Сети открытого радиодоступа (O-RAN) становятся все более значимыми в мире мобильных технологий. O-RAN представляет собой новый подход к организации радиосетей, разделяя их на три ключевых компонента:
1. Радиоузел (RU) — отвечает за прием и передачу сигналов в рамках сети.
2. Распределенное устройство (DU) — отвечает за распределение и обработку данных между различными устройствами.
3. Централизованное устройство (CU) — объединяет и координирует работу всех компонентов.
Каждый из этих компонентов имеет свою аппаратную и программную платформу, что позволяет создавать гибкие и инновационные решения.
O-RAN способствует развитию конкуренции на рынке радиооборудования, привлекая новых производителей и позволяя им предлагать уникальные конкурентные преимущества. Это приводит к созданию более разнообразной экосистемы поставщиков RAN, где операторы могут выбирать компоненты от различных компаний, не ограничиваясь одним единственным поставщиком.
Разделение аппаратного и программного обеспечения открывает двери для виртуализации. Благодаря этому значительная часть сетевых функций может быть реализована на коммерчески доступном оборудовании или процессорах общего назначения, что значительно снижает затраты на инфраструктуру. Виртуализация также обеспечивает «облачность», при которой многие функции распределяются между несколькими серверами, обычно объединёнными в одном или нескольких центрах обработки данных.
Рисунок 1. Функциональное разделение между CU и DU.
Для того чтобы корпоративные сети были успешными и получили широкое признание, крайне важны стандартизация интерфейсов и подтверждённая совместимость.
Компания 3GPP изучила различные варианты разделения функций между сетями CU и DU, как это показано на рисунке 1.
Альянс O-RAN остановился на следующих вариантах:
- 3GPP split option 2 для интерфейса между CU и DU.
- 3GPP split option 7 для интерфейса между DU и RU.
Централизация уровня протокола конвергенции пакетных данных (PDCP) позволяет гибко масштабировать сеть в зависимости от нагрузки на пользовательский уровень трафика.
Альянс O-RAN выбрал так называемый разделенный вариант 2-2, который позволяет выделить U-плоскость, сохраняя при этом централизованный контроллер радиоресурсов и менеджера радиоресурсов.
Для взаимодействия между DU и RU Альянс O-RAN выбрал разделение на внутрифизическом уровне (PHY), то есть между низким уровнем PHY и высоким уровнем PHY.
Рисунок 2. Разделение функций сети на CU, DU и RU.
На рисунке 2 представлено высокоуровневое функциональное разделение на три основных компонента: центральный узел (CU), узел доступа (DU) и удалённый узел (RU). Канал связи между RU и DU называется передним каналом, а канал между CU и DU — промежуточным каналом.
В системе предусмотрены различные контуры управления, что позволяет допускать разные задержки. Наиболее важным интерфейсом является передний канал, который обычно выдерживает задержки до 160 микросекунд. Если для подключения RU к DU используется двухточечное соединение, то расстояние между ними может достигать 30 километров.
В данной статье основное внимание уделяется сетевому интерфейсу fronthaul и соответствующему архитектурному разделению. При выборе интерфейса fronthaul следует учитывать несколько ключевых факторов:
1.Транспортная пропускная способность. Как показано на рисунке 1, требуемая скорость передачи данных уменьшается слева направо (интерфейс опции 8 между PHY и RF). Выбранное разделение обеспечивает разумный баланс между гибкостью и алгоритмической дифференциацией при умеренных требованиях к скорости.
2. Разделение архитектуры. Разделение должно соответствовать концепции архитектуры O-RAN, где аппаратное и программное обеспечение не зависят от конкретного поставщика.
3. Производительность радиостанции. Производительность радиостанции зависит не только от аппаратного обеспечения, но и от того, как обрабатываются сигналы. Чтобы быть конкурентоспособной на рынке, операционная система должна обеспечивать производительность, сопоставимую с традиционными системами от одного производителя.
Архитектурное разделение способствует внедрению инноваций и созданию разнообразных решений. Оно не должно ограничивать использование определённых алгоритмов обработки или исключать альтернативные методы.
Альянс O-RAN выбрал интерфейс, который описывает радиооборудование с чётко определёнными и понятными функциями обработки. Эти функции жёстко контролируются DU и его программным обеспечением.
Совместимость — это ключевой фактор, который определит успех O-RAN на рынке. Чтобы обеспечить совместимость, архитектурное разделение должно гарантировать наличие интерфейса, понятного любому разработчику. Этот интерфейс должен быть чётко описан, не оставляя места для интерпретаций, и тщательно протестирован на совместимость.
Рисунок 3. Архитектура O-RAN.
Альянс O-RAN разработал интерфейс, известный как 7.2x. В этом интерфейсе функция O-RAN fronthaul располагается между отображением элементов ресурсов в базовом устройстве (DU) и частотно-временным преобразованием в радиоузле (RU).
В процессе нисходящей связи осуществляется обратное БПФ (iFFT) и добавление циклического префикса (CP). На этапе восходящей связи происходит удаление CP и вычисление БПФ (см. рисунок 3).
Следует отметить, что не для всех категорий RU все блоки обработки, выделенные пунктиром на рисунке, являются обязательными. Для некоторых категорий RU предварительное кодирование может выполняться в радиоузле, что исключает необходимость предварительного кодирования в базовом устройстве.
В случае использования радиостанций с поддержкой mMIMO интерфейс включает цифровое формирование луча на стороне радиоузла. В обычных же радиостанциях, где обычно имеется лишь небольшое количество приемопередатчиков, цифровое формирование луча не применяется.
Кроме того, Альянс O-RAN выделяет две категории O-RU: A и B.. Архитектура категории B поддерживает предварительное кодирование MIMO в O-RU, в то время как категория A не имеет такой функции. O-RU категории B обеспечивает поддержку сжатия модуляции, что позволяет сократить полосу пропускания на переднем плане, перенося функцию модуляции на O-RU.
Помимо пользовательского трафика, обрабатываемого так называемой U-плоскостью интерфейса fronthaul, O-RAN определяет три другие плоскости: M-плоскость для управления данными, C-плоскость для управления в режиме, близком к реальному времени, и S-плоскость для синхронизации (частоты и время).
M-плоскость в основном используется для настройки RU, считывания информации о состоянии и обработки ошибок и аварийных сигналов. Она полностью основана на протоколе NETCONF, XML-протоколе для настройки сетевого устройства и запроса его работы. В качестве языка моделирования данных он использует YANG. Типичные конфигурационные данные включают:
- Настройка несущей частоты, включая центральную частоту, полосу пропускания и уровень мощности.
- Отображение уровней антенны.
- Полная перезагрузка программного обеспечения RU.
- Обновление программного обеспечения O-RU, поскольку M-плоскость поддерживает загрузку изображений всего программного обеспечения.
Типичные параметры, которые можно запросить о состоянии операционной системы и общей информации:
- Физическая структура излучающей панели антенны.
- Состояние синхронизации часов.
- Версия интерфейса Fronthaul.
- Информация о поддерживаемых типах секций C- и U-образной плоскостей и расширениях.
- Аварийные сигналы состояния загрузки.
- Счетчики производительности, такие как количество принятых пакетов и количество пакетов данных U-образной плоскости, полученных вовремя, с опозданием или поврежденных.
Излучающая панель представляет собой прямоугольный массив излучающих элементов, которые расположены равномерно и могут независимо управляться. Эта информация необходима для O-DU, чтобы рассчитать коэффициенты формирования луча, необходимые для создания желаемых направлений. Коэффициенты формирования луча определяют форму и направление луча.
В системах mMIMO обычно используется различный набор весовых коэффициентов формирования луча для каждого временного интервала передачи. Однако изменения могут происходить с такой же частотой, как и для каждого символа OFDM.
Как уже упоминалось, Альянс O-RAN придерживается концепции разукрупнения аппаратного и программного обеспечения. В соответствии с этой концепцией, была определена радиостанция (O-RU), управляемая O-DU. На O-DU находятся алгоритмы оценки канала, вычисления веса и планирования пользователей, которые работают практически в режиме реального времени.
Трафик, необходимый для предоставления весовых коэффициентов для формирования луча, может быть значительным и иметь тот же порядок величины, что и трафик пользовательской плоскости. В связи с этим, в спецификации O-RAN предусмотрены различные способы уменьшения трафика.
Для правильной работы сотовой сети радиостанции должны быть синхронизированы с точностью ±25 пикосекунд по частоте и ±1,5 микросекунды по времени. Спецификация O-RAN предлагает несколько способов синхронизации радиостанций с сетью, но основным методом является протокол IEEE 1588, также известный как протокол точного времени (PTP).
Протокол PTP основан на измерении времени поступления IP-пакетов. Однако, поскольку IP-трафик может быть подвержен дрожаниям, для достижения желаемой точности частоты требуется значительное время наблюдения.
В O-RAN предусмотрена функция SyncE, которая использует линейную частоту для передачи тактовых сигналов от источника (например, от O-DU или коммутатора) к O-RU. Стандарт IEEE 1588 также определяет аппаратные функции, встроенные в коммутаторы и маршрутизаторы, что позволяет корректировать временные метки из-за задержек, связанных с этими сетевыми элементами.. Поскольку не все сетевые устройства могут быть оснащены этой функцией, оценить задержки может быть сложно.
В некоторых ситуациях задержка, возникающая при передаче пакетов через сеть, может быть недопустимой. O-RAN предлагает альтернативный подход к синхронизации O-RU с помощью GPS.
Каждый O-RU оснащён встроенным GPS-приёмником, который позволяет синхронизировать устройство с точными часами и временем, получаемыми от GPS (см. рисунок 4). Несколько O-RU на одном объекте получают сигнал GPS от общей активной антенны, и каждый из них имеет собственный GPS-приёмник.
O-RUs подключаются к O-DU, который может находиться на том же объекте или на расстоянии до 30 км, например, в центре обработки данных. O-DU получает синхронизацию времени по сети от внешнего сервера времени. Альтернативно, он может быть оснащён собственным GPS-приёмником.
В случае сбоя синхронизации GPS, O-DU может обеспечить синхронизацию частоты и времени с O-RUs, что служит надёжным резервным вариантом.
Рисунок 4. Система, использующая GPS в RU.
В некоторых случаях операторы могут заключать соглашения о перекрестном лицензировании, которые позволяют им использовать спектр другого оператора для предоставления совместных услуг. Это явление известно как RAN с несколькими операторами (MORAN).
С точки зрения O-RU (Open Radio Access Network), существует две основные архитектуры для совместного использования:
- Каждый оператор имеет свой собственный O-DU (Open Data Unit), и O-RU функционирует как два независимых RUS (Radio Unit System) для DU.
- Операторы совместно используют только O-RU и O-DU. MORAN становится прозрачным для всех пользователей.
Такая архитектура накладывает определенные ограничения, такие как согласованная дуплексная передача данных с временным разделением (TDD) по нисходящей и восходящей линиям связи в сетях обоих операторов. Это требует тщательного контроля во избежание конфликтов.
Рисунок 5. Типичная антенна mMIMO: полная антенная решетка (а) и подмассива (б).
Архитектура радиосвязи для mMIMO
Интерфейс O-RAN fronthaul способен поддерживать как обычные радиостанции с двумя или четырьмя приемопередатчиками, так и mMIMO-устройства. MIMO представляет собой технологию, которая увеличивает пропускную способность мобильной сети, используя пространство. Принцип «множественный вход, множественный выход» относится к радиоканалу.
Несколько передатчиков отправляют сигналы, которые принимаются несколькими приемниками. Усовершенствованные методы канального кодирования и алгоритмы обработки сигналов позволяют отделить передаваемые сигналы от принимаемых, если условия распространения позволяют это сделать.
mMIMO используется, когда количество отдельных антенных терминалов (пользователей), которые осуществляют передачу на заданной частоте и в определенное время, значительно меньше, чем количество принимающих антенн базовой станции.
Технология TDD, опорные последовательности и обратная связь от терминалов к базовой станции помогают применять те же принципы к нисходящей линии связи.
Как правило, чем больше приемопередатчиков в системе mMIMO, тем больше пользователей она может обслужить через один канал связи, если характеристики распространения позволяют различать пользователей. Стандарты 3GPP предусматривают использование до 256 приемопередатчиков.
Однако, учитывая, что с увеличением количества приемопередатчиков растут затраты и энергопотребление, на практике базовые станции mMIMO могут иметь конфигурации от 16 передатчиков и 16 приемников (16T16R) до 64 передатчиков и 64 приемников (64T64R).
Антенны в системе mMIMO образуют решетку, где каждая антенна может состоять из подмассива антенных элементов. На рисунке 5 представлена типичная схема панели 64T64R.
Антенная решетка имеет размеры 12 на 8 (см. рисунок 5a) и состоит из 32 поляризованных подрешеток. Каждая подрешетка включает в себя шесть антенных элементов, из которых три работают с отрицательной поляризацией, обозначенной как «np», а остальные три — с положительной поляризацией, известной как «pp» (см. рисунок 5b).
В случае обычных пассивных антенн, используемых на базовых станциях, одним из ключевых факторов является коэффициент усиления антенны. Этот коэффициент определяет, насколько эффективно антенна может передавать сигнал. Он рассчитывается как отношение максимальной мощности излучения, достигаемой под определённым углом, к мощности, которую излучала бы гипотетическая антенна, если бы она передавала ту же общую мощность изотропно, то есть равномерно распределяла её по всей сфере.
При этом предполагается, что гипотетическая антенна излучает всю мощность без потерь между своим антенным портом и свободным пространством. Если на входе антенны обе антенны имеют одинаковую мощность, то в зоне прямой видимости мощность излучения направленной антенны будет больше, чем у изотропной антенны, на коэффициент усиления.
Чтобы иметь возможность сравнивать с традиционными архитектурами радиосвязи, которые используют удалённые радиоголовки и отдельные пассивные антенны, 3GPP разработала эталонную архитектуру для mMIMO.
Эта эталонная архитектура предлагает две точки отсчёта для проводимых и излучаемых измерений, предполагая, что к составной антенне подключена матрица приемопередающих устройств (см. рисунок 6). Матрица приемопередающих устройств включает в себя как передатчики, так и приёмники, генерирует модулированные передаваемые сигналы и осуществляет комбинирование и демодуляцию принимаемых сигналов.
Составная антенна состоит из сети распределения радиосигнала и антенной решетки. Граница между решёткой приемопередающих устройств и составной антенной называется границей приемопередающей решетки (TAB).
Среди двух точек отсчёта, определённых 3GPP, есть вкладка для проведённых измерений и область дальнего поля для измерений излучения, также известная как измерения в воздухе.
Рисунок 6. Точки отсчета, излучаемые и проводимые AAS.
Выходная радиочастотная мощность передатчика определяет как скорость передачи данных, так и зону покрытия. Обычно под выходной мощностью подразумевают общую мощность всех приемопередатчиков, которая измеряется на входе.
Мощность излучения измеряется в эффективной изотропной мощности излучения (EIRP), которая учитывает коэффициент усиления составной антенны. Например, радиопанель, обеспечивающая радиочастотную мощность 200 Вт (53 дБм) на входе, и питающая антенную решетку с коэффициентом усиления 25 дБи на оси, будет иметь общую мощность, измеренную на оси, равную 78 дБм EIRP.
Согласно теории антенных решеток, диаграмма направленности антенны в дальней зоне линейной решетки является результатом соотношения одноэлементной диаграммы направленности и коэффициента усиления (AF). При этом все антенные элементы должны быть одного типа, направлены в одном направлении и возбуждены с одинаковой мощностью.
Автофокусировка — это диаграмма направленности излучения в дальней зоне от множества изотропных излучателей. Если между излучающими элементами нет связи, линейная матрица с 12 строками и восемью столбцами, с расстоянием между элементами, равным половине длины волны (λ/2), будет иметь значение автофокусировки 96 (или 19,8 дБ).
Соединение между элементами уменьшает автофокусировку, и минимизировать взаимодействие можно только при правильной конструкции. Однако это становится всё более трудным, когда расстояние между элементами становится меньше длины волны, в частности меньше λ/2.
Рисунок 7. Типичная диаграмма направленности азимутальной антенны для пользовательского луча при 0°.
Боковые лепестки представляют собой ещё одну важную характеристику антенных решёток. Уровень боковых лепестков (SLL) определяется как максимальная мощность, излучаемая боковыми лепестками, по отношению к мощности основного лепестка.
Также часто используется обратная величина, которая представляет собой соотношение между мощностью в направлении основного лепестка и максимальным уровнем боковых лепестков. Это соотношение известно как уровень подавления боковых лепестков (SLS).
В антеннах с множественной-вход-множественная-выход (mMIMO) фактическая диаграмма направленности зависит от диаграмм направленности подмассивов и амплитудно-фазовых соотношений между ними. Эти соотношения определяются вектором формирования луча, который применяется к формирователю луча.
Вектор формирования луча, обеспечивающий диаграмму направленности с наименьшими уровнями боковых лепестков, обычно использует различные значения фазы и амплитуды.
Чтобы достичь максимальной выходной мощности, все амплитуды должны быть одинаковыми. Для сравнения характеристик излучения различных активных антенных блоков (AAU) в технологии mMIMO можно изменять только фазы в векторе формирования луча. При этом амплитуды должны оставаться неизменными.
На рисунке 7 представлена типичная диаграмма направленности при уровне боковых лепестков (SLS) менее -16 дБ.
Архитектура O-RAN MMIMO
В архитектуре mMIMO AAU, RU (радиоузел) может быть разделен на различные функциональные блоки (см. рис. 8). Некоторые из этих блоков, такие как приемопередатчики, используются многократно, в то время как другие, например, интерфейс fronthaul, необходимы только один раз для связи между O-RU и O-DU (устройством доступа). К числу одноразовых функций относятся формирователь луча, синхронизация часов, а также управление и контроль.
Рисунок 8. Типичная архитектура RU для AAU mMIMO.
Fronthaul функционирует через интерфейс Ethernet и делится на несколько плоскостей: C-, U-, S- и M-плоскости. Интерпретатор и менеджер M-плоскости взаимодействуют с контроллером O-RU, который отвечает за настройку и мониторинг общего состояния устройства.
Контроллер O-RU измеряет множество параметров, включая потребляемую мощность, температуру, выходную мощность, а также относительную амплитудную и фазовую точность как для приема (Rx), так и для передачи (Tx). Это позволяет DU использовать взаимодополняемость каналов.
Устройство оснащено несколькими счетчиками событий, которые передают статистику, предупреждения и ошибки через M-plane либо в операционную систему, либо непосредственно в систему управления. Альянс O-RAN стандартизировал этот процесс как основу для управления сервисами и оркестрации.
Пакеты S-plane, соответствующие протоколу IEEE 1588 PTP, интерпретируются независимо. Информация о PTP используется для синхронизации часов O-RU с сетью. Как уже упоминалось ранее, встроенный GPS-приемник можно использовать в качестве альтернативных часов.
Рисунок 9. Элементы цифрового приемопередатчика.
Формирователь луча взаимодействует с NTx передатчиками и NRx приемниками. Если NTx = NRx = N, что обычно и происходит, то можно сказать, что формирователь луча подключается к N идентичным приемопередатчикам. Каждый из этих приемопередатчиков состоит из цифрового приемопередатчика и аналогового интерфейса.
На каждом уровне формирователь луча выполняет два матричных умножения для каждой поднесущей (SC). Во время передачи вектор блоков ресурсов, содержащихся на каждом уровне радиосвязи, умножается на матрицу формирования луча Tx, чтобы получить вектор SCs для каждого приемопередатчика. В процессе приема каждый вектор SCs, полученный от каждого приемопередатчика, умножается на формирователь луча Rx для формирования вектора SC для всех уровней.
На рисунке 9 показаны функции каждого цифрового приемопередатчика, который включает в себя low PHY и цифровой интерфейс.. Цифровой интерфейс предлагает такие функции, как фильтрация, настройка усиления и линеаризация, в цифровом формате. Низкоуровневый физический интерфейс (PHY) отвечает за частотно-временное преобразование и генерацию сигнала OFDM.
В нисходящем направлении сигналы SCS, которые содержат частотные данные, полученные от формирователя луча, преобразуются во временную область с помощью iFFT. Затем формируется сигнал OFDM, который дополняется циклической фазой (CP) и передается на цифровой интерфейс.
На цифровом интерфейсе происходит процесс повышения частоты, который включает в себя фильтрацию, сдвиг частоты сигнала основной полосы частот и цифро-аналоговое преобразование. Для нисходящей линии связи цифровой интерфейс также включает в себя уменьшение коэффициента усиления, что снижает отношение пиковой частоты к среднему значению сигнала OFDM, а также цифровое предварительное искажение (DPD), которое обеспечивает линейность усилителя мощности.
Сигналы восходящей линии связи, поступающие от аналогового интерфейса, преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей. Затем происходит цифровое преобразование с понижением частоты в основную полосу частот. Во время этого процесса CP удаляется, и сигнал преобразуется обратно в частотную область с помощью БПФ.. После этого символы OFDM отправляются в формирователь луча Rx. Low PHY также включает в себя специализированные функции для фильтрации физического канала произвольного доступа (PRACH) и звукового опорного сигнала (SRS). Эти сигналы PRACH и SRS передаются на интерфейс fronthaul, где O-DU осуществляет их дальнейшую обработку.
Аналоговый интерфейс (AFE) подключается к излучающей панели и включает в себя аналоговые компоненты, такие как усилители мощности, фильтры, драйверы и стабилизаторы. Также в его состав могут входить переключатели и циркуляторы. AFE служит для усиления сигналов как передачи, так и приёма, которые поступают на антенны и исходят от них. Он должен гарантировать достаточный динамический диапазон для каналов приёма и передачи, изолировать их и предотвращать любые помехи, создаваемые каскадами усилителя мощности. Излучающая панель спроектирована таким образом, чтобы обеспечить необходимое усиление для системы mMIMO, а также для горизонтального и вертикального рулевого управления.
В этой статье мы предлагаем руководство по архитектуре O-RAN и подходу к стандартизации интерфейсов между радиоуправляемыми узлами (RU), устройствами (DU) и центрами управления (CU). Наша цель — обеспечить функциональную совместимость и создать благоприятную среду для новых участников и сетевых инноваций.
mMIMO — это одна из реализаций RAN, предназначенная для увеличения пропускной способности данных в районах с интенсивным мобильным трафиком. В статье мы подробно рассмотрели функциональную архитектуру mMIMO RAN, которая соответствует спецификациям O-RAN.
В следующей статье мы углубимся в архитектуру mMIMO и рабочие параметры RU, применяя эти концепции к проектированию двух адаптивных антенных усилителей (AAU): один для североамериканского диапазона от 3,7 до 3,98 ГГц, а другой — для европейского диапазона от 3,3 до 3,8 ГГц.