Otwarta sieć RAN i przyszłość sieci komórkowych

Open RAN wnosi do sieci radiowych nowego ducha otwartości, stwarzając warunki do zaistnienia kolejnej rewolucji w łączności bezprzewodowej.

Sieci komórkowe w znacznym stopniu przyczyniły się do rozwoju technologii i kultury XXI wieku. Firmy takie jak Nokia czy Ericsson ukształtowały wczesne etapy rewolucji mobilnej, które powstały dzięki sojuszom branżowym, jak GSMA, ETSI czy 3GPP. Te międzynarodowe organizacje stworzyły otwarte standardy, które wzmocniły konkurencyjność i pomogły w rozwoju całego sektora telekomunikacyjnego. Kiedy spojrzymy na rynek dziś, wygląda on zupełnie inaczej niż 30 lat temu – kluczową rolę odgrywają smartfony, liderami są zaś firmy takie jak Samsung, Apple czy Huawei, jednak otwarte standardy nie straciły na ważności.

Podobnie jak wiele innych osiągnięć technologicznych, korzenie komunikacji mobilnej sięgają czasów II wojny światowej. Koncepcja przenośnych telefonów, które mogłyby pomóc żołnierzom na polu, przeniosła się po wojnie do sfery cywilnej, a w latach 60., 70. i 80. pojawiły się przenośne systemy łączności, takie jak CB-radio, krótkofalówki i wreszcie wczesna komunikacja komórkowa.

Na początku lat 90. pojawiła się druga generacja (2G) sieci telefonii komórkowej ze standardem CDMA (stosowanym głównie w obu Amerykach, Japonii i Korei Południowej) oraz standardem GSM (popularnym w Europie, Afryce, Australii i znacznej części Azji). 2G dostrzegło eksplozję telefonów komórkowych i skutecznie zmieniło sposób, w jaki postrzegamy telekomunikację: nie chodziło już o komunikację między miejscami, jak w przypadku telefonii naziemnej, ale o łączenie poszczególnych osób.

Mniej więcej w tym czasie Internet również stał się towarem, a użytkownicy, którzy byli przyzwyczajeni do łączności online, chcieli przeglądać sieć i wysyłać e-maile ze swoich telefonów. Wysiłki zmierzające do ulepszenia 2G szybko spaliły na panewce, kształtu zaś nabierać zaczęła trzecia generacja (3G). W 1994 roku projekt partnerski trzeciej generacji (3GPP) opublikował specyfikację UMTS, której wdrażanie rozpoczęło się na przełomie tysiącleci. 3G obsługiwało mobilne połączenie szerokopasmowe, torując drogę smartfonom i tabletom, które pojawiły się kilka lat później.

Nieustanny apetyt na wyższe przepustowości skłonił 3GPP do dostarczania niemal corocznych aktualizacji standardu. UMTS został zaktualizowany w wydaniach 99, 2000, 4, 5, 6 i 7. Chociaż numeracja jest dziwna, od tego momentu schemat numeracji był dość stabilny. W wydaniach od 8 (2008) do 14 (2014) zdefiniowano LTE i pochodne, które stały się znane jako 4G. LTE znacznie uprościło architekturę sieci, umożliwiając mniejszym firmom obsługę i utrzymanie sieci 4G.

Piąta generacja (5G), zdefiniowana w tzw. 3GPP Releases od 15 (2018) do 17 (2022), jeszcze bardziej uprościła sieć. Wraz z wprowadzeniem technologii wirtualizacji funkcji sieciowych (NFV) i radia definiowanego programowo (SDR), 5G obniżyło koszty produkcji sprzętu sieciowego, otwierając w ten sposób rynek na mniejszych graczy.

Obecnie termin „sieć mobilna” zwykle odnosi się do sieci 3GPP, w przeciwieństwie do IEEE WiFi lub innych rodzajów sieci bezprzewodowych. Standard 3GPP definiuje pewne elementy, które są wspólne dla wszystkich generacji cyfrowych sieci komórkowych (od GSM wzwyż). Sieć komórkowa 5G składa się z dwóch dużych bloków, z których każdy zawiera inne funkcje (Rysunek 1): radiowa sieć dostępowa (RAN) i sieć szkieletowa (Core).

Sieć RAN zawiera wszystkie elementy, które czynią sieć komórkową mobilną, czyli stacje bazowe (Rysunek 2), które odgrywają rolę punktów dostępowych dla terminali. Architektura ta znacznie się rozwinęła na przestrzeni kolejnych generacji, elementy stacji bazowej zostały zaś kilkakrotnie przemianowane, przekształcone i pomniejszone. Od 4G kolejną częścią architektury są femtokomórki, które są małymi stacjami bazowymi o rozmiarze i kształcie zbliżonymi do punktu dostępowego Wi-Fi. Femtokomórki (Rysunek 3) poprawiają zasięg małych biur, wewnętrznych przestrzeni publicznych i domów. W 5G (a przy okazji także w 6G) stacje bazowe noszą nazwę „gNodeB”.

RAN to w zasadzie sieć punktów dostępowych, która zapewnia łączność poniżej warstwy IP i nie może sama łączyć się ze światem zewnętrznym ani świadczyć usług, takich jak uwierzytelnianie lub roaming. Usługi te są natomiast funkcjami sieci szkieletowej. Innymi słowy, sieć szkieletowa zawiera wszystkie elementy, które sprawiają, że sieć komórkowa jest siecią. (Więcej informacji na temat kluczowych funkcji tej sieci można znaleźć w ramce „Sieć szkieletowa”.)

Wraz z rozwojem nowych generacji sieci komórkowych te elementy sieci szkieletowej stają się coraz bardziej otwarte. W środowisku 5G funkcje sieci szkieletowej mogą być programowane i dystrybuowane przez różnych dostawców, jeśli są zgodne ze standardowymi interfejsami 3GPP. To otwarte podejście ma wiele zalet. Na przykład funkcja NRF ułatwia zarządzanie pakietami od różnych dostawców, eliminując niezgodności, które w przeciwnym razie mogłyby uniemożliwić działanie sieci.

Ten trend w otwieraniu standardów rozszerzył się również na RAN, gdzie pojawia się podobna architektura oparta na mikrousługach: Open RAN.

Rysunek 1: Główne elementy sieci komórkowej 5G.

Open RAN

Podejście oparte na mikrousługach zastosowane w sieci rdzeniowej 5G okazało się uprościć dodawanie i konserwację nowych funkcji, integrację oprogramowania innych firm oraz wykorzystanie gotowych komputerów do obsługi infrastruktury. Innymi słowy, był to bardzo dobry pomysł. Następnym logicznym krokiem było przeniesienie tego dobrego pomysłu do innej części sieci, czyli do RAN. W 5G sieć RAN miała również w dużym stopniu otwarte specyfikacje (np. funkcje sieciowe, protokoły itp.). Jedyną przeszkodą było to, że tylko ograniczona liczba producentów miała możliwości produkcyjne do budowy wymaganego sprzętu: nadajniki-odbiorniki radiowe i wzmacniacze wysokiej częstotliwości, starannie zaprojektowane anteny, wysoce selektywne filtry i inne wysoce wyspecjalizowane narzędzia. To powodowało, że liczba podmiotów na rynku RAN ograniczała się do kilku dużych przedsiębiorstw, takich jak Huawei, Nokia czy Ericsson.

Niemniej jednak połączenie kilku postępów technologicznych w ostatnich latach zmieniło perspektywy sieci RAN. Przede wszystkim radio definiowane programowo (SDR) umożliwia korzystanie ze sprzętu radiowego ogólnego przeznaczenia, który może być wytwarzany przez firmy trzecie i nabywany przez integratorów sprzętu RAN. Nie ma potrzeby budowania niestandardowych układów radiowych dla sieci RAN, które są kosztowne i dostępne tylko u kilku producentów. Płyta SDR z wydajnym komputerem i odpowiednim oprogramowaniem do przetwarzania sygnału może stać się stacją bazową dla RAN. Ponadto rozwój przetwarzania w chmurze umożliwił integratorom wykorzystanie dostawców chmury do obsługi całego przetwarzania sygnałów. Zapotrzebowanie na „potężne komputery” zostaje zastąpione znacznie bardziej ekonomiczną instancją chmury, w której zasoby są dostarczane na żądanie. Te dwie technologie same w sobie już wskazują na drastyczną redukcję kosztów, wprowadzając do gry mniejszych konkurentów, w tym małe firmy, takie jak Amarisoft, Yepzon i Viavi.

Ale możliwy jest jeszcze wyższy stopień otwartości. Chociaż każde z tych małych przedsiębiorstw mogłoby mieć swoje zamknięte, monolityczne rozwiązanie, istnieje inny sposób: Open RAN to nowe podejście, które na nowo definiuje RAN jako zestaw mikrousług z otwartą specyfikacją interfejsów. Specyfikacja Open RAN definiuje bloki funkcjonalne wraz z łączącymi je interfejsami, tak aby integrator RAN mógł stworzyć rozwiązanie RAN z gotowym sprzętem (lub instancjami w chmurze), niektórymi modułami SDR i zestawem komponentów programowych pochodzących od różnych producentów, które będą doskonale ze sobą współgrać. Te komponenty mogą być aktualizowane, gdy dostawcy dodadzą nowe funkcje, poprawią błędy lub zaczną obsługiwać przyszłe wersje 3GPP.

Rysunek 2: Antena typowej stacji bazowej.
Rysunek 3: Femtokomórka 5G (CC BY-SA 4.0, użytkownik Liumjs z commons.wikimedia.org).

Rysunek 4 przedstawia elementy zdefiniowane w Open RAN. Głównym pojęciem jest tzw. dezagregacja. Zamiast posiadania dyskretnego gNodeB, OpenRAN dzieli funkcje na trzy główne komponenty:

Jednostka radiowa (Radio Unit, RU): Zawiera wszystkie funkcje gNodeB, które dotyczą sygnału radiowego, takie jak modulacja i demodulacja, filtrowanie itp. Z technicznego punktu widzenia RU implementuje niższą warstwę fizyczną. Definicję warstwy fizycznej można znaleźć w ramce „Model referencyjny”. Jest to część platformy, która w większości przypadków będzie działała na urządzeniu SDR.

Jednostka rozproszona (Distributed Unit, DU): zawiera pozostałe niższe warstwy, takie jak przetwarzanie pasma podstawowego (patrz ramka „Transmisja radiowa”) wyższej warstwy fizycznej, warstwy MAC i warstwy RLC. DU komunikuje się z RU w celu wysyłania i odbierania danych drogą bezprzewodową. „Rozproszona” w nazwie odnosi się do faktu, że zwykle jednostka ta fizycznie znajduje się w pobliżu RU, żeby zmniejszyć opóźnienia.

Jednostka centralna (Central Unit, CU): zawiera wyższe warstwy, czyli takie funkcje, jak routing danych użytkownika i danych kontrolnych (warstwa PDCP) oraz przypisywanie zasobów sieciowych, takich jak kanały i nośniki (warstwa RRC). Zwykle znajduje się w scentralizowanej lokalizacji (stąd nazwa).

Kolejnym elementem pokazanym na Rysunku 4 jest Inteligentny Kontroler RAN (RAN Intelligent Controller, RIC), który zawiera funkcje kontrolujące całościowe działanie elementów RAN. RIC obejmuje takie funkcje, jak optymalizacja zasobów, monitorowanie itp., a nawet usługi użytkownika końcowego, które muszą znajdować się bardzo blisko terminali. RIC jest dalej podzielony na RIC działający w czasie rzeczywistym, dla niektórych funkcji niższych warstw, które wymagają szybkich czasów reakcji, oraz RIC, który nie działa w czasie rzeczywistym, dla funkcji z dłuższymi ramami czasowymi. W 6G element ten będzie zawierał rozwiązania oparte na uczeniu maszynowym, które stale monitorują sieć, uczą się przez wzmacnianie i poprawiają jakość usług.

Z wyjątkiem RU wszystkie inne składniki są komponentami programowymi, które można uruchomić na dowolnym komputerze, który spełnia minimalne wymogi dotyczące procesora, pamięci RAM i pamięci masowej. Obsługa standardowego sprzętu oznacza drastyczną redukcję kosztów dla producentów i operatorów sieci RAN.

Sieć szkieletowa

W 5G główne funkcje sieci szkieletowej to:

5 Funkcja płaszczyzny użytkownika (User Plane Function, UPF): zawiera wszystkie funkcje, które są bezpośrednio związane z połączeniem terminala z Internetem. Wśród tych funkcji znajdziemy routing i przekazywanie, translację adresów sieciowych (NAT), filtrowanie pakietów, głęboką analizę pakietów (ang. Deep Packet Inspection – do zgodnego z prawem przechwytywania komunikacji; tak, ta funkcja jest zdefiniowana w standardzie [1]) i oczywiście rozliczenia. Te funkcje tworzą płaszczyznę użytkownika. Wszystkie pozostałe funkcje sieci 5G nazywane są funkcjami płaszczyzny sterowania i są potrzebne do obsługi prawidłowego działania płaszczyzny użytkownika.

5 Funkcja zarządzania dostępem i mobilnością (Access and Mobility Management Function, AMF): jest odpowiedzialna za roaming, to znaczy operacje wymagane do ponownego przypisania obsługujących gNodeB do terminala i wykonania przełączenia w taki sposób, że płaszczyzna użytkownika może zawsze zapewnić łączność z terminalem.

5 Funkcja serwera uwierzytelniania (Authentication Server Function, AUSF): zawiera funkcje uwierzytelniania użytkownika umożliwiające działanie innych funkcji podstawowych.

5 Funkcja zarządzania sesją (Session Management Function, SMF): śledzi połączenia w płaszczyźnie użytkownika i zapewnia ich prawidłowe działanie zgodnie z polityką użytkownika dla określonego terminala.

5 Funkcja wyboru wycinka sieci (Network Slice Selection Function, NSSF): obsługuje funkcję podziału sieci [2], która dzieli zasoby sieci na kilka wycinków lub podsieci. Każdy wycinek może wirtualnie obsługiwać różne konfiguracje, usługi itp., współdzieląc zasoby sprzętowe z innymi wycinkami.

5 Funkcja kontroli polityki (Policy Control Function, PCF): zawiera reguły regulujące inne funkcje płaszczyzny sterowania (takie jak przydział zasobów do różnych wycinków) oraz połączenia w płaszczyźnie użytkownika (np. różne parametry jakości usług – QoS).

5 Jednolite zarządzanie danymi (Unified Data Management, UDM): działa jako scentralizowana baza danych zawierająca dane użytkownika, takie jak stan sesji i klucze uwierzytelniania. Jest używana przez inne funkcje, takie jak AUSF i SMF.

5 Funkcja aplikacji (Application Function, AF): zapewnia usługi użytkownikowi końcowemu. AF jest odpowiednikiem zdalnej usługi przez Internet, ale ze zwiększoną integracją z siecią komórkową (np. do korzystania z profilu użytkownika lub szybszych połączeń płaszczyzny użytkownika).

5 Funkcja repozytorium sieciowego (Network Repository Function, NRF): działa jako scentralizowane repozytorium pakietów oprogramowania, które implementują wszystkie podstawowe funkcje sieciowe.

5 Funkcja ekspozycji sieciowej (Network Exposure Function, NEF): działa jako interfejs do opracowywania nowych usług w rdzeniu 5G – zawiera pakiety SDK, interfejsy API dla AF różnych producentów i inne elementy.

Wszystkie te funkcje sieciowe są implementowane przez pakiety z oprogramowaniem działające na potężnym komputerze, często z zainstalowanym Linuksem i dystrybucją klasy korporacyjnej, taką jak RHEL czy SLE.

Rysunek 4: Składniki Open RAN.

Sieć RAN można zatem traktować jako sieć zawierającą instancje w chmurze i gotowe komputery, niektóre z urządzeniami SDR. Część tej infrastruktury jest scentralizowana, w chmurze innej firmy (takiej jak AWS lub Azure) lub w centrum danych operatora, a niektóre z nich mogą być rozłożone na całym obszarze zasięgu operatora, w pobliżu miejsca, w którym znajdują się RU i użytkownicy, w tak zwanym „brzegiem sieci”. Dzięki wirtualizacji cała ta infrastruktura jest dostępna dla wszystkich funkcji sieci RAN. Funkcje wirtualne można elastycznie przenosić między infrastrukturą centralną a brzegiem sieci, aby zmniejszyć opóźnienia lub zharmonizować wykorzystanie zasobów obliczeniowych.

Niewątpliwie, podobnie jak w przypadku sieci rdzeniowej, Open Source z pewnością odegra ważną rolę w przyszłych generacjach sieci komórkowych. Otwarte interfejsy powodują, że rynek RAN stanie otworem dla małych przedsiębiorstw, a nawet społeczności Open Source. Co więcej, dzięki temu, że będzie można korzystać z gotowego sprzętu, który jest łatwo dostępny, każdy, kto ma wymaganą wiedzę, trochę dokumentacji i oczywiście wiele czasu, może zacząć implementować opisane wyżej funkcje. Jak zresztą zaraz zobaczymy, pracy tej nie trzeba wcale rozpoczynać od zera.

Otwarte implementacje RAN

Organizacja O-RAN Alliance [3] została utworzona w celu standaryzacji interfejsów implementacji Open RAN. O-RAN to konsorcjum złożone z dużych korporacji, małych i średnich przedsiębiorstw, uczelni oraz ośrodków badawczych. Wśród nich są dostawcy open source, tacy jak Red Hat i SUSE. O-RAN regularnie publikuje otwarte specyfikacje, do których każdy ma dostęp. Specyfikacje te określają, jak powinny zachowywać się poszczególne elementy Open RAN (jak pokazaliśmy na Rysunku 4), w tym protokoły używane w interfejsach i inne elementy. O-RAN nawiązał również współpracę z Linux Foundation, zwaną O-RAN Alliance Software Community, aby stworzyć implementację oprogramowania open source opartą na tych specyfikacjach, którą każdy będzie mógł pobrać i przetestować, i do której każdy programista może się przyczynić. Współpraca ta jest wciąż we wczesnej fazie rozwoju. Niektóre elementy już działają, a niektóre są jeszcze na etapie prezentacji. Niektórych innych elementów, takich jak RU, wciąż brakuje.

Model referencyjny

Rysunek 5 pokazuje referencyjny model sieci 5G. Trzy główne elementy to terminal, gNodeB i sieć szkieletowa. Terminalem może być smartfon, system IoT, laptop lub inne podobne urządzenie. gNodeB to odpowiednik przełącznika w sieci Ethernet, działający poniżej warstwy IP. Sieć szkieletowa jest odpowiednikiem sieci ISP. Warstwy modelu referencyjnego – od dolnej do górnej – to:

5 Warstwa fizyczna (Physical layer, PHY): zajmuje się wszystkimi radiowymi aspektami komunikacji, takimi jak modulacja i demodulacja. Definicję tych terminów można znaleźć w ramce „Transmisja radiowa”.

5 Kontrola dostępu do medium (Medium Access Control, MAC): definiuje kanały logiczne na kanałach PHY (które są zdefiniowane przez czas i częstotliwość). Przeprowadza również korekcję błędów.

5 Sterowanie łączem radiowym (Radio Link Control, RLC): zapewnia usługę przesyłania danych do wyższych warstw przez MAC, z odzyskiwaniem błędów, podziałem danych na segmenty i ich późniejszym składaniem w całość oraz – w razie potrzeby – przywracaniem łącza radiowego.

5 Protokół konwergencji danych pakietowych (Packet Data Convergence Protocol, PDCP): zapewnia interfejs do wyższych warstw z jedną lub kilkoma jednostkami RLC. Pozwala to na wielokrotną łączność, czyli możliwość łączenia się z więcej niż jednym gNodeB w warstwie RLC. Zapewnia również pewien wzrost przepustowości dzięki kompresji nagłówka.

5 Protokół adaptacji danych usług (Service Data Adaption Protocol, SDAP): zapewnia mechanizmy dbające o zachowanie określonej jakości usług (QoS) dla różnych przepływów danych. Na przykład w przypadku przesyłania strumieniowego wideo wymagany jest stały przepływ danych o stosunkowo dużej przepustowości, podczas gdy w przypadku przeglądania sieci można złagodzić wymagania dotyczące QoS. Ta podwarstwa jest obecna na płaszczyźnie użytkownika, czyli części stosu protokołów używanej do przesyłania danych użytkownika.

5 Kontrola zasobów radiowych (Radio Resource Control, RRC): jest to podwarstwa płaszczyzny sterowania, więc zawarte w niej funkcje nie zajmują się danymi użytkownika, ale metadanymi wymaganymi do prawidłowego działania usługi. W związku z tym zawiera wszystkie protokoły wymagane do tego, aby połączenie radiowe działało stabilnie. Zajmuje się przekazywaniem obsługi gNodeB, zmianami na bardziej niezawodne lub wydajne modulacje itp.

5 Warstwa PDU: obecna tylko w płaszczyźnie użytkownika i tylko w terminalu oraz sieci szkieletowej. Zawiera funkcjonalność IP i łączy terminal z funkcją UPF, która działa jako router.

5 Warstwa Non Access Stratum (NAS): obecna tylko w płaszczyźnie sterowania i tylko w sieci terminalowej oraz szkieletowej. Zawiera funkcje kontrolne, takie jak ustanowienie połączenia między terminalem a szkieletem w płaszczyźnie użytkownika, uwierzytelnianie i inne usługi.

5 Warstwa aplikacji: w płaszczyźnie użytkownika warstwa aplikacji zawiera wyższe warstwy usług, które działają między procesami w terminalu a zdalnymi serwerami.

Rysunek 5: Warstwy protokołu 5G. Opisane są tylko interfejsy z terminalem.

Telecom Infra Project (TIP) [4] to kolejny sojusz dużych przedsiębiorstw sektora, który początkowo został utworzony w celu zdefiniowania innej specyfikacji Open RAN, ale wkrótce zaadaptował projekt O-RAN Alliance i obecnie promuje własne wdrożenie oprogramowania: OpenRAN (zauważmy, że w tym przypadku nie ma spacji między Open i RAN – pozornie drobna, jednak w tym przypadku bardzo istotna różnica). TIP aktywnie angażuje się w tworzenie implementacji elementów Open RAN, w tym niektórych projektów interfejsów radiowych (takich jak pełny stos Wi–Fi), a także innych elementów sieci mobilnej, takich jak sieć Open Core. TIP organizuje również „plugfesty”, podczas których różni dostawcy Open RAN testują integrację i interoperacyjność swoich funkcji. Chociaż są to najbardziej znane projekty Open RAN, istnieje kilka innych implementacji, takich jak OpenAirInterface [5], który zapewnia rozwiązanie Open Source zgodne z O-RAN Alliance.

Pojawiły się też głosy krytyczne [5] dotyczące koncepcji Open RAN ze względu na niespełnienie obietnicy w pełni otwartego RAN, z naciskiem na trudność w rozwoju infrastruktury radiowej. Istnieje kilka przeszkód, które sprawiają, że rozwój funkcji SDR dla sieci komórkowych przez mniejsze firmy czy pojedynczych programistów jest obecnie bardzo trudny lub wręcz niemożliwy. Po pierwsze, niezbędny sprzęt, czyli nie tylko płytki SDR, ale także sprzęt do testów umożliwiający weryfikację funkcji i zgodności z normami i przepisami, jest bardzo drogi. Po drugie, bardzo restrykcyjne są również przepisy: sprzęt używany w sieciach komórkowych musi być certyfikowany przez odpowiednie władze, a do nadawania sygnałów radiowych na większości częstotliwości (w tym tych, w których większość komunikacji komórkowej) wymagana jest specjalna licencja. Na szczęście istnieją długofalowe rozwiązania niektórych z tych problemów. Na przykład drogi sprzęt pomiarowy może zostać w przyszłości zastąpiony przez otwarte implementacje oparte na SDR. Trudniejsze do pokonania są natomiast przeszkody regulacyjne. Obecnie małe przedsiębiorstwa i ośrodki badawcze uzyskują dostęp do licencji na użytkowanie widma poprzez partnerstwa z operatorami, co znacznie ogranicza rozwój. W ten sam sposób uzyskują też dostęp do drogich narzędzi, takich jak komory bezechowe (są to w zasadzie klatki Faradaya, które blokują wychodzące sygnały radiowe o wysokiej częstotliwości). Tak czy inaczej, społeczność open source wielokrotnie udowadniała, że dzięki kreatywności i pomysłowości przezwyciężenie tego typu problemów nie jest niemożliwe.

Transmisja radiowa

Prawdopodobnie pierwszą rzeczą, która przychodzi na myśl, kiedy mówimy o sieci komórkowej, jest technologia radiowa, która umożliwia transmisję danych. Wszystkie funkcje radiowe są zawarte w warstwie PHY i stanowią bodaj najbardziej wyspecjalizowaną część sieci, która wymaga odpowiedniego sprzętu. W przypadku cyfrowej transmisji radiowej zaczynamy od sygnału pasma podstawowego (Rysunek 6), który składa się z jednego lub kilku sygnałów elektrycznych reprezentujących bity cyfrowe. Widmo tego sygnału (jego transformata Fouriera) jest wyśrodkowane wokół 0 Hz i ma ograniczone pasmo. Możemy wtedy modulować ten sygnał, tj. przekształcać go tak, aby jego częstotliwość środkowa miała określoną przez nas częstotliwość. Można również modulować kilka różnych strumieni bitów w sąsiednich częstotliwościach, co nazywa się wielokrotnym dostępem z podziałem częstotliwości (Frequency Division Multiple Access, FDMA).

Każdy z tych kanałów (znanych również jako podnośne) jest dedykowany dla różnych użytkowników lub strumieni danych w różnym czasie (przedziały czasu transmisji – Transmission Time Intervals, TTI), według schematu nazywanego wielodostępem z podziałem czasu (TDMA). W sieciach komórkowych Orthogonal FDMA (OFDMA – ulepszona wersja podstawowego FDMA) zestaw kilku podnośnych jest łączony w jedną nośną. Podnośne OFDMA i TTI definiują tak zwaną siatkę zasobów (Rysunek 6), w której każdy element ma określoną funkcję logiczną.

Rola otwartego sprzętu

Jednym z głównych punktów sprzedaży NFV w sieci szkieletowej i Open RAN są możliwości uruchamiania większości funkcji sieciowych na zwykłych komputerach lub w zwykłych instancjach w chmurze. Jeśli chodzi o podstawowy sprzęt, pierwszą nazwą, która przychodzi na myśl laikowi, gdy mówimy o „gotowych” komputerach, są systemy oparte na architekturze x86. Systemy te są łatwe do nabycia i wymiany, a po zakończeniu ich żywotności w sieci można je ponownie wykorzystać do innych celów. Koszty ich eksploatacji i konserwacji są niskie, istnieje bogata dokumentacja; systemy te mają też bardzo wysoki poziom wsparcia ze strony producentów i narzędzi. Z drugiej strony systemy x86 nie są szczególnie energooszczędne, co jest coraz ważniejszym problemem dla operatorów, zarówno ze względu na ślad węglowy, jak i rachunki za energię.

Od niedawna w serwerach zaczynają być stosowane energooszczędne procesory ARM. Chociaż obecnie ARM nie ma takiego poziomu wsparcia ani ilości oprogramowania, jakie jest dostępne dla x86, zainteresowanie platformą ARM rośnie z dnia na dzień.

Rysunek 6: Proces modulacji/demodulacji i siatka zasobów wynikająca z TDMA i OFDMA w 5G.

Oczywiście żadna dyskusja na temat nowoczesnych procesorów nie byłaby kompletna bez wzmianki o RISC-V. Platforma RISC-V, choć mniej dojrzała niż ARM, charakteryzuje się podobnie niskim zużyciem energii, lecz w przeciwieństwie do ARM jest otwarta. Można sobie wyobrazić, że w przyszłości niewielkie firmy rozbudują platformę RISC-V o określone funkcje specyficzne dla sieci komórkowej. Ponadto, oczekuje się, że wraz ze wzrostem popytu na RISC-V ceny tych procesorów spadną, zwłaszcza że jest to otwarta platforma.

Do tego momentu omawialiśmy sprzęt do obsługi części programowej sieci komórkowej, czyli sieci szkieletowej oraz DU, CU i RIC w otwartym RAN. A co z RU? Chociaż na papierze może się wydawać, że RU to tylko niewielka część sieci, to jednak ma fundamentalne znaczenie dla komunikacji radiowej i jest bodaj najtrudniejszym elementem do opracowania. Istnieje jednak kilka opcji, takich jak urządzenia USRP firmy Ettus Research [6], które oferują sterowniki typu open source. USRP są cenione przez badaczy w tej dziedzinie ze względu na dużą społeczność, która się wokół nich zgromadziła. Inną komercyjną opcją są płyty LimeSDR [7], które są otwartym sprzętem. Co więcej, są też bardziej opłacalne niż USRP i społeczność zaczyna się do nich przekonywać. Są one również wykorzystywane w kilku komercyjnych rozwiązaniach RAN opracowanych przez integratorów, takich jak Amarisoft. Urządzenia HackRF [8] i PlutoSDR [9], które również są otwarte, stanowią bardzo tanią alternatywę, która jest w zasięgu cenowym praktycznie każdego hobbysty z tzw. krajów rozwiniętych. Chociaż te urządzenia nie są tak wydajne jak LimeSDR czy USRP, są dobrym punktem wyjścia dla każdego, kto chce się nauczyć odkrywania funkcji Open RAN. Możemy także użyć HackRF i PlutoSDR, aby rozpocząć opracowywanie bardzo potrzebnych narzędzi pomocniczych, takich jak analizatory widma.

Perspektywy na przyszłość

Na razie Open RAN nie osiągnął jeszcze takiej dominacji w sieciach komórkowych, jaką od lat cieszy się w Internecie Linux i otwarte oprogramowanie. Jednak wszystkie elementy zostały już zdefiniowane i potrzeba jedynie nieco wysiłku ze strony odpowiednio zmotywowanych osób, uniwersytetów i mniejszych firm, które widzą open source jako sojusznika, aby móc konkurować z największymi producentami sprzętu do obsługi infrastruktury sieci komórkowych. Jest bardzo prawdopodobne, że ten trend się rozwinie i otwarte standardy spowodują pojawienie się otwartego sprzętu i oprogramowania w kolejnych generacjach sieci komórkowych. 

Źródła:

1] 3GPP TS 33.127: Architektura i funkcje legalnego przechwytywania (LI): https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3182

[2] Oficjalny dokument stowarzyszenia GSM NG.127 – Architektura podziału sieci E2E: https://www.gsma.com/newsroom/wp-content/uploads/NG.127-v1.0-2.pdf

[3] Strona główna O-RAN Alliance: https://www.o-ran.org

[4] Strona główna TIP: https://telecominfraproject.com

[5] Matt Kapko, Where Are You, Open Source RAN?: https://www.sdxcentral.com/articles/analysis/where-are-you-open-source-ran/2020 /12/

[6] Sterownik i instrukcja obsługi USRP: https://files.ettus.com/manual/page_uhd.html

[7] Podręcznik użytkownika LimeSDR-USB: https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-USB_User_Guide

[8] HackRF: https://hackrf.readthedocs.io/_/downloads/en/latest/pdf/

[9] ADALM-PLUTO dla użytkowników końcowych: https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/users

Tagi:

Podziel się postem :)

Najnowsze:

Sprzęt

Nadchodzi rewolucja w świecie procesorów

Choć przez ostatnie 11 lat w świecie produkcji procesorów zmieniło się sporo i dzięki kolejnym innowacjom w naszych komputerach i smartfonach obecnie znajdują się układy wyprodukowane w procesie klasy 5 lub 4 nm, to przez ten czas ogólne założenia dotyczące tego, jak powinien wyglądać pojedynczy tranzystor, pozostały relatywnie niezmienione. Jednak w najnowszych procesach technologicznych klasy 3 i 2 nm konieczne stało się wysłanie służącym nam przez ponad dekadę tranzystorów finFET na zasłużoną emeryturą, ponieważ nie da się ich już bardziej pomniejszać przy zachowaniu niezbędnych parametrów elektrycznych. Co dalej? W praktyce przekonamy się o tym już niedługo.

Militaria

Wojna dronów – jak działa zagłuszanie dronów? Jak namierzyć drony?

Drony. To właśnie ten sprzęt jest jednym z podstawowych wyróżników współczesnego konfliktu zbrojnego. Wojna na Ukrainie pokazuje, że drony, i to nie tylko te projektowane wyłącznie pod kątem zastosowań militarnych, stały się nieodzownym wyposażeniem współczesnego pola walki. Nigdy wcześniej w żadnym konflikcie tego typu sprzęt nie był wykorzystywany na tak szeroką skalę. Temat zagłuszania dronów i zakłócania ich pracy interesuje nie tylko walczące strony, ale też wiele osób, które po prostu nie chcą, by ktoś latał dronem nad ich posesją.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *