NTT DoCoMo テクニカル・ジャーナル Vol. 13 No.4 IP サービス制御装置と IP 共通線信号中継装置 の開発 将来のドコモ網における高機能系サービスノードの基盤 強化および網構築コストの削減を目的として IPSCP, SGW の開発を行った． は せ が わ とおる お お た こういち 長谷川 徹 太田 公一 とこはら まさる ふるかわ よしたか 床原 勝 古川 仁崇 1. まえがき FOMA コアネットワークのトラフィックの増加，新たな サービスへの迅速かつ柔軟な対応および設備コストの削減 を実現するために，共通線網を IP（Internet Protocol）化す ることを前提に，コアネットワークを構築するシステムの サーバ化，ルータ化が必要となった．本稿では，IP サービ ス制御装置 IPSCP（IP Service Control Point）とIP 共通線信 号中継装置 SGW（Signaling GateWay）の開発経緯，開発効 果，ソフトウェアおよびハードウェアのシステム構成・特 徴，ネットワーク構成について概要を説明する． 2. IPSCP と SGW 開発の背景 ドコモ加入者の PDC（Personal Digital Cellular）から FOMA への本格的な移行および FOMA 加入者の増大に伴 い，コアネットワーク内の高機能系サービス制御装置であ る NMSCP（New Mobile Service Control Point）やモバイル 3 マルチメディアサービスを提供している M In（Mobile Multi−Media service Infrastructure）の設備増設が必要とな ってきた．また，NMSCP−NSTP（New Signaling Transfer Point）間のリンク使用率増加と NMSCP 増設に伴い，NSTP の増設も必要になってきた．そこで，コアネットワーク内 の高機能系サービス制御装置の処理能力向上およびネット ワークコスト，開発コスト低減を目的に，IPSCP および 3 SGW の開発を行った．ここで，IPSCP は NMSCP と M In を 単に置き換えるだけの装置ではなく，両機能を統合し，な おかつ将来のコアネットワーク内の高機能系サービス制御 および新規サービス開発を柔軟，かつ効率的に行うための 基盤システムと位置づけて開発を行った．また，IMS（IP Multimedia Subsystem）における HSS（Home Subscriber 27 置登録制御，発着信制御を行うため，高速処理を実現する Server）の加入者プロファイルデータベースの統合も図っ 3 3 必要がある．M In ではオープン化 ISP のような外部ネット ている．当初は，まず，M In の設備増設が必要となるた 3 め，M In 機能と IMS 機能を有し加入者番号をキーとする加 ワークとインタフェースを持つ装置として，セキュリティ 入者プロファイルデータを保持する SUSCP（Specific User 確保が重要である．このような機能の違いから，現状では Service Control Point）と，各プロバイダのプロファイルデ それぞれの機能の実現を NMSCP と M In により別々に行っ ータを保持する EBSCP（External Business user Service ている． 3 Control Point）を導入する．将来的には，NMSCP の設備増 それぞれの機能を実現するために必要な加入者プロファ 3 3 設およびリンク使用率増加が必要となるため，M In 機能と イルは，NMSCP と M Inのそれぞれの装置に保持している． IMS 機能に加え NMSCP 機能も有する IPSCP を開発，導入 加入者情報を分散して配置するため，インデックスキー していく予定である．IPSCP のマイグレーションを図 1 に （加入者番号）などの加入者プロファイルをそれぞれの装置 示す． へ配備することによるメモリ使用率の増加が課題として挙 なお，NMSCP，NSTP のような専用装置では，高額な設 げられる．また，特にサービス制御を実現する装置として 備コスト，需要に柔軟な設備構築が困難という問題がある． 類似機能が存在し，その二重開発部分についても課題とな 3 一方，M In で採用しているエンタープライズ系汎用サーバ る．これらの課題を解決するために，加入者情報を統合し においては，使用物品のライフサイクルが短いという問題 たノードで保持することにより，メモリの有効利用を実現 があった．IPSCP および SGW のハードウェアは，これらの し，加入者情報を保持するための基盤機能（バックアップ 問題を解消すべく，xGSN（serving/gateway General packet 機能，顧客管理機能，加入者移管機能など）についても共 radio service Support Node）でも導入している aTCA 通化して，開発費や保守費用の削減を可能とする． さらに，NMSCP 機能（在圏情報管理，コアネットワー （advanced Telecom Computing Architecture） [1]を採用するこ 3 クにおけるサービス制御機能）と M In 機能（オープン化 ととした． ISP や CiRCUS とのサービス制御機能，FOMA 位置情報サー ビス制御機能など）の連携を必要とするサービス 現状のドコモ網の高機能系サービスノードと位置づけら （PushTalk など）の円滑な導入，ノード間信号数の削減が れる装置として，PDC と FOMA の位置登録や発着信制御な 可能となる． どの基本呼制御ならびにサービス制御を行う NMSCP と， オープン化 ISP（Internet Service Provider）やCiRCUS（treasure Casket of i−mode service, high Reliability platform for NMSCP から IPSCP への機能継承に際しては，IPSCP に CUStomer）と連携した FOMA のパケットサービス制御を 共通線インタフェースを配備するのではなく，共通線と IP 3 行う M In が存在する．NMSCP では移動通信網に特有な位 装置名 機能 の変換を集約して行う SGW を開発することで解決した．こ 機能構成イメージ ●M3In SUSCP ●HSS（IMS機能） ●M3In EBSCP ●M3In ●HSS（IMS機能） IPSCP ●NMSCP ※NMSCP機能の機能 構成も可能 M3In HSS M3In M3In HSS NMSCP …導入当初 図1 28 IPSCP マイグレーション（将来像） NTT DoCoMo テクニカル・ジャーナル Vol. 13 No.4 れにより，今後新規に開発するノードへの共通線インタフ 証は FW（FireWall）の外側に HTTP − GW（HyperText ェースの配備は不要となる．SGW は，IP 版 NSTP という位 Transfer Protocol−GateWay）を配備することで直接外部か 置づけで，NSTP と同等の信号転送／網管理機能（障害検 らの接続を行えないようにし，より強固なセキュリティの 出，輻輳制御，信号迂回制御など）を配備している． 確保を可能としている． 3. IPSCP と SGW のシステム構成 IPSCP, SGW のハードウェア構成を図 3 に示す．ハードウ SUSCP, EBSCP, SGW のネットワーク構成を図 2 に示す． ェアの基本構成は，サーバユニットであり主にデータ蓄 SUSCP はオペレーション系装置である EMS（Element 積／保守インタフェース機能を配備する FS（File Server） Management System），顧客系装置である ALADIN（ALl と，呼処理機能を配備する SBC（Single Board Computer） ， Around DoCoMo INformation systems）と接続する．また， SBC 間を接続する内部スイッチブレード（SSW ： Shelf コアネットワーク系装置である xGSN, WPCG（Wireless SWitch） ，SBC と FS 間を接続するノード内レイヤ 2 スイッ Protocol Conversion Gateway） /XPCG（eXtended wireless チ（NSW ： Node inside layer2 SWitch）から構成される． Protocol Conversion Gateway）や NMSCP と接続して，Push なお，SBC は IPSCP では USP（User Service Processor） /ESP Talk や FOMA 位置情報サービスなどを提供する．なお， （External business Service Processor） /FEP（Front End SUSCP と NMSCP 間の接続において共通線と IP の信号変換 Processor），SGW では信号分配ブレード（SDB ： Signal 装置として SGW が配備されている．ネットワーク構成の特 Domain agent Blade） ／信号処理ブレード（SGB ： Signaling 徴として，各装置とは IPルータ網経由にて接続している． Gateway Blade）が該当する．SBC と SSW, CMM（Chassis EBSCP はオペレーション系装置である EMS と接続する． Management Module）から構成されるサーバ群は 2.1 節で また，コアネットワーク系装置である WPCG/XPCG，顧客 記述した aTCA 規格が採用されている．従来の交換機と比 系 装 置 で あ る Mobills − PRM（ MObile communication 較して小型かつ少数の装置群から構成されるハードウェア BILLing Systems−Partner Relationship Management system） ， が特徴であり，設置に必要なスペース確保の容易さ，設置 明細系装置である CCC−I（Calling rate Charge Center−IMT） 工事期間の短縮を図れるなどの優位性を備えている． と接続して，FOMA 位置情報サービスなどを提供し，その サービスの課金情報を送信する．さらに，ISP 系装置であ 4. IPSCP と SGW の特徴 る CiRCUS や各プロバイダと接続するため，ドコモ網外の 装置とのインタフェースも有している．なお，外部との認 IPSCP データベース構成の特徴（NMSCP データベース オペレーション系装置 ISP系 装置 EMS 情報システム系装置 ALADIN Mobills −PRM IPルータ網 コアネットワーク 系装置 FS FS FS SGW SUSCP EBSCP FEP&USP FEP&ESP SGB SDB IPルータ網 共通線信号網 IPルータ網 NMSCP xGSN CSCF：Call State Control Function xGSN （CSCF） WPCG CCC−I HTTP −GW インターネット 接続 専用線接続 LCS Client※ FW LCS Client XPCG ISP CiRCUS ※LCS Client：FOMA位置情報サービスの現在地通知機能および 位置提供機能を提供するプロバイダ 図2 SUSCP, EBSCP, SGW ネットワーク構成 29 DAT DAT FS RAID NSW RAID FS NSW SSW USP ※1 （ESP） USP （ESP） DB DB USP （ESP） SSW USP （ESP） DB FEP FEP SBC SDB※2 SDB※2 SGB※2 SGB※2 DB CMM A A S S T T B B CMM aTCA aTCA ※2 収容条件によりSDB/SGBの搭載を選択 シャーシ当り最大12枚搭載可能 RAID （共有Disk） ※1 EBSCPの場合，ブレード名はESPとなる （a）IPSCP 装置構成 （b）SGW 装置構成 ASTB：ATM Signaling channel Terminations Box（ATMシグナリング終端ボックス） DAT：Digital Audio Tape（保守用外部記憶媒体装置） RAID：Redundant Arrays of Inexpensive Disks 図 3 IPSCP, SGW ハードウェア構成 ス管理方式のままでは，「プロファイル管理部」も 6000 万 構成との差分）を以下に示す． 3 ① M In 加入者データと NMSCP 加入者データのプロファ 番号分を確保する必要があり，メモリを余分に使用するこ とになる．そこでIPSCP では， 「プロファイル管理部」を契 イル統合 3 将来の NMSCP 機能の開発を見据えて，M In 加入者 約情報に従い，契約がある加入者に対してのみプロファイ データと NMSCP 加入者データの両方を定義可能な共 ルをメモリに格納する可変領域管理とすることにより，メ 通プロファイルとしている． モリの有効利用を可能とした．また，プロファイルの検索 ② MNP（Mobile Number Portability）を考慮した番号収 方式として，NMSCP のデータベース管理方式である番号 帯検索のままでは 6000 万番号分の番号帯を検索するのに時 容拡大 MNP 導入後，設備コストを削減するために，IPSCP 間がかかる．このため，IPSCP では番号ごとに「検索管理 では 6000 万番号を定義可能としている．ただし，収容 部」に契約情報を保持し，契約情報を検索後，番号単位に 加入者数については，NMSCP と同等の 100 万加入者で プロファイル情報へのリンクを可能とすることにより，デ ある．IPSCP と NMSCP の収容加入者数と定義番号数 ータベース検索の高速化を図った． を表 1 に示す． 以下に NMSCP と IPSCP のデータベース構成の違いを具 体的に説明する． 3 IPSCP の装置種別は，M In 機能と IMS 機能を有する SUSCP, EBSCP と，NMSCP 機能も有する IPSCP に分類され NMSCP は，収容加入者数と定義番号数は同一であり， NMSCP のデータベース構成は， 「検索管理部」と「プロフ ァイル管理部」を 1 対 1で管理し，番号帯によるプロファイ ル検索を行っている． るが，個々にプログラム開発は行わず統合ファイルとして 開発を行う．IPSCPのソフトウェア構成を図 5 に示す． 統合ファイルとして開発することにより，保守基盤機能 （局データ管理機能，トラフィック収集機能，データベース IPSCP データベース管理方式を図 4 に示す．IPSCP は，定 義番号数が 6000 万番号であるため，NMSCP のデータベー 管理機能など）や一部のプロトコル機能などは，共通的に 開発可能となり，機能流用による開発費削減が可能となる． また，プラットフォームを共通としている xGSN からのプ 表1 30 IPSCP と NMSCP の収容加入者数と定義番号数 収容加入者数 定義番号数 IPSCP 100 万 6000 万 NMSCP 100 万 100 万 ログラム流用を実施しており，将来的には今後の新規装置 へのプログラム流用も可能と考えられる． しかし，逆に統合ファイルとして開発する場合は以下の ような懸念がある． NTT DoCoMo テクニカル・ジャーナル Vol. 13 No.4 ①プログラムの統合による余分なメモリエリアの確保． ムをメモリ上に展開しない制御を行うことにより，この懸 ②プログラムの大規模化による，問題発生時の他プログ 念点を解消している．②については，それぞれのプログラ ラムへの影響． ムに割り当てられるメモリ空間を分離し，プログラム間の 相互アクセスを許容しないことで解消している． ①については，それぞれの装置にて使用しないプログラ 【プロファイル管理】 【検索管理】…番号帯単位検索 ①番号帯検索 100万管理 100万管理 ②加入者プロファイル へのリンク 加入者番号（09012341200） 未契約 加入者番号（09012341201） 加入者番号（09012341201） 契約 加入者番号（09012341299） 加入者番号（09012341299） 未契約 加入者番号（09012341200） ③加入者プロファイル 情報取得 （a）NMSCP データベース管理方式 【検索管理】…番号単位検索 【プロファイル管理】 ①契約情報検索 6000万管理 加入者番号（09012341200） 加入者番号（09012341201） 100万管理 未契約 加入者番号（09043211255） 契約 ②番号へのリンク 加入者番号（09012341299） 未契約 加入者番号（09043211255） 契約 ③加入者プロファイル 情報取得 加入者番号（09012341201） 契約情報に 従い，可変 実装領域管 理に変更 →メモリ 有効利用 （b）IPSCP データベース管理方式 図 4 NMSCP と IPSCP のデータベース管理方式 共通部分例 アプリケーション ミドルウェア 共通加入者 プロファイル NMSCP 個別 アプリケーション HSS M3In 個別 個別 アプリケーション アプリケーション （IMS機能） ・DB管理機能 ・局データ管理機能 ・プロトコル機能 （IPSCP間問合せなど） ・OPS（EMS）からの 保守制御 ・明細センタとのイン タフェース機能 ： 基盤ミドルウェア（xGSNと同様） OS CGL ハードウェア aTCA CGL：Carrier Grade Linux 図5 IPSCP ソフトウェア構成 31 各伝送路設備 →トラフィック の100％ NSTP A面 SGW A面 CSP SDB （ACT） （ACT） CSP SDB （SBY） （ACT） SEP SEP SEP SEP B面 B面 CSP SDB （ACT） （ACT） 各回線対応装置 →トラフィック の100％ CSP アクト装置と同量の 設備（100％分）が 必要 各伝送路設備 →トラフィック の100％ （SBY） （a）NSTPの設備配備 図6 SDB （ACT） アクト装置2台での 運用のため50％の 設備で対応可能 各回線対応装置 →トラフィック の50％ （b）SGWの設備配備 NSTP, SGW の伝送路，回線対応部の設備配備について の二重障害までしかトラフィックの 100 ％疎通には対応し ていない．三重障害の場合，50 ％疎通となるが，回線対応 SEP（Signaling End Point）と NSTP 間は，専用線による 部の三重障害の発生確率は，ネットワークの他の部分の信 接続であったため，装置間のリンク数を倍にすると倍の伝 頼性と比較して非常に小さいことから ACT/ACT 構成を採 送路を用意する必要があった．また，伝送路は二重化され 用することとした． ていることもあり，図 6 に示すとおり，NSTP の回線対応装 置を ACT（ACTive） /SBY（StandBY）構成にしてネットワ 5. あとがき ークとしての信頼性を確保していたが，この構成では 本稿では，ドコモ網の高機能系サービス制御装置として 100 ％のトラフィックに対して 400 ％の回線対応装置が必要 位置づけられる IPSCP および IP 共通線信号中継装置 SGW であった．これは，No.7 信号網は A/B 面構成で片面ダウン の導入背景，システム構成，ネットワーク構成，開発効果 時，もう一方の面で 100 ％疎通可能としているためである． の概要を述べた．これによりコアネットワークは，新サー ただし，伝送路は ACT の回線対応装置にのみ設定してい ビスへ迅速かつ柔軟な対応が可能であり低コストとなる， る．しかし，IP 化により同一対地間のリンク数を倍にして サーバ，ルータ化を進展させることができる． も同じ設備量の伝送路で運用可能となり，SGW の回線対応 今後は，今回開発した IPSCP 基盤機能を拡張して， 装置を設備量 1/2 の ACT/ACT 構成で運用しても，信頼性を NMSCP 機能の完全な移行および新規サービスや MNP など 確保することが可能となった．これを SEP と SGW 間に適 の提供を実現する予定である． 用することで，SGW の回線対応装置の設備コストを約 1/2 に削減可能となった．なお，ACT/SBY構成の場合，回線対 応部の三重障害まで，トラフィックの 100 ％疎通が可能で あったが，ACT/ACT 構成（設備量 1/2）の場合，回線対応 32 文 献 [1] 森川，ほか：“FOMA コアネットワークパケット処理ノードxGSN の開発,”本誌，Vol. 12，No. 3，pp. 33−41，Oct. 2004． NTT DoCoMo テクニカル・ジャーナル Vol. 13 No.4 用 語 一 覧 ALADIN ： ALl Around DoCoMo INformation systems（顧客管理システム） aTCA ： advanced Telecom Computing Architecture CCC−I ： Calling rate Charge Center−IMT（IMT 用明細センタ） CiRCUS ： treasure Casket of i−mode service, high Reliability platform for CUStomer CMM ： Chassis Management Module EBSCP ： External Business user Service Control Point EMS ： Element Management System ESP ： External business Service Processor FEP ： Front End Processor FS ： File Server FW ： FireWall HSS ： Home Subscriber Server HTTP−GW ： HyperText Transfer Protocol−GateWay IMS ： IP Multimedia Subsystem IP ： Internet Protocol IPSCP ： IP Service Control Point ISP ： Internet Service Provider（インターネットサービスプロバイダ） 3 M In ： Mobile Multi−Media service Infrastructure MNP ： Mobile Number Portability Mobills−PRM ： MObile communication BILLing Systems−Partner Relationship Management system NMSCP ： New Mobile Service Control Point NSTP ： New Signaling Transfer Point NSW ： Node inside layer2 SWitch PDC ： Personal Digital Cellular SBC ： Single Board Computer SDB ： Signal Domain agent Blade SEP ： Signaling End Point SGB ： Signaling Gateway Blade SGW ： Signaling GateWay SSW ： Shelf SWitch SUSCP ： Specific User Service Control Point USP ： User Service Processor xGSN ： serving/gateway General packet radio service Support Node WPCG ： Wireless Protocol Conversion Gateway XPCG ： eXtended wireless Protocol Conversion Gateway 33
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