5G RAN的开放之路

2021年7月24日,由江苏省未来网络创新研究院主办、SDNLAB承办的2021中国5G网络创新论坛上,多家机构谈到了RAN发展进展,我们对此进行整理,以飨读者。

截至2021年4月,全球68个国家162个运营商推出了5G服务。近期数据显示,国内已经建成5G基站91.6万个,5G连接数已经超过3.65亿,5G共建共享基站超过40万个,已建成全球最大的5G SA网络。

5G标准持续演进,R17已经冻结,下一个五年的5G-Advanced已经启动,6G架构和关键技术已经在布局。但是,反观5G基站的建设进展,在国内,5G尚未实现全国覆盖,基站规模远远没达到全覆盖的程度。此外特定领域特定行业的2B2C应用,如智慧工厂、智慧交通,对5G覆盖的广度和深度提出了比4G时代更加苛刻的要求。在5G的发展路径图中,基站将占据重要地位。

工信部推出了5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023)年,提出5G覆盖水平不断提升,每万人拥有5G基站数超18个(按照全国13亿人口规模,需要建设5G基站234万个),建成超过3000个5G行业虚拟专网。未来基站建设规模巨大。

图1:RAN在5G(R15)全景图中的位置。RAN通过N2接口与AMF通信,通过N3接口与UPF交互。

5G RAN新需求

在业务与技术的双重驱动下,5G无线网络的架构也正在发生巨大变化。从模型驱动到数据驱动;从宏观规划到精准管控,从网络业务分域自治到网业协同、网随业动,从封闭系统到敏捷定制、生态开放。管理、控制及无线资源调度都逐步引入AI,提升RAN接入能力。基于云网融合的基础设施,将定制网络和AI能力产品化对外输出。无线智能管理从传统的OAM的FCAPS进一步演进支持智能无线切片管理,无线数据分析、意图策略管理、AI模型训练/推理等智能特性。

传统基站软硬件绑定,硬件高度定制化,不支持网络功能的虚拟化,无法满足未来网络智能化、动态化、协同化的要求。5G基站必须要走开放化的道路,匹配各种网络拓扑,适用业务密集区与业务稀疏区的不同要求,能够应用于室外和室内场景,支持多运营商共享;能够面向更加复杂杜多样的行业市场,需要通过智能化网络快速引入新能力,灵活满足行业客户的各种需要,为运营商拓展新的商业模式创造必要的技术条件;需要进一步降低成本,包括设备采购成本,运维成本,降低5G业务的使用门槛。

此外,从5G知识产权发展来看,截至2021年2月,在5G专利申请数量方面,华为以15.39%的比例占据全球第一,高通以11.24%排名第二,中兴以9.81%排名第三。绝大部分技术仍然由少数传统CT大所主导。 聚焦到RAN的建设,站点建设成本仍然居高不下。通过RAN的开放,构建5G发展的良好生态,降低技术门槛,共同繁荣5G产业生态。

对于运营商来说,需要提升议价权,降低部署成本(5G基站数量多得多,必须降低成本)。通过RAN的开放,分化市场,引入更多的供应商,激励软硬件创新。电信运营商可以获得RAN的控制权,经南向接口解决不同组件的互操作性,经北向接口开发丰富的应用和服务。统一运管平台,标准南向接口,APP式智能管控,基带系统软硬解耦,基带硬件通用,实现前传接口开放,射频白盒发展。

开放5G RAN的组织推进

国际国内,多个组织在共同推进5G RAN的开放工作。

O-RAN联盟:由运营商主导,于2018年2月发起成立,由C-RAN联盟(以中国企业为主)和xRAN论坛(以美日韩和欧洲企业为主)合并而成。该组织推动RAN接口开放化、硬件白盒化、软件开源化、网络智能化,打破传统封闭的RAN架构,降低RAN部署成本,提升RAN敏捷性和加速创新。主要工作是开发标准,作为3GPP标准的补充,包括9大工作组,确保多个供应商设备相互操作。

TIP(Telecom Infra Project 电信基础设施项目)Facebook 于2016年发起成立,目前已有超过500家成员,包括运营商、设备上、芯片商、IT商和系统集成商。关注基站软件和硬件的具体实施,采用O-RAN制定的标准通过开源软件和开放的通用硬件来模块化地建立基站,引入AI/ML相关技术,对RAN系统进行智能化地控制。

OSA:(OpenAirInterface 软件联盟)成立于 2014 年,由欧洲 EURECOM 公司创建,是法国的一家非营利软件基金会,其推出的OAI(Open Air Interface)开源软件系统,通过软件无线电(SDR)的方式实现通信系统。

OS-RAN联盟(开源无线电联盟),在科技部高技术研究发展中心指导下,由北京邮电大学联合10家创始单位发起成立,是国家重点研发计划“基于开源生态的无线协作环境”项目孵化的开源组织,致力于联合国内开源无线产业各方,推动中国开源无线技术研究、技术社区建设、开源产业发展。

5G RAN的开放体系

3GPP R15引入了CU和DU分离的RAN架构,定义了CU-CP(控制面)和CU-UP(用户面)之间的E1接口,以及CU与DU之间F1接口。
O-RAN进一步开放前传接口,在管理层和RAN引入了非实时RIC和近实时RIC控制器,新增了A1、E2、O1、O2等接口。

在5G RAN的开放之路上,有5个层面的开放。

1、架构开放
1)开放的云平台,区域云和边缘云,区域云上可以承载RIC,边缘云可以承载CU、DU。
2)多功能云基站,基于开放云平台的基站,可以实现多种网络功能的部署,实现资源的统一管理和编排。
2、功能开放
按照处理功能、实时性要求、功能模块之间的关系,将基站BBU拆分为DU和CU,将RRU与天线融合为AAU,引入无线控制器RIC,包括非实时部分和近实时。非实时RIC一般作为网管SMO的一部分,近实时RIC作为基站系统内部组成部分。

3、接口开放:
1)前传接口的开放,DU和RU间前传接口的用户面、控制面、管理面和同步面的开放;基站设备间接口的开放,包括CU-DU间F1接口、CU-CP和CU-UP间E1、基站间X2/Xn接口的开放。
2)控制接口的开放,在基站控制面构建开放的标准化接口,基站功能满足3GPP标准,利用开放接口对基站进行配置和管理,非实时RIC和近实时RIC间采用A1接口、近实时RIC和CU/DU间采用E2接口。

4、数据开放:
R15引入了NWDAF(数据感知分析网元),通过手机用户连接管理、移动性管理、会话管理、接入的业务等信息,对不同类型用户进行评估和分析,构建用户画像,确定用户的移动轨迹和业务使用习惯,以及预测用户行为,5G网络基于分析和预测数据,优化用户移动性管理参数和无线资源管理参数等。
网络感知产生包大小、周期等大数据信息构建业务特征,无线智能控制实时预测无线SLA、OoE满足状态,并基于预测利用无线业务保障策略优化能力进行调度策略优化,实时保障用户业务体验。面向行业OT对无线网络的差异化、定制化能力要求,通过开放API接口面向业务应用提供网络和管理能力开放,使能第三方应用的部署,从而构建开放无线智能应用生态。
终端参数的定制或优化,预测用户行为,优化用户移动性管理参数和无线资源管理参数;网络切片的优化,构建网络切片画像,优化网络切片资源分配和网络切片选择策略;业务路径优化,构建业务画像,确定业务的QoE和业务路径、5G QoS等内在关联,优化业务路径(优化UPF选择)、业务路由(优化URSP)、5G边缘计算、业务对应5G QoS等。
另一方面,通过数据开放,业务可以主动感知网络,预测无线空口状态(如用户速率、时延、抖动)从而实时调整,例如云游戏、VR的码率优化,更好的匹配网络状态,保障用户流畅的业务体验。RIC的xAPP应用,通过获取外部MEC应用的业务时长、业务周期等信息来进一步优化其无线资源的配置。对于外部应用APP,需要获取无线侧的信息(如小区信息、QoS参数、UE手机位置)进一步优化其业务性能。

5、运营模式开放
5G RAN支持多运营商接入,支持多业务接入,多租户接入。通过切片技术以及虚拟化技术。将不同要求的功能模块 部署到不同的位置,实现QoS优化。支持多运营商共建共享基站资源,降低建网成本。近实时RIC中包含多个xAPP,xAPP可以由第三方独立部署,通过AI推理模型和策略与不同的RAN功能关联。
国内,三大运营商基于开放式架构,将网络能力进一步拆分、组合、封装,形成产品支撑千行百业的发展。
电信基于开放架构制定了云改数转战略,为行业客户打造一体化定制融合服务,推出了“致远、比邻、如翼”三类服务模式,实现云网一体、按需定制。其推出的自研小站,综合考虑了蓝牙/UWB等多种接入方式,支持高精度定位算法,BBU采用全云化架构,支持无线网络能力开放为行业客户提供室内定位,网络能力动态调度等服务。
移动基于开放架构推出了“优享、专享、尊享”三种模式,构建了5G专网产品体系1.0,支撑5G专网产品体系和重点客户发展。
中国联通发布了CUBE-Net3.0 网络创新工程合作伙伴计划,开展全方位网络创新。

开放5G RAN的部署路径

结合技术发展及市场应用需求,开放5G RAN的部署并不是一蹴而就的,在由江苏省未来网络创新研究院主办,SDNLAB承办的“2021中国5G网络创新论坛”上,中国移动研究院无线与终端技术研究所王桂珍嘉宾的演讲获知,开放智能的无线接入网的构建可划分为三个阶段
第一阶段:针对现有的具备条件的硬件设施进行升级,依托无线开放接口和智控组件(RIC),打通基站、UPF、MEC等网元,实现基本的云网协同,降低基站建设成本。
第二阶段:构建无线云,统一承载云集站、无线智能组件、边缘计算等多种能力,北向支持SaaS应用,向行业客户、特定用户提供”云网融合的一站式综合服务,降低无线网络及边缘云服务成本。
第三阶段:基于移动的网络云和移动云进行基站云化部署,形成无线网+移动云的云网一体服务方案。实现无线服务能力整体上云,云网资源统一编排,打造向客户提供差异化云网融合的综合服务能力。

开放5G RAN部署情况

日本乐天:2020年开始使用ALtiostar、Airspan、诺基亚等公司的产品推出了多供应商开放网络。诺基亚开放其接口支持ALtiostar的软件,软件运行于Quanta的通用硬件,虚拟环境来自Cisco
DOCOMO:2019年9月基于O-RAN开放前传和X2首次实现了多供应商4G、5G基站互操作,2020年9月引入5G O-CU/DU,以及O-RU,2021年3月退出Open RAN生态系统,与合作伙伴一起推动向海外电信运营商提供Open RAN。

欧洲,德国电信、Orange、西班牙电信和沃达丰 2021年5月联合发布了《Open RAn系统的优先技术要求清单》,计划从2022年开始大规模部署Open RAN。分步实施,阶段部署,确保开放RAN与同类最佳的传统RAN解决方案达到同等水平。其中沃达丰已于2021年6月开始启动部署欧洲首个Open RAN商用网络(农村场景)。

截至2021年第一季度,全球已有23家运营商公开声明在网络中采用无线云网络。预计到2025年,全球运营商无线云网络将覆盖52.5%的用户。

需要解决的问题

接口规范尚未成熟。不同厂商的研发进度不同支持的特性不同,对标准规范的理解不同,跨厂商基站设备间的互通性测试工作、解耦工作需要长期进行下去。可以引入DevOps的理念,快速迭代,推进技术快速研发及上线、反馈,通过构建技术闭环快速推进产品演进。
运营商技术要求更高。5G NR的开放、解耦要求最终由运营商将各个模块通过标准化协议组装起来,形成完整的功能体,对外提供服务。
网络设备软件模块升级面临挑战。对于O-RAN开放、解耦架构体系,如何顺利、平滑的进行网络设备的升级、不同厂商的设备是否可以独立升级还是需要整体打包升级,都是亟须解决的问题。参考操作系统,将多家厂商设备及驱动融合在一起,可以独立升级,利用分层的思想上层应用体验更好。
网络安全问题更加严峻。开放,解耦使得模块间的通信机会增多,技术细节更加透明,当产生规模成为更大的价值网络后,完全问题不容忽视。O-DU和O-RU来自不同厂家时,O-DU不能完全控制O-RU,需要通过更高层来辅助管理,这会带来通过前传接口向O-DU北向系统发起中间人攻击的风险;近实时RIC与gNodeB之间尚未有明确的功能界限划分,可能会造成决策冲突、网络不稳定,攻击者可以利用恶意的xAPP故意触发与gNodeB相冲突的RRM决策而导致服务拒绝。此外,在O-RAN规范中也已经指出xAPP之间存在直接冲突、间接冲突、隐式冲突,冲突会导致网络不稳定或性能下降,攻击者就可能会利用这个漏洞来攻击网络,令网络存在安全风险。


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SDNLAB君 发表于21-08-06
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