ShowNet 2022におけるローカル5Gの取り組み

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1. ShowNet 2022における ローカル5Gの取り組み ShowNet NOCチームメンバ 岡田 和也
2. そもそもローカル5Gとは？
3. ローカル5G とは？ • 企業や地方自治体が自らの建物・土地にて構築・利用 できる5Gネットワークのこと • 4.5GHz帯と28GHz帯の周波数が割り当てられている NTTドコモ 100MHz ↑↓ 4.5GHz帯 (Sub6) 28GHz帯（ミリ波） 4600 4900 [MHz] 4500 楽天モバイル 400MHz ↑↓ NTTドコモ 400MHz ↑↓ KDDI/沖縄セルラー 400MHz ↑↓ ソフトバンク 400MHz ↑↓ ローカル5G ② 28.2 29.1 [GHz] 29.5 27.8 27.4 27.0 ローカル5G ①
4. ローカル5Gの想定用途 • 使い所 • 移動時に通信が途切れると困る • 広範囲、ケーブル敷設費用が高い場所 • キャリア5Gが使いづらい場所でのラストワンマイルの改善 • 様々なユースケースを想定 • スタジアムでの低遅延映像配信 • 工場内や港湾等でのロボット制御 • 鉱山等での掘削機械の遠隔操作 • 大規模農場の自動監視、農業用機器の遠隔・自動運転 • ...
5. キャリア5G / ローカル5G / Wi-Fiの違い 比較項目 キャリア5G ローカル5G Wi-Fi 運用主体 移動体通信事業者 (MNO) 自組織 自組織 無線免許 必要 必要 不要 周波数帯 Sub6 / ミリ波 Sub6 / ミリ波 2.4GHz帯/5GHz帯 /60GHz帯 電波干渉 無 無 有 無線区間の遅延 1ms-4ms 1ms-4ms 〜50ms 通信帯域 〜4.2Gbps (Sub6 CA) 1Gbps程度（下り） 100-200Mbps程度 （上り） 〜9.6Gbps (802.11ax) セキュリティ SIM認証 SIM認証 WP2/WPA3 基地局/APの通信範囲 百数十〜数百m 百数十〜数百m 数十m
6. 5G SA方式のアーキテクチャ • ローカル5Gで主に使われるNetwork Function (NF) • NF間では膨大なパラメータがやり取りされる UPF パケット 転送 AMF 位置管理等 SMF セッション 管理 RAN 基地局 UE 端末 PCF ポリシ制御 UDM 契約情報 SBI NRF サービス ディスカバリ CHF 課金 AUSF 契約認証 DN インターネットや 企業ネットワーク
7. ローカル5Gにおける機能配備 • NFの特徴に応じて設置場所が異なる UPF パケット 転送 AMF 位置管理等 SMF セッション 管理 RAN 基地局 UE 端末 PCF ポリシ制御 UDM 契約情報 SBI NRF サービス ディスカバリ CHF 課金 AUSF 契約認証 DN インターネットや 企業ネットワーク
8. ShowNetでのローカル5G
9. ShowNetでの取り組み
10. ShowNetでの取り組み ここがローカル5G！ 独立した“7”つのローカル5Gシステム (SA方式) を構築！ 相互接続実験やローカル5Gの特徴を活かしたデモを実施！！
11. ローカル5G 全体構成図 PTP ノキア NTTコミュニケーションズ +NEC NEC 日本マイクロソフト NTTコミュニケーションズ + Spirent バックボーンへ シスコシステムズ Juniper + Spirent
12. シールドテントを利用した実験環境 • シールドテント 2張り • 合計4つの基地局と5台の端末を収容 • テント内・外での電波強度測定 • 設定した周波数で電波を発射している かの確認 • テント内の電波が外に漏洩がしていな いかの確認 • 漏洩を避けるため光ファイバを利用 • PoE++インジェクタ, HDMI光変換装置， 同軸光変換装置を利用 基地局 端末 シールドテント テント内での電波強度 テント外での電波強度
13. 高精度時刻同期 • Precision Time Protocol (PTP) を利用した高 精度な時刻を提供 • GNSSと同期したGM 3台を用意 • ITU-T G.8275.1 / ITU-T G.8275.2 + SyncE • Boundary Clock (BC) からの各RANへ提供 ts2910.5g (GM) gm200.5g (GM) m1000.5g (GM) GNSS分配器 hs624ma4xptp (BC) GNSSアンテナ （幕張メッセ屋上に設置） 同軸→光ファイバ変換 ▲ ▲ n540x GNSS/PTP の時刻差監視
14. Juniper/Spirent: 広帯域なトラフィックを処理可能なUPF • ルータMX10003にUPF機能が追加 • ルータでの転送性能を活かした高い転送能力 • コアはSpirent Landslideにてエミュレーション • Spirent Test Centerで疑似された端末トラ フィックを転送 • 双方向でスループット 100Gbpsを達成 mx10003 test center N6 N3 landslide 双方向100Gbps
15. 操縦席 車載カメラのリアルタイム映像 車載カメラ 制御回路等は ラジコンカー内側に収納 5G端末 5G アップリンク （動画伝送） 5G ダウンリンク （ラジコン制御通信） NTTコミュニケーションズ/NEC：ローカル5Gを利用した 遠隔操作デモンストレーション テント内
16. ローカル5G 準同期（アップリンク） シールドボックス 4Kカメラ N3 N6 FG900CS ローカル5G/キャリア5G対応 ゲートウェイ ローカル5G用UPF ユーザーデータ処理装置 4K デコーダ 4K エンコーダ オムニアンテナ RF ShowNet NEC：準同期＋低遅延コーデックによる4K動画伝送 • ローカル5Gではアップリンクの通信比率が多い（映像伝送など） • 上りスロットが多いパターンを活用 • 準同期TDDフォーマット：DDDSUUDSUU • 他の同期局（キャリア5G/ローカル5G）との干渉に注意 リアルタイム映像 ローカル5G経由映像 UNIVERGE RV1200 ローカル5G Sub6一体型基地局 4K 4K
17. 日本マイクロソフト : パブリッククラウドと連携した5Gコア • Azure Stack Edge（オンプレミス・マネー ジド・エッジ）をShowNetに設置 • Azureのポータルから5Gコアインスタンスと SIM情報を一括して制御可能 • ASOCSの基地局と京セラローカル5G端末（原 田産業）と相互接続 Azure Portalの画面にコア/simの情報を表示 SIM情報 コア Azure Stack Edge ノード 基地局 端末
18. シスコシステムズ：クラウドコントローラと 汎用サーバによるローカル5G実現 • クラウド上の5GC (AUSF/UDM/CHF) と管理コンソールがオンプ レのサーバが連携 • 合計4Uのサーバと基地局によりローカル5G環境を構築 • ローカル5G向けに設定を簡素化 Cisco 5GC クラウド上の5GC管理コンソール (SIM管理や通信状況を監視） UCS（サーバ）上に CU/DU, 5GC (UPF/AMF/SMF) を構築 Airspan RU
19. NTTコミュニケーションズ/Spirent： E2Eネットワークスライシング • 3つのスライスを5GCおよびUPF上に構築 • N6区間からバックボーンにSRv6 Flex-Algoに乗り換え • スライス単位でE2Eで経路を柔軟に制御 AMF SMF Slice #2 VLAN 2735(N3) Slice #1 Slice #2 VLAN 2733(N3) Slice #3 VLAN 2782(N3) Slice #3 Slice #1 VLAN 2737(N6) VLAN 2736(N6) VLAN 2783(N6) UE eBGP VLAN 2734 (N4) gNB Algo #1 Algo #3 Algo #2 N2 N4 vRouter N6 vRouter vUPF N3 vRouter Capgemini5GC Spirent Landslide KaloomUPF ESXi上でCapgemini5GC、 Landslideを動作 ホワイトボックススイッチ Wedge上でKaloom (UPF) を動作
20. ノキア: 大容量広帯域なローカル5Gシステム • IAサーバ2台 に5GCの機能が 集約されたオールインワン構成 • キャリアグレードのSWを転用し、高密 度コアを実現 • ローカル5G対応CPEにより高速な通 信を実現 • 常時約1Gbpsのスループットを達成 CU/DU CMU 基地局 CPE
21. RANとコアの相互接続 • NEC / シスコシステムズ • NECの基地局RV1200とシスコス テムズのコア機能 (AMF, UPF) の 相互接続 • 日本マイクロソフト • Affirmed （コア機能）とASOCS 基地局の相互接続 RV1200 gNB NEC AMF, UPF シスコステムズ N2 N3 N2 N3 Azure Stack Edge ノード Affirmedコア機能 ASOCS RU/CU/DU
22. ローカル5G用端末 (UE) FastMile 5G Gateway ノキア VersaPro NEC FG900CS（NECマグナスコミュニケーションズ） NEC K5G-C-100A（京セラ） 原田産業 RAKU+ (Compal) NEC
23. 知見
24. やってみてわかったこと • シールドテント/ボックスを使った検証は可能 • ローカル5G の 4.8〜4.9GHz 帯には、Wi-Fi 2.4GHzの高調 波が存在 • 市販のモバイルWi-Fi端末からの高調波を観測 • Wi-Fiの帯域に比べれば電波環境は良い • 構築は一筋縄ではいかない • クラスタベースの製品は構成変更が困難 Wi-Fi 2.4GHz帯 Wi-Fi 5GHz帯
25. クラウドへの機能配備 オンプレ クラウドに置くもの 考え方 NEC U-plane機能 (RAN, UPF) UPF以外の5GC U-planeはオンプレ、C-planeはクラ ウド 日本マイクロソフト RU RU以外のすべて ※ただしエッジに収容 全部クラウドに寄せつつ、エッジに 収容してクラウドの短所を解消 シスコシステムズ U-plane機能 (RAN, UPF) C-plane機能 (AMF, SMF, PCF, …) 加入者管理 (UDM) 、認証 (AUSF) 、課金等 (CHF) のみク ラウド 面倒な管理系のみクラウドに寄せる 規模拡張性で有利 UPF パケット 転送 AMF 位置管理等 SMF セッション管理 RAN 基地局 UE 端末 PCF ポリシ制御 UDM 契約情報 SBI NRF サービス ディスカバリ CHF 課金 AUSF 契約認証 DN インターネットや 企業ネットワーク
26. S UPF AMF SMF RAN UE PCF UDM SBI NRF CHF AUSF ShowNet Backbone RV1200 Controller NTTコミュニケーションズ/NEC, NEC オンプレ クラウド RV1200 VEP4600 NEC 5GC Cloud UPF AMF SMF RAN UE PCF UDM CHF AUSF DN Juniper/Spirent MX10003 LandSlide 5GC Spirent TestCenter Spirent TestCenter UPF AMF SMF RAN UE PCF UDM CHF AUSF ShowNet Backbone 日本マイクロソフト Azure Private 5G Core ASOCS UPF AMF SMF RAN UE UDM CHF AUSF ShowNet Backbone シスコシステムズ CISCO 5G Cloud CISCO 5G Edge Node UPF AMF SMF RAN UE PCF UDM CHF AUSF ShowNet Backbone ノキア CMU UPF AMF SMF RAN UE PCF UDM CHF AUSF Flex-Algo NTTコミュニケーションズ/Spirent Kaloom UPF Capgemini 5GC Spirent LandSlide Flex-Algo Flex-Algo ShowNet Backbone
27. これからのローカル5Gに期待したいこと • 技術的・金銭的なハードルの低下 • 技術の味見をするためのハードルが高い • 構築作業、構成変更の簡略化 • エンタープライズで使われている技術への対応 • 例えばsyslog, snmp, ansibleなど • UE（端末）/RAN/コアがもっと気軽につながってほしい • 業界団体でローカル5G用の標準プロファイルを定める等
28. まとめ
29. まとめ • 7つのローカル5GシステムをShowNetに構築 • 各システムを動作させローカル5Gシステムの技術を俯瞰 • 端末/RAN/コアの相互接続やFlex-AlgoとのE2Eスライシングにも 挑戦 • やってみないとわからないことが多い • エンタープライズ企業にはライセンスバンド+モバイルネット ワークに関する技術的知見が少ない • まずはローカル5Gという技術が使えるか否かというよりも、 試せる人が試して知見を共有していくことが大事
30. ローカル5G 協力企業一覧 特別協力 東京計器アビエーション