工業技術研究院 資訊與通訊研究所 方士豪 劉俊男
工業技術研究院提供5G O-RAN微基站完整解決方案
前言
工業技術研究院(簡稱工研院)於5G O-RAN基站系統已經布局多年,不僅開發5G O-RAN基站系統所需之5G O-RAN網元產品,包含中央單元Central Unit(CU)、分散單元Distributed Unit(DU)與射頻單元Radio Unit(RU),更可提供完整的5G O-RAN基站系統解決方案。工研院目前在國內5G O-RAN基站市場已成功協助國內多家網通廠與伺服器系統業者發展5G O-RAN CU/DU/RU網元模組與專網(Private Network)系統產品,含工研院技術之國內5G O-RAN基站系統產品,現階段已打入日本5G專網市場,基站網元產品也出貨國內外系統業者。現階段廠商主要的基站產品規格主要是針對低功率與FR1頻段為主要系統規格,並且以專網端對端的解決方案來進入市場。為了補足室外高覆蓋場域與未來多元化5G基站產品趨勢,工研院近幾年更持續開發高功率(10W/40W)、多天線(32T32R)、高容量(High Capacity)等特性之5G O-RAN微基站系統,除了可以符合室外大型專網的布建需求,未來更可以往高門檻公網場域(Public Network)來進行推動,初期預計以室外郊區或鄉村環境之公網場域為主要目標,希望可以藉此切入5G基站國際供應鏈。
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精彩內容
1. 5G O-RAN 國際現況 2. 5G O-RAN開放式網路與工研院小基站 3. 工研院5G O-RAN高功率微基站 4. 工研院5G O-RAN多天線微基站 |
5G O-RAN國際現況
美國政府透過政策力度加強對5G開放網路(Open RAN)的支持,以扶植更具開放創新且去中化之5G網路供應鏈,設備商攜手瞄準Open RAN商機。美、澳、日本、歐洲數國投入關鍵基礎行動基礎設備去中化發展,Open RAN也被期望可做為原華為電信設備的替代方案,並從2020年起主要電信營運商已進行Open RAN的試驗與導入。全球已有超過60家電信營運商投入於Open RAN的測試或採用。
全球主要電信營運商為了確保Open RAN符合其需求,部分業者開始組建自家開放架構生態系;或者透過系統整合商提供協助,各自整合驗證不同廠家軟體與硬體,以確保其Open RAN供應鏈的完整性,如圖1所示。
圖1 Open RAN生態系建構 (資料來源:工研院整理)
5G O-RAN開放式網路與工研院小基站
5G O-RAN開放式網路架構中,5G基站被拆分成O-CU(Central Unit,CU)、O-DU(Distributed Unit,DU)和O-RU(Radio Unit,RU)3種基站網元模組(Network Element),因此針對特定場域之5G O-RAN基站布建,將可有效提升布建彈性,廠商可根據自身的開發能量與不同應用情境,甚至終端客戶的需求,調整組合出適合不同應用的5G基站架構。5G O-RAN基站主要是基於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站電信設備市場,有效打破傳統基站業者獨大的現況,國內廠商更有機會進入5G基站市場,帶來新的商業模式(Business Model)。
5G O-RAN小基站架構(如圖2)中O-RU的軟體智財,工研院資通所已成功研發並技轉多家台灣網通廠,透過鏈結台灣網通廠優良硬體研發技術,成功開發出符合5G O-RAN架構之O-RU軟硬體整合產品(如圖3),目前已供貨至國際業者。
- 在Layer 1 O-DU部分,Layer 1實體層(Physical Layer)主要是基於Intel FlexRAN-based的解決方案,搭配工研院的軟體開發與測試驗證技術,有效讓Layer 1 O-DU產品商品化;
- Layer 2 O-DU與Layer 3 O-CU部分則採用Radisys-based的解決方案,搭配工研院的軟體開發與測試驗證技術,有效讓Layer 2 O-DU與O-CU產品商品化。
以下列出工研院5G O-RAN小基站的系統規格:
ITRI 5G FR1小基站系統規格/解決方案
- Compliant with 3GPP R15
- Sub 6GHz n78/n79, 4T4R, 100MHz BW
- ORAN 7-2x Splitting Front-haul
- Radisys-based L2/L3
- FlexRAN-based High PHY, Home-grown Low PHY
- FPGA/eASIC-based DU Hardware Accelerator
- FPGA-based Low PHY RU solution
- Interoperability 5G SA Handsets, 5G SA CPEs from MTK and Qualcomm
圖2 5G O-RAN小基站系統
圖3 具工研院小基站技術之5G O-RAN基站網元產品
基於國內網通業者已有能力開發低頻段小型基站系統如圖4所示,本團隊則擴大產業技術範疇,朝向研發出高階的高功率微基站、多天線基站、高頻段大頻寬基站等技術邁進,厚實產品縱深能量。除了可以符合室外大型專網的布建需求,未來更可以往高門檻公網場域(Public Network)來進行推動。以下將陸續介紹工研院5G O-RAN高功率微基站與多天線微基站。
圖4 5G O-RAN基站市場趨勢
工研院5G O-RAN高功率微基站
工研院基於5G O-RAN小基站的技術基礎,持續開發適合戶外高覆蓋場域的5G O-RAN高功率微基站O-RU系統(如圖5),主要是透過提高基站之傳輸功率,讓整體基站覆蓋率隨之提升,並可有效提高基站服務範圍內使用者之訊號品質,藉此提高用戶體驗滿意度,跟傳統低功率小基站之覆蓋率相比,高功率基站可有效提升約10倍的覆蓋範圍。工研院5G O-RAN高功率基站的相關技術包含了高功率前端整合數位預失真(Digital Pre-Distortion,DPD)技術、自主40W高功率射頻前端(RF Frontend)模組、PA穩壓電路與散熱機構設計等相關技術。以下列出工研院5G O-RAN高功率O-RU系統規格:
ITRI 5G FR1高功率O-RU系統規格
- Sub 6GHz n78/n79, 4T4R, 100MHz BW
- ORAN 7-2x Splitting Front-haul
- Output Power: 5W、10W、40W
- ACLR > 45 dB, 符合3GPP性能規範
- Home-grown Low PHY Solution
- FPGA-based Low PHY RU solution
圖5 工研院高功率微基站O-RU系統
工研院5G O-RAN高功率O-RU系統目前也通過了相關的測試驗證,以下分別介紹相關測試項目。表1中呈現了O-RAN組織所定義之O-RU測試項目,測項來源主要是由O-RAN第四工作群組(Working Group 4)所定義,包含了ORAN-WG4.CONF Section 3.2.5.1.1、Section 3.2.5.1.2、Section 3.2.5.1.3、Section 3.2.3.4.1、Section 3.2.3.4.2、Section 3.3.2 等下行鏈路(Downlink,DL)與上行鏈路(Uplink,UL)之O-RU測試項目,下行鏈路與上行鏈路之測試結果範例分別呈現於圖6與圖7,從圖6中可觀察到下行訊號之QPSK星座圖可清楚被解析出來,且EVM數值也小於1%。圖7中則可觀察到上行訊號之星座圖同樣可被解析出來,且解到的傳送訊號為PN23序列,主要測試儀器則是透過圖8中的Keysight DU Emulator搭配訊號分析儀(Signal Analyzer,SA)與訊號產生器(Signal Generator,SG)來完成整體的OTIC測試項目。除了通過O-RAN組織所定義之測試項目外,工研院高功率O-RU系統也通過3GPP 38.141-1中所定義的射頻一致性測試(Radio Conformance Testing,RCT)下行鏈路與上行鏈路的測試項目(如表2)。
表1 O-RU OTIC測試項目
圖6 下行鏈路O-RU測試結果
圖7 上行鏈路O-RU測試結果
圖8 OTIC測試項目所需之測試設備
表2 3GPP 38.141 RCT測試項目
Item |
RCT 測項名稱 |
測項參考 |
T6-1 |
Base station output power |
3GPP TS38.141-1 Section 6 Conducted transmitter characteristics |
T6-2 |
Total power dynamic range |
T6-3 |
Transmit ON/OFF power |
T6-4 |
Frequency error |
T6-5 |
EVM |
T6-6 |
Time alignment error |
T6-7 |
Occupied bandwidth |
T6-8 |
ACLR |
T6-9 |
Operating band unwanted emissions |
T6-10 |
Spurious emissions |
T6-11 |
Transmitter intermodulation |
T7-1 |
Receiver sensitivity |
3GPP TS38.141-1 Section 7 Conducted receiver characteristics |
T7-2 |
Dynamic range |
T7-3 |
ACS |
T7-4 |
In-band blocking |
T7-5 |
Out-of-band blocking |
T7-6 |
Receiver spurious emissions |
T7-7 |
Receiver intermodulation |
T7-8 |
In-channel selectivity |
工研院5G O-RAN多天線微基站
工研院基於5G O-RAN 4T4R小基站的技術基礎,持續開發適合戶外場域布建且具高容量特性之5G O-RAN多天線微基站(如圖9),透過提高基站天線數與優化O-CU/O-DU網元模組,讓工研院微基站有能力服務更多使用者,並提高整體基地台容量與天線之等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power,EIRP)。工研院5G Massive MIMIO O-RU系統架構(如圖10)所示,主要是透過兩顆FPGA來實現整體32T32R的Massive MIMIO O-RU系統,其中每顆FPGA負責控制4組4T4R 射頻收發模組(RF Transceiver)。為了提高整體基站的EIRP,多天線O-RU系統亦考慮了射頻校正機制(如圖11),主要是讓不同的路徑傳送彼此正交的訓練序列(Training Sequence),並且透過O-RU校正模式(Calibration Mode),把所有的路徑加總組合後回傳,並透過校正演算法把各路徑的響應估測出來並完成補償,讓各路徑的相位達到一致。以下列出工研院5G O-RAN多天線微基站之系統規格:
工研院5G O-RAN Massive MIMO微基站系統規格
Massive MIMO O-CU/O-DU
- MU-MIMO Group up to 4 Users/TTI
- 500Mbps per UE Total 2 Gbps(4 UEs)
- DL/UL up to 8 Layers
Massive MIMO O-RU
- FPGA-based Low-PHY Solution
- Freq. Band : n78 or n79
- OBW: 100MHz
- 32T32R 多天線陣列
- 96 antenna elements
- Max. EIRP:64dBm
圖9 工研院5G O-RAN Massive MIMO微基站系統
圖10 工研院5G Massive MIMIO O-RU系統架構(32T32R)
圖11 Massive MIMO下行射頻校正架構
結論
綜觀目前國內5G O-RAN基站市場,現階段比較成熟的還是以低功率且FR1頻段之5G O-RAN小基站為主要系統規格,高功率且多天線之高階微基站技術,目前國內市場尚未有較成熟之技術。工研院資通所提供5G O-RAN微基站完整解決方案,包含了5G O-CU/O-DU/O-RU等網元模組技術,廠商可根據需求選擇所需之技轉技術,並提供後續技術支援,廠商可一站式購足5G基站產品相關軟硬體技術;此外,工研院可根據廠商需求,客製化5G O-CU/O-DU/O-RU網元模組軟體,以符合不同廠商之應用需求。
參考文獻
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[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 G.8273.2/Y.1368 (08/2013) Framework of phase and time clocks
[7] ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Precision time protocol telecom profile for phase/time
[8] ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Amd 1(08/2017) Precision time protocol telecom profile for phase/time
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[10] O-RAN Whitepaper, “O-RAN Use Cases and Deployment Scenarios”, February 2020.
[11] O-RAN Specification, “Use Cases Detailed Specification”, v02.00, April 2020.
[12] O-RAN Specification, “AI/ML Workflow Description and Requirements”, v01.01, April 2020.