技術探索

5G O-RAN企業專網與OTIC測試驗證

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 方士豪、吳秋萍、劉俊男

 


使用5G O-RAN開放式架構,電信營運商可望擺脫傳統限制,新的營運模式為5G企業專網市場帶來龐大商機。

自5G O-RAN開放式架構發展以來,電信營運商不再受限於傳統電信設備業者,新的營運模式可帶來後續5G企業專網市場的龐大商機,讓國內電信營運商、網通廠以及其他可提供硬體電信設備廠商有發揮空間。工研院近年來也藉此機會與國內多家廠商合作開發O-RAN軟硬體設備,並完成相關測試與驗證。本文將介紹國內5G企業專網發展現況,以及工研院開發之O-RU軟體智財(Intellectual Property, IP)於OTIC測試項目之O-RU一致性測試結果。

 

精彩內容

1.5G O-RAN開放式架構介紹
2.5G O-RAN企業專網
3.OTIC一致性測試項目
4.OTIC測項驗證結果


5G O-RAN開放式架構介紹

5G O-RAN開放式架構中將5G基地台拆分成O-CU(Central Unit, CU)、O-DU (Distributed Unit, DU)和O-RU(Radio Unit, RU)等不同電信設備,因此基地台布建上將會變得相對彈性,並且可依照不同廠商不同情境的應用需求,調整組合出適合不同應用的5G基地台架構。5G小型基地台可基於O-RAN標準之開放與標準化的介面來設計開發,因此有利於國內硬體專長的廠商切入白牌基地台電信設備市場,帶來跟以往不同的商業模式(Business Model)。

使用5G O-RAN開放式網路架構後,電信營運商可望擺脫傳統電信設備業者的限制,並且帶來以下優勢:(1)有機會讓營運商的營運成本降低;(2)網通業者可提供更低成本的硬體電信設備;(3)消費者可享有更低費率之5G行動網路(Mobile Network)。最著名的案例為日本的樂天電信採用了O-RAN架構,可跳脫傳統大型基地台設備業者(如Nokia與Ericsson),並且採用不同公司的伺服器、天線、軟體來整合出整體的5G行動網路,其中相關硬體設備將可為台廠帶來龐大的商機。

5G O-RAN架構中O-RU的軟體智財,工研院資通所已成功研發,多家台灣網通廠已技轉工研院所開發之O-RU軟體智財,並結合網通廠之硬體研發技術,成功開發出符合5G O-RAN架構之O-RU軟硬體整合產品,進一步打入網通廠之國內外企業客戶。本文後續除了介紹5G企業專網(5G Private Network)與OTIC測試項目外,工研院開發之O-RU軟體智財之架構與驗證結果也將於本文呈現。

5G O-RAN開放式架構介紹

台灣自從2020年以來有了5G行動網路世代之後,不僅消費者端可體驗到電信服務商所提供更快速的行動網路服務,企業端更可透過提供5G企業專網服務給相關企業,擴大整體5G應用的範圍。國內現階段有多家廠商(中華電信、宏達電、明泰、仁寶、啟碁)正搶攻5G企業專網這塊新藍海的龐大商機,且行政院已分配4.8 GHz到4.9 GHz頻段中的100 MHz頻寬作為後續5G專網的專用頻譜,由此可見民間企業與政府機構都一致看好未來5G企業專網的發展。

5G企業專網可提供不同領域之企業不同應用服務之需求,並可讓企業重新思考新的商業模式。例如:製造業領域可透過5G專網打造智慧製造工廠來提升整體營運效率;遊戲業領域則可藉由5G電競專網提供無人機電競或其它電競運動來提升使用者遊戲體驗;醫療業領域則可透過5G專網提供遠距醫療或視訊診療服務,進一步擴大醫療服務範圍,解決特殊狀況無法立即就醫的問題;在政府公部門方面,5G企業專網則有機會為台灣民眾提供額外的公共利益,例如救災與防災、無人機監控非法行為等應用服務,由此可見5G企業專網將是5G產業後續發展的大方向。

台灣三大電信營運商已嗅到5G企業專網商機,目前已積極提供相關企業5G企業專網服務。中華電信旗下的中華系統整合公司,提供企業5G專網整合服務[1],相關應用包含智慧製造應用、智慧無人機應用、智慧AR/VR應用、智慧路燈應用、智慧環境監測應用等五大企業專網應用。除此之外,2022年中華電信進一步結合中華電信集團內的資源,與台灣港務公司合作於基隆港作為試驗場域,打造台灣首座5G智慧海港,可透過無人載具(包含無人機、無人船、水下海事機器人)即時掌握基隆港區狀況[2]。此專案計畫中,透過中華電信提供之智慧巡檢方案,相關影像可藉由中華電信所布建之5G企業專網回傳即時監測影像,可提高整個基隆港區的巡檢效率。除了中華電信所提供的企業服務,台灣大哥大已於2020年提供5G企業專網白皮書(White Paper)[3],建議企業不同應用需求下的5G企業專網解決方案,包含專頻專網、共頻專網、共頻專網+共基站、企業MEC+共基站、網路切片(Network Slicing)+共基站、網路切片等方案,並提供智慧製造、智慧港口及機場、智慧醫療、休閒育樂等5G專網應用案例,2022年則預計推出台灣AI雲平台商用服務。最後遠傳電信亦提供企業5G專網彈性製造解決方案,提供給企業客戶5G專網需求的服務。

除了台灣三大電信營運商,手機製造商宏達電現階段也積極進入5G企業專網市場,並且主要以5G O-RAN開放式架構為其主軸。近期已推出行李箱大小的5G行動專網解決方案,後續可結合廣達集團旗下的雲達、鴻海集團、明泰集團等台灣供應鏈,開發5G O-RAN的整體解決方案,有機會完成包含5G行動專網、5G智慧巡檢、5G智慧監測等適合台灣中小企業的諸多商業應用,有效打造台灣5G企業專網國家隊。

OTIC O-RU一致性測試項目

O-RAN組織主要由八個工作群組(Working Groups)組成,開放式前傳介面(Open Fronthaul Interface, O-FH)主要是由第四工作群組(Working Group 4, WG4)所制定[4]-[7],主要目標是讓O-RAN設備中的O-DU和O-RU間可進行資料傳送,其中C/U/S Plane規格[4]定義了資料於O-RU與O-DU之間的傳輸方式與時間同步(Timing Synchronization)方法,M Plane規格[5]主要透過網管協定NETCONF與資料模型YANG[8],管理天線陣列(Antenna Array)維度、波束形成等相關參數資訊,最後另有O-RAN相關文件亦可參考[9]-[15]。

目前耀睿實驗室已經獲得O-RAN聯盟認證,並引進是德科技(KeySight Technology)相關測試儀器來進行驗證,例如DU模擬器、訊號產生器(Signal Generator, SG)、訊號分析儀(Signal Analyzer, SA)等測試設備,並且建置開放無線網絡測試與集成中心(Open Testing and Integration Centre, OTIC)的第三方公正測試實驗室給台廠的O-RAN設備來進行相關測試,完整的測試內容包含了一致性測試(Conformance Test)、互通性測試(Interoperability Test, IoT)、以及端對端測試(End-to-End Test, E2E)等測試驗證服務,可有效幫助台灣廠商開發之O-RAN設備測試方面的需求。此測試實驗室不僅是中華電信指定的O-RAN測試實驗室,也是台灣首座符合O-RAN Alliance測試規範,及具資安檢測的5G O-RAN測試實驗室。

在OTIC O-RU⼀致性測試中,下行鏈路(Downlink, DL)測試需要DU模擬器(DU Emulator)發送C/U-Plane資料給O-RU,並且可透過訊號分析儀觀察O-RU發送的訊號狀態;上行鏈路(Uplink, UL)則需要DU模擬器發送C-Plane資料給O-RU,主要通知O-RU接收訊號產生器所發送的上行鏈路訊號,後續O-RU將回傳U-Plane資料給DU模擬器來進行後續解調。

OTIC一致性測試項目中,主要是測試O-RAN.WG4.CONF(O-RAN Fronthaul Conformance Test)的標準中的3.2.3.1.1(A3)、3.2.3.1.2(A4)、3.2.3.1.3(A5)、3.2.3.4.1(A6)、3.2.3.4.2(A7)等測試項目,以下詳述各測試項目的。

  • A3測項:確保在無線傳輸過程中,O-RU設備能夠滿足基本O-RAN前傳的基本下行鏈路需求。
  • A4測項:確保O-RU能夠解讀收到的C-Plane的訊息,並且有能力把U-Plane資料放於正確的資源塊(Resource Block, RB)中,最後下行鏈路能夠正確的傳輸此資料。
  • A5測項:確保O-RU能夠解讀收到上行鏈路的C-Plane的訊息,讓上行鏈路能夠正確的接收資料,並且有能力建構出U-Plane資料訊息。
  • A6測項:確保O-RU的接收區間(Reception Window)中收到C-Plane與U-Plane訊息時,其介面的時序(Timing)是否能夠符合規範。
  • A7測項:確保在C-Plane接收區間的兩端發送C-Plane資料時,O-RU能夠正確建構與傳輸上行鏈路的U-Plane資料。

OTIC測項驗證結果

工研院O-RU軟體智財架構

工研院O-RU軟體智財架構(如圖1)符合O-RAN標準規範,並且採用了Option 7-2x前傳架構,可透過10 GbE網路介面完成O-RU與O-DU之間的互通。工研院O-RU系統主要利用FPGA實現O-RU的相關功能,且包含可程式化軟體單元(Programmable Software, PS)與可程式化邏輯單元(Programmable Logic, PL)兩大部分。PS部分主要實現O-RAN M-plane、S-plane(PTP Sync.)、功率校準、AGC、RF前端控制、數位預失真等功能,而PL主要實現10G網路介面、O-RAN C/U-plane以及RF前端介面轉換等功能。工研院發開之O-RU已透過自主開發之ITRI DU模擬器來驗證O-RU中的下行鏈路與上行鏈路訊號狀況,並且完成OTIC O-RU相關測項,以下將呈現相關測試結果。


圖1 O-RU軟體智財架構

OTIC測試項目驗證

OTIC O-RU一致性測試項目中包含了A3/A4/A5/A6/A7測試項目,主要包含O-RAN.WG4.CONF標準中3.2.3.1.1(A3)、3.2.3.1.2(A4)、3.2.3.1.3(A5)、3.2.3.4.1(A6)、3.2.3.4.2(A7)測試項目,後續觀察測試O-RU能否與KeySight DU模擬器(如圖2)、訊號分析儀(如圖3)、訊號產生器(如圖4),完成C/U-Plane的下行鏈路/上行鏈路測試,並且解調出正確的傳送訊號。以下分別呈現各測試項目之測試結果。


圖2 ITRI O-RU與DU模擬器


圖3 訊號分析儀


圖4 訊號產生器

    • A3-UC-Plane O-RU Scenario Class NR testing Generic(3.2.3.1.1) 圖5與圖6呈現了A3測項於訊號分析儀上觀察到之下行鏈路訊號解調結果。由於DU模擬器傳送的訊號為全0,且訊號格式為根據G-FR1-TM1.1來產生(QPSK調變),因此圖上所觀察到的訊號全為0的解調結果與傳送訊號一致,因此完成A3測項之驗證。


圖5 A3測試項目測試結果—解調後I/Q訊號與訊號頻譜


圖6 A3測試項目測試結果—解調結果與訊號品質

    • A4-UC-Plane O-RU Scenario Class Extended 3GPP DL – Resource allocation (3.2.3.1.2) 圖7與圖8呈現A4測項於訊號分析儀上觀察到之下行鏈路訊號解調結果。由於DU模擬器傳送的訊號為PN序列,且訊號格式為根據G-FR1-TM1.1來產生(QPSK調變),因此圖上所觀察到的PN序列解調結果與傳送訊號一致,因此完成A4測項之驗證。


圖7 A4測試項目測試結果-解調後I/Q訊號與訊號頻譜


圖8 A4測試項目測試結果-解調結果與訊號品質

    • A5-UC-Plane O-RU Base Class FDD Test UL(3.2.3.1.3) 圖9與圖10呈現A5測項觀察到之上行鏈路訊號之解調結果,其中上行鏈路訊號主要是由DU模擬器所接收且傳送端訊號產生器產生訊號。由於傳送的訊號為PN序列,且訊號格式為根據G-FR1-A1-5來產生(QPSK調變),因此圖上所觀察到的PN序列解調結果與傳送訊號一致,因此完成A5測項之驗證。


圖9 A5測試項目測試結果-上行鏈路解調結果


圖10 A5測試項目測試結果-上行鏈路解調品質

    • A6-UC-Plane O-RU Scenario Class Delay Management(DLM)Test #1: Downlink –Positive testing(3.2.3.4.1) 由於C-Plane接收區間兩端(Early or Late)搭配U-Plane接收區間兩端(Early or Late)會有不同的延遲時序(Delay Timing)組合,以下將呈現不同C/U-Plane之延遲時序組合之下行鏈路解調狀況。圖11與圖12呈現C-Plane與U-Plane之延遲時序皆為Early的情況下之解調狀況;圖13與圖14則呈現了C-Plane延遲時序為Early且U-Plane延遲時序為Late的情況;圖15與圖16則為C-Plane延遲時序為Late且U-Plane延遲時序為Early的情況。觀察圖11至圖16的訊號解調結果,所觀察到的PN序列解調結果在不同C-Plane與U-Plane延遲需求下皆與傳送訊號一致,因此可視為完成A6測項之驗證。


圖11 A6測試項目測試結果(Early-Early)-解調後I/Q訊號與訊號頻譜


圖12 A6測試項目測試結果(Early-Early)-解調結果與訊號品質


圖13 A6測試項目測試結果(Early-Late)-解調後I/Q訊號與訊號頻譜


圖14 A6測試項目測試結果(Early-Late)-解調結果與訊號品質


圖15 A6測試項目測試結果(Late-Early)-解調後I/Q訊號與訊號頻譜


圖16 A6測試項目測試結果(Late-Early)-解調結果與訊號品質

    • A7-UC-Plane O-RU Scenario Class Delay Management(DLM)Test #2: Uplink – Positive testing(3.2.3.4.2) 上行鏈路中,C-Plane接收區間會有Early與Late兩種不同的延遲時序,以下將呈現兩種不同C-Plane之延遲時序之上行鏈路解調狀況。圖17與圖18呈現C-Plane之延遲時序皆為Early的情況下之解調狀況;圖19與圖20則呈現C-Plane延遲時序為Late的情況。觀察圖17-圖20的解調結果,所觀察到的PN序列解調結果在不同C-Plane延遲需求下皆與傳送訊號一致,因此完成A7測項之驗證。


圖17 A7測試項目測試結果(Early)-上行鏈路解調結果


圖18 A7測試項目測試結果(Early)-上行鏈路解調品質


圖19 A7測試項目測試結果(Late)-上行鏈路解調結果


圖20 A7測試項目測試結果(Late)-上行鏈路解調品質

 

結論 

5G O-RAN企業專網後續將是5G一大亮點,不但可幫助台廠帶來龐大的5G O-RAN設備商機,相關業主更可透過5G企業專網的服務,有機會提高企業內部營運效率與減少整體企業營運的資本支出。工研院資通所已深耕研發5G O-RAN小型基地台,並且協助多家廠商通過OTIC實驗室相關測試驗證,後續將持續協助台廠相關5G O-RAN基地台技術支援。

 

參考文獻 

[1]中華系統整合官網 [online]. Available at:
https://www.ch-si.com.tw/privatenetwork
[2][工商時報]中華電結盟 打造5G智慧海港 [online]. Available at:
https://ctee.com.tw/news/tech/613847.html>
[3]台灣大企業專網白皮書_20200407.pdf [online]. Available at:
https://www.taiwanmobile.com/5G/page/
[4 O-RAN Fronthaul Working Group, Control, User and Synchronization Plane Specification, v04.00
[5] O-RAN Alliance Working Group 4, Management Plane Specification, v04.00
[6] O-RAN Alliance Working Group 4, Fronthaul Interoperability Test Specification (IOT), v04.00
[7] O-RAN Alliance Working Group 4, Conformance Test Specification, v03.00
[8] ITU-T G.8273.2/Y.1368.2 (01/2017) Timing characteristics of telecom boundary clocks and telecom time slave clocks
[9]ITU-T G.8273.2/Y.1368 (08/2013) Framework of phase and time clocks
[10] ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Precision time protocol telecom profile for phase/time
[11] ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Amd. 1 (08/2017) Precision time protocol telecom profile for phase/time
[12] O-RAN Whitepaper, “O-RAN: Towards an Open and Smart RAN”, October 2018.
[13] O-RAN Whitepaper, “O-RAN Use Cases and Deployment Scenarios”, February 2020.
[14] O-RAN Specification, “Use Cases Detailed Specification”, v02.00, April 2020.
[15] O-RAN Specification, “AI/ML Workflow Description and Requirements”, v01.01, April 2020.