ONUスリープ

無線LAN APスリープ

省電力化技術ネットワーク装置の省電力化技術とその応用―ONU ・ 無線LANスリープ技術
たどころ

ま さ し

うじかわひろたかふじわらとしひとし ば たと も こ

田所 将志
ブロードバンドサービスの普及に伴い，ネットワークのさまざまな場所に設置される通信装置によって消費される電力は増加しています．中でもユーザ宅に設置される装置の数は非常に多いため，ネットワーク全体の消費電力の大半を占めます．地球温暖化防止だけではなく，昨今では供給電力のひっ迫という背景からも，このような通信装置を省電力化することの重要性が増しています．本稿では，宅内に設置される通信装置の省電力化技術，および無線LANの省電力化技術を紹介します．

氏川 裕隆
藤原 稔久

しながわてるよしの む ら

ひ ろ こ

あきもと

まもる/品川 晃祥/野村 紘子/秋元守

柴田 朋子
NTTアクセスサービスシステム研究所

力はネットワーク全体の60％を占め

省電力化技術の重要性

特 集エネルギー効率化に向けた技術開発の現状——24時間365日つながり続ける通信インフラのためにのため，通信装置の省電力化技術は大（1）ます ．これは，ONU １ 台の消費電変重要な意味を持ちます．本稿ではネットワークの消費電力はブロー力は小さく（数W程度）ても，設置さもっとも効果が見込めるアクセス系のドバンドサービスの普及に伴って増加れている端末が1000万台以上存在する通信装置の省電力化技術と，その応用しています．
その主な要因として，サーため，総消費電力は膨大な量となるた技術について紹介します．

ビスに必要な通信装置の設置数の増加めです．また，無線LANアクセスポイが挙げられますが，特に宅内などに設ン ト（AP: Access Point） やHGW置されるエンドユーザ側の通信装置（Home GateWay）などの通信装置のが，その大部分の電力を消費していま消費電力を含めると，この割合はさらす．例として，図 1 のように，国内のに高くなり，これらの通信装置の総技術

有線系ブロードバンドサービスに用い消費電力は中規模の火力発電所 1 基

現在FTTH（Fiber To The Home）

られるユーザ側の通信端末（ONU:分に匹敵すると想定され，大きな環境と し て 主 にPON（Passive OpticalOptical Network Unit）が消費する電負荷要因となる可能性があります．そNetwork）という方式が用いられてい宅内ネットワーク
PC
IPTV

IP電話

HGW
HGW

アクセスネットワーク
ユーザ宅

宅内通信装置の電力消費と省電力化技術■PONシ ス テ ム とONUス リ ー プ

局舎

ONU
ONU

OLT

L2SW

コアネットワーク

光ファイバ
光スプリッタ

HGW

ONU

ONU

OLT

L2SW

コアネットワーク

60％

7％

14％

19％

アクセスネットワーク（Total：81％）

図1

L2SW: Layer 2 SWitch

全ネットワークにおけるアクセス系装置が消費する電力の割合

NTT技術ジャーナル 2014.1

27

エネルギー効率化に向けた技術開発の現状——24時間365日つながり続ける通信インフラのためにます．PON方式の特徴は複数のONUリープ（Cyclic Sleep）方式が規定さへの電源供給を停止することで消費電で 1 つの局舎側装置（OLT: Optical

れています．特にサイクリックスリー力を大幅に低減させることができまLine Terminal）や光ファイバをシェア

プ方式ではONUが非常に短い時間だす．ただし，この状態では信号の送受することで，経済的なブロードバンドけ起動し，OLT-ONU間でスリープ継信ができません．

サービスを提供できる点にあります（図続の可否判断を行うため，高度な制御

一方，無線LANのAPは主に商用電

２）．国内では 1 Gbit/sの伝送容量を有技術が必要ですが，その一方で安定し源への接続が想定されるため，省電力する GE-PON（Gigabit Ethernet-

た通信品質と省電力効果を期待できま化機能は規定されていません．ただ，PON）システムが主に用いられていす． 標 準 で は こ の よ う な 基 本 的 な

近年では無線LAN搭載機器の多様化

ますが，次世代の10 Gbit/s級のPON

ONUスリープ技術については規定さや広がりへの対応，あるいはスマートについても開発が進められています．

れていますが，より省電力効果を高めフォンに起因するモバイルトラフィッ

PON方式における代表的な省電力る技術や，接続する周辺機器と連携動クをオフロードすることを目的とし化技術としてONUスリープが挙げら作することで省電力化を行うスリープて，APの数が大幅に増加していく傾

れます．これは通信が行われていない技術などについては，今後発展が期待向にあります．
このような背景に加え，時間にONUの一部の機能をオフにすされる分野としてさらなる研究が進め環境意識の高まりもあり，APの省電ることで，消費電力を削減します．ス

られています．

力化も期待されています．

リープにはいくつかの方式があり，■無線LANにおけるスリープ技術

ITU-T（International Tele­com­mu­ni­

無線LAN端末（STA: Station）はca­t ion Union-Telecommunication

主に持ち歩いた状態での利用が想定さ次にNTT研究所で推進する高度なStan­d ardization Sector) や IEEEれ，その場合バッテリによって給電さONU ・ 無線LANのスリープ技術を ３（Institute of Electrical and E­lec­

れることから，制御やデバイスレベルつ紹介します．

tron­ics Engineers）で標準化が行わにおいてさまざまな省電力化の工夫が① ONUの消費電力を最低限に抑れています．ITU-T（G.987.3）の勧施されています．この省電力化の １ つえることで，災害時の長時間停電

告に記載されているスリープ方式にのアプローチとして，IEEE802.11標において電話の待受けを維持す

は，①上り信号が存在しない場合に準規格においてスリープ制御機能が規るディープスリープ技術

ONUの 送 信 機 能 の みをオフにする定されています．このスリープ制御に② ONUと宅内の通信装置を連携

ドージング（Dozing）方式，②上下よって，STAは通常のアウェイク状動作させ，省電力効果を向上させ信号が存在しない場合に送受信機を間態からスリープ状態へ遷移することがる連携スリープ技術

欠的にオン ・ オフするサイクリックス

できます．スリープ状態では一部回路スリープ技術の高度化と応用③ 無線LANのAPに対しても省電

間欠起動期間ONUの消費電力

起動
起平動

起動

起動時
均

スリープ

スリープ

スリープ

スリープ

スリープ時
時間

図228

NTT技術ジャーナル 2014.1

ONUスリープ技術（サイクリックスリープ）の概要

特 集力化を図る無線LAN APスリー■ディープスリープ技術
NTTの局舎ビルからユーザ宅までを光ファイバで接続し，広帯域のインターネット接続や電話，映像サービスなどを提供するFTTHでは，災害などONUの消費電力

プ技術

従来のスリープメカニズム

起動中にもスリープを行う
時間
ディープスリープ（a） ディープスリープの動作と起動中の省電力動作と，宅内の通信装置が停止し，サービ（W）

6線とは異なり，局舎ビルから給電を行5段確保が課題となっています．
停電時にもサービスを提供するために，ONUに予備のバッテリを備えてONU消費電力があります．光ファイバは従来の電話うことが難しいため，非常時の通信手321ことが考えられます．しかし，ONU0時間動作させてしまうと，必要なバッ起動中のスリープ

4おき，バッテリでONUを動作させるを起動状態に保ったままバッテリで長起動状態

起動：通信有無の確認によってユーザ宅で停電が発生する
スを利用できなくなってしまう可能性

通話開始

ディープスリープ

起動状態

02468101214 （秒）経過時間（b） ディープスリープ制御における省電力評価（実機検証）

テリ容量が非常に大きくなってしまう

図3

ディープスリープ技術ため，ONU自体が消費する電力を限界まで削減することが重要となります．しかし一方で，停電時でも緊急性ています．また，ディープスリープのに失敗し続け，タイムアウトが発生しのある通話は発生し得ることから，い効果について試作装置を用いて評価をた場合は電話を受けることができませ

ざというときに通話 ・ 着信が可能な仕行ったところ，図 3（b）に示すように，ん（図 ₄（a））．

組みを検討する必要があります．

起動状態では 4 W程度の電力を消費一方，確実に着信を受けようとする

そこで我々は，停電時にも電話の長しますが，ディープスリープ状態ではと，再送パケットを受信するために，時間待受を可能にする，ディープス200 mW程度まで消費電力を低減でき

ONUは一定時間，消費電力の大きいリープによる省電力化の研究に取り組ることが確認できました．

起動状態を維持する必要があります

んでいます．図 ₃（a）に示すように，ディープスリープ技術はONUの消（図 4（b））．そこで我々は，局舎側装ディープスリープはONUのほぼ全体費電力を大幅に削減可能な一方で，置との協調動作によって，この時間をの機能を停止させ，さらに秒単位といONUが停止している間，ほぼすべて短縮する方式を検討しています．具体

う長い間隔でスリープするため，従来の機能が停止していることから，到着的には図 4（c）のように，着信パケットのONUスリープと比べ，大幅な省電するパケットは破棄されてしまいまをOLTでバッファし，ONUが起動状力化を実現します．さらに，ディープす．通常IP電話が着信する際，着信態となるタイミングを見計らってパスリープでは，従来のONUスリープを要求するパケットが呼制御サーバかケットを送信する動作を行います．こ

技術を応用し，通話中にもONUスリーら送信され，宛先に到達しなかった場

れにより，ONUは着信パケット受信

プを適用することで電力の削減を図っ合に再送が行われます．しかし，受信のための起動時間を短縮できるため，NTT技術ジャーナル 2014.129

エネルギー効率化に向けた技術開発の現状——24時間365日つながり続ける通信インフラのために（a） 着信失敗ケース

電話着信要求
1 回目

電話着信要求
2 回目

× 失敗

× 失敗

電話着信要求3 回目

ONUの状態起動（b） 起動時間の延長により着信失敗を回避するケース

ディープスリープ

× 失敗＋タイムアウト
起動時間

ディープスリープ

電話着信要求
1 回目

電話着信要求2 回目

電話着信要求3 回目

× 失敗

× 失敗成功ONUの状態

起動

通話状態（音声パケット到着）

起動

ディープスリープ
起動時間を延長して着信要求の受け漏らしを回避（c） 上位装置と連携し着信要求を受信するケース②タイミングを合わせることで起動時間を短縮可能＝電力消費削減

電話着信要求
1 回目①上位装置が起動時にタイミングを合わせて送信

ONUの状態

通話状態（音声パケット到着）

起動

図4

ディープスリープ

時間

起動（通話状態）

起動

時間

起動（通話状態）

ディープスリープ制御における着信要求の受信方式

大きな省電力効果が得られます．試作

PSM（Power Saving Mode）などの著に発生すると考えられます．そこ

装置を用いた評価では，電話を着信可省電力機能を備えた装置も普及し始めで，我々は，ONUとHGWについて着能な待機状態におけるONUの消費電ており，それらの多くの機器はHGW目し，お互いの通信タイミングを同期力を平均で 1 W以下に抑えることがを介してONUへ接続されます（図 ₅ ）．

させることで省電力効果を大幅に高できるという結果を得ており，ディー

しかし，これらの省電力機能は独立しめる連携スリープ技術の研究開発をプスリープは期待できる技術であるこて動作するため，ネットワーク全体で行っています．とが確かめられました．

見た場合には必ずしも最適な動作とONUとHGWは通信事業者の通信設■連携スリープ技術はいえません．例えば，CPEどうし備とユーザの通信装置を接続するUNI

ホームネットワーク市場の拡大に伴で通信が行われるタイミングと省電（User Network Interface）を介してい，家庭に設置される宅内通信装置

力状態のタイミングに不整合が発生接続され，通信を行いますが，ONU（CPE: Customer Premise E quip-

した場合，省電力効果が得られる前にのスリープ中に，HGWから上りトラment）の数も増加しています．これ通常状態へ遷移してしまいます．特にフィックが入力されてしまうと，スに加えて，環境意識の高まりによりこの通信タイミングの不整合による，リープは解除され，通常状態に復帰しCPE自体にIEEE802.3az EEE（Energy

省電力効果の低下は，トラフィックがてしまいます．特にトラフィックが頻

Efficient Ethernet）や IEEE802.11

集約されるONUなどの通信装置で顕繁 にHGWか ら 流 入 す る 場 合 は，ス

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NTT技術ジャーナル 2014.1

特 集

CPE

IEEE 1904.1, ITU-T G. 987.3
ONUスリープ

UNIPC

IPTV

HGW

Wireless/Wired Line

アクセス網

OLT

IEEE 802.3az EEEAP
VoIPフォン

ONU⁝

スマートフォン

In-home appliances

IEEE 802.11 PSM

図5

CPEへの省電力技術

リープが妨げられる頻度も増加し，省電力効果は低下します．ONUスリー

CTS-to-self

プにより省電力効果を得るためには，

アウェイク

AP

送受信機の種類にも依存しますが，数スリープ

十～数百 ms程度以上のスリープ状態

アウェイク

NAVを確保する必要がありますが，そのたスリープ

NAV（a） 予約型スリープ制御技術の動作概要

STA

めにはトラフィックの流入を一時的にキャリアセンス抑制することが有効です．そこで，ONUのスリープ状態をHGW側に通知しONUの ス リ ー プ 中 は 上 り 信 号 をアウェイクAP

HGWでバッファし，ONUのスリープスリープ

スリープ

スリープ

スリープ

スリープ

（b） 非予約型スリープ制御技術の動作概要

状態を維持する技術を提案していま

図6

予約型・非予約型スリープ制御技術の動作概要（無線）す．現在，IEEE1904.1に準拠する省電力化機能を備えた10G-EPON ONU（IEEE 802.3az準拠）にて提案技術の■無線LAN

APスリープ技術

下に，両制御方式の概要と効果を説明

評価を行っており，対象部位の消費電

前述したように，標準規格において力を従来比で約40％削減することにSTAの省電力化機能は規定されてい予約型スリープ制御の動作概要を図成功しています．

ますが，APに対しては規定がありま６（a）に示します．本制御では，APはまた，ONUとHGWの連携スリープ

せん．そこで我々は ２ 種類の省電力化

STAに送信禁止期間（NAV: Network

技術は無線LAN機能を有するCPEに技術「予約型スリープ制御」と「非Allocation Vector）を通知し，その対しても有効であると考えており，今予約型スリープ制御」を提案しまし後スリープ状態へ遷移します．NAV

（2）
～
（4）

します．

後より多くの装置と連携動作させるこた． い ず れ の 制 御 方 式 と も，を設定したSTAは，APのスリープ期とで，全体として大きな省電力効果をSTAに対する変更や追加の機能なし

間内においては信号の送信を行いませ得ることを目指しています．にAPとの接続性が確保されます．以んので，上りパケットのロスは発生しNTT技術ジャーナル 2014.1

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エネルギー効率化に向けた技術開発の現状——24時間365日つながり続ける通信インフラのために■参考文献（1） A．Otaka：“Power saving ad-hoc Report,”
IEEE 802.3av，Sept.2008.
（2） 小川 ・ 平栗 ・ 永田 ・ 岸田 ・ 梅内：“無線LANアクセスポイントにおける省電力モードの性能特性,” 信学技報，Vol.109，No.345，pp.4750，2009．
（3） 黄 ・ 大 野 ・ 後 藤 ・ 秋 元 ・ 飯 塚：“無 線LANア
クセスポイントにおける非予約型スリープ制
御 方 式 の 検 討，” 信 学 技 報，RCS2011-236，
pp.21-26，Dec. 2011．
（4） 黄 ・ 後藤 ・ 秋元 ・ 飯塚：“無線LANアクセスポイントにおける予約型/非予約型スリープ
制 御 方 式 へ の 考 察，” 信 学 技 報，Vol.112，
No.11，pp.43-48，2012．

（%）
10080
スリープ割合604020

非予約型スリープ
予約型スリープ

00.01

0.1

図7

トラフィック

151024（Mbit/s）

予約型・非予約型スリープ制御技術の特性評価

ません．

リープ時間率の差が影響しており，高非予約型スリープ制御の動作概要をトラフィック領域においては，非予約

図 ６（b）に示します．本制御では，AP型では再送フレームが頻出し，スリーはスリープ状態とキャリアセンスを短プ状態に遷移する機会が減るためい周期で連続的に行います．本制御でです．

は予約型スリープ制御と異なりSTA今後は検証装置を用いて，より高精にNAVを通知しないため，STAから度な評価によって特性を明らかにし，の送信信号の受信が失敗する可能性が適用領域の明確化を図る予定です．

あります．この場合APはキャリアセンスによってSTAからの送信信号を今後の展開検出することで，スリープ状態からアブロードバンドの普及によりユーザウェイク状態へ遷移し，STAからの側に設置される通信装置の数は今後も再送フレームを受信します．

増加し，装置全体の消費電力も増加しこれら制御によるスリープ効率のシていくと想定されます．一方で環境負ミュレーション結果を図 ７ に示しま

荷低減の観点から，通信装置の省電力す．いずれの制御方式もトラフィック化に対する社会的要請も強くなっていへの依存性がみられます．また，比較くと想定されます．本稿で紹介した各的低いトラフィック領域では非予約型

種スリープ技術は通信プロトコルによス リ ー プ 制 御 が， 比 較 的 高 い ト ラる省電力化技術であり，これらのプロフィック領域では予約型スリープ制

トコルをサポートする装置すべてに省御が，それぞれ優位になっています．低電力効果を付与することできることか

トラフィック領域においては，予約型ら，省電力な通信ネットワークの実現と非予約型における単位時間当りのスに大きく貢献すると期待しています．

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NTT技術ジャーナル 2014.1（後列左から）野村 紘子/ 柴田 朋子/
秋元守/ 品川 晃祥（前列左から）氏川 裕隆/ 田所 将志/
藤原 稔久
ユーザ宅に設置される通信装置数は非常に多いため，膨大な電力を消費します．地
球温暖化防止や昨今の供給電力のひっ迫という観点から，ユーザ側通信装置のさらなる省電力化に向け，研究開発を進めていきたいと思います．

◆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システムプロジェクト
TEL 046-859-4958
FAX 046-859-5513
E-mail shibata.tomoko lab.ntt.co.jp