Présentation d’O-RAN

Les concepts et architectures O-RAN utilisent un concept de division RAN. Il existe huit façons connues de diviser le RAN de manière fonctionnelle ; chacune permet de diviser le traitement afin que différentes parties de la pile de protocoles soient traitées sur du matériel différent. La Figure 2 résume les huit options disponibles.

^{Figure 2 : Options de division RAN (Source : NGNM 2018).}

Comme le montre la Figure 2, O-RAN utilise l’option 7-2, qui divise la couche physique (PHY) en PHY haut et PHY bas. Pour l’option 7-2, les fonctions de liaison montante (UL), de suppression de CP, de transformée de Fourier rapide (FFT), de formation de faisceaux numériques (le cas échéant) et de préfiltrage (pour la voie d’accès aléatoire physique [PRACH] uniquement) ont toutes lieu dans la RU. Le reste du PHY est traité dans la DU. Pour la liaison descendante (DL), la FFT inverse (iFFT), l’addition de CP, les fonctions de précodage et la formation de faisceaux numériques (le cas échéant) ont lieu dans la RU, et le reste du traitement PHY dans la DU. La 2G, la 3G et la 4G utilisent l’interface radio publique commune (CPRI), qui est transmise sur une division option 8.

Le passage à la division 7-2 réduit le trafic entre la DU et la RU. O-RAN a spécifié une version de la division 7-2. La Figure 3 illustre la division 7-2, ainsi que la manière dont d’autres parties de la pile de protocoles sont réparties entre la CU et la DU. La division 7.2x représente le meilleur équilibre entre la mise sur le marché rapide de cette technologie et le coût de déploiement. Elle réduit la confusion au sujet des spécifications de division tout en apportant des gains et des améliorations de réduction du trafic. Certains systèmes 5G utilisent « evolved CPRI » (eCPRI) comme interface DU-RU. eCPRI offre une division spécifique au fournisseur entre le PHY haut et bas. Ainsi, vous pouvez optimiser le trafic ou la flexibilité en prenant en charge plusieurs divisions, en tenant compte des différents environnements de déploiement en raison des environnements physiques d’antenne uniques. Cela permet d’optimiser les coûts pour les connexions spécifiques aux différents opérateurs.

^{Figure 3 : Répartition de la couche de protocole entre CU, DU et RU pour l’option 7.2.}

Pour les nouvelles architectures 5G RAN, le 3GPP a défini et standardisé une nouvelle interface, l’interface F1, pour la communication entre la CU et la DU. Lorsque la CU et la DU sont divisées physiquement, on parle de division de couche supérieure (HLS, higher-layer split). Bien que non définie par le 3GPP, l’interface de couche inférieure entre la DU et la RU est appelée division de couche inférieure (LLS, lower-layer split). Il est possible de configurer la CU et la DU l’une par rapport à l’autre et par rapport aux RU de plusieurs manières. La Figure 4 présente diverses configurations RAN. Notez que l’interface F1 est tolérante aux retards, tandis que l’interface DU-vers-RU doit être à faible latence. Compte tenu des défis liés à la création d’interfaces à faible latence, le reste de cet article détaille un RAN central avec un cas d’utilisation de division de couche inférieure.

^{Figure 4 : Flexibilité de l’emplacement de l’unité fonctionnelle RAN (Source : NGMN, 2018.}

L’interface entre la DU et la RU est également appelée interface frontale (FH, fronthaul). L’interface FH, l’une des interfaces système les plus exigeantes, est très sensible à la latence. Lorsque la DU et la RU proviennent du même fabricant, la plupart des systèmes utilisent l’interface CPRI ou eCPRI (5G uniquement) comme interface FH. Alors que l’interface CPRI était initialement conçue comme une interface ouverte, dans la pratique, chaque fournisseur l’a mise en œuvre d’une manière légèrement différente pour travailler avec son propre matériel, rendant l’interopérabilité multifournisseur difficile voire impossible. Sans encourager une architecture matérielle ouverte en boîte blanche, vous pouvez plus facilement obtenir une synchronisation étroite entre la DU et la RU. Lorsque la DU et la RU proviennent d’un seul fournisseur, elles sont associées en termes de date d’envoi et de date de réception (la seule variation étant la distance entre la DU et la RU).

​L’un des deux objectifs d’O-RAN est de créer des écosystèmes plus ouverts, ce qui nécessite de définir une nouvelle interface FH. L’un des sept groupes de travail O-RAN, le groupe de travail 4 (WG4), est consacré à la définition de cette interface. Appelé Open Fronthaul Interfaces Workgroup, son objectif est de « fournir des interfaces frontales réellement ouvertes, dans lesquelles l’interopérabilité DURRU multifournisseur peut être atteinte ». La Figure 5 montre comment l’interface DU-vers-RU proposée échange des informations entre différents plans. Bien que les sept flux distincts (plus les flux supplémentaires du plan de gestion (M)) puissent sembler décourageants, à un niveau plus élevé, il n’existe que trois types de données (données I/Q, données de cadencement et de synchronisation, informations de commande et de contrôle) sur quatre plans au total (contrôle, utilisateur, synchronisation et gestion).

^{Figure 5 : Flux de données frontaux de couche inférieure (Source : O-RAN).
Remarque : Flux du plan M non représentés.}

Comparé à l’interface CPRI, il existe des différences importantes dans la façon dont les données I/Q sont transférées, mises en paquet et décompressées dans l’interface FH, puisque CPRI est basée sur une division option 8. La division option 8 divise le réseau au niveau RF, de sorte que les échantillons I/Q n’ont subi aucun traitement PHY (FFT/iFFT). À mesure que les réseaux évoluaient dans les dernières étapes de la 4G et au début de la 5G, eCPRI a cherché à réduire le trafic causé par l’augmentation des antennes et de la fréquence d’échantillonnage (échantillons multiples par antenne) utilisés dans les MIMO (entrées et sorties multiples massives). Le trafic système a submergé la connexion physique et les connexions pouvant accueillir le trafic sont coûteuses à mettre en œuvre.

​En vue de réduire le trafic sur cette interface, eCPRI déplace certaines parties du PHY vers la RU et ajoute des algorithmes de compression. Toutefois, les parties du PHY transférées vers la RU ne suivent aucune division spécifique et diffèrent d’un fournisseur à l’autre. Ce scénario pourrait être un avantage concurrentiel pour certains fournisseurs et un moyen de potentiellement réduire le coût des liaisons pour les opérateurs. Étant donné qu’une partie des fonctions PHY de bas niveau se trouvent dans la RU, la DU doit indiquer à la RU comment effectuer ces fonctions. Cette instruction crée également une interface de commande et de contrôle différente entre eCPRI et l’interface FH d’O-RAN, mais les divisions spécifiques au fournisseur empêchent de faire appel à plusieurs d’entre eux. L’interface ouverte FH d’O-RAN vise à standardiser les parties du PHY qui sont déplacées vers la RU à l’aide de la division 7.2x afin que vous puissiez intégrer du matériel de différents fournisseurs.

Alors que le WG4 cherche à finaliser une interface FH, il est nécessaire de réfléchir à la manière de la tester. Pour les systèmes contenant une DU et une RU provenant de fournisseurs différents, les intégrateurs et les fournisseurs de systèmes doivent pouvoir confirmer que la DU et la RU sont en mesure de s’interfacer correctement. Ce type de test est communément appelé test d’interopérabilité. O-RAN mène des recherches sur les différentes méthodes de test d’un système conforme O-RAN. La Figure 6 est un diagramme O-RAN illustrant ce à quoi pourrait ressembler une configuration de test d’une O-RAN-DU (O-DU) et d’une O-RAN-RU (O-RU) avec une O-RAN-CU (O-CU) et un UE, qui pourraient être émulés ou disponibles dans le commerce. Il existe un point de test pour examiner l’interface entre la CU et la DU, et un point pour examiner l’entrée/sortie RF RU, mais la DU et la RU sont combinées en tant que matériel sous test (DUT). Cela laisse l’interface FH entre la DU et la RU non testée lors de l’utilisation d’un stimulus actif et uniquement considérée pour la surveillance passive.

^{Figure 6 : Configuration de test O-RAN, active (gauche) et passive (droite) (Source : O-RAN).}

Il existe deux types de tests actifs à considérer pour l’interface FH : les tests de protocole et les tests paramétriques. O-RAN a démontré que les tests de protocole sont nécessaires pour la validation et le dépannage des cas de test. Disposer d’outils de test pour valider les conceptions pendant le développement est essentiel pour la réussite des interfaces avec d’autres dispositifs conformes O-RAN. Une fois la conception finalisée et que les DU et RU entrent dans les étapes de validation et de production, les tests paramétriques garantissent que chaque unité fonctionne comme prévu.

​La RU est un composant critique de la station de base O-RAN. Elle fournit la couche PHY basse, connectant les UE au RAN. De l’autre côté, elle fournit une connexion via l’interface O-RAN FH à la DU. La RU est un composant évolutif, de sorte que de nombreuses RU peuvent se connecter à une seule DU et une RU spécifique ayant plusieurs antennes pour se connecter à plusieurs UE simultanément. Cette configuration signifie également qu’il s’agit du composant le plus présent dans la station de base avec le plus grand nombre de points de test ; à ce titre, des délais de test rapides deviennent essentiels à l’efficacité opérationnelle. NI a tenu compte de ces considérations pour créer des solutions de test de validation et de production capables de répondre à ces exigences.

Validation des RU O-RAN

​En collaborant avec Spirent, nous avons créé une solution de validation complète des RU O-RAN. Avec une interface graphique unique entièrement automatisée qui contrôle l’UE, l’émulateur de voie RF, la RU (DUT), la DU, la CU et le noyau (EPC/5GC), la collaboration entre NI et Spirent fournit aux utilisateurs des tests fonctionnels et de performances de bout en bout; ainsi que des capacités complètes de validation RU, le tout dans une plate-forme de test intégrée et connectée.

^{Figure 7 : Diagramme de validation RU avec Spirent et NI.}

Principales fonctionnalités :

1. Interface graphique unique entièrement automatisée qui contrôle UE, émulateur de voies RF, RU (DUT), DU, CU et cœur (EPC/5GC)
2. Émulation de réseau temps réel pour DU, CU, cœur et UE
3. Tracé de données en temps réel pour les performances des données (KPI) et les messages sans fil
4. Tests fonctionnels et de performances sections 4 et 5 des spécifications de test de bout en bout TIFG Alliance O-RAN
5. Tests de performances de sensibilité O-RU avancés pour l’évaluation des performances O-RU et les tests de gamme dynamique proche et éloignée
6. Matériel entièrement intégré basé sur la plate-forme PXI pour une instrumentation évolutive et hautes performances

Test en production des RU O-RAN

La solution de test en production RU O-RAN de NI fournit des tests rapides et efficaces pendant la fabrication des RU. Avec un contrôle du DUT RF et numérique sur la même interface de test et d’automatisation, un cadencement et une synchronisation supérieurs grâce à l’instrumentation NI, une liaison frontale temps réel et une émulation de DU haut débit, cette solution fournit un test en production des RU efficace, rapide et rentable.

Grâce aux partenaires NI, cette solution permet de réduire le coût global des tests et les délais de mise sur le marché.

^{Figure 8 : Diagramme du test en production des RU O-RAN.}

Principales fonctionnalités :

1. Enregistrement et relecture d’émulation de DU à haut débit
2. Contrôle intégré du DUT
3. Cas de test O-RAN et RAN traditionnel pour le test en production
4. Adaptation aux normes sans fil en constante évolution avec les VST PXI
5. Délais de test rapides avec RU à quatre couches et mesures répertoriées
6. Plate-forme de test rentable avec un faible encombrement

O-RAN poursuit trois objectifs :

• Création d’un RAN plus intelligent qui tire parti de la capacité de virtualisation des éléments du réseau afin de bénéficier d’un gain d’efficacité maximal
• Prise en charge du matériel en boîte blanche pour les solutions réseau multifournisseurs
• Création d’interfaces standardisées entre les composants réseau

En menant à bien ces initiatives clés, O-RAN vise à faire évoluer les réseaux pour qu’ils soient plus pérennes et intègrent des fonctionnalités et des cas d’utilisation promis par la 5G, tels que l’URLLC. L’interface FH est particulièrement complexe en raison de la faible latence requise pour les communications DU-vers-RU. Le WG4 d’O-RAN progresse dans la définition de cette interface et les entreprises commencent à construire des RU compatibles O-RAN afin de se connecter à d’autres matériels compatibles O-RAN. Il est important de pouvoir valider et tester l’interface DU-RU à la fois dans les étapes de conception et de validation, ainsi que dans les tests en production, à mesure que cette nouvelle technologie apparaît sur le marché. En proposant du matériel et des logiciels de test IoT, ainsi que des solutions complètes de validation des RU et de test en production, NI peut aider à accélérer la mise sur le marché de nouvelles RU conformes O-RAN. Le moment où O-RAN sera largement adoptée et utilisée dans les réseaux 5G reste incertain ; cependant, dès maintenant, l’alliance travaille activement à la mise en œuvre de nouvelles interfaces et cherche des moyens d’utiliser des solutions matérielles multifournisseurs pour construire des réseaux innovants afin d’améliorer et de faire progresser l’infrastructure des réseaux cellulaires.