付加サービス Tunneled Gi Mobile Operator s Services - NAT - RADIUS アカウンティング - ペアレンタルコントロール アンチウイルス
ソリューション 5: 複数 PDN 接続 UE 上のフィルタ ルーティングによっ てトラフィック送信先 PDN を選択 ルーティングポリシーは OMA-DM 経 由で UE にダウンロード可能 レガシー UE には適用不可
ソリューション 5: 長所と短所 長所 ローカル GGSN/PGW には既存の GGSN/PGW プラットフォームを再利用する事が可能 ソリューション 4 と違い オフロード対象外トラフィックがコアネットワークの 2 ノードを通過する事は無いため ユーザプレーン帯域とコストが比較的尐ない No Iu modifications 冗長機能が必要無し : L-GW 障害時にはトラフィックがオフロードされない レガシー SGSN/HLR との共存が可能 UMTS/LTE 両方をサポート UMTS/LTE 両方で同一ノードを共有 短所 UMTS においては Direct Tunnel が必須 未導入の場合は機器のアップグレードが必要
オフロードソリューション比較 Pre-standard 及び SIPTO ソリューション 4 による TOF はあくまでも短期解 海外バックホール事業者では一部ニーズがある LTE を導入しつつある日本では盛上がってない? L-GW 及び SeGW/TOF 装置の配置は 機器の分散配置を要するため 配置位置を下げ過ぎるとオフロードによるコスト低減のメリットを享受出来ない可能性がある 県単位位が現実的? マクロセル向けの SIPTO ではユーザに近い場所でオフロード出来るソリューションが無い Femto(H(e)NB) による TOF は定義されている アクセス区間のバックホール事業者により提供出来るソリューションが無い enodeb や SeGW に TOF 機能が入ると可能性があるが 現状標準化のスコープ外
SeGW で TOF 出来ると バックホール事業者により提供可? インターネット スマートフォン enodeb バックホールネットワーク SGW サービスプロバイダコアネットワーク PGW モバイル事業者ドメイン SeGW レガシー端末 enodeb TOF インターネット SeGW/TOF 装置をバックホール事業者局に配置 ( バックホール事業者による提供もしくはモバイル事業者の機器をコロケーション ) バックホール事業者側でオフロード用のインターネット接続を提供
3 オフロード技術導入の検討 24 Presentation Title Month Year
3GPP ベースの 王道的 マイグレーションアプローチ ステップ 1 (Release 7) 集中配置されている GGSN に Direct Tunnel を導入 ステップ 2 (Release 7) GGSN を RNC サイトもしくは SGSN サイトに分散配置 ステップ 3 (epc: Release 8/9) 分散配置済みの GGSN をコンボ SGW/PGW にアップグレード SGSN を Release 8 ベースにアップグレード ( オプション ) ステップ 4 (Release 10) epdg と PGW のアップグレードにより IFOM/MAPCON による WLAN セルラ混在環境のサポート WiFi AP Other network Own network NodeB NodeB NodeB WiFi AP Other network Own network NodeB NodeB NodeB WiFi AP Other network Own network NodeB NodeB RNC RNC RNC RNC epdg RNC GGSN S/PGW SGSN SGSN SGSN SGSN SGSN SGSN GGSN GGSN GGSN GGSN GGSN PGW/ GGSN インターネット オペレータドメイン インターネット オペレータドメイン インターネット オペレータドメイン Step 1 企業ネットワーク Step 2 企業ネットワーク Step 3 企業ネットワーク NodeB RNC S/PGW 25
オフロードの適用ポイント RAN でのオフロード コアでのオフロード インターネット レガシー端末 スマートフォン NodeB enodeb バックホールネットワーク SGSN RNC SeGW インターネット サービスプロバイダコアネットワーク SGW PGW/ GGSN モバイル事業者ドメイン RANでのオフロード ATM(UMTS)/Ethernet(LTE) 区間 県単位 もしくは地方単位コアでのオフロード RNC-xGSN 区間 地方単位 もしくは東京 大阪に集約 SeGW(IPSecs 使用時 )-S/PGW 間 地方単位 もしくは東京 大阪に集約 LTEにおいてはトポロジの自由度が高いため 必ずしも上記の2つに分かれる訳ではない
LTE バックホールモデル Quick Overview (1) マルチポイントの接続性 : X2 I/F による相互接続ポイントが enodeb に近い程 HO 遅延が短くなる Security GW を使用しないアーキテクチャ オプション1: マルチポイント接続性の集中配置 オプション2: マルチポイント接続性の分散配置 Security GW を使用するアーキテクチャ オプション1: SeGWをトランスポートノードとは別箱でRANに集中配置 オプション2: SeGWをトランスポートノードと一体でRANに集中配置 オプション3: SeGWをトランスポートノードとは別箱でRANに分散配置 オプション4: SeGWをトランスポートノードと一体でRANに分散配置 27 Presentation Title Month 2008
Security GW を使用しない LTE バックホール オプション 1: マルチポイント接続性の集中配置 uwave Leased line SGW xdsl E-LINE L3 VPN IP/MPLS PCRF PON IP-VPN PDN GW Leased line MME MME マルチポイントの接続性 X2 S1-U 28 Presentation Title Month 2008
Security GW を使用しない LTE バックホール オプション 2: マルチポイント接続性の分散配置 Leased line SGW xdsl IP-VPN VPLS/E-LAN L3 VPN IP/MPLS PCRF PON PDN GW Leased line MME MME マルチポイントの接続性 X2 S1-U 29 Presentation Title Month 2008
Security GW を使用する LTE バックホール オプション 3: SeGW をトランスポートノードとは別箱で RAN に分散配置 Leased line xdsl IPSEC IP-VPN IPSEC SGW L3 VPN IP/MPLS PCRF PON IPSEC PDN GW Leased line MME MME マルチポイントの接続性 X2 option1: through SeGW X2 option2: bypass SeGW S1-U 30 Presentation Title Month 2008
Security GW を使用する LTE バックホール オプション 4: SeGW をトランスポートノードと一体で RAN に分散配置 Leased line IPSEC SGW xdsl IPSEC IP-VPN L3 VPN IP/MPLS PCRF PON IPSEC PDN GW Leased line MME MME マルチポイントの接続性 X2 option1: through SeGW X2 option2: bypass SeGW S1-U 31 Presentation Title Month 2008
Security GW を使用する LTE バックホール L-GW の分散配置 インターネット Leased line 対象 APN のみを終端し トラフィックをインターネットへオフロード IPSEC SGW PDN GW xdsl IPSEC IP-VPN L3 VPN IP/MPLS PCRF PON IPSEC PDN GW Leased line MME MME オペレータ自身のサービス 企業向け VPN MVNO(L3 接続 ) 等のトラフィックを処理 X2 option1: through SeGW マルチポイントの接続性 X2 option2: bypass SeGW S1-U 32 Presentation Title Month 2008
バックホール事業者による L-GW の提供 (1) バックホール事業者により提供 インターネット レガシー端末 enodeb バックホールネットワーク SGW サービスプロバイダコアネットワーク PGW モバイル事業者ドメイン スマートフォン enodeb L-GW インターネット PGW をバックホール事業者局に配置 ( バックホール事業者による提供もしくはモバイル事業者の機器をコロケーション ) バックホール事業者側でオフロード用のインターネット接続を提供 L-GW を通過させようと思うとモバイル事業者 NW 上の SGW からからバックホールに戻って来る
バックホール事業者による L-GW の提供 (2) バックホール事業者により提供 インターネット レガシー端末 enodeb バックホールネットワーク サービスプロバイダコアネットワーク PGW モバイル事業者ドメイン スマートフォン enodeb SeGW SGW PGW インターネット SeGW 及び S/PGW をバックホール事業者局に配置 ( バックホール事業者による提供もしくはモバイル事業者の機器をコロケーション ) S11 のキャリア間インオペ というのも難しいのでコロケが現実的 広域 Ethernet サービスであればコロケというより 1 拠点的なイメージ バックホール事業者側でオフロード用のインターネット接続を提供
4 まとめ 35 Presentation Title Month Year
まとめ RAN でのオフロード 現状 NodeB RNC 間は ATM-PW 一択 LTE 導入後には H(e)NB 以外にも WLAN 等非 3GPP アクセス等によるそもそもマクロセルネットワークを通らないソリューションの選択肢が増える バックホール事業者とモバイル事業者が別になっている場合のオフロード 現状決め手無し 需要があれば提案されるべき パケットコアでのオフロード TOF 機能については 使える 標準ベースのものが出て来るのにもう尐し時間がかかる L-GW ソリューションは既に ready L-GW 配置場所はバックホール コアネットワーク構成にもよるが LTE であればほぼ どこにでも 配置可能 当然ながら バラ撒くとコスト高となるため S/PGW の一体化 GW 機能のルータ内蔵 小型 GW の配置等の工夫が必要 36
www.alcatel-lucent.com www.alcatel-lucent.com 37 Presentation Title Month Year