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

Agenda1. 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

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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

10,000Total Global Mobile Traffic (PB/Mth)

9,000
8,000

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)

7,000

LTE インターネ
ットトラフィックが増加

6,000
5,000
4,000
3,000

3Gインターネットのトラフィックが飛躍的に増加

2,000
1,0002010

2011

2012

2013

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2014

2015

……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
Total Network Loading Due to high-end Smart Phones
and PC Cards

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

100.0%
80.0%

PC Card 2

60.0%

PC Card 1

40.0%

rs)
(HAi
rt ime

on
ne
ct
io
ns

Ac

tive

Device• 2種類のデータカード

CCount• 2種類のスマートフォン

(MB)

0.0%

Volum
e

86%以上のトラフィック量:

Smart Phones

20.0%

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

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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

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前提条件
この辺でオフロードしたい?
レガシー
端末

NodeB

スマートフォン

バックホールネットワーク

インターネット
SGSN

RNC
サービスプロバイダ
コアネットワーク

PGW/GGSN

SeGW

SGW

eNodeB
インターネット

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?

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モバイル
事業者ドメイン2

トラフィックオフロード技術

8 | Presentation Title | Month Year

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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

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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

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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・・・
ATMIMA(NxT1/E1)
STM-1

NodeB

QoS-awareなMPLSネットワークをいきなり用意するのは難しい
NxT1/E1/STM-1

既存バックホール
ネットワーク(ATM等)

STM-1/STM-4

音声・シグナリング

7705 SAR-F
ATM PWルータ(分散配置)

STM-1

Ethernet
データIP/MPLS
ネットワークIP/Ethernet等

ATM PWルータ(集約ノード)

RNC

DSL

Modem

DSLAM

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

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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
GERAN
UTRAN

SGSN

S6d/GrS4
MME

S11-MME

PGWがMobility
anchor

HLR
HSS

S3
S6a

S11

eUTRAN

P-GW
GGSN
HA

S5

S-GW

UE

DSMIPv6
GTP
IPSec(オプション)

WLAN“Untrusted”
アクセス

SWa

SGi

PDN

S2x

“Trusted”
アクセス

ePDG

SWxSWmAAA•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

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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
ネットワーク企業
ネットワーク

SGSN
スマートフォン

NodeB

バックホールネットワーク

RNC
レガシー端末NAT

サービスプロバイダ
コアネットワーク

TOF

モバイル
事業者ドメイン

GGSN

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
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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

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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

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ソリューション4: Iu-PS でのオフロード (TOF) 適用領域– UMTS マクロセル– HNBサブシステム– LTEへの適用計画無し

 動作概要– 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

GaUE

RNC

NB
Uu

Iub

SGSN

TOF
Iu

Iu

Gn
GiIu
UE

HNB
GW

HNB
Uu

GGSN

GiIuh
Internet

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VAS

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

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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/eNB 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

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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-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
Internet- 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- 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

SIPTO Traffic
Tunneled Gi

L-GGSN
Gn

RAN
RNC

Iu

MobileOperator’sServices

Gn/Gp
SGSN

MS
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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

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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。

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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

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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
SGW

スマートフォン

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

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

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3

オフロード技術導入の検討

24 | Presentation Title | Month Year

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3GPPベースの“王道的” マイグレーションアプローチ
SGSN

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)

WiFi AP

Step 1GGSN

Other network

インターネット

Own network
企業
ネットワーク

SGSN
NodeB

オペレータ
ドメイン

RNC
GGSN

NodeB
NodeB

RNC

SGSN
WiFi AP

Other network 分散配置済みのGGSNをコンボ
SGW/PGWにアップグレード

Own network

 SGSNをRelease 8ベースにアップグレード(オプション)

NodeB

Step 2

GGSN

インターネット
企業
ネットワーク

SGSN

RNC

オペレータ
ドメイン

GGSN

NodeB
NodeB

GGSN
RNC

ステップ4 (Release 10)

SGSN
WiFi AP ePDGとPGWのアップグレード Other network
Own network
によりIFOM/MAPCONによる
WLAN・セルラ混在環境のサポート
NodeB

インターネット
企業
ネットワーク

SGSN
ePDG
RNC

オペレータ
ドメイン

S/PGW
PGW/
GGSN

NodeB
NodeB

Step 3

GGSN

RNC

S/PGW

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25

オフロードの適用ポイント
RANでのオフロード
レガシー
端末

NodeB

スマートフォン

バックホールネットワーク

コアでのオフロード

インターネット

SGSN

RNC
サービスプロバイダ
コアネットワーク

PGW/
GGSN

モバイル
事業者ドメイン

SeGW

SGW

eNodeB
インターネット

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

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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

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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

eNB
eNB

eNB

uWAVE

Leased
line

eNB
SGW

eNB
xDSL

L3 VPNE-LINE

PCRF

IP/MPLSeNB

PDN GW

PON
eNB

IP-VPN
Leased
line

eNB

MME
MME

eNB
eNB

マルチポイントの接続性
28 | Presentation Title | Month 2008

X2
S1-U
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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

eNB
eNB

eNB

Leased
line
eNB
SGW

eNB
xDSL

L3 VPN

IP-VPN
VPLS/E-LAN

PCRF

IP/MPLSeNB

PDN GW

PON
eNB
Leased
line

eNB

MME
MME

eNB
eNB

マルチポイントの接続性
29 | Presentation Title | Month 2008

X2S1-U
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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
eNB
eNB

eNB
Leased
line

eNB

SGW

eNB
IPSEC

xDSL
IPSEC

L3 VPN

IP-VPN

PCRF

IP/MPLSeNB

PDN GW

PON
eNB

IPSEC

Leased
line

eNB

MME
MME

eNB

30 | Presentation Title | Month 2008

eNB

X2 option1: through SeGW

マルチポイントの接続性

X2 option2: bypass SeGW
S1-U
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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
eNB
eNB

eNB
Leased
line

eNB

IPSEC

eNB
IPSEC

xDSL

SGW

L3 VPN

IP-VPN

IP/MPLS

eNB
PON

PCRF

PDN GW

IPSEC

eNB
Leased
line

eNB

MME
MME

eNB

31 | Presentation Title | Month 2008

eNB

X2 option1: through SeGW

マルチポイントの接続性

X2 option2: bypass SeGW
S1-U
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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eNB
eNB

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eNB
Leased
line

eNB

IPSEC

eNB
IPSEC

xDSL

SGW

PDN GW

L3 VPN

IP-VPN

IP/MPLSeNB
PON

PCRF

PDN GW

IPSEC

eNB
Leased
line

eNB

MME
MME

eNB

32 | Presentation Title | Month 2008

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

eNB

X2 option1: through SeGW

マルチポイントの接続性

X2 option2: bypass SeGW
S1-U
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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
SGW

レガシー
端末

スマートフォン

eNodeB

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

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・・・
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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

レガシー端末スマートフォン

eNodeB

eNodeB

バックホールネットワーク

インターネット

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
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
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4

まとめ

35 | Presentation Title | Month Year

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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

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37 | Presentation Title | Month Year

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