Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 4 2020
Андрей Алексеевич Абрамов  02 декабря 2020

Open RAN – имя нарицательное?

Концепция Open RAN может стать основой для успешного развертывания 5G в нашей стране при широком использовании отечественного оборудования в сети радиодоступа. 

Но для этого необходимо обеспечить взаимную совместимость радиомодулей и узлов цифровой обработки базовых станций разных производителей.

В русском языке имена существительные делятся на собственные и нарицательные. Слово «нарицательное» образовалось от старославянского «говорить» и характеризует группу объектов с общими признаками. Например, девочка, торговый центр, кошка. Open RAN тоже можно отнести к этой категории. 

Общими признаками объектов «Open RAN» являются новая архитектура базовой станции (рис. 1) с возможностью централизации и виртуализации узлов цифровой обработки (Baseband Unit, BBU), их дезагрегации на функции реального времени (Distributed Unit, DU) и фоновых вычислений (Centralized Unit, CU), открытые интерфейсы, виртуализация, применение больших данных и искусственного интеллекта. 

Рис. 1. Архитектура базовой станции 5G

В практической области появление концепции Open RAN пока заметно мало. Строительство сетей 5G, как и сетей 4G, идет на оборудовании традиционных производителей (Nokia, Ericsson, Huawei). Этот путь для операторов наиболее экономичен и исключает риски для существующего бизнеса. Коммерческие внедрения оборудования Open RAN единичны, и уровень зрелости таких решений пока не ясен. При этом отсутствие функционального паритета с традиционными поставщиками не дает возможности рассматривать Open RAN на существующей сети мобильного оператора.

Альянс O-RAN, выдвинувший концепцию Open RAN, активно пытается ее конкретизировать. Однако Open RAN до сих пор не воспринимается как законченное решение. Одна из основных причин такого положения – разные интересы участников отраслевой инициативы, трактующих Open RAN с позиций своих бизнес-моделей:
  • Для производителей IP/Ethernet-транспорта Open RAN – это прежде всего пакетный интерфейс eCPRI (enhanced Common Public Radio Interface) между радиомодулями (Radio Remote Head, RRH) и BBU/DU. Производители рассчитывают, что такой интерфейс позволит им расширить продажи на новый транспортный домен – Fronthaul.
  • Для мобильных операторов Open RAN – это один из инструментов усиления конкуренции с целью снижения цен на рынке, а также необходимое условие минимизации технологических рисков. Актуальность последнего фактора стала очевидной в последнее время, когда выяснилось, что выполнение политических решений о полной замене сетевого оборудования одного поставщика на оборудование другого наталкивается на отсутствие на рынке необходимых ресурсов и компетенций.
  • Новым производителям оборудования радиодоступа в Open RAN важна совместимость между их программным обеспечением и аппаратными платформами RRH, BBU, DU, CU, а также централизованная архитектура радиосети с единым пулом вычислительных ресурсов для нескольких базовых станций. Первое позволяет использовать аппаратные платформы на базе открытых спецификаций, а второе – повысить эффективность виртуализации.
Несмотря на то что перечисленные цели друг другу не противоречат, учет интересов каждой стороны снижает эффективность практического внедрения Open RAN и уменьшает размер рыночной ниши. 

В России внедрение Open RAN рассматривается также в русле поддержки отечественной промышленности и обеспечения безопасности. По­этому задача усложняется объективными противоречиями между мобильными операторами, отечественными производителями и государственными структурами:
  • Операторы не готовы обсуждать внедрение отечественного оборудования в силу высокого риска потерять конкурентоспособность и возможность предоставлять качественные услуги, за которые абоненты будут платить.
  • Отечественные производители не могут достичь функционального паритета в короткий срок до развертывания сетей 5G.
  • Государство не готово выдать лицензии и частоты, поскольку не решены вопросы внедрения отечественного оборудования и безопасности.
Проблемы локализации при внедрении Open RAN в той или иной мере стоят и в других странах, и до сих пор нет какого-либо глобального подхода, который можно использовать. Однако, пожалуй, только в России эта, казалось бы, новая коммерческая возможность рассматривается мобильными операторами как дополнительное обременение, размер и форма которого определяются сегодня диктатом со стороны государства.

К настоящему времени в мире накоплен определенный опыт строительства систем 5G, который позволяет вернуться к решению задач внедрения Open RAN на российском рынке и развития отечественной промышленности в более конструктивном ключе. В основе предлагаемого анализа лежит оценка возможности построения целевой архитектуры 5G RAN на мультивендорном оборудовании без рисков ограничения потребительских качеств.

Целевая архитектура 5G RAN

Частотные ресурсы, за счет которых достигаются высокие скорости 5G, лежат в более высоких, чем для LTE, частотных диапазонах. А поскольку затухание радиосигнала растет с увеличением частоты пропорционально квадрату ее значения, то чем выше используемый диапазон, тем меньше покрытие соты. Поэтому обеспечение сплошного покрытия 5G путем развертывания сети только в новых частотных диапазонах требует большого количества таких сот, что недопустимо увеличивает стоимость строительства и обслуживания инфраструктуры RAN. 

Выход состоит в том, чтобы задействовать для сетей 5G комбинацию средних (< 6 ГГц), высоких (> 6 ГГц) и низких частотных диапазонов. В этом случае можно одновременно получить преимущества высоких скоростей и большого покрытия. Такие решения найдены и мобильным операторам хорошо известны. 

Внедрение 5G в низкочастотных диапазонах (как правило, занятых LTE-трафиком) осуществляется на базе динамического использования единого пула частотно-временных ресурсов (Dynamic Spectrum Sharing, DSS) для терминалов, имеющих данные для передачи и приема, вне зависимости от стандарта, в котором они работают (LTE или 5G).

DSS поддерживается традиционными производителями RAN – Nokia, Ericsson, Huawei – и в настоящий момент широко внедряется на сетях. По данным, приведенным в отчете 5G Beyond 2020 центра глобальных технологических исследований Omdia, почти половина операторов планирует начать предоставлять коммерческие услуги 5G на базе DSS в течение ближайших двух лет.

Основа для комбинации 5G с новыми диапазонами средних и высоких частот – хорошо известное в LTE решение агрегации несущих (Carrier Aggregation, CA). В данном случае речь идет об агрегации 5G-трафика с частотным разделением каналов «вверх/вниз» (Frequency Division Duplex, FDD) в низкочастотном диапазоне и трафика с временны́м разделением каналов «вверх/вниз» (Time Division Duplex, TDD) в новых частотных диапазонах – так называемой междиапазонной агрегации несущих, Inter-band FDD/TDD NR CA. Внедрение Inter-band FDD/TDD NR CA – следующий шаг развития сетей 5G. Запуск первых коммерческих проектов ожидается в I квартале 2021 г.

Целевая архитектура 5G RAN состоит из следующих элементов (рис. 2): 
  • модули RRH низкочастотных диапазонов (как правило, <2,6 ГГц) для передачи 5G-сигнализации, расширения покрытия в каналах «вверх» и обеспечения мобильности; 
  • модули RRH более высокочастотных диапазонов для обеспечения высоких скоростей и емкости;
  • единый стек цифровой обработки для агрегации несущих низкочастотных и высокочастотных диапазонов, включающий планировщик ресурсов (частота, время, место потребления трафика). Задачей последнего является определение площадок БС, оптимально подходящих для обслуживания каждого терминала для каналов «вверх» и «вниз», выбор их частотных диапазонов для агрегации Inter-band FDD/TDD NR CA, а также временного слота. 
Рис. 2. Целевая архитектура 5G RAN

В архитектуре RAN сетей 5G можно выделить два типа площадок базовых станций (рис. 3):
  • площадки БС с поддержкой 5G в низких диапазонах для обеспечения покрытия. Как правило, это существующие площадки LTE, на которых предоставляются услуги LTE и 5G и установлено оборудование всех диапазонов;
  • новые площадки БС с поддержкой 5G в средних и высокочастотных диапазонах, размещенные в местах увеличенного трафика и потребности в высоких скоростях. Как правило, такими площадками могут служить столбы освещения, светофоры и т.д., и их намного больше, чем базовых станций покрытия. 
Рис. 3. Расположение площадок БС в целевой архитектуре 5G RAN

Очевидно, централизация цифровой обработки нескольких БС, как показано на рис. 3, даст планировщику ресурсов больше свободы в выборе лучшего сайта для обслуживания каждого терминала, а также повысит эффективность использования и масштабирования вычислительной емкости. Таким образом, целесообразность внедрения в 5G RAN централизованной архитектуры и виртуализации как важного декларируемого качества Open RAN к настоящему времени в отрасли экономически обоснована.
Ключевым становится вопрос о выходе на рынок целевой архитектуры 5G RAN альтернативных поставщиков оборудования Open RAN. С одной стороны, решение CA является моновендорным и не предполагает использования DU разных поставщиков. С другой – в рамках Open RAN поддержка DSS пока не планируется. 

Проблема коммерческого внедрения Open RAN в сети радиодоступа состоит не в качестве открытых спецификаций альянса O-RAN, а в том, что на основе этого оборудования невозможно самостоятельно построить целевую архитектуру 5G RAN (нет поддержки DSS, Inter-band FDD/TDD NR CA). А из-за отсутствия совместимости с решениями традиционных производителей нельзя даже частично участвовать в построении сети и использовать уже реализованную функциональность. 

Мультивендорность 5G RAN

5G RAN включает в себя множество интерфейсов, но камнем преткновения мультивендорности является интерфейс Fronthaul между RRH и блоками цифровой обработки BBU/DU (см. рис. 1). В настоящее время традиционные производители применяют закрытые интерфейсы, которые заставляют выбирать RRH и DU одного производителя.

Традиционно используемый для Fronthaul интерфейс CPRI подразумевает передачу оцифрованных отсчетов радиосигнала с ЦАП/АЦП, а вся цифровая обработка концентрируется в BBU/DU/CU. Недостатками CPRI являются рост скорости прямо пропорционально количеству задействованных антенн и ширине радиоканала, а также невозможность агрегации потоков, поскольку частота дискретизации постоянна. 

Эти недостатки подтолкнули традиционных производителей RAN к тому, чтобы специфицировать интерфейс eCPRI, который предполагает перенос части низкоуровневых функций цифрового стека DU/CU (часто называемого LowPhy) из централизованного вычислительного пула в RRH либо выделение его в отдельный узел (Interworking Function, IWF-LowPhy), возможно, с его интеграцией в транспортные узлы доступа (Fronthaul gateway, FHG), как показано на рис. 4. 

Рис. 4. Варианты декомпозиции цифрового стека DU/CU с выделением низкоуровневых функций LowPhy

Такой подход за счет уменьшения скорости обмена трафиком с RRH создает предпосылки для того, чтобы агрегировать трафик нескольких RRH, используя зависимость фактической скорости трафика eCPRI от нагрузки соты. В результате снижаются требования к ширине транспортного домена Fronthaul.

Полная стандартизация интерфейса eCPRI для межвендорной совместимости позиционируется альянсом O-RAN как один из ключевых элементов для Open RAN.

С позиций сегодняшнего опыта (оставляя за скобками прогресс в области транспортных технологий) видно, что «проблема» ширины транспортного канала Fronthaul несколько преувеличена. Например, емкости одного порта CPRI достаточно для большинства частотных диапазонов и конфигураций 5G RRH*, а поддержка eCPRI при выделении LowPhy из общего пула приводит к увеличению стоимости сетевых узлов. Ожидается, что в сети LTE/5G RAN будут присутствовать оба интерфейса (и CPRI, и eCPRI). 

Кроме того, традиционные вендоры обращают внимание на то, что полная стандартизация eCPRI предполагает стандартизацию маппинга символов, которыми кодируется пользовательский трафик, в физически передаваемую в эфир частотно-временную форму. Стандартизация такого маппинга, по их мнению, может стать источником ограничений для совершенствования алгоритмов повышения емкости сети. 

Напротив, интерфейс CPRI в части пользовательского трафика является полностью открытым. Специфика его реализации разными производителями ограничена лишь функциями управления и мониторинга RRH, которые не затрагивают пользовательский трафик.

Помимо полной межвендорной совместимости RRH и BBU/DU при использовании CPRI для пользовательского трафика концентрация всей цифровой обработки сигнала в зоне ответственности одного поставщика снимает возможные риски ограничений для любых новых функций в RAN. В настоящий момент, согласно планам альянса O-RAN, предполагается, что разработку алгоритмов и реализацию функций LowPhy должен обеспечить производитель RRH.

Широкое использование интерфейса CPRI позволяет разорвать моновендорность целевой архитектуры 5G RAN (рис. 5) и внедрять решения новых производителей при гарантии полноты и качества использования любой функциональности RAN. 

Рис. 5. Мультивендорное решение построения целевой архитектуры 5G RAN

Простота обеспечения межвендорной совместимости при использовании CPRI замечена отраслью. Решения RAN на базе CPRI с разными поставщиками RRH и BBU/DU широко применяются ведущими операторами и ключевыми участниками инициативы Open RAN (например, Verizon и AT&T). Кроме того, при строительстве сети Rakuten (Япония) успешно задействовался интерфейс eCPRI с вынесенным узлом IWF-LowPhy и RRH стороннего производителя. 

Такой подход позволяет операторам усилить конкуренцию и получить более выгодные коммерческие условия, а также иметь возможность оперативно заменить одного поставщика на другого при возникновении технологических рисков. Последнее позволит гарантировать своевременное развертывание сети и избежать возникшей однажды ситуации, когда головным поставщиком при выборе компонентной базы BBU/DU были допущены просчеты, которые привели к срыву поставки необходимых коммерческих решений. В настоящее время мобильная сетевая инфраструктура RAN российских операторов от подобных технологических рисков не защищена.

Внедрение Open RAN на российском рынке

Обеспечение межвендорной совместимости при использовании интерфейса CPRI достигается за счет раскрытия спецификации CPRI производителями RAN для других поставщиков. Как было показано выше, эта мера успешно применяется на мобильном рынке на уровне взаимодействия операторов с поставщиками. Однако российские операторы не имеют сильных переговорных позиций с поставщиками RAN. 

Предлагается законодательно закрепить обязательность раскрытия спецификации CPRI для других поставщиков как условие применения оборудования на сетях РФ. Это позволит максимально ускорить переход на открытую архитектуру RAN в сетях всех российских операторов и разрешить описанные выше противоречия при внедрении Open RAN для всех заинтересованных сторон.

Такая мера позволит мобильным операторам уже на начальном этапе строительства сетей 5G получить более выгодные коммерческие предложения за счет усиления конкуренции меж­ду традиционными производителями. Возможность замены оборудования (RRН или BBU/DU/CU) одного традиционного поставщика на оборудование другого поможет минимизировать технологические риски, т.е. обеспечить устойчивость сетевого решения к замене оборудования при сохранении предоставления услуг на всей площади покрытия.

Также у операторов появится возможность использовать отдельные элементы продуктовой линейки отечественных производителей по мере их коммерческой готовности, что будет способствовать уменьшению задержки развертывания сетей 5G в РФ без каких-либо рисков в части ограничения потребительских качеств для абонентов и конкурентоспособности операторов.

Возможность вывода отдельных отечественных продуктов (RRH, DU, BBU, CU) на рынок и их коммерческое внедрение без необходимости ожидать создания полной продуктовой линейки гарантирует более быстрый возврат государственных инвестиций и ускорит переход на отечественную продукцию.

Подтвердив качество межвендорной совместимости с оборудованием традиционных поставщиков на российском рынке, отечественные производители получат возможность расширить каналы продаж своей продукции за счет выхода на международный рынок. Хорошо известно, что в мобильной индустрии не хватает поставщиков радиочасти для базовых станций (радиомодулей RRH), способных организовать крупносерийное производство. Производственные мощности российских предприятий позволяют занять эту нишу. 

***

Внимание к проблемам демонополизации рынка оборудования RAN и поддержка собственной промышленности – объективная тенденция во многих странах. Можно лишь приветствовать решение российских государственных органов об использовании «радиоэлектронных средств только российского происхождения».

Однако, если эти волевые решения не будут подкреплены «тонкими настройками», то возникнет большой риск, что внедрение 5G на российском рынке сведется к «квесту» попадания традиционных производителей RAN в Единый реестр российской радиоэлектронной продукции, результатом чего станет большая задержка развертывания сетей 5G в России. Рынок мобильной связи для отечественной промышленности останется ограниченным узкоспециализированными дотационными проектами (например, предоставления 5G в малонаселенных районах или устранения цифрового неравенства), которые не позволят обеспечить экономическую и функциональную конкурентоспособность отечественных решений. 

Преимущества предлагаемого подхода: возможность применения на всех этапах строительства 5G RAN, устранение рисков межвендорной несовместимости, гарантия качества предоставляемых услуг и перспективы выхода отечественной промышленности на международный рынок. Последнее является как уникальной возможностью, так и важным фактором высокой экономической конкурентоспособности, обоснованием целесообразности государственных инвестиций в разработку.

Понятно, что «тонкие настройки» в технической области не сводятся только к межвендорной совместимости RRH и BBU/DU. Так, если важнейшим критерием внедрения 5G будет являться безопасность, то одним из приоритетов (при всей важности средних частотных диапазонов 3,4–3,8 ГГц) должна стать первоочередная разработка и переход на использование отечественных RRH низких частотных диапазонов, которые помимо переноса пользовательского трафика будут задействованы как среда для передачи 5G-сигнализации во всей сети (см. рис. 2). Тогда даже при наличии в сети RRH более высоких диапазонов зарубежного производства и утере контроля над ними (например, в случае прекращения техподдержки) услуги будут предоставляться на всей площади покрытия благодаря использованию отечественного оборудования. 

Есть и другие важные задачи, ждущие своего решения. Требуется кропотливая профессиональная работа по формулированию технических требований к разрабатываемой отечественной продукции, которые позволят ей стать конкурентоспособной. Также необходимо создать условия для вывода продукции отечественных производителей на коммерческий рынок мобильной связи. 

*Можно показать, что с точки зрения минимизации количества портов RRH использование eCPRI необходимо только в средних частотных диапазонах и только для mMIMO (т.е. конфигураций 16T/16R, 32T/32R, 64T/64R). При этом доля RRH с mMIMO в этих диапазонах оценивается, по данным опроса операторов, проведенного Heavy Reading и 5G Americas, не более чем в 50% числа существующих сайтов. Для других частотных диапазонов и конфигураций RRH достаточно одного порта даже при использовании CPRI (до 25 Гбит/с).

Андрей Абрамов, менеджер по развитию бизнеса, НТО «ИРЭ-Полюс»
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!