Введение в O-RAN

В настоящее время одной из самых обсуждаемых тем в мире телекоммуникаций является Open RAN. Автор хотел бы предложить серию сообщений, чтобы обсудить технические аспекты в этой области. Этот пост представляет собой введение в O-RAN, за которым последуют статьи с более глубоким обсуждением технических деталей. Прежде всего, чтобы избежать недоразумений, мы собираемся говорить об O-RAN (с тире). Это концепция Open RAN, в соответствии с определением O-RAN Alliance, организацией, миссия которой состоит в том, чтобы «переформировать индустрию RAN в сторону более интеллектуальных, открытых, виртуализированных и полностью совместимых мобильных сетей» [1].

На рис. 1 показана эволюция сети радиодоступа (RAN) при переходе от традиционного подхода к Open RAN. Унаследованный (legacy) способ предоставления RAN заключается в том, что существует один черный ящик, а внутренние интерфейсы внутри этого ящика закрыты и находятся в руках одного поставщика. Двигаясь к Open RAN (O-RAN), мы разделяем различные функции базовой станции на следующие объекты с открытыми интерфейсами между ними: централизованный блок (CU), распределенный блок (DU) и удаленный блок (RU)). Подобная архитектура определена в 3GPP, но с подходом O-RAN эти объекты могут разрабатываться разными поставщиками из-за открытых интерфейсов между ними (включая Open Fronthaul, Open FH). Кроме того, важным является то, что оранжевая коробка на схеме, т.н. Интеллектуальный контроллер RAN (RIC) выделяется из блоков обработки и дает возможность прямого взаимодействия с интерфейсами управления, таких как функции управления радиоресурсами (RRM) или самоорганизующихся сетей (SON). В концепции O-RAN именно здесь находится «мозг» моделей искусственного интеллекта (AI) для автоматизации радиосети.

Заявленные характеристики концепции O-RAN  также показаны на рисунке 1 и включают:

• Разделение RAN на отдельные функции (например, CU, DU, RU, RIC), отделение программного обеспечения от оборудования (виртуализация) и открытие внутренних интерфейсов RAN.

• Открытая экосистема с независимыми поставщики, такие как поставщики CU / DU, поставщики RIC, а также разработчики функциональности (разработчики xApp), интеграторы, которые должны будут предоставить всю систему оператору. Это однозначно приводит к необходимости в организации, которая позволит тестировать совместимость между различными поставщиками.

• Интеллектуальное управление — обеспечивается уже упомянутым RIC, где интеллектуальные данные должны быть изначально встроены в O-RAN с использованием моделей искусственного интеллекта и различных специализированных функций RRM, таких как управление трафиком, управление мобильностью, управление помехами и т. п.

Сеть радиодоступа с использованием концепции O-RAN

Давайте теперь посмотрим на архитектуру 5G RAN с объектами управления и интерфейсами, внесенными в определение O-RAN Alliance (см. Рис. 2).

Здесь мы видим упрощенный стек протоколов радиоинтерфейса между базовой станцией (BS) и пользовательским оборудованием (UE), где выполняется обработка нижнего уровня, уровень MAC с планировщиком и другие протоколы уровня 2 (PDCP, RLC ), и, наконец, RRC, управляющий соединением и различными параметрами протоколов нижнего уровня (L3). В 5G есть два определенных объекта в CU, а именно CU-CP (Control Plane — для управления соединением) и CU-UP (User Plane — для обработки данных UP). В 5G, по сравнению с LTE, дополнительно есть протокол SDAP на пути UP для сопоставления QoS. При переходе к O-RAN CU-UP, CU-CP, DU и RU получают букву «O-» впереди, что означает, что они адаптированы к определению и архитектуре O-RAN Alliance (например, для поддержки E2 интерфейс и определенные функции O-RAN). В силу того, что они подключены к интерфейсу E2, в спецификациях O-RAN Alliance они называются узлами E2.

На другом конце интерфейса E2 находится RIC, который разделен на «RIC почти в реальном времени» (nRT RIC) и «RIC не в реальном времени» (NRT RIC), которые могут быть предоставлены третьей стороной (обратите внимание, что маленькая буква «n» предназначена для «почти Real Time», а заглавная «N» — для «Non-RT»). Первый отвечает за обработку радиоресурса, близкого к RT, функции управления (в масштабе времени> 10 мс и <1 с), такие как управление мобильностью, управление помехами и т. д. Последний выполняет функции более высокого уровня, подобные SON, и предоставляет политики для nRT RIC через интерфейс A1. Здесь следует упомянуть важный аспект: RRM в реальном времени (RT) все еще существует, встроенный в O-DU (например, планировщик MAC или управление мощностью). Итого, у нас есть три контура управления:
— RT (<10 мс) обрабатывается O-DU,
— около RT (>10 мс, <1 с) обрабатывается nRT RIC,
— Non-RT (> 1 с) обрабатывается NRT RIC.

Это иерархическая структура, которая позволяет разделить аспекты управления ресурсами в зависимости от временных характеристик.

Субъекты, участвующие в разработках O-RAN

На рис. 3 показаны соответствующие сущности, участвующие в определениях и разработках O-RAN, а также отношения между ними.

Во-первых, есть 3GPP [2], который определяет стандарт 5G, включая архитектуру, радиоинтерфейс, работу RAN, UE, базовой сети. В этом контексте к Open RAN относятся вопросы связанные с CU, DU, управлением и оркестрацией (MANO), а также интерфейсы, такие как E1, F1 и т.д.

Во-вторых, есть O-RAN Alliance [1], который берет определенные 3GPP элементы RAN и строит на них интерфейсы E2 и A1, оба RIC, разделение нижнего уровня (LLS), предварительное решение, оркестрацию услуг и управления (Service and Management Orchestration — SMO) и т.д. Таким образом, O-RAN Alliance создает открытую архитектуру O-RAN.

Также важным игроком является Open Networking Foundation (ONF) [3] с его программно определяемой RAN (software-defined RAN — SD-RAN) [4]. Спецификации O-RAN Alliance вводятся в SD-RAN ONF, но не все из них принимаются во внимание. SD-RAN фокусируется на создании образцовой платформы для выбора дизайна на основе O-RAN под названием «micronos-RIC». Цель состоит в том, чтобы предоставить RIC с открытым исходным кодом эмуляторы, позволяющие разработчикам xApp тестировать свои решения, а операторам — возможность тестировать различные приложения xApp. Кроме того, O-RAN Alliance вместе с Linux Foundation создали Сообщество программного обеспечения O-RAN (OSC) [8], целью которого является создание эталонного проекта программного обеспечения с открытым исходным кодом для всей O-RAN (см. соответствующие проекты в OSC на рис. 4).

Следующим важным игроком является Telecom Infra Project (TIP) [5] в зоне O-RAN [6]. В частности, в части RRM TIP определяет подгруппу RAN Intelligence and Automation (RIA) с целью использования «micronos-RIC» (или OSC, или других RIC) для разработки и развертывания xApps на основе AI для таких случаев использования, как SON, RRM, MMIMO и др.

Итак, суммируя, в левой части приведены эталонные проектные архитектуры, интерфейсы и узлы, затем есть образцовые платформы и, наконец, разработка сценариев использования, где, например, операторы устанавливают приоритеты для разработок. Существуют также другие организации, например Open RAN Policy Coalition [7], которая способствует принятию концепции открытой сети радиодоступа правительствами и участниками экосистемы. Что касается коммерческих разработок, O-RAN Alliance также предоставляет виртуальную выставочную платформу [9], где освещаются реализации различных элементов O-RAN. Small Cell Forum также принимает активное участие в разработке Open RAN посредством адаптации интерфейсов Small Cell и интерфейса nFAPI [10]. Этот состав участников может быть расширен в ближайшем будущем, например, поставщиками облачных платформ для тестирования совместимости, «магазинами xApp» и т.п.

Технические спецификации O-RAN Alliance

O-RAN Alliance определяет общую архитектуру, управление и оркестрацию, RIC, интерфейсы E2, A1, O1, варианты использования и т. Д. В таблице ниже представлены выдержки из основных спецификаций.

Таблица: Избранные спецификации O-RAN Alliance (на основе [1])

Обратите внимание, что приведенный выше список технических характеристик не является исчерпывающим. Полный список всегда можно найти на сайте O-RAN Alliance [1]

Резюме

Эта публикация является введением в O-RAN, описывающим основные принципы и основы, такие как характеристики O-RAN, основные блоки, а также организации, участвующие в разработке этой концепции. Следующие статьи этой серии предоставляют более подробное представление о конкретных аспектах, таких как архитектура, дизайн RIC и сценарии использования. Ниже представлен список сокращений для терминов и номенклатуры, связанных с O-RAN.

Аббревиатуры

5GC 5G Core Network
5QI 5G QoS Indicator
AMF Access and Mobility Function
API Application Programming Interface
CA Cell Association
CN Core Network
CP Control Plane
CU Central Unit
D/A Digital to analog
DU Distributed Unit
FCAPS Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security
FH Fronthaul
gNB next-generation NodeB
I/F Interface
LLS Lower-Layer Split
MAC Medium Access Control
MANO Management and Orchestration
MBB Mobile Broadband
Mgmt Management
ML Machine Learning
NG-RAN Next Generation RAN
nRT near Real Time
O-CU-CP O-RAN Central Unit Control Plane
O-CU-UP O-RAN Central Unit User Plane
O-DU O-RAN Distributed Unit
O-eNB O-RAN evolved NodeB
ONF Open Networking Foundation
O-RAN Open RAN
O-RU O-RAN Radio Unit
OSC O-RAN Software Community
PDCP Packet Data Convergence Protocol
PHY Physical Layer
PM Performance Measurements
QoS Quality of Service
R/W Read/Write
RA Resource Allocation
RAN Radio Access Network
RFE Radio Front-End
RIC RAN Intelligent Controller
RLC Radio Link Control
RRC Radio Resource Control
RRM Radio Resource Management
RT Real-Time
RU Remote/Radio-Unit
SDAP Service Data Adaptation Protocol
SD-RAN Software Defined RAN
SM Spectrum Management
SMO Service Management and Orchestration
S-NSSAI Single — Network Slice Selection Assistance ID
SON Self-Organizing Networks
TS Traffic Steering
UE User Equipment
UPF User Plane Function
xApp Application to be placed at nRT RIC

Линки на источники

[1] O-RAN ALLIANCE (o-ran.org)
[2] 3GPP
[3] Open Networking Foundation
[4] SD-RAN – Open Networking Foundation
[5] Telecom Infra Project | Global Community Connectivity collaboration
[6] OpenRAN – Telecom Infra Project
[7] Home – Open RAN Policy Coalition
[8] O-RAN Software Community
[9] O-RAN Virtual Exhibition
[10] Open RAN Small Cell Forum
[11] O-RAN.WG1.O RAN Architecture Description v03.00, “O-RAN Architecture Description”, November 2020
[12] O-RAN ALLIANCE Introduces Minimum Viable Plan Towards Commercial O-RAN Solutions and 28 New O-RAN Specifications Released Since November 2020