Introducción a O-RAN

Los conceptos y arquitecturas de O-RAN utilizan un concepto de RAN dividida. Hay ocho formas conocidas de dividir la RAN funcionalmente; cada una propone dividir el procesamiento para que diferentes partes del protocolo se apilen en diferentes hardware. La Figura 2 resume las ocho opciones.

^{Figura 2: Opciones de división de RAN (Fuente: NGNM 2018).}

Como se muestra en la Figura 2, O-RAN usa la opción 7-2, que divide la capa física (PHY) en una PHY alta y una PHY baja. Para la opción 7-2, las funciones de enlace ascendente (UL), eliminación de CP, transformada rápida de Fourier (FFT), beamforming digital (si corresponde) y pre-filtrado (solo para canal de acceso aleatorio físico [PRACH]) ocurren en la RU. El resto de la PHY se procesa en la DU. Para el enlace descendente (DL), FFT inversa (iFFT), adición de CP, funciones de pre-codificación y beamforming digital (si corresponde) ocurren en la RU, y el resto del procesamiento de PHY ocurre en la DU. 2G, 3G y 4G utilizan la interfaz de radio pública común (CPRI), que se transmite en una división de opción 8.

Pasar a la división 7-2 reduce el tráfico entre DU y RU. O-RAN ha especificado una versión de la división 7-2. La Figura 3 ilustra la división 7-2, así como también cómo se dividen otras partes de la pila de protocolos entre la CU y la DU. La división 7.2x es el mejor equilibrio entre llevar esta tecnología al mercado rápidamente y el costo de implementación. Reduce la confusión sobre los detalles de la división y logra ganancias y mejoras en la reducción del tráfico. Algunos sistemas 5G utilizan CPRI evolucionado (eCPRI) como interfaz DU-RU. eCPRI ofrece una división específica del proveedor entre la PHY alta y baja. Por lo tanto, usted puede optimizar el tráfico o la flexibilidad al admitir múltiples divisiones, que se adaptan a diferentes entornos de implementación debido a los entornos físicos de antena únicos. Con esto viene la libertad de optimizar los costos para conexiones específicas de diferentes operadores.

^{Figura 3: Capa de protocolo dividida entre CU, DU y RU para la Opción 7.2.}

Para las nuevas arquitecturas 5G RAN, el 3GPP ha definido y estandarizado una nueva interfaz, la interfaz F1, para la comunicación entre la CU y la DU. Cuando la CU y la DU se dividen físicamente, se denomina división de capa superior (HLS). Si bien no está definida por el 3GPP, la interfaz de capa inferior entre el DU y la RU se denomina división de capa inferior (LLS). Puede configurar la CU y la DU entre sí y con las RU de varias maneras. La Figura 4 ilustra varias configuraciones de RAN. Tenga en cuenta que la interfaz F1 es tolerante a retrasos, mientras que la interfaz DU a RU debe tener baja latencia. Dados los desafíos de crear interfaces de baja latencia, el resto de este documento detalla una RAN central con un caso de uso dividido de capa inferior.

^{Figura 4: Flexibilidad de ubicación de unidad funcional RAN (Fuente: NGMN, 2018.}

La interfaz entre DU y RU también se conoce como interfaz fronthaul (FH). La interfaz FH, una de las interfaces de sistema más exigentes, es muy sensible a la latencia. Cuando la DU y la RU provienen del mismo fabricante, la mayoría de los sistemas utilizan CPRI o eCPRI (solo 5G) como interfaz FH. Si bien CPRI originalmente fue pensada como una interfaz abierta, en la práctica, cada proveedor la implementó de una manera ligeramente diferente para trabajar con su propio hardware, lo que dificulta o imposibilita la interoperabilidad entre diferentes proveedores. Si bien no fomenta una arquitectura de hardware abierta y de caja blanca, puede lograr más fácilmente una estrecha sincronización entre la DU y la RU. Cuando la DU y la RU son de un proveedor, coinciden en términos de cuándo enviar y cuándo recibir (la única variación es la distancia entre DU y RU).

​Uno de los dos objetivos de O-RAN es crear ecosistemas más abiertos, lo que requiere definir una nueva interfaz FH. Uno de los siete grupos de trabajo de O-RAN, el grupo de trabajo 4 (WG4), está dedicado a definir esta interfaz. Llamado Open Fronthaul Interfaces Workgroup, su objetivo "es ofrecer interfaces de fronthaul verdaderamente abiertas, en las que se pueda lograr la interoperabilidad de DURRU de múltiples proveedores". La Figura 5 muestra cómo la interfaz DU a RU propuesta intercambia información en diferentes planos. Si bien los siete flujos diferentes, más los flujos adicionales del plano de administración (M), pueden parecer abrumadores, en un nivel superior, solo hay tres tipos de datos (datos I/Q, datos de temporización y sincronización e información de comando y control) en cuatro planos totales (control, usuario, sincronización y administración).

^{Figura 5: Flujos de datos de fronthaul de capa inferior (Fuente: O-RAN).
Nota: Los flujos de plano M no representados aquí.}

En comparación con CPRI, existen diferencias significativas en cómo se transfieren, empaquetan y desempaquetan los datos I/Q en la interfaz FH, ya que CPRI se basa en una división de opción 8. La división de opción 8 divide la red en RF, por lo que los muestreos I/Q no se han sometido a ningún procesamiento de PHY (FFT/iFFT). A medida que las redes evolucionaron en las etapas posteriores de 4G y principios de 5G, eCPRI buscó reducir el tráfico causado por el aumento de antenas y la velocidad de muestreo (múltiples muestreos por antena) utilizados en entrada múltiple, salida múltiple (MIMO) masiva. El tráfico del sistema abrumó la conexión física, y las conexiones que pueden acomodar el tráfico son costosas de implementar.

​Para reducir el tráfico a través de esta interfaz, eCPRI mueve ciertas partes de la PHY a la RU y agrega algoritmos de compresión. Sin embargo, las partes de la PHY que se mueven a la RU no siguen ninguna división específica y difieren de un proveedor a otro. Este escenario podría ser una ventaja competitiva para algunos proveedores y una forma de reducir potencialmente el costo del enlace para los operadores. Dado que parte de las funciones de PHY de nivel inferior están en la RU, el DU debe informar a la RU cómo realizar estas funciones. Esta instrucción también crea una interfaz de comando y control diferente entre eCPRI y la interfaz FH de O-RAN, pero tener divisiones específicas del proveedor perpetúa un bloqueo del proveedor de servicios. La interfaz FH abierta de O-RAN tiene como objetivo estandarizar qué partes de la PHY se mueven a la RU utilizando la división 7.2x para que usted pueda integrar hardware de diferentes proveedores.

Mientras WG4 busca finalizar una interfaz FH, es necesario considerar cómo probarla. Para los sistemas que contienen una DU y RU de diferentes proveedores de hardware, los integradores y proveedores de sistemas necesitan la capacidad de validar que la DU y la RU interactúan correctamente. Este tipo de pruebas se conoce comúnmente como pruebas de interoperabilidad. O-RAN está investigando cómo probar un sistema compatible con O-RAN. La Figura 6 es un diagrama de O-RAN que muestra cómo se vería una configuración de pruebas para un O-RAN-DU (O-DU) y O-RAN-RU (O-RU) con un O-RAN-CU (O-CU) y un UE, que podría ser emulado o comercial. Hay un punto de prueba para observar la interfaz entre la CU y la DU, y otro para observar la entrada/salida de RF de la RU, pero la DU y la RU se combinan como el dispositivo bajo prueba (DUT). Esto deja la interfaz FH entre DU y RU sin probar cuando se usa estímulo activo y solo se considera para monitoreo pasivo.

^{Figura 6: Configuración de prueba O-RAN, activa (izquierda) y pasiva (derecha) (Fuente: O-RAN).}

Hay dos tipos de pruebas activas a considerar para la interfaz FH: pruebas de protocolo y pruebas paramétricas. La O-RAN ha demostrado que las pruebas de protocolo son necesarias para la validación de casos de pruebas y la solución de problemas. Tener herramientas de prueba para validar diseños durante el desarrollo es clave para conectar con éxito con otros dispositivos compatibles con O-RAN. Una vez finalizado el diseño y las DU y RU entran en las etapas de validación y producción, las pruebas paramétricas se aseguran de que cada unidad funcione como se espera.

​La RU es un componente crítico de la estación base O-RAN. Proporciona la capa PHY baja, conectando los UEs a la RAN. Por otro lado, proporciona una conexión a través de la interfaz FH O-RAN a la DU. La RU es un componente escalable, por lo que muchas RU pueden conectarse a una sola DU y una RU determinada que tiene múltiples antenas para conectarse a múltiples UEs simultáneamente. Esta configuración significa que también es el componente más numeroso en la estación base con la mayoría de los puntos de prueba; como tal, los rápidos tiempos de prueba se vuelven críticos para una eficiencia operativa. NI ha tenido en cuenta estas consideraciones y ha creado soluciones de pruebas validación y producción capaces de cumplir con estos requisitos.

Validación de RU O-RAN

​Al asociarnos con Spirent, hemos creado una solución para la validación integral de las RU de O-RAN. Con una sola GUI completamente automatizada que controla el UE, el emulador de canal de RF, RU (DUT), DU, CU y núcleo (EPC/5GC), la colaboración entre NI y Spirent proporciona a los usuarios pruebas funcionales y de rendimiento de extremo a extremo y capacidades completas para validación de RU, todo en una plataforma de pruebas integrada y conectada.

^{Figura 7: Diagrama de bloques de validación de RU con Spirent y NI.}

Características clave:

1. GUI completamente automatizada que controla al UE, emulador de canal de RF, RU (DUT), DU, CU y núcleo (EPC/5GC)
2. Emulación de red en vivo en tiempo real para DU, CU, core y UE
3. Gráficas de datos en tiempo real para rendimiento de datos (KPI) y mensajes por aire
4. Pruebas funcionales y de rendimiento de la especificación de pruebas de extremo a extremo sección 4 y 5 O-RAN Alliance TIFG
5. Pruebas avanzadas de rendimiento de sensibilidad de O-RU para evaluar el rendimiento de O-RU y pruebas de rango dinámico cercano y lejano
6. Hardware completamente integrado y basado en la plataforma PXI para instrumentación escalable y de alto rendimiento

Prueba de producción de RU O-RAN

La solución de NI de pruebas de producción de RU O-RAN proporciona pruebas rápidas y eficientes durante la fabricación de RU. Con control de DUT digital y de RF bajo la misma interfaz de pruebas y automatización, temporización y sincronización superiores con instrumentación de NI, enlace de fronthaul en tiempo real y emulación de DU de alto rendimiento, esta solución proporciona pruebas de producción de RU eficientes, rápidas y rentables.

Junto con los partners de NI, esta solución permite un menor costo de pruebas y puede acortar el tiempo de comercialización.

^{Figura 8: Diagrama de bloques de prueba de producción de RU O-RAN}

Características clave:

1. Grabación y reproducción de emulación de la DU de alto rendimiento
2. Control del DUT integrado
3. Casos de prueba de O-RAN y RAN tradicional para pruebas de producción
4. Adáptese a los cambiantes estándares inalámbricos con VSTs PXI
5. Tiempos de prueba rápidos con RU de cuatro capas con medidas enumeradas
6. Plataforma de pruebas rentable con un tamaño pequeño

O-RAN mantiene tres objetivos:

• Crear una RAN más inteligente que aproveche la capacidad de virtualizar partes de la red para obtener máximas ganancias de eficiencia
• Soporte de hardware de caja blanca para soluciones de red de múltiples proveedores
• Crear interfaces estandarizadas entre componentes de red

Al cumplir con estas iniciativas clave, O-RAN tiene como objetivo hacer evolucionar las redes para que estén más preparadas para el futuro e incorporen características y casos de uso prometidos por 5G, como URLLC. La interfaz FH en particular es un desafío debido a la baja latencia requerida para las comunicaciones de DU a RU. WG4 de O-RAN está avanzando para definir esta interfaz, y las compañías están comenzando a construir RU compatibles con O-RAN para conectarse a otro hardware compatible con O-RAN. Ser capaz de validar y probar la interfaz DU-RU es importante tanto en las etapas de diseño y validación, como en las pruebas de producción, a medida que esta nueva tecnología llega al mercado. Al ofrecer hardware y software de pruebas de IOT, así como soluciones integrales de pruebas de producción y validación de RU, NI puede ayudar a acelerar la comercialización de nuevas RU compatibles con O-RAN. No está claro cuándo O-RAN se adopta y utiliza ampliamente en las redes 5G; sin embargo, a partir de ahora, la alianza está trabajando activamente para implementar nuevas interfaces y está buscando formas de utilizar soluciones de hardware de múltiples proveedores para construir nuevas redes con el fin de mejorar y avanzar en la infraestructura de la red celular.