Rambler's Top100
Статьи
Георгий БАШИЛОВ  11 июня 2020

OpenRAN: дорогой верною?

Внедрение технологий 5G – это не только рекордные скорости и минимальные задержки передачи данных, но и новые подходы к построению сетей сотовой связи, основанные на открытых стандартах.

Некоторые читатели, возможно, помнят времена, когда на разношерстном рынке персональных компьютеров, где бал правили «лабтамы», «амиги», «коммодоры», «атари» и другие самобытные устройства, появились компьютеры архитектуры IBM PC. Открытые интерфейсы и стандарты быстро сделали свое дело: ныне подавляющее большинство пользователей уже и не знают иных компьютерных архитектур. А некоторые подзабыли и компанию IBM, по крайней мере как производителя ПК и ноутбуков. 

Взаимозаменяемость отдельных компонентов настольных и все чаще мобильных компьютеров воспринимается сегодня как само собой разумеющаяся. Именно эта взаимозаменяемость и порождаемая ею конкурентная среда лежали в основе быстрого развития компьютерной индустрии и стремительного снижения цен на «мегабиты» и «мегагерцы».

Не исключено, что совсем скоро ситуация повторится на рынке сотовой связи: внедрение технологий 5G принесет с собой не только рекордные скорости и минимальные задержки передачи данных, но и новые подходы к построению операторских сетей.

Ах, эти… сотовые сети

Заметная часть установленных сегодня базовых станций построена в парадигме распределенной сети радиодоступа (Distributed RAN, D-RAN). В этой концепции базовые станции подключаются к ядру сети по интерфейсам PDH, SDH или Ethernet. Основу базовой станции составляет блок цифровой обработки радиосигнала (Base­band Unit, BBU), который размещается на земле, в непосредственной близости от сотовой вышки. Радиомодули (Remote Radio Unit, RRU) – их еще называют радиоголовками (Remote Radio Head, RRH) – устанавливают на вышке сотовой связи, в непосредственной близости от антенн.

Передача радиосигналов между BBU и RRU осуществляется через фронтхол (fronthaul), роль которого пару десятков лет исполнял коаксиальный кабель. Затухание в этом кабеле заметно ухудшало отношение сигнал/шум, надежность и качество связи. Замена коаксиала оптическим волокном, с одной стороны, привела к переносу функций оцифровки сигналов (АЦП/ЦАП) в радиомодули (и существенному улучшению параметров последних). С другой стороны, она сняла прежние ограничения на допустимое расстояние между модулями RRU и BBU. Определяющими стали задержки распространения сигналов и особенности радиопротоколов: как следствие, появилась возможность увеличить дистанцию между когда-то жестко привязанными друг к другу элементами базовой станции – BBU и RRU – до 20 и более километров.

От распределенной сети – к централизованной?

Сказано – сделано. Оптоволокно позволило объединить блоки BBU в едином центре цифровой обработки данных, что привело к распространению новой архитектуры построения сетей сотовой связи – C-RAN, впервые реализованной в 2010 г. на сетях China Telecom. Причем – сюрприз! – «C» в аббревиатуре C-RAN могло означать не только централизованную сеть радиодоступа (Centralised RAN), но и облачную – Cloud RAN. Эти понятия оказались тесно связанными и вместе определили новую архитектуру сетевого оборудования на узлах сотовой связи (рис. 1).


Рис. 1. Архитектура OpenRAN, основанная на принципах C-RAN

Перейдя к подключению радиомодулей с помощью оптоволоконного кабеля с его огромной пропускной способностью, операторы получили возможность не только разместить десятки блоков цифровой обработки в общих ЦОДах, но и использовать для задач специфической обработки радиосигналов коммерческое серверное оборудование, предлагаемое многочисленными производителями по конкурентным ценам. Высокоскоростной интерконнект с микросекундными задержками между серверами, на которых программно выполняются BBU, позволил «держать руку на пульсе» постоянно меняющейся, «дышащей» радиосети, предоставил возможность гибко распределять абонентов между базовыми станциями, обеспечивая им оптимальные условия приема и упрощая бесшовный роуминг между станциями.

Архитектура Cloud RAN дала возможность не только виртуализировать BBU и гибко управлять доступными вычислительными ресурсами, предоставляя их базовым станциям в соответствии с текущей нагрузкой (и плотностью абонентов) и минимизируя как энергозатраты на время простоя сотовой сети, так и потребность в самих вычислительных ресурсах. Последние получили возможность в определенных пределах «мигрировать» вслед за абонентами, снижая потребность в числе установленных серверов и, соответственно, затраты на развертывание сети.

Наряду с процессорами общего назначения BBU доступны ресурсы специализированных процессоров, реализующих задачи машинного интеллекта и цифровой обработки сигналов.

Подводя промежуточный итог, перечислим преимущества, которые принципиально отличают C-RAN от предыдущих сотовых архитектур:
  1. Централизованная обработка радиосигналов сотовой сети. Благодаря виртуализации один сервер может обслуживать несколько RRH, а расстояние между радиомодулем и ЦОДом может достигать 15–20 км для сетей 4G (LTE/LTE-A) и 40–80 км для сетей 3G и 2G.
  2. Возможность интеллектуальной обработки сигналов радиомодулей, входящих в общий пул, для уменьшения интерференции между базовыми станциями, управления нагрузкой на RRH и абонентскими подключениями, бесшовного переключения мобильных пользователей между зонами покрытия БС, повышения общей пропускной способности сети. Скорость передачи данных между BBU, входящими в пул, может превышать 10 Гбит/с, задержки и джиттер ограничены единицами и десятками микросекунд. 
  3. Виртуализация и управление ресурсами BBU на основе открытых платформ. Виртуализация ресурсов означает возможность их динамического распределения между базовыми станциями в зависимости от активности пользователей и, кроме того, отключения неиспользуемых BBU (а при определенных условиях даже RRH) для существенной экономии электроэнергии и снижения других операционных затрат. Блоки цифровой обработки построены на открытых программных платформах и серверах с открытыми архитектурами (x86/ARM/PowerPC/MIPS и др.) и объединены в пул стандартными высокоскоростными Ethernet-интерфейсами.
  4. Возможность централизованного использования коммерческих спецпроцессоров для обработки сигналов и предоставления сервисов. В частности, в октябре прошлого года Nvidia и RedHat объявили о совместном продвижении решений, основанных на RedHat Open Shift и платформе суперкомпьютерных вычислений Nvidia EGX, на телекоммуникационных рынках и прежде всего для сетей 5G. 
  5. Быстрое развертывание новых сервисов на базе открытого ПО и пулов BBU. Оператор независим от производителя оборудования BBU и может разрабатывать и предоставлять новые виды услуг самостоятельно или с помощью внешних интеграторов. 
Ethernet повсюду

Казалось бы, все в шоколаде – и операторы, и производители должны быть довольны. Но нет: узким местом в столь замечательной картине оказался интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface – общий открытый радиоинтерфейс) между RRU и BBU. Его разработка осуществлялась совместно ведущими производителями телеком-оборудования с целью стандартизации производства специализированных микросхем и снижения стоимости оборудования. Однако, несмотря на обещающее название (общий открытый), нюансы в реализации CPRI привели к несовместимости решений разных производителей. Кроме того, стандарт CPRI предполагал максимально простую структуру и функциональность радиомодулей, ограниченную АЦП, ЦАП и усилителями СВЧ, и использование отдельных лямбд или волокон на каждый из каналов MIMO. Следствием стала повышенная нагрузка на оптический фронтхол и крайне неэффективное использование оптических каналов. 

На решение проблем роста нацелен «улучшенный» стандарт CPRI (enhanced CPRI, eCPRI). Возможно, более точной была бы расшифровка Ethernet CPRI, но обо всем по порядку. 

Прежде всего, eCPRI соответствует открытым стандартам и, как подтверждают первые внедрения, обеспечивает взаимозаменяемость радиомодулей разных производителей. Кроме того, eCPRI разгрузит BBU от задач обработки многоканальных сигналов MIMO, уже только этим снижая нагрузку на сеть.

Среди других преимуществ eCPRI:
  • независимость от реальной топологии транспортной сети, выполнение поверх транспортного уровня; 
  • использование для подключения RRH стандартных Ethernet-коммутаторов и интерфейсов 10G/100G Ethernet;
  • возможность использования Ethernet-ком­му­таторов независимых производителей на трассе между ЦОДом и радиомодулем;
  • решение задач избыточности, безопасности, качества связи и т.д. стандартными средствами Ethernet-протоколов, в том числе приоритизация трафика eCPRI для уменьшения джиттера и задержек; 
  • возможность наряду с кадрами eCPRI передавать в реальном времени другие виды Ethernet-трафика.
Таким образом, внедрение eCPRI потенциально способно не только снизить нагрузку на оптический фронтхол оператора и устранить прежнюю зависимость от производителей радиомодулей. У оператора появляется возможность сочетать фронтхол и транспортную Ethernet-сеть в единой сети доступа и гибко модернизировать сеть с использованием лучших на данный момент решений.

Более того, универсальная (фронтхол поверх транспортной сети) архитектура eCPRI позволяет предоставить абонентам на прежней фронтхол-сети услуги не только мобильного, но и фиксированного доступа. В том числе беспроводного, на скоростях несколько гигабит в секунду. Напомним, в миллиметровом диапазоне длин волн клиентам становятся доступны недорогие гигабитные каналы «точка – точка». Зачастую такие линии строятся на модифицированном оборудовании 802.11ad. А стандарт 802.11ay, принятие которого ожидается уже этим летом, обещает дать операторам возможность развертывать гигабитные mesh-сети фиксированного доступа в диапазоне 60 ГГц (рис. 2). Сходное оборудование может применяться и для подключения по беспроводным каналам самих радиовыносов.

Рис. 2. Предоставление услуг фиксированного доступа в миллиметровом диапазоне средствами мультихоповой mesh-сети 802.11ay на скоростях до 4 Гбит/с

К слову, если вы гуляли по вечерней Москве, наверняка заметили, насколько красивой делает ее подсветка зданий, подчеркивающая и раскрывающая архитектурные формы и наполняющая старые районы неповторимым очарованием. Так вот, каждый светильник таких зданий – отличное место для установки беспроводного миллиметрового RRU.

Стандарты

Разумеется, все эти «молочные реки с кисельными берегами» будут невозможны без жесткого соответствия стандартам. Стандартизацией решений для сетей радиодоступа, основанных на архитектуре C-RAN с использованием протокола eCPRI, занимаются сегодня несколько комитетов, включая: 
  • OpenRAN (в рамках более масштабного проекта Telecom Infra – развития открытой телекоммуникационной инфраструктуры, продвигаемого компанией Facebook);
  • O-RAN – консорциум, образованный в феврале прошлого года пятью ведущими мировыми телеком-операторами: AT&T, China Mobile, Deutsche Telekom, NTT DoCoMo и Orange.
Собственные национальные стандарты и соответствующее им оборудование разрабатывают в России, Индии, Китае, Вьетнаме и множестве других стран.

За последние несколько месяцев вопрос из технологической плоскости сместился в политическую: обеспокоившись стремительным развитием Huawei, США ввели запрет на использование в стране оборудования этой компании стандарта 5G, лоббируют запреты в других государствах и инвестируют миллиарды долларов в разработку национального оборудования 5G OpenRAN.

Несмотря на кажущееся обилие альянсов и ассоциаций, можно отметить слаженность усилий разных игроков: некоторые из них участвуют сразу в нескольких комитетах стандартизации и при всей сложности стоящей задачи заинтересованы во взаимной совместимости выпускаемого оборудования. Несколько особняком стоит уже упомянутая Huawei: одной из первых предложив миру операторские решения для сетей 5G, сегодня она занимает выжидательную позицию, так и не присоединившись пока ни к одному из альянсов, продвигающих открытые стандарты. Возможно, готовится к патентным войнам?

Реалии

В нашей стране внедрение сетей 5G пока буксует. Выделены несколько опытных зон, медленно и осторожно решается вопрос с выделением частот. Ясно, пожалуй, одно: российские сети 5G будут строиться на российском оборудовании и ПО – или при максимально доступной и возможной их локализации. Предприятия «Ростеха» сосредоточились, видимо, на радиооборудовании. 

Один из интересных российских кейсов, основанных на принципах OpenRAN, – проект томской компании «Микран», который предполагает разработку радиомодулей сотовой связи 5G, включающих аппаратную платформу (аналоговый блок, цифровой блок и др.) и программное обеспечение цифрового формирования лучей и цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. Для работы на сетях связи с оборудованием других производителей будет обеспечена поддержка протокола O-RAN v2.0 и выше по интерфейсу eCPRI. В сообщении компании отмечается, что характерной особенностью ее проекта является разработка собственных элементов аналогового тракта – усилителей мощности и малошумящих усилителей для радиомодуля частотного диапазона 4,4–5,0 ГГц на основе полупроводников группы A3B5 собственной разработки.

В российскую рабочую группу OpenRAN входят специалисты Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Технологии беспроводной связи и интернета вещей» при Сколтехе и эксперты МТС, «МегаФона», «Ростелекома» и «Вымпелкома». С рабочей группой сотрудничают ведущие российские разработчики и производители телеком-оборудования: «Элтекс» (Новосибирск), «Радио Гигабит» (Нижний Новгород), уже упомянутый «Микран» и др. Некоторые из них выпускают решения мирового уровня, давно и успешно работают на зарубежных рынках. Поставлены достаточно жесткие сроки – к концу июня 2020 г. необходимо финализировать план организации производства и внедрения отечественного оборудования, а до конца 2024 г. – запустить сети связи 5G в 10 городах России с населением более 1 млн человек. Несмотря на это, Сколтех как головная организация настаивает на том, чтобы план был скорректирован, поскольку рынок будет развиваться быстрее и важно, чтобы решение имело не только перспективы на российском рынке, но и потенциал экспорта в другие страны (О работах по проекту OpenRAN см. также интервью С. Новичкова «OpenRAN: теперь и в России» . – Прим. ред). 

Рис. 3. Эволюция сотовой связи: от голоса – к всеобъемлющей сети, основанной на открытых стандартах

Следует отметить и нарастающий интерес промышленных предприятий к развертыванию собственных сетей 5G: в январе текущего года компании МТС, Ericsson и КАМАЗ сообщили о вводе в эксплуатацию первой промышленной сети 5G. Автопроизводитель рассчитывает, что сеть будет полезна при развертывании цифрового производства и разработке беспилотной автотехники. С учетом потенциала глубокой интеграции решений 5G OpenRAN в уже существующие корпоративные сети такая практика, возможно, будет востребована и другими предприятиями, активно внедряющими цифровые технологии.

Мобильные сети становятся сегодня важнейшим элементом критической инфраструктуры связи. Предстоит заметное переформатирование как интернета, так и сетей передачи данных в целом (рис. 3). Рынок будет измеряться десятками и сотнями миллиардов долларов. На кону – многое.

Георгий Башилов, независимый  эксперт
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!