گسترش استفاده از شبکههای مخابرات سلولی منجر به افزایش پیچیدگی این شبکهها شده است. این موضوع به نوبه خود هزینههای اپراتورها را افزایش داده است. از جمله بخشهایی که راهاندزی و نگهداری آن هزینههای زیادی بر اپراتورها تحمیل میکند، بخش دسترسی رادیویی شبکه (RAN) است. در حال حاضر بازار تجهیزات این بخش غیر رقابتی بوده و توسط تعداد محدودی فروشنده کنترل میشود. در سالهای اخیر به منظور مقابله با این بازار غیررقابتی مفهوم open RAN مورد توجه قرار گفته است. ایده اصلی در این حوزه، استانداردسازی و باز نمودن واسطهای بین بخشهای مختلف RAN به نحوی است که اپراتورها امکان تامین بخشهای مختلف شبکه (شامل نرمافزار و سختافزار) از فروشندگان متفاوت را داشته باشند. از آنجا که عمده پردازشهای مورد نیاز در RAN به صورت نرمافزاری قابل پیادهسازی است، توسعه نرمافزارهای متن باز برای RAN نیز در کنار استانداردسازی open RAN مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به معرفی مفهوم open RAN و معماری آن و نرمافزارهای متنباز توسعه داده شده برای آن پرداخته میشود.
مقدمه
شبکههای مخابرات سلولی در پنجاه سال گذشته دچار تحولات چشمگیری شدهاند، به طوری که از ارائه سرویس صوت[1] در نسل اول، به ارائه سرویسهای با نرخ بالا و تأخیر بسیار کم در کاربردهایی مانند بازیهای برخط[2] و خودروهای خودران[3]در نسل پنجم ارتقا یافتهاند. در طی این تحولات، پیچیدگی شبکهها، و به دنبال آن هزینههای سرمایهای (CAPEX[4]) و هزینههای عملیاتی (OPEX[5]) اپراتورها رشد قابل توجهی داشته است. بهمنظور حفظ حاشیه سود و همچنین ارائه سرویسهای مقرون به صرفه به کاربران، اپراتورها به دنبال راههایی هستند که هزینههای خود را تا حد ممکن کاهش دهند. مطابق آمار حدود 70 درصد از هزینههای اپراتورها مربوط به هزینههای راهاندازی، مدیریت و نگهداری شبکه دسترسی رادیوئی (RAN[6]) میشود [1]، بنابراین کاهش هزینهها در RAN بسیار مورد توجه است. در شبکههای سلولی فعلی، واسط[7]بین اجزای مختلف گرههای[8] RAN (بهعنوان نمونه واسط بین BBU[9] وRRU[10] در eNB) توسط فروشندگان[11] و به صورت اختصاصی شده پیادهسازی میشود، در نتیجه لازم است همه اجزای گرهها توسط یک فروشنده تأمین شوند. همین مطلب در مورد مؤلفههای نرمافزاری و سختافزاری نیز صادق است. به عبارت دیگر در شرایط موجود، اپراتورها ناگزیر از تامین تمام اجزای هریک از گرههای شبکه از یک فروشنده هستند. این موضوع سبب میشود که بازار RAN در اختیار تعداد محدودی فروشنده بوده و بنابراین غیر رقابتی باشد و اپراتورها در انتخاب اجزای شبکه آزادی عمل نداشته باشند.
در چند سال اخیر و به منظور مقابله با بازار غیررقابتی مفهوم open RAN مورد توجه قرار گفته است. ایده اصلی این است که با استانداردسازی و باز نمودن واسطهای بین اجزای مختلف RAN، این امکان برای اپراتورها فراهم شود که اجزای مختلف RAN را از فروشندگان متفاوت تهیه نمایند.
این روش منجر به ورود فروشندگان خرد به بازار شده، تنوع را برای اکوسیستم به ارمغان آورده، زمان ورود به بازار[12] را کم کرده، و در نهایت هزینههای اپراتور را کاهش میدهد. نکته قابل توجه این است که از پیشنیازهای بهرهگیری مناسب از واسطهای باز در شبکه، ماژولار بودن معماری شبکه است به نحوی که توابع مختلف به شکلی مناسب بین اجزای شبکه شکسته شده باشند.
در ادامه به اجزای شبکه دسترسی رادیوئی و شکست عملکردی[13]در RAN، معماری O-RAN، و نرمافزارهای متن باز توسعه داده شده در حوزه RAN پرداخته میشود.
کلمات کلیدی
Open RAN، شکست عملکردی، اتحادیه O-RAN، نرمافزارهای متنباز
اجزاء شبکه دسترسی رادیویی
لازمه بهرهگیری مناسب از استانداردسازی واسطهای باز در RAN، تفکیک توابع و ماژولار بودن ساختار گرههای RAN است. در نسخه 15 از استاندارد RAN ،3GPP به سه جزء واحد رادیوئی (RU[14])، واحد توزیعشده (DU[15]) و واحد متمرکز (CU[16])، مطابق شکل 1، تقسیمبندی شده است [2]. در حالت کلی تقسیمبندی وظایف بین این اجزا را میتوان به صورت زیر در نظر گرفت:
شکل 1: معماری RANا[2]
واحد رادیویی: این بخش وظیفه دریافت (و ارسال) سیگنال رادیویی از (به) تجهیزات کاربر و همچنین تقویت و دیجیتال (آنالوگ) نمودن آن را برعهده دارد. RU در نزدیکی آنتن قرار دارد یا در آن ادغام شده است. همچنین ممکن است پردازشهای زیرلایههای پایین لایه فیزیکی مانند IFFT (FFT) نیز در این واحد انجام گیرد.
واحد توزیعشده: پردازشهای بخشهای بالائی لایه فیزیکی و همچنین لایههای MAC[17] و RLC[18] از پشته پروتکلی در این واحد انجام میشود. هر DU میتواند ترافیک ورودی از چندین RU را ادغام و پردازش کند و ترافیک را بین چندین RU توزیع نماید. ارتباط RU و DU از طریق لینک fronthaul برقرار میشود.
واحد متمرکز: این بخش بین DU و شبکه هسته قرار دارد، و پردازشهای لایههای بالای پشته پروتکلی شامل RRC[19]، PDCP[20] و SDAP[21] را انجام میدهد. همان طور که در شکل دیده میشود، در CU صفحه کنترلی (CP[22]) از صفحه کاربر (UP[23]) تفکیک شده است. هر CU میتواند با چندین DU از طریق لینک midhaul ارتباط داشته باشد. لینک ارتباطی بین CU و هسته شبکه نیز backhaul است.
همانطور که در شکل 1، دیده میشود علاوه بر اجزای فوق، بخش کنترلکننده هوشمند RAN (RIC[24]) در شبکه در نظر گرفته شده است. این بخش بستری برای میزبانی برنامههای نرمافزاری در کاربردهای همنواسازی[25]، خودکارسازی، مدیریت و بهینهسازی RAN است.
براساس چگونگی تقسیم توابع بین اجزاء مختلف، گزینههای هشتگانهای برای شکست عملکرد مطابق شکل 2 در استاندارد دیده شده است که هریک نیازمندیهای متفاوتی داشته و بسته به شرایطی مانند نرخ دیتا در fronthaul و تأخیر موردنیاز قابل پیادهسازی هستند.
شکل 2: گزینههای مختلف در شکست توابع RAN بین RU ،DU و CU
در شرایطی که همه بخشهای RAN توسط یک فروشنده ارائه شوند، معمولا تأمین کننده تجهیزات از واسطهای اختصاصی خود برای برقراری ارتباط میان مولفههای مختلف استفاده میکند. اما در سناریوهایی که تجهیزات توسط چندین تولید کننده، توسعه داده شدهاند، لازم است واسطهای استاندارد بین اجزای مختلف پیادهسازی شود.
معماری O-RAN
شاید بتوان اتحادیه O-RAN[26] را به عنوان مهمترین بازیگر عرصه open RAN معرفی نمود. این اتحادیه در سال 2018 با مشارکت پنج اپراتور مطرح شامل AT&T ،China Mobile ،Deutsche Telekom ،NTT DOCOMO و Orange فرآیند استانداردسازی اجزای مختلف RAN و واسطهای بین آنها را با هدف باز نمودن و همچنین افزودن هوشمندی به RAN آغاز نمود. در کنار این هدف، و به منظور عملیاتی نمودن استانداردهای ارائه شده، این اتحادیه در زمینه تست و یکپارچهسازی نیز فعالیتهایی انجام میدهد و آزمایشگاههایی را در برخی کشورها برای تست و تأیید تجهیزات راهاندازی نموده است. این اتحادیه در همکاری با بنیاد لینوکس در سال 2019 با تشکیل جامعه نرمافزاری O-RAN (O-RAN SC[27]) گام مهمی در توسعه نرمافزارهای متنباز در حوزه RAN برداشته است.
نرمافزارهای متنباز در حوزه RAN
در دنیای نرمافزار، استفاده از راهکارهای مبتنی بر نرمافزارهای متن باز سابقه نسبتاً طولانی دارد. استفاده از نرمافزارهای متن باز علاوه بر هزینههای پایین تر، آزادی عمل بیشتری برای توسعهدهندگان ایجاد کرده و انعطاف بیشتری در توسعه محصول نهایی به همراه دارد. به دلیل مشارکت گروههای مختلف در توسعه، این نرمافزارها کیفیت بالایی دارند. همچنین با توجه به فراهم بودن امکان دسترسی به متن، این نرم افزارها دارای شفافیت بالاتری هستند. در شبکههای مخابرات سلولی نیز گرایش روز افزونی به استفاده از نرمافزار های متن باز بوجود آمده است. در حوزه RAN و با توجه به گسترش مفهوم open RAN و امکان تامین بخشهای نرمافزاری و سختافزاری از فروشندگان متفاوت، توسعه نرمافزارهای متنباز در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در ادامه به سه نمونه از پروژههای توسعه نرمافزارهای متن باز در این حوزه پرداخته میشود.
اتحادیه نرمافزار OpenAirInterface (OAI)ا[5]: این اتحادیه یک کنسرسیوم متشکل از اعضای صنعتی و تحقیقاتی است که در سال 2009 توسط EURECOM برای توسعه نرمافزارهای متنباز مورد نیاز در شبکههای سلولی ایجاد شده است. توسعه نرمافزارها در این پروژه از نسخه 8 استانداردهای 3GPP آغاز شده و همچنان ادامه دارد. در این پروژه به توسعه نرمافزار برای هر دو بخش هسته و رادیوی شبکه سلولی پرداخته شده است. نرمافزار توسعه داده شده قابلیت اجرا بر روی سختافزارهای عمومی و همچنین اتصال به تجهیزات کاربری از طریق USRP[31] را دارد. در مقایسه با نسل چهارم (4G)، پیادهسازی استانداردهای نسل پنجم (5G) در مراحل اولیه است. در نقشه راه تعیین شده برای توسعه شبکه 5G، در فاز اول راهاندازی 5G NSA[32] در دستور کار قرار دارد. در ادامه با توسعه هسته 5G، شبکه به صورت 5G SA پیادهسازی خواهد شد. از نکات قابل توجه در پروژه OAI، انطباق آن با مستندات 3GPP، وجود برنامه بلند مدت در توسعه نرمافزار، و مستندسازی خوب است.
شکل 3: معماری O-RAN
جامعه نرمافزاری O-RAN ، O-RAN SC[33]ا[6]: این جامعه در سال 2019 با هدف توسعه نرمافزارهای متنباز مبتنی بر استانداردهای O-RAN ایجاد شد. توسعه نرمافزار برای اجزای مختلف RAN و واسطهای آنها در پروژههای 11 گانهای انجام میشود، و هر شش ماه یکبار نسخه جدید نرمافزار منتشر میگردد. از مزایای این پروژه میتوان به انطباق آن با استانداردهای O-RAN و مستندسازی مناسب نام برد. این پروژه محدود به بخش رادیوئی شبکه است. همچنین توسعه نرمافزار برای بخش O-CU در سال 2020 متوقف شده است.
پروژه srsRANا[7]: این پروژه در ابتدا با نام srsLTE به توسعه نرمافزار برای 4G پرداخته است. با اضافه شدن توسعه نرمافزار بخش رادیوئی 5G نام پروژه به srsRAN تغییر کرد. پیادهسازی 5G در این پروژه در فازهای مقدماتی بوده و در حال حاضر به 5G NSA محدود است. همچنین همه لایههای پشته پروتکلی استاندارد شده توسط 3GPP در نرمافزار توسعه داده شده پیادهسازی نشدهاند.
جمعبندی
با توجه به علاقه اپراتورها به کاهش هزینهها از طریق رقابتی شدن بازار تجهیزات، در این مقاله به بررسی مفهوم open RAN به عنوان مولفهای مهم در ورود فروشندگان خرد به بازار تجهیزات RAN پرداخته شد. ساختار ماژولار RAN برای پیادهسازی این مفهوم ارائه گردید. با توجه به فعالیت قابل توجه اتحادیه O-RAN در استانداردسازی و توسعه open RAN، معماری ارائه شده توسط این نهاد به اختصار مورد بررسی قرار گرفت. از آنجا که در open RAN امکان تامین بخشهای نرمافزاری و سختافزاری از فروشندگان مختلف وجود دارد و با توجه به مزایای نرمافزارهای متن باز (مانند هزینههای کم و شفافیت بالا)، نمونههایی از نرمافزارهای متن باز توسعه داده شده برای RAN نیز در این مقاله معرفی گردیدند.
منابع
[1] J. Wang, H. Roy, C. Kelly, “Openran: The Next Generation of Radio Access Networks,” Accenture strategy, 2019.
[2] L. M. Larsen, A. Checko, and H. L. Christiansen, “A survey of the functional splits proposed for 5g mobile crosshaul networks,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2018.
[3] 3GPP, “5G; NG-RAN; Architecture description,” TS 38.401 v. 15.2.0, July 2018.
[4] O-RAN Working Group 1, “O-RAN Architecture Description 6.00,” ORAN. WG1.O-RAN- Architecture-Description-v05.00 Technical Specification, March 2022.
[5] https://openairinterface.org/
[6] https://wiki.o-ran-sc.org/
پینوشت
[1] Voice
[2] Online gaming
[3] Autonomous car
[4] Capital expenditures
[5] Operational expenditure
[6] Radio Access Network
[7] interface
[8] Nodes
[9] Baseband Unit
[10] Remote Radio Unit
[11] Vendors
[12] Time to market
[13] Functional split
[14] Radio Unit
[15] Distributed Unit
[16] Centralized Unit
[17] Media Access Control
[18] Radio link control
[19] Radio Resource Control
[20] Packet Data Convergence Protocol
[21] Service Data Adaptation Protocol
[22] Control Plane
[23] User Plane
[24] RAN Intelligent Control
[25] orchestration
[26] O-RAN Alliance
[27] O-RAN Software Community
[28] Near real time RIC
[29] Non real time RIC
[30] Service Management and Orchestration
[31] Universal Software Radio Peripheral
[32] Non-standalone
[33] O-RAN Software Community
