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技術探索

導入O-RAN網路系統 工研院開發5G小型基地台

工研院資通所 方士豪 吳秋萍 卓煒程 林敬衒

早期電信營運商若有基站建置需求都必須向傳統電信設備商(如Ericsson、Nokia、中興、華為)購買基站設備;第五代行動通訊系統(5th Generation Wireless System, 5G)導入O-RAN(Open Radio Access Network)網路系統後,未來可跳過傳統電信設備商,直接向硬體設備業者(如廣達、中磊)採購電信設備,除了有利於創建高靈活性的下一代無線網路,台灣資通訊廠商更有機會切入此傳統封閉的電信設備系統,建構新商業模式。本文除了介紹O-RAN網路系統、O-RAN小型基地台系統架構、O-RAN系統驗證外,也將詳加描述工研院資通自主開發的5G O-RAN小型基地台(Small Cell)的設計與驗證。

精彩內容


1. O-RAN網路系統 有效降低設備成本

2. 5G O-RAN小型基地台系統架構

3. O-RAN網路系統驗證

4. 工研院5G O-RAN小型基地台

O-RAN網路系統 有效降低設備成本

隨著行動資料量不斷地增加、並支援各類新業務與應用場景,5G系統預期將具有龐大的移動數據和設備連接,而無線接取網路(Radio Access Network, RAN)除了需考慮關鍵性能指標要求、網路商業營運能力以及具備持續演進能力這三方面的因素外,全球營運商業者也希望與第三方設備供應商合作推動介面開放並標準化,以降低設備成本,因此5G無線接取網路的基礎架構有走向開放、虛擬化、高靈活性與節能的趨勢。

O-RAN聯盟於2018年初成立,確立5G無線接取網路將建立在網路功能虛擬化、開放原始碼和最大限度地採用市售現成商用元件、標準化介面的基礎之上,導入嵌入式機器學習(Machine learning, ML)和人工智慧(Artificial Intelligence, AI)的即時分析,以開放架構、可互通的介面為目標來使行動通訊業者能滿足智慧城市、工業自動化和車聯網等新商機。直至2020年初,已有22家運營商以及近120多家設備/硬體供應廠商/研究單位參與O-RAN聯盟進行參考設計研究。預期O-RAN將改變傳統基地台設備被國際大型電信設備商壟斷的困境,各家廠商可更聚焦研發技術,以產業分工提高整體產業效率和競爭力。

O-RAN聯盟初步設立8個工作組,專注於無線接取網路的開放式架構和標準化介面開發,搭配開放原始碼和白盒網路元件等軟/硬體資源配合,並研究如何導入AI/ML等智能技術,共同完成網路智慧化、架構和介面開放化、硬體設備白盒化與軟體開源化四大方向,為全球創建下一代靈活的無線網路。

5G O-RAN小型基地台系統架構

傳統單一基地台包含無線資源控制(Radio Resource Control, RRC)、封包資料匯聚通訊協定(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)、無線連結控制(Radio Link Control, RLC)、媒體存取控制(Medium Access Control, MAC)到實體層(Physical Layer, PHY)等多項功能,導致營運商在網路布建的過程中,無法根據場域狀況動態調整其設定,提供最適當的網路服務。因此將傳統基地台分離為數個單元的網路分裂(Network Splitting)架構,近年來在國際間許多電信標準開發協會,如第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、小型蜂巢式基地台論壇(Small Cell Forum)正廣泛被討論與評估。

3GPP已在TS38.401[1]定義的NG-RAN架構,O-RAN則基於此架構進一步將5G基地台劃分為三單元:

1. 中央單元(Central Unit, CU)

.用於控制面的RRC和用戶面的IP、SDAP和PDCP運作;分別透過NG介面[2]、F1介面[3]與5G核心網路(5G Core Network, 5GC)和分佈單元進行資料傳送與連接。一個中央單元可以透過數個介面管理數個分佈單元。

2. 分佈單元(Distributed Unit, DU)

.包含RLC、MAC和High-PHY等基頻處理。

3. 無線電單元(Radio Unit, RU)

.包含Low-PHY與射頻信號處理。

其中DU和RU間透過乙太網的通用無線電介面(evolved Common Public Radio Interface, eCPRI)進行資料傳送,O-RAN定義DU/RU間介面為開放前傳介面(open front-haul interface),包含四個資料傳輸面:

1. Control Plane(C-plane)傳輸層

其格式包含eCPRI的傳輸標頭(Transport Header)和Radio的控制信息,其中Radio的控制信息依照不同section type來劃分,目前共訂定六種section types。

2. User Plane(U-plane)傳輸層

格式如同C-plane,包括eCPRI的transport header及上行或下行的頻域IQ data,並對應C-plane的六種section types。

3. Synchronization Plane(S-plane)

.O-RAN基於SyncE(Synchronous Ethernet)及PTP(IEEE Precision Time Protocol)並以乙太網路做為時間與頻率的傳遞媒介,有四種topology:C1、C2、C3、C4,如圖1[1]。
※C1是O-DU與O-RU點對點連接,並以O-DU為SyncE與PTP的同步源,使O-RU與之同步。
※C2以O-DUs為同步源,使O-Rus透過一個或多個與乙太網路交換器(Ethernet switch)與O-DU進行同步。
※C3的架構與C2相同,差別在於C3的O-DUs與O-RUs皆扮演從屬時鐘(Slave Clock),同步信息從同步源發出,經過中間的乙太網路交換
   器,轉發至O-DUs與O-RUs,使O-DUs與O-RUs與之同步。
※C4是O-RU自行連接PRTC,而fronthaul network不需支援PTP及SyncE。

4. Management Plane(M-plane)

.主要透過網管協定NETCONF與資料模型YANG,管理參數及波束形成、天線陣列維度等相關資訊
.除階層式(Hierarchical)架構外,亦提供混合式(Hybrid),讓Network management system 無需透過O-DU直接與RU進行連接。

圖1(a) S-Plane之C1與C2組態。

圖1(a) S-Plane之C1與C2組態。

圖1(b) S-Plane之C3與C4組態。

圖1(b) S-Plane之C3與C4組態。

O-RAN網路系統驗證

為加速O-CU、O-DU和O-RU間的整合與測試,O-RAN除了上述八個工作組外,亦在2019年6月成立測試與集成焦點組(Test and Integration Focus Group, TIFG),其目的在於訂定各介面之測試項目規格書、制定O-RAN測試實驗室的標準與指南,並推廣O-RAN測試規範,以利各項設備的垂直整合。其中開放無線網絡測試與集成中心(Open Test and Integration Center, OTIC)已於2019年9月成立,O-DU與O-RU間的測試規格書則預計於2020年4月完成。

針對O-DU/O-RU間的open front haul介面,O-RAN聯盟主要訂定兩種類測項目:
.一致性測試(Conformance Test):測試各裝置(O-DU和O-RU)的各個功能是否運作正常。
.互通性測試(Interoperability Test, IOT):著重於裝置間(O-DU/O-RU)能否搭配並正常運作。

整體測試架構如圖2[4],O-DU和O-RU視為待測裝置(Device Under Test, DUT),對上連接Test Server/O-CU等,對下連接Device(Emulator),而O-DU、O-RU亦可各自被視為DUT,測試其功能的完整性。O-DU與O-RU之間配置一套Fronthaul Protocol Analyzer用以檢測O-DU、O-RU間CUS/M-Plane的連接正確性,信號傳送出天線之後配置一套RF/Beam Analyzer用來檢測射頻信號的品質。

因C-plane、U-plane關聯性較深,O-RAN將其測試項目共同訂定,有兩類測試組態(Test Configuration),分別給FR1(Frequency Range 1)與FR2(Frequency Range 2)用。FR1與FR2的測項皆包含Beamforming、IQ Data Compression等。C/U-Plane大部分的測試內容細節尚在訂定當中。

S-plane測試則依照O-DU和O-RU來分類,測試項目是依據國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)訂定的規範G.827x.x來做測試:C1、C2以O-DU扮演PTP及SyncE的主時鐘(Master Clock);O-RU扮演從時鐘(Slave Clock)並遵守G.8275.1、G.8275.2的規範。

M-plane的測試目標為前述的各個管理參數是否有正確收送,以及NETCONF的連線狀態是否正常。管理參數如O-RU的軟體版本、RF transceiver的狀態、U-plane的組態等。

圖2 O-DU/O-RU測試架構

圖2 O-DU/O-RU測試架構

工研院5G O-RAN小型基地台

5G小型基地台可基於O-RAN標準的開放與標準化介面來設計開發,因此有利於國內廠商切入白牌基站市場,目前工研院相關技術已陸續技轉給國內廠商,因此開發工研院5G小型基地台不但可提高國內研發自主性,亦可在5G 正式商轉前帶動與建立起國內相關產業鏈。

工研院延續4G/4G+小型基地台(ITRI UDcell)的開發經驗,近年正積極研發符合3GPP Release 15標準之5G O-RAN小型基地台產品雛形(Prototype),此小型基地台雛型除了可與Aeroflex E500 5G終端設備及商用5G手機互相連結測試外,日前已完成與中華電信5G實驗網路及核心網路的互通測試,相關指標如下所示:

.3GPP R15 5G 通訊協定規範(Layer 1, Layer 2, Layer 3)
.5G CU、DU、RU、Intra-PHY Splitting
.介面:Small Cell Forum 5G FAPI、XRAN Front-haul 5G eCPRI
.5G PBCH、PDCCH、PDSCH、PUSCH、PUCCH、PRACH、PSS、SSS、DMRS
.Carrier frequency:3.4~3.6 GHz(n78)
.Bandwidth:100 MHz
.DL Throughput:1 G+ bps(4T4R)

圖3與圖4呈現了工研院5G O-RAN小型基地台架構圖與驗證流程,其中小型基地台是由中央單元、分佈單元、無線電單元三個單元所組成;中央單元部分負責Layer 2與Layer 3的功能,而Layer 1實體層(Physical Layer)部分則採用Intra-PHY Splitting架構來實現,且High-PHY與Low-PHY分別於分佈單元與無線電單元內來實現,並透過eCPRI介面來傳輸;另外,分佈單元與中央單元則透過5G FAPI(Femto Application Platform Interface, FAPI)介面來做傳輸,符合O-RAN組織定義。

在分佈單元中,High-PHY功能主要是利用Intel多核心(Multi-Core)x86 CPU搭配LDPC解碼硬體加速器(Hardware Accelerator)來實現,其中軟體部分是透過撰寫韌體(Firmware)程式並利用Intel CPU AVX(Advanced Vector Extensions, AVX)指令來加速基頻運算;在無線電單元則利用了Xilinx FPGA(XC7Z045)、Analog Device射頻模組(AD9375)、與Skyworks功率放大器(Power Amplifier, PA)組成。

為驗證5G O-RAN小型基地台,在5G終端部分採用Aeroflex公司生產的E500設備來與工研院小型基地台進行對接測試,其中下行在4根傳送天線與4根接收天線(4T4R)的情況下可達到1G+bps的系統傳輸率。表1中呈現了工研院5G O-RAN小型基地台與國際大廠之規格比較,從表中可得知,目前主流大廠之規格皆與工研院大致相同。

圖3 工研院5G O-RAN小型基地台架構圖。

圖3 工研院5G O-RAN小型基地台架構圖。

圖4 工研院5G O-RAN小型基地台驗證流程。

圖4 工研院5G O-RAN小型基地台驗證流程。

表1 工研院5G小型基地台與國際大廠之規格比較

指標

Ericsson

5G Radio Dot

Huawei

5G Lampsite

ITRI

5G Small Cell
Antenna 4T4R 4T4R 4T4R
Bandwidth 100 MHz 100 MHz 100 MHz
Throughput 2 Gbps 1.46 Gbps 1.5 Gbps
3GPP Spec. 3GPP Release 15 3GPP Release 15 3GPP Release 15

結語

藉由工研院5G O-RAN小型基地台的開發,不但可提高國內在5G電信設備開發之自主性,後續可藉由跟國內相關廠商合作開發符合國際上特定電信營運商客戶需求之中央單元、分佈單元或無線電單元,協助廠商在O-RAN網路系統架構下的5G小型基地台電信設備市場占有一席之地。

參考文獻

[1]O-RAN Fronthaul Working Group, Control, User and Synchronization Plane Specification, v02.00
[2]O-RAN Alliance Working Group 4, Management Plane Specification, v02.00
[3]ITU-T G.8273.2/Y.1368 (08/2013) Framework of phase and time clocks
[4]O-RAN Fronthaul Working Group, “Fronthaul Interoperability Test Specification (IOT)”,v1.0.0
[5]ITU-T G.8273.2/Y.1368.2 (01/2017) Timing characteristics of telecom boundary clocks and telecom time slave clocks
[6]ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Precision time protocol telecom profile for phase/time
[7]ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Amd. 1 (08/2017) Precision time protocol telecom profile for phase/time

延伸閱讀