Einführung in O-RAN

Die Prinzipien und Architekturen von O-RAN basieren auf einem Split-RAN-Prinzip. Es sind acht Möglichkeiten für die funktionale Aufteilung des RAN bekannt. Jede davon schlägt vor, die Verarbeitung so aufzuteilen, dass verschiedene Teile des Protokollstapels auf unterschiedlicher Hardware verarbeitet werden. Abbildung 2 gibt einen Überblick über die acht Optionen.

^{Abbildung 2: RAN-Split-Optionen (Quelle: NGNM 2018)}

Wie in Abbildung 2 dargestellt, verwendet O-RAN die Option 7-2, die die Bitübertragungsschicht (PHY) in eine High-PHY- und eine Low-PHY-Schicht aufteilt. Bei Option 7-2 werden die Funktionen Uplink (UL), CP-Entfernung, schnelle Fourier-Transformation (FFT), digitale Strahlformung (falls zutreffend) und Vorfilterung (nur für Physical Random Access Channel [PRACH]) alle in der RU ausgeführt. Der Rest der PHY wird in der DU verarbeitet. Für den Downlink (DL) erfolgen die inverse FFT (iFFT), die CP-Addition, die Vorcodierungsfunktionen und die digitale Strahlformung (falls zutreffend) in der RU, während die restliche PHY-Verarbeitung in der DU erfolgt. 2G-, 3G- und 4G-Netze verwenden das Common Public Radio Interface (CPRI) zur Signalübertragung mit einem Split nach Option 8.

Der Wechsel zum 7-2-Split reduziert den Datenverkehr zwischen DU und RU. O-RAN hat eine Version des 7-2-Splits spezifiziert. Abbildung 3 zeigt den 7-2-Split sowie die Aufteilung anderer Teile des Protokollstapels zwischen CU und DU. Der 7.2x-Split ist der beste Kompromiss zwischen einer schnellen Markteinführung dieser Technologie und den Bereitstellungskosten. Dadurch wird die Verwirrung hinsichtlich der Besonderheiten der Aufteilung verringert, während gleichzeitig der Verkehr reduziert und verbessert wird. Einige 5G-Systeme verwenden „evolved CPRI“ (eCPRI) als DU-RU-Schnittstelle. eCPRI bietet eine anbieterspezifische Aufteilung zwischen High - und Low-PHY. Dies ermöglicht die Optimierung des Datenverkehrs oder der Flexibilität durch die Unterstützung mehrerer Splits und die Berücksichtigung unterschiedlicher Einsatzumgebungen aufgrund einzigartiger physischer Antennenumgebungen. Dies ermöglicht die Kostenoptimierung für betreiberspezifische Verbindungen.

^{Abbildung 3: Protocol-Layer-Split zwischen CU, DU und RU für Option 7.2}

Für neue 5G-RAN-Architekturen hat das 3GPP eine neue Schnittstelle, die F1-Schnittstelle, für die Kommunikation zwischen CU und DU definiert und standardisiert. Wenn CU und DU physisch aufgeteilt werden, spricht man von einem Higher-Layer Split (HLS). Obwohl nicht durch das 3GPP definiert, wird das Lower-Layer Interface zwischen DU und RU als Lower-Layer Split (LLS) bezeichnet. CU und DU können auf verschiedene Weise relativ zueinander und relativ zu RUs konfiguriert werden. Abbildung 4 zeigt verschiedene RAN-Konfigurationen. Beachten Sie, dass die F1-Schnittstelle verzögerungstolerant ist, während die DU-zu-RU-Schnittstelle eine niedrige Latenz haben muss. Angesichts der Herausforderungen, die mit der Schaffung von Schnittstellen mit niedriger Latenz verbunden sind, wird im Folgenden ein zentrales RAN mit einem Lower-Layer-Split-Anwendungsfall beschrieben.

^{Abbildung 4: Flexibilität bei der Anordnung funktionaler Einheiten in einem RAN (Quelle: NGMN, 2018)}

Die Schnittstelle zwischen DU und RU wird auch als Fronthaul-Schnittstelle (FH-Schnittstelle) bezeichnet. Die FH-Schnittstelle, eine der anspruchsvollsten Systemschnittstellen, ist sehr latenzempfindlich. Wenn DU und RU vom selben Hersteller stammen, verwenden die meisten Systeme CPRI oder eCPRI (nur 5G) als FH-Schnittstelle. Obwohl CPRI ursprünglich als offene Schnittstelle konzipiert war, wurde sie in der Praxis von jedem Anbieter entsprechend der eigenen Hardware leicht unterschiedlich implementiert, was die Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern erschwerte oder unmöglich machte. Dies fördert zwar keine offene White-Box-Hardware-Architektur, erleichtert aber die enge Synchronisation zwischen DU und RU. Wenn DU und RU vom selben Anbieter stammen, sind sie hinsichtlich der Sende- und Empfangszeiten aufeinander abgestimmt (nur die Entfernung zwischen DU und RU ist variabel).

​Eines der beiden Ziele von O-RAN ist die Schaffung offenerer Ökosysteme, was die Definition einer neuen FH-Schnittstelle erfordert. Eine der sieben O-RAN-Arbeitsgruppen, die Arbeitsgruppe 4 (WG4), widmet sich der Definition dieser Schnittstelle. Das Ziel der Open Fronthaul Interfaces Workgroup ist es, „wirklich offene Fronthaul-Schnittstellen zur Verfügung zu stellen, in denen die DU-RU-Interoperabilität verschiedener Anbieter realisiert werden kann“. Abbildung 5 zeigt, wie die vorgeschlagene DU-RU-Schnittstelle Informationen auf verschiedenen Ebenen austauscht. Auch wenn die sieben verschiedenen Datenflüsse – plus zusätzliche Flüsse auf der Managementebene (M-Ebene) – auf den ersten Blick abschreckend wirken mögen, gibt es letztlich nur drei Datentypen (I/Q-Daten, Timing- und Sync-Daten sowie Befehls- und Steuerinformationen) auf insgesamt vier Ebenen (Steuer-, Nutzer-, Synchronisierungs- und Managementebene).

^{Abbildung 5: Datenflüsse über die Lower-Layer-Fronthaul-Schnittstelle (Quelle: O-RAN)
Hinweis: Datenflüsse auf der M-Ebene sind nicht dargestellt.}

Im Vergleich zu CPRI gibt es erhebliche Unterschiede in der Art und Weise, wie die I/Q-Daten an der FH-Schnittstelle übertragen, gepackt und entpackt werden, da CPRI auf einem Option-8-Split basiert. Bei einem Option-8-Split wird das Netz auf HF-Signalebene aufgeteilt, so dass die I/Q-Abtastwerte keine PHY-Verarbeitung (FFT/iFFT) durchlaufen haben. Mit der Weiterentwicklung der Netze in den letzten Phasen von 4G und den ersten Phasen von 5G wurde eCPRI entwickelt, um den Datenverkehr zu reduzieren, der durch die zunehmende Anzahl von Antennen und Abtastraten (mehrere Abtastwerte pro Antenne) bei Verwendung von Massive MIMO (Multiple Input and Multiple Output) verursacht wird. Der Systemverkehr hat die physische Verbindung überfordert, und Verbindungen, die diesen Datenverkehr bewältigen können, sind teuer in der Implementierung.

​Um den Datenverkehr über diese Schnittstelle zu reduzieren, verlagert eCPRI bestimmte Teile der PHY in die RU und fügt Komprimierungsalgorithmen hinzu. Welche Teile der PHY in die RU verlegt werden, folgt jedoch keiner bestimmten Aufteilung und ist von Anbieter zu Anbieter unterschiedlich. Dieses Szenario könnte für einige Anbieter einen Wettbewerbsvorteil darstellen und eine Möglichkeit sein, die Verbindungskosten für die Betreiber zu senken. Da ein Teil der untergeordneten PHY-Funktionen in der RU liegt, muss die DU die RU darüber informieren, wie diese Funktionen auszuführen sind. Mit dieser Anweisung wird auch eine andere Befehls- und Steuerungsschnittstelle zwischen eCPRI und der FH-Schnittstelle von O-RAN geschaffen. Eine anbieterspezifische Aufteilung führt jedoch zu einer dauerhaften Bindung der Dienstanbieter an den jeweiligen Anbieter. Die offene FH-Schnittstelle von O-RAN zielt darauf ab, mit Hilfe des 7.2x-Splits zu standardisieren, welche Teile der PHY in die RU verlagert werden, so dass Hardware verschiedener Anbieter integriert werden kann.

Bei ihrer Arbeit an der Finalisierung einer FH-Schnittstelle muss die WG4 auch darüber nachdenken, wie diese getestet werden kann. Bei Systemen, die eine DU und eine RU von verschiedenen Hardwareanbietern enthalten, müssen Systemintegratoren und Anbieter in der Lage sein zu überprüfen, ob die DU und die RU ordnungsgemäß zusammenarbeiten. Diese Art von Tests wird üblicherweise als Interoperabilitätstest bezeichnet. O-RAN untersucht, wie ein O-RAN-konformes System getestet werden kann. Abbildung 6 ist ein O-RAN-Diagramm, das zeigt, wie ein Testaufbau für das Testen einer O-RAN-DU (O-DU) und O-RAN-RU (O-RU) mit einer O-RAN-CU (O-CU) und einem Endgerät (User Equipment, UE), das entweder emuliert oder handelsüblich sein kann, aussehen könnte. Es gibt einen Prüfpunkt für die Prüfung der Schnittstelle zwischen CU und DU und einen für die Prüfung des HF-Eingangs/Ausgangs der RU, aber DU und RU werden als ein Prüfling (device under test, DUT) zusammengefasst. Damit bleibt die FH-Schnittstelle zwischen DU und RU bei der Verwendung aktiver Stimuli ungetestet und wird nur für die passive Überwachung berücksichtigt.

^{Abbildung 6: O-RAN-Testaufbau, aktiv (links) und passiv (rechts) (Quelle: O-RAN)}

Für die FH-Schnittstelle kommen zwei Arten von aktiven Tests in Frage: Protokolltests und parametrische Tests. O-RAN hat gezeigt, dass Protokolltests für die Validierung von Testfällen und die Fehlersuche notwendig sind. Testwerkzeuge zur Validierung von Entwürfen während der Entwicklung sind der Schlüssel für eine erfolgreiche Interoperabilität mit anderen O-RAN-konformen Geräten. Wenn die Entwurfsphase abgeschlossen ist und die DU und RU in die Validierungs- und Produktionsphase eintreten, wird durch parametrische Tests sichergestellt, dass jedes Gerät die erwartete Leistung erbringt.

​Die RU ist eine kritische Komponente der O-RAN-Basisstation. Sie stellt die Low-PHY-Schicht bereit, über die die Endgeräte mit dem RAN verbunden werden. Auf der anderen Seite stellt sie über die O-RAN FH-Schnittstelle eine Verbindung zur DU her. Die RU ist eine skalierbare Komponente, d. h. viele RUs können sich mit einer einzigen DU verbinden, und eine RU mit mehreren Antennen kann sich mit mehreren Endgeräten gleichzeitig verbinden. Diese Konfiguration bedeutet, dass sie auch die zahlreichste Komponente in der Basisstation mit den meisten Testpunkten ist, wodurch schnelle Testzeiten für die betriebliche Effizienz entscheidend werden. NI hat diese Überlegungen berücksichtigt und Validierungs- und Produktionstestlösungen entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht werden.

O-RAN-RU-Validierung

​Durch die Partnerschaft von NI und Spirent haben wir eine Lösung für die umfassende Validierung von O-RAN-RUs geschaffen. Mit einer vollautomatischen grafischen Benutzeroberfläche, die das Endgerät, den HF-Kanalemulator, die RU (DUT), die DU, die CU und den Core (EPC/5GC) steuert, bietet die Zusammenarbeit zwischen NI und Spirent Anwendern End-to-End-Funktions- und Performancetests sowie umfassende RU-Validierungsfunktionen – alles in einer integrierten und vernetzten Testplattform.

^{Abbildung 7: Blockdiagramm der RU-Validierung mit Spirent und NI}

Wichtige Eigenschaften:

1. Eine vollautomatische grafische Benutzerfläche zur Steuerung von Endgerät, HF-Kanalemulator, RU (DUT), DU, CU und Core (EPC/5GC)
2. Echtzeit-Netzemulation für DU, CU, Core und Endgerät
3. Echtzeit-Datenplotting für Datenleistung (KPI) und Over-the-Air-Nachrichten
4. Funktions- und Leistungstests gemäß der O-RAN Alliance TIFG Ende-zu-Ende-Testspezifikation, Abschnitte 4 und 5
5. Fortgeschrittene O-RU-Empfindlichkeitstests zum Benchmarking der O-RU-Leistung und Tests des Nah-Fern-Dynamikbereichs
6. Vollständig integrierte Hardware auf Basis der PXI-Plattform für skalierbare, leistungsstarke Messgeräte

O-RAN-RU-Produktionstest

Die O-RAN-RU-Produktionstestlösung von NI bietet schnelle und effiziente Tests während der RU-Herstellung. Mit der Steuerung von HF- und digitalen DUTs über dieselbe Test- und Automatisierungsschnittstelle, hervorragendem Timing und Synchronisation mit NI-Messgeräten, Echtzeit-Fronthaul-Link und DU-Emulation mit hohem Durchsatz ermöglicht diese Lösung effiziente, schnelle und kostengünstige Produktionstests von RUs.

Zusammen mit NI-Partnern trägt diese Lösung zur Senkung der Gesamttestkosten und zur Verkürzung der Markteinführungszeit bei.

^{Abbildung 8: Blockdiagramm zum O-RAN-RU-Produktionstest}

Wichtige Eigenschaften:

1. Aufzeichnung und Wiedergabe der DU-Emulation mit hohem Durchsatz
2. Integrierte DUT-Steuerung
3. Testfälle für O-RANs und konventionelle RANs für Produktionstests
4. Anpassung an sich entwickelnde Wireless-Standards mit PXI-VSTs
5. Schnelle Testzeiten mit 4-Schicht-RU mit aufgeführten Messungen
6. Kostengünstige Testplattform mit geringem Footprint

O-RAN verfolgt drei Ziele:

• Schaffung eines intelligenteren Funkzugangsnetzes, das die Möglichkeit zur Virtualisierung von Teilen des Netzes nutzt, um maximale Effizienzgewinne zu erzielen.
• Unterstützung von White-Box-Hardware für Netzlösungen verschiedener Anbieter
• Schaffung standardisierter Schnittstellen zwischen Netzkomponenten

Mit der Umsetzung dieser Kerninitiativen zielt O-RAN darauf ab, die Netze zukunftssicherer zu machen und die von 5G versprochenen Funktionen und Anwendungsfälle wie uRLLC zu integrieren. Vor allem die FH-Schnittstelle stellt aufgrund der geringen Latenzen, die für die DU-RU-Kommunikation erforderlich sind, eine Herausforderung dar. Die O-RAN WG4 macht Fortschritte bei der Definition dieser Schnittstelle, und Unternehmen beginnen, O-RAN-konforme RUs zu bauen, die sich mit anderer O-RAN-konformer Hardware verbinden lassen. Die Möglichkeit, die DU-RU-Schnittstelle zu validieren und zu testen, ist sowohl in der Entwurfs- und Validierungsphase als auch bei Produktionstests wichtig, wenn diese neue Technologie auf den Markt kommt. Mit seinem Angebot an Hard- und Software für Interoperabilitätstests sowie umfassenden RU-Validierungs- und Produktionstestlösungen kann NI dazu beitragen, die Markteinführung neuer O-RAN-konformer RUs zu beschleunigen. Wann O-RAN in 5G-Netzen auf breiter Front eingeführt und genutzt wird, ist noch unklar. Derzeit arbeitet die Allianz jedoch aktiv an der Implementierung neuer Schnittstellen und sucht nach Möglichkeiten, Hardwarelösungen verschiedener Anbieter für den Aufbau neuer Netze zu nutzen, um die Mobilfunkinfrastruktur zu verbessern und voranzutreiben.