Новости PCB - Объяснение технической документации O-RAN

Введение в O-RAN

Сегодня использование сотовых материалов продолжает расширяться во всем мире, поэтому для удовлетворения этого спроса необходимо кардинально изменить телекоммуникационные системы. Хотя стандарт 5G способен удовлетворить спрос на более высокий уровень сотового трафика и обещает реализовать множество новых сценариев применения, многие из предлагаемых приложений 5G будут возможны только на бумаге, если сеть не будет соответствующим образом улучшена. Например, сценарии приложений для сверхнадежной связи с низкой задержкой (URLLC) будут невозможны без оптимизации сети из-за высоких требований к задержке, предъявляемых к таким приложениям. Сети будущего должны стать более гибкими и иметь возможность использовать преимущества новых технологий, таких как искусственный интеллект. Сетевые операторы переходят на программно-определяемые сети, чтобы иметь возможность настраивать свои развертывания и управлять ими.

Операторам мобильной связи также необходимо будет обеспечить совместимость устройств или возможность свободного выбора электронных компонентов сетевого оборудования от разных поставщиков. В целом, есть много возможностей для улучшения как сети радиодоступа (RAN), так и аппаратного обеспечения телекоммуникационной системы.В 3GPP R15 определены три различные функции gNodeB: центральный модуль (CU), распределенный модуль (DU) и модуль радиосвязи (RU).Эти три элемента могут быть сконфигурированы различными способами, и лучше всего выбрать оптимальную конфигурацию для вашей сети.Если все компоненты gNodeB от одного и того же поставщика, то между этими компонентами можно выбрать специальный интерфейс.

Альянс O-RAN, или О-РАН, стремится обеспечить беспрецедентную открытость в сетях 5G RAN.Устав альянса O-RAN описывает, как открытые интерфейсы CU, DU и RU могут создавать сети с "белыми рамками", в которых функциональность всей системы не полностью определяется поставщиком, что повышает гибкость RAN и предоставляет больший выбор сетевым операторам.Более того, такой подход может открыть новые возможности для малых и средних предприятий, которые традиционно не предоставляют сетевое оборудование, поощряя их к инновациям и развитию.Чем больше инноваций, тем больше возможностей выбора, а это означает, что стоимость развертывания новой сети, скорее всего, будет ниже. o-RAN также хочет интегрировать технологии глубокого обучения в каждую архитектуру RAN, тем самым повышая интеллектуальность системы связи. эталонная архитектура o-RAN (показана на рисунке 1) иллюстрирует, как создать RAN, совместимую с O-RAN.

Эталонная архитектура альянса O-RAN

 Рисунок 1. Эталонная архитектура альянса O-RAN

Как разделить RAN на части

Концепция и архитектура O-RAN основана на концепции разделения RAN. Функционально существует восемь способов разделения RAN, каждый из которых разбивает разные уровни протокола, так что разные части стека протоколов могут обрабатываться на разных аппаратных средствах. На рисунке 2 кратко представлены эти восемь вариантов.

Рисунок 2. ПРОСМОТРИТЕ параметры нарезки

O-RAN рекомендует использовать вариант 7-2. Как показано на рисунке 2, этот вариант делит физический уровень (PHY) на верхний и нижний уровни. Если используется опция 7-2, то в восходящей линии связи (UL) функции удаления CP, быстрого преобразования Фурье (FFT), цифрового формирования луча (если применимо) и предварительной фильтрации (только для PRACH (физического канала произвольного доступа)) выполняются в RU, в то время как остальная обработка выполняется в физический уровень выполняется в DU. В нисходящей линии связи (DL) функции обратного БПФ (iFFT), добавления CP, предварительного кодирования и цифрового формирования луча (если применимо) выполняются в RU, в то время как остальная часть обработки PHY выполняется в DU.

Вариант 8 slice соответствует стандарту Common Public Radio Interface (CPRI), используемому для 2G, 3G и 4G.O-RAN определяет версию 7-2 cut, которая сокращает трафик между DU и RUs.На рисунке 3 ниже объясняется вариант 7-2 slice и то, как можно разделить остальную часть стека протоколов между CUs и DUs.7.2x slice обеспечивает оптимальный баланс между быстрым выводом технологии на рынок и контролем затрат на внедрение.Такой подход уменьшает путаницу в деталях фрагмента, одновременно еще больше сокращая трафик и повышая качество. Некоторые системы 5G используют усовершенствованный CPRI, или eCPRI, в качестве интерфейса DU-RU.ECPRI позволяет выполнять высокоуровневое и низкоуровневое разделение физического уровня в зависимости от поставщика. Таким образом, благодаря поддержке нескольких сегментов, трафик или гибкость могут быть оптимизированы для адаптации к различным средам развертывания благодаря уникальной физической среде антенны. Это позволяет оптимизировать затраты на конкретные соединения для разных операторов.

Рисунок 3. Разделение уровней протоколов CU, DU и RU для варианта 7-2

Для новой архитектуры 5G RAN (называемой NR-RAN) компания 3GPP определила и стандартизировала новый интерфейс F1 для обмена данными между CUs и DUS. физический раздел между CUs и DUs называется разделом высокого уровня (HLS). интерфейс нижнего уровня между DUs и RUs называется low level slice (LLS), который еще не определен в 3GPP. связь между CUs и DUs, а также их связь с RUs могут быть настроены различными способами. Отношения между CUs и DUs, а также их отношения с RUs могут быть настроены различными способами. На рисунке 4 показаны различные конфигурации NR-RAN.Обратите внимание, что интерфейс F1 устойчив к задержкам, в то время как интерфейс DU-RU требует передачи с низкой задержкой. Таким образом, при создании интерфейсов с низкой задержкой возникает множество проблем, поэтому во второй половине этой статьи мы представляем подробный сценарий низкоуровневого приложения для централизованного управления.

Рисунок 4. Гибкое расположение функциональных блоков 5G RAN

Интерфейс между DU и RU также известен как интерфейс fronthaul (FH).Интерфейс FH является одним из наиболее требовательных системных интерфейсов и очень чувствителен к задержкам. Если DU и RU поставляются одним и тем же производителем, большинство систем могут использовать CPRI или eCPRI (только 5G) в качестве интерфейса fronthaul.Хотя CPRI изначально был разработан для использования в качестве открытого интерфейса, на практике у каждого поставщика есть несколько отличающаяся реализация, соответствующая его собственному оборудованию, что затрудняет взаимодействие с несколькими поставщиками, если не делает его непрактичным.В то время как использование аппаратных архитектур с открытым "белым ящиком" не приветствуется, жесткая синхронизация между DUs и RUs может быть достигнута гораздо проще. Если DUs и RUs поставляются одним и тем же поставщиком, они будут совпадать по времени передачи и приема (единственное отличие - это расстояние между DUs и RUs).

Одной из двух целей O-RAN является создание более открытой экосистемы, что требует определения нового интерфейса пересылки. Из семи рабочих групп O-RAN Рабочая группа 4 (WG4) занимается определением этого интерфейса. Эта рабочая группа называется Open Forward Interface, и ее цель - "обеспечить по-настоящему открытый прямой интерфейс для взаимодействия с несколькими поставщиками DU-RRU". На рисунке 5 показано, как предлагаемый интерфейс DU-RU обменивается информацией на разных уровнях. Хотя эти семь различных потоков (плюс дополнительные потоки на уровне управления (M)) могут показаться очень сложными, на более высоком уровне в четырех плоскостях (Управление, пользователь, синхронизация и менеджмент) на самом деле используются только три типа материалов (материалы IQ, материалы для определения времени и синхронизации, Командная и управляющая информация).

Рис. 5. Поток низкоуровневого поступающего материала

Поскольку CPRI основан на методе нарезки Option 8, прямой интерфейс сильно отличается от CPRI с точки зрения того, как материал IQ передается, упаковывается и освобождается от сжатия. Опция 8 позволяет разрезать сеть на радиочастотном уровне, поэтому выборки IQ не подвергаются какой-либо физической обработке (FFT/iFFT). По мере развития сетей на поздних этапах 4G и ранних этапах 5G, когда все больше антенн используется в системах Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO), а частота дискретизации (несколько выборок на антенну) увеличивается, eCPRI был создан для уменьшения объема потока материалов через интерфейс. Поскольку объем системного материала превышает возможности физического соединения, и было бы слишком дорого реализовать соединение, способное вместить такое количество материала, eCPRI перемещает часть материала из PHY в RU и добавляет алгоритм сжатия, чтобы уменьшить количество проходящего материала. через интерфейс.

Однако не существует конкретных критериев, определяющих, какие именно части PHY должны быть перенесены в RU, и это зависит от поставщика. Для некоторых поставщиков это может быть конкурентным преимуществом, и такой подход может помочь оператору снизить затраты на подключение. Поскольку некоторые низкоуровневые функции PHY выполняются в RU, DU необходимо проинформировать RU о том, как выполнять эти функции. В результате интерфейс управления eCPRI также значительно отличается от интерфейса предварительной передачи данных O-RAN. Однако различные сокращения у каждого из поставщиков приведут к тому, что поставщик услуг продолжит зависеть от другого поставщика. открытый прямой интерфейс O-RAN направлен на установление соответствующего стандарта для тех частей физического уровня, которые необходимо перенести в RUs для интеграции аппаратного обеспечения, предоставляемого различными поставщиками, с использованием 7-кратного сокращения.

Тестирование функциональной совместимости (IOT)

Работая над улучшением интерфейсной части, рабочая группа 4 также должна рассмотреть вопрос о том, как будет проходить тестирование интерфейса. Если система содержит DU и RUS от разных поставщиков оборудования, системные интеграторы и поставщики должны будут иметь соответствующие возможности проверки интерфейса DU и RU. Этот тип тестирования часто называют тестированием на совместимость, и O-RAN изучает, как тестировать системы, совместимые с O-RAN. Схема O-RAN, показанная на рисунке 6, иллюстрирует конфигурацию системы для тестирования O-RAN-DUs (O-DUs) и O-RAN-RUs (O-RUs) с использованием O-RAN-CUs (O-CUs) и UEs в конфигурации, которую можно использовать для лабораторного моделирования или имеющийся в продаже. Одна тестовая точка используется для тестирования интерфейса между CU и DU, а другая тестовая точка используется для тестирования радиочастотных входов/выходов RU, но тестируемое устройство (DUT) представляет собой комбинацию DU и RU. В этом случае, если используется активное возбуждение, интерфейс предварительной передачи между DU и RU не тестируется, и проверка возможна только при пассивном мониторинге.В настоящее время O-RAN изучает способы тестирования интерфейса предварительной передачи.

Рис. 6. Тестовая установка O-RAN, активная (слева) и пассивная (справа)

Существует два типа активных тестов, которые могут быть выполнены в прямом интерфейсе: протокольные тесты и параметрические тесты, и O-RAN продемонстрировала необходимость протокольных тестов для проверки тестовых наборов и анализа сбоев. В процессе разработки важно иметь инструменты тестирования, которые могут подтвердить правильность конструкции, чтобы обеспечить правильное подключение к другим устройствам, совместимым с O-RAN. Как только проектирование завершено и DU и RUs находятся на стадиях проверки и производства, требуется параметрическое тестирование, чтобы убедиться, что каждый блок функционирует должным образом.

Для тестовой системы RU нет необходимости тестировать интерфейс E1 между CU и DU; тестовая система RU должна обладать функциональностью, аналогичной функциональности CU и DU, и иметь возможность контролировать прямой интерфейс. В зависимости от требуемого уровня тестирования в систему могут быть добавлены тестовые UE или эмуляторы UE для создания полной сквозной тестовой системы (E2E). Доступен протокол 5G NR IP, основанный на программном обеспечении NI radio (SDR) и аппаратном обеспечении FPGA. пример тестовой системы E2E показан на рисунке 7 ниже.

Рисунок 7. Пример тестовой системы E2E DU-RU

Вывод

O-RAN формулирует три концепции:

(1) Создание более "умной" сети RAN и повышение эффективности за счет виртуализации сетевых элементов.

(2) Продвижение аппаратного обеспечения для реализации сетевых решений разных производителей.

(3) Стандартизация интерфейсов сетевых компонентов.

Целью O-RAN при реализации этих ключевых инициатив является стимулирование развития сети, которая лучше соответствует будущим потребностям, и интеграция новых функций и сценариев приложений, которые, как ожидается, будут доступны благодаря 5G, таких как URLLC. Определение прямого интерфейса является особенно сложной задачей из-за передачи данных с низкой задержкой, необходимой для связи DU-RU, в которой Рабочая группа O-RAN 4 продолжает добиваться прогресса и где компании уже начали создавать RUs, совместимые с O-RAN. Рабочая группа O-RAN 4 продолжает добиваться прогресса в этой области, и несколько компаний приступили к созданию O-RAN-совместимого программного обеспечения, которое можно использовать для подключения к другому O-RAN-совместимому оборудованию.

Поскольку эта новая технология выходит на рынок, возможность проверки и тестирования интерфейса DU-RU имеет решающее значение как на этапе проектирования и валидации, так и во время производственных испытаний, и NI предлагает оборудование и программное обеспечение для тестирования Интернета вещей, которые позволят компаниям чаще выводить на рынок новые RUS, совместимые с O-RAN. быстро.Пока неясно, получит ли O-RAN широкое распространение в сетях 5G, однако консорциум O-RAN активно разрабатывает новые интерфейсы и работает над способами оптимизации и развития сети путем создания новых сетей с использованием аппаратных решений разных производителей.