特集

1 0 G - E P O N における保守運用性の向上＊平井秀幸・芝嶋田

善行・道又晋吾・神山真一

淳一・村田拓史Improvement in Maintenance and Operation of 10G-EPON System ─ by Hideyuki Hirai, Shingo Shiba, Shinichi
Kouyama, Yoshiyuki Shimada, Junichi Michimata and Hiroshi Murata ─ FTTH (Fiber To The Home) is themainstream broadband service in Japan, and the number of its subscribers has been increasing. Many of thesesubscribers are using telephone, terrestrial digital television, and video-on-demand services provided by IPnetworks. Therefore, FTTH systems are required to have high stability and redundancy that the telephoneswitchboard has. To meet this demand, we have developed the next-generation FTTH technology 10G-EPON (10Gigabit Ethernet Passive Optical Network) system that has the protection function to achieve redundancy at the timeof maintenance or emergency and the in-service firmware update function. This paper presents the evaluation results ofthis system and introduces our approaches to the improvement in maintenance and operation of the 10G-EPON system.
Keywords: FTTH, 10G-EPON, protection

1.

緒言

ブローバンドサービスは、2012 年 12 月現在、全体での黎明期よりアクセス機器の研究・開発を行い、市場に提5,360 万契約、そのうち、FTTH（Fiber To The Home）供してきた。今回、ソフトウェアの更新や、故障等の障害の契約数は 2,354 万契約であり、四半期ベースで 1.5 ％増時にも安定運用が可能な SIEPON 標準準拠の 10G-EPON。現在、主流となっている FTTH のアクシステムを開発し、動作性能の実機評価を行ったので、そ加が続いている（1）

セス技術は 2004 年 6 月に IEEE802.3Working Groupの評価結果について報告する。

（ WG） で 標 準 化 さ れ た GE-PON（ Gigabit Ethernet
Passive Optical Network）であり、国内で初めて導入されてから既に 8 年が経過している。GE-PON 導入後も、映像サービスの更なる多チャンネル化、スマートフォンの普2.

10G-EPON システム
2－1

要求条件

10G-EPON 導入時には、設備投資及によるオフロードトラフィックの増加が続いており、さの抑制の意味からも GE-PON 用に敷設した既存の光ファイらに 4K や 8K に代表される超高品位の映像配信サービスへバ網や GE-PON の宅装置（ONU: Optical Network Unit）の期待や、端末数の増加とクラウド通信への期待もあり、をそのまま利用できることが要求されている。また、10G-

GE-PON より高速で大容量なアクセス技術が必要とされてEPON は伝送速度が GE-PON の 10 倍に高速化されることいる。この背景から、GE-PON を 10 倍高速化した 10G-から、多分岐による設備投資の低減も期待されている。こEPON が 2009 年 9 月に IEEE802.3WG にて標準化された。

れまで、当社は 10G-EPON 非対称機の試作（ 2 ）や 10G-

これに続き10G-EPONのシステム仕様（SIEPON: Standard

EPON 通信 LSI の開発（3）などを通して、GE-PON ONU とfor Service Interoperability in Ethernet Passiveの共存や多分岐の実証検証を進めてきた。

Optical Networks）についても、2013 年 6 月に IEEE
P1904.1WG にて標準化された。

一方、保守運用に関しては、回線故障等の障害回復作業や、機能向上及び不具合改修に伴う装置のソフトウェア更FTTH では、GE-PON の導入によって、インタネット接新作業で発生する運用コストについても低減が求められて続サービスや電話サービスの提供はもちろんのこと、そのおり、また、これら作業に伴うサービス停止時間の削減も高速性を生かした、地上デジタルテレビ放送の再送信サー求められている。そのためには、可能な限りサービス停止

ビスや多チャンネル映像配信サービスが提供されており、を行わず、且つ、人手を介さずに回線切替えやソフトウェ多くのユーザーが利用している。そのため、現在では重要ア更新が実施できる手段が 10G-EPON システムに必要とインフラの一つとなっており、FTTH を提供するアクセスなる。

機器に対しても、従来の電話交換機のような安定動作が求

今回の開発では、これらの保守運用性を向上させる機能

められるようになってきている。当社は、ブロードバンドとして、10G-EPON ONU との接続（PON リンクアップ）−（ 38 ）−

10G-EPON における保守運用性の向上

を維持したまま回線経路を切り替える冗長切替え機能と、た下位層になる。これより上位のシステムは、通信事業者ソフトウェア更新機能を開発した。

や機器ベンダ間で仕様が異なり、すでに導入されている

2－2

10G-EPON システムの概要

今回開発したの

GE-PON では、相互接続において難があった。SIEPON では、10G-EPON 局装置（OLT: Optical Line Terminal）

は、GE-PON システムも含めて、10G-EPON システムの及び 10G-EPON 宅装置（ONU）である。OLT は 10G-相互接続を実現するため、世界の主要国で既に運用されてEPON の 回 線 を 提 供 す る 回 線 ユ ニ ッ ト で あ る OSU

いる GE-PON システムをベースに、Package A、Package（Optical Subscriber Unit）と、それらを集線し上位ネッB、Package C の 3 つのシステム仕様が取り込まれている。

トワーク（コア網）に転送する集線ユニット、及び OLT の今回開発した10G-EPONシステムでは、SIEPON（Draft3.0）

各ユニットの制御と管理装置への制御インタフェースを提準拠の機能として、日本国内向けのシステム仕様である供する制御ユニットで構成される（図 1）。OLT に実装さPackage B に準じた機能を実装している。

れる各 OSU は、1 枚の OSU を冗長 OSU として、光スイッチユニットに接続され、それぞれ配下の ONU を収容し、N:1 冗長切替え（OSU プロテクション）を可能としている。
光スイッチユニットは、制御ユニットの指示で ONU の接続経路を冗長 OSU へ切り替えることが可能である。10G-

3．保守運用性向上のための機能
3－1

N:1 OSU プロテクション機能

10G-EPON において、OSU プロテクションを実施する状況としては、① OLT 装置の故障検知を契機とする切り替え

EPON システムの諸元を表 1 に示す。

②オペレータの操作契機の切り替えが想定される。
故障契機の場合、当該 OSU 配下の ONU のすべてにおい管理装置て、サービスの継続が不可となるような光リンク故障や10G-EPON の LSI 等の故障を検知した場合が該当する。こ管理ネットワーク
UNI
ONUの場合、ONU との PON リンクアップを維持できる保障がOSS-IF

AUX-IF

ないため、故障検知後、自動での早急な切り替え処理が必制御ユニット要となる。

OSU
光SW PON-IF
ユニット

ONU

PON-IF咼咼咼

UNI

集線ユニット10G SNI
コア網

予備OSU
OLT
シリアル-IF
CLI端末

図1

10G-EPON のシステム構成

また、オペレータ操作契機の場合は、定期保守や OSUの交換等、運用側の都合での切替えである。この場合は、当該 ONU の PON リンクアップを維持することが必要で、サービス停止につながる恐れのある通信フレームの欠損は許容されにくい。
今回開発した 10G-EPON システムでは、切替え処理中に入力されるフレームを一時的に保持できる十分なサイズのバッファメモリを用意するとともに、PON リンクアップ
維持に必要なパラメータを切替え元から冗長 OSU に移行

表110G-EPON のシステム諸元

PON インタフェース 10GBASE-PR30
SNI インタフェース

10GBASE-LR

UNI インタフェース

1000BASE-T

管理インタフェース

100BASE-TX
シリアル IF（RS232C）

PON 分岐数

最大 128 分岐

SIEPON 機能

Power saving、セキュリティー、eOAM 等（Draft 3.0 Package B 準拠）

保守運用機能N:1 OSU プロテクション
サービス無停止ソフト更新

2－3

標準化対応

IEEE802.3 において GE-PON や

10G-EPON で標準化されているのは、光の強度や符号化をさせるタイミングと、フレーム伝送を一時的に停止するタイミング、及び集線ユニットでの経路切替えのタイミングを調整し、OLT 内部でフレームの欠損が発生しないような高速切替えを実現した。表 2 に今回開発した OSU プロテクション機能の性能目標をまとめる。

表2

OSU プロテクション機能の性能目標

切替え仕様

N:1 プロテクション（N ≦ 15）

故障契機

・ OSU 故障、OSU 無応答、光ファイバ断による自動切替え
・故障検知後、5s 以内に切替え。

オペレータ
操作契機

・マニュアル操作による予備系への切替えと予備系からの切り戻し
・ PON リンクアップを維持
・フレーム欠損なし

規定する PHY 層やフレーム送受を規定する MAC 層といっ

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 39 ）−3－2

サービス無停止ソフトウェア更新機能

サー

ビスの安定運用が求められる 10G-EPON システムでも、き継ぐことによって、フレーム伝送を行っている主要デバイスには影響を与えずに更新を可能とした。

検出された OLT のソフトウェア不具合の改修や、新規機能

一方、10G-EPON LSI のマイクロコードは、LSI 内部で追加による OLT ソフトウェア更新は、保守運用上、避けらの主信号導通において MPCP ※ 1 や DBA※ 2 動作に直接的にれない。通常、ソフトウェア更新では動作する装置の再起関与しており、マイクロコード更新時にマイクロコードの動が必要であるが、PON 回線では電話通話、特に緊急通話実行を停止すると PON ラインのフレーム伝送が停止してが行われている可能性もあり、これを提供する OSU は容しまう。そこで、マイクロコードを実行するユニットを易に再起動ができない状況が考えられる。この場合、サーOSU 内部に複数個儲け、あるユニットでマイクロコードのビス無停止でソフトウェア更新が可能になれば、ユーザー実行を継続させながら、別のユニットのマイクロコードのへの事前告知が不要になり、緊急通話の有無によらずソフ更新を行えるようにするとともに、マイクロコードの更新トウェア更新できる。このため、システムの信頼性の向上前後に、ユニット間で PON のフレーム伝送に関する処理とともに、運用コスト低減に貢献できる。

を引き継げるようにした。これにより、PON リンクアップ

サービス無停止での OSU ソフトウェア更新は、OSU プロテクション機能を用いることでも実施が可能となるが、今回、開発した 10G-EPON OLT では、プロテクション機能を利用しないで、OSU 単独でサービス無停止の OSU ソを維持し、サービス停止の原因となるフレーム欠損が発生しないマイクロコード更新を実現した。
表 3 に OSU ソフトウェア更新時における要求事項をまとめる。

フトウェア更新を実現した。
OSU ソフトウェアは、図 2 のとおり構成される。
表3OSU

OSU ソフトウェア更新での要求事項

基本ソフト更新

本機能の対象外。
OSU の再起動で更新。

管理ソフト更新

PON リンクアップを維持。
フレーム伝送を継続しながら更新。
フレーム無欠損。

マイクロコード更新

PON リンクアップを維持。
フレーム伝送を継続しながら更新。
フレーム無欠損。

管理CPU
基本ソフト

管理ソフト

10G-EPON LSI
マイクロコードPON

基本ソフトでは、更新には OSU の再起動が必要となり、サービスが一時的に停止する。しかし、OSU プロテクション機能を使用することで、サービス無停止でソフトウェア

図2

OSU ソフトウェアの構成更新可能となる。このように OSU プロテクション機能を併用することで、基本ソフトを含むソフトウェア全体に及ぶ大規模な変更を行うソフトウェア更新にはプロテクション機能を使い、不具合改修や機能改善等の小規模なソフト

基本ソフトは、OSU の管理 CPU で動作するブートプログラム、オペレーティングシステムであり、個別に動作すウェア更新には本機能を使うといった状況による使い分けが可能となる。

る管理ソフトに対して、割り込みやスケジューリング等の基本機能を提供する。また、管理ソフトは、10G-EPON の運用を行うためのソフトウェア及び 10G-EPON LSI 等のデバイスをコントロールするデバイスドライバである。マイクロコードは、デバイスにダウンロードしデバイス内部で動作する。今回実装した機能は、10G-EPON サービスの4．実機評価
4－1

N:1 プロテクション機能

写真 1 は、今回開発した 10G-EPON システムの OLT と ONU の外観である。

図 3 は評価試験系である。OLT には運用 OSU と冗長運用に直接関与する管理ソフトと 10G-EPON LSI にダウOSU を実装し、運用 OSU には複数台の ONU を接続する。

ンロードするマイクロコードをサービス無停止更新の対象

ONU の UNI と OLT の SNI にネットワークアナライザを接とした。

続し、試験フレームの伝送をさせながら、冗長 OSU への管理ソフトは、モジュール化により個別に更新が可能な構成として、更新前のモジュールの処理状態を更新後も引−（ 40 ）−10G-EPON における保守運用性の向上

切替えを行い、動作性能について評価を行う。

等主要デバイスで異常を検知した場合に故障発生と判断した。② OSU 無応答では、制御ユニットからの制御通信が一定時間無応答となる場合に故障発生と判断した。①②の故障は、実際に故障を発生させることは困難であるため、疑似的に故障が発生する冶具を準備した。①②での動作性能の評価では、疑似故障を発生させてから冗長 OSU でサービスを再開した時間を、③では光ファイバの抜去を実施してから、冗長 OSU でサービスを再開した時間を切替え時間として測定した。結果を表 4 に示す。

（a）OLT 外観

表4

故障別の切替え時間（ONU10 台接続）

切替え契機となった要因（b）ONU 外観
写真 1

切替え時間（平均）① OSU 装置故障（10G-EPON LSI 疑似故障）

4.4 s② OSU 無応答

34.8 s③ 光ファイバ断4.9 s

上記② OSU 無応答では、無応答の判定時間を 30s としており、故障検知後の実質的な切替え時間は 4.8s となる。

10G-EPON システム機器の外観

よって、今回の開発した 10G-EPON システムは、故障検知後、5 秒以内に冗長 OSU へ切り替える性能を有することが確認できた。
10G-EPON OLT制御ユニット
運用OSU

集線ユニット光スイッチユニット

10G-EPON
ONU#1

冗長OSU

（2）オペレータ操作契機によるプロテクション機能の評価
オペレータ操作契機の OSU プロテクションでは、フレーム無欠損での切替え処理を実現するため、フレーム伝送を一時的に停止させ、その間に経路切替えを行っている。
このため、この停止時間がフレームの伝送遅延時間の増加として現れる。今回、OSU プロテクション機能の性能評価
は、PON リンクと試験フレームの欠損状況、及び伝送遅延10G-EPON
ONU#N時間を測定することで行った。
開発した 10G-EPON OLT では、OSU プロテクションをネットワークアナライザ

上り試験フレーム実施するための操作コマンドを用意している。評価試験で下り試験フレーム

転送遅延時間を測定

図3

評価試験系

は、ONU5 台を接続した図 4 の評価試験系を用いて、各ONU で上下 20Mbps の試験フレームを伝送中に、コマンドにより OSU プロテクションを実行し、最大の伝送遅延時間を測定した。
表 5 に測定結果を示す。フレーム無欠損で OSU プロテクションが動作しており、伝送遅延時間も 60ms 以下と短い
以下に故障契機とオペレータ操作契機による OSU プロ値となっている。

テクション機能の動作性能の評価について報告する。
（1）故障契機によるプロテクション機能の評価
以下を契機とする OSU プロテクション機能の評価を行った。
① OSU 装置故障
② OSU 無応答
③光ファイバ断表5

オペレータ操作契機 OSU プロテクションの性能試験フレームの導通 PON リンク フレーム欠損
上り（UNI → SNI）
下り（SNI → UNI）

リンク断なし伝送遅延時間なし

36.0 msなし

54.8 ms

上記① OSU 装置故障では、OSU 内部の 10G-EPON LSI

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 41 ）−上記評価結果をもとに、OSU プロテクション実行時の内

表764 台 ONU 接続における 10G-EPON LSI
マイクロコード更新時の伝送遅延時間（推定）部の処理時間を分析し、接続 ONU 数毎にフレームの伝送遅延時間の推定値を算出した。これを図 4 に示す。

試験フレームの導通方向

伝送遅延時間上り（UNI → SNI）

165ms 以下

下り（SNI → UNI）

213ms 以下(ms)
200

128 台

150

機能よりも伝送遅延時間が大きくなる傾向があるものの、

32 台

100500

図4

上記のとおり、サービス無停止ソフトウェア更新機能は、多台数 ONU が接続された状態でも、OSU プロテクション

64 台

フレーム無欠損でマイクロコードの更新処理が可能である

上り

030ことを確認した。

下り

5 台（実測）6090120150

OSU プロテクションによる ONU 台数別の伝送遅延時間の推定値

5.

結言

今回、10G-EPON システムの保守運用性を向上させる機能として、N:1 OSU プロテクション機能を開発し、PONリンクアップを維持し、フレーム無欠損で動作可能な性能

ONU64 台接続では最大 115ms、ONU128 台接続で最大 170ms 程度の伝送遅延時間となる。以上の結果により、今回の開発した OSU プロテクション機能は、フレーム無欠損で切替え処理が実行可能であり、多台数でも高速な切を有することを実機にて確認できた。また、ソフトウェア更新機能においても同様に、PON リンクアップを維持し、フレーム無欠損で、サービス無停止ソフトウェア更新が可能であることを確認した。

替えが可能な性能を有することが確認できた。
4－2

サービス無停止ソフトウェア更新機能

フレー

ム伝送に直接影響のある 10G-EPON LSI のマイクロコー

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

ドの更新について、PON リンクアップを維持し、フレーム※1

欠損なしで更新可能か評価を行った。マイクロコードの更新では、2 つの 10G-EPON LSI 間で PON のフレーム伝送

DSL

Digital Subscriber Line ：電話回線を使用した高速デジタル技術。

に関する処理の引き継ぎを行うため、この引き継ぎ時間がフレームの伝送遅延時間として現れる。このため、試験フレームの欠損状況の確認に加え、伝送遅延時間も測定し、伝送フレームへの影響を確認した。

※2

MPCP

Multi-Point Control Protocol ： GE-PON や 10G-EPON
における制御プロトコル。

表 6 は、1 台の ONU を接続した状態で、試験フレームを疎通中に、サービス無停止ソフトウェア更新機能によりLSI のマイクロコード更新を行った際の PON リンクとフレー
ム欠損の状況、及び伝送遅延時間測定の結果である。マイクロコード更新により、PON リンクアップへの影響はフレー※3DBA

Dynamic Bandwidth Allocation ：動的帯域割当の意味。
ONU から OLT への上りトラフィックの帯域を動的に割り当てる仕組み、機能。

ム欠損はないことを確認した。
・ Ethernet は、富士ゼロックス㈱の登録商標です。

表610G-EPON LSI マイクロコード更新の評価試験フレームの導通方向 PON リンク フレーム欠損 伝送遅延時間
上り（UNI → SNI）
下り（SNI → UNI）

リンク
断なし

なし

64.3 ms

参なし

72.5 ms（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 24 年度第 3 四半期（12 月末））（平成 25
年 3 月 27 日）

表 7 は、64 台の ONU 接続で、実際に内部の切替え処理時間を測定し、その結果からフレームの伝送遅延時間を推定した結果である。

−（ 42 ）−

10G-EPON における保守運用性の向上

考文献（2） 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、pp103-107（2009）（3） 大道、「10G-EPON 用通信 LSI の開発」
、SEI テクニカルレビュー第 180号、pp43-48（2010）

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------平井秀 幸＊：インフォコミュニケーション・社会システム研究開発センター
プロジェクトリーダー

芝晋 吾 ：インフォコミュニケーション・社会システム研究開発センター
主査

神山

真 一 ：インフォコミュニケーション・社会システム研究開発センター

嶋田

善 行 ：インフォコミュニケーション・社会システム研究開発センター

道又淳 一 ：インフォコミュニケーション・社会システム研究開発センター

村田拓 史 ：住友電工ネットワークス㈱副部長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

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