يوفر البرنامج مفتوح المصدر مكونات الشبكة التي يمكنك استخدامها لمحاكاة وظائف شبكة 5G من قلب الشبكة إلى الراديو.
بقلم لينكولن لافوي، مختبر قابلية التشغيل البيني بجامعة نيو هامبشاير
يمكن أن يمثل تطوير ونشر البنية التحتية للمختبرات لدعم اختبار شبكات الجيل الخامس وأنظمة شبكة الوصول الراديوي المفتوحة (Open RAN) مهمة شاقة ومعقدة. قبل Open RAN، لم تكن هذه المهمة ممكنة إلا من خلال التعامل مباشرة مع كبار موردي أنظمة الشبكات. منذ ذلك الحين، قامت العديد من المشاريع والمنظمات مفتوحة المصدر بتطوير مواد تعتمد على مواصفات 5GPP وO-RAN Alliance. تتيح هذه الأدوات والموارد إنشاء نشر كامل لشبكة الجيل الخامس، يمتد من النواة المتنقلة إلى شبكة RAN، مما يوفر موارد لا تقدر بثمن للمهندسين.
تلعب الأنشطة مفتوحة المصدر دورًا مهمًا لأنها تتيح النماذج الأولية السريعة والتحقق من المواصفات. من الممكن أن تظل هذه المواصفات في شكل مسودة. لقد ابتكرت العديد من مجموعات التقييس ممارسات وسياسات لتعزيز استخدام المصادر المفتوحة. تشمل هذه المجموعات فريق عمل هندسة الإنترنت (IETF)، والمبادئ التوجيهية والممارسات حول "الإجماع التقريبي وتشغيل التعليمات البرمجية"، ومجتمع البرمجيات المفتوحة (OSC) التابع لتحالف O-RAN، الذي نفذ برامج رسمية.
في الواقع، أحد الجوانب الأكثر تعقيدًا التي تنطوي على مشاريع ومكونات مفتوحة المصدر في معمل اختبار 5G هو من أين نبدأ. سنناقش في هذه المقالة بعض المكونات الأساسية التي يمكن للمهندسين استخدامها كعناصر بداية وسنشرح كيف يمكن للبرامج مفتوحة المصدر أن تدعم اختبار Open RAN.
لبدء العملية، عليك أولاً فهم بعض المكونات الرئيسية لشبكة 5G. في هذه الحالة، سنقوم بتعميم الشبكة الأساسية كمكون واحد، حيث تقوم حاليًا العديد من الخيارات مفتوحة المصدر بتنفيذ وظائف الشبكة الأساسية التي تتطلبها مواصفات 3GPP. يشتمل نواة الهاتف المحمول 5G على العديد من وظائف الشبكة الفردية التي تتيح البنية القائمة على الخدمات المحددة بواسطة 3GPP.
ثلاثة أمثلة معروفة للأنظمة مفتوحة المصدر التي تنفذ نواة 5G هي مشروع Open 5GS، ومشروع 5GC المجاني، ومكون الشبكة الأساسية Open Air Interface 5G. المشروعان السابقان عبارة عن تطبيقات مستقلة لنواة 5G. وفي الوقت نفسه، يرتبط الأخير بشكل أكثر إحكامًا بمشروع واجهة الهواء الطلق (OAI) الأكبر حجمًا، والذي يمكنه أيضًا توفير شبكة النطاق الراديوي (RAN).
في UNH-IOL، نستخدم بشكل متكرر نواة Open 5GS، والتي ننشرها كمجموعتين من المكونات. أولاً، نقوم بنشر مكونات التحكم الأساسية، بما في ذلك وظيفة إدارة الوصول والتنقل (AMF)، ووظيفة إدارة جلسة 5G (SMF)، وغيرها. ثانيًا، نقوم بنشر وظيفة مستوى المستخدم (UPF)، المسؤولة عن إعادة توجيه حركة المشتركين من واجهات RAN إلى شبكة البيانات (على سبيل المثال، الإنترنت). يؤدي ذلك إلى تمكين فصل مستوى التحكم/المستخدم (CUPS) بشكل فعال، مع نشر هذه الوظائف عبر أجهزة افتراضية منفصلة. وبالمثل، يمكننا أيضًا تنفيذ مثيلات UPF متعددة في عمليات نشر أكبر لموازنة التحميل لحركة مرور المشتركين. الشكل 1 يُظهر بعض الخدمات اللوجستية لهذا النشر في مختبرنا.
الشكل 1. قامت UNH-IOL بنشر طوبولوجيا 5GS المفتوحة لاختبار قابلية التشغيل البيني لمكونات شبكة 5G.
من النواة إلى RAN
بمجرد تشغيل الشبكة الأساسية، سيكون التركيز التالي المحتمل هو شبكة RAN. في هذا المجال، سنقترب من الطليعة في جهود تطوير المصادر المفتوحة، اعتمادًا على الاتجاهات المتخذة أثناء النشر. توفر شبكة RAN اتصالاً لاسلكيًا بين جهاز المستخدم (UE) والشبكة الأساسية المتنقلة. هذا تبسيط مبالغ فيه، لكننا سنلتزم بهذا التعريف العملي دون الغوص في بعض المواضيع المعقدة مثل عمليات التسليم، ودعم الخلايا المتعددة، وتجميع الناقلات، وما إلى ذلك. هنا، من المرجح أن يتمحور العامل الأكثر أهمية في عمليات الاختيار حول مكونات الراديو، والتي لدينا خياران لها.
أولاً، يمكننا نشر نظام قائم على الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) والذي يستفيد من مشروع Open Air Interface لتوفير البرامج الثابتة لتنفيذ شبكة RAN كاملة، أو بشكل أكثر دقة، محطة أساسية جيدة. اعتمادًا على جهاز SDR المحدد، قد يكون من الممكن توصيل منافذ التردد اللاسلكي بالهوائي مباشرةً. مع الحرص على تجنب انتهاك أي طيف مرخص، يجب أن يكون اتصال التردد اللاسلكي بجهاز UE ممكنًا. في هذا الصدد، سيحتاج المختبر أيضًا إلى غرف محمية أو غرف عزل للترددات اللاسلكية، لكن هذا خارج نطاق هذه المقالة.
هناك نهج آخر لتنفيذ RAN يتبع المواصفات الواردة من تحالف O-RAN، حيث يتم تقسيم gNodeB إلى مكونات منفصلة: وحدة الراديو (RU)، والوحدة الموزعة (DU)، والوحدة المركزية (CU). في هذا المجال، يمكن لمشروع OAI توفير بعض البرامج، ولا سيما مكونات DU وCU، والتي تقوم بعد ذلك بتنفيذ واجهة Open Fronthaul (OFH) تجاه RU. بالنسبة لـ RU، يعد تحديد منتج من البائع أمرًا ضروريًا لأنه لا توجد وحدات RU مفتوحة المصدر حاليًا.
ولضمان الإرسال الصحيح للإشارات أو الإطارات الراديوية، تحتاج الوحدة DU وRU إلى مزامنة الوقت وفهمه جيدًا بما يكفي لدعم السطح البيني OFH. مرة أخرى، هناك بنيات أو أساليب متعددة ممكنة، والتي يتم وصفها على أنها تكوينات مختلفة من LLS-C1 إلى LLS-C4. في مختبرنا، نقوم حاليًا بتنفيذ LLS-C3، حيث يعمل أحد محولات التوصيل الأمامية بمثابة ساعة IEEE-1588 الكبرى، والتي توفر التوقيت لـ RU وDU. يلزم دعم الطابع الزمني للأجهزة لبطاقة NIC على خادم DU ويتم استخدام مشروع ptp4l لمزامنة ساعات الخادم مع الشبكة. الشكل 2 يظهر هذا التكوين في المختبر.
الشكل 2. بالنسبة لـ Open RAN، يستخدم المختبر هذه الهيكلية المفصلة، والتي تأخذ حدود الشبكة في الاعتبار.
على افتراض أنك ستستخدم أجهزة UE جاهزة للاستخدام مثل الهواتف، فكل شيء جاهز للاختبار، أليس كذلك؟ حسنا، تقريبا جدا. وقد تم حتى الآن نشر شبكة أساسية وشبكة راديوية. باستثناء أي مشكلات في التكوين، يجب تسجيل gNodeB بالشبكة الأساسية وتوصيله بها. يجب أن توفر خلية واحدة على الأقل في نطاق 5G المطلوب حتى يتمكن UE من الاتصال. يجب أن يقوم UE بالمصادقة مع الشبكة، والتي تعتمد على بطاقة SIM. في 5G، تعمل المصادقة "في كلا الاتجاهين"، حيث يقوم UE بمصادقة الشبكة، وتصادق الشبكة على UE. وبدون الغوص في كافة التفاصيل، يتطلب ذلك معلومات الشبكة، أي بعض المفاتيح المتوفرة في الشبكة الأساسية لمطابقة المفاتيح الموجودة في بطاقة SIM، وبالتالي تمكين تحدي/استجابة التشفير من إكمال بنجاح. ليس من الممكن (لأسباب وجيهة جدًا) قراءة هذه القيم الأساسية من بطاقة SIM.
ومع ذلك، تكون بعض بطاقات SIM قابلة للبرمجة، عادةً لأغراض الاختبار. لذا، فإن الجزء الأخير من أجهزة المختبر عبارة عن قارئ/كاتب بطاقة SIM صغير، بالإضافة إلى شرائح SIM القابلة للبرمجة. لحسن الحظ، من ناحية البرمجة، هناك بعض الأدوات مفتوحة المصدر التي تتيح لك برمجة قيم مفاتيح الشبكة ومعرفات المشتركين في بطاقة SIM، مما يجعل من الممكن نجاح المصادقة. الأدوات التي استخدمناها في المختبر لهذا الغرض هي pysim وsysmo-usim-tool.
باستخدام أدوات مفتوحة المصدر، يمكنك توصيل جهاز UE بالإنترنت من خلال اتصال 5G فعال في المختبر. كل العمل هنا لا يؤدي إلا إلى خدش سطح شبكة 5G وإمكانيات الاختبار. ومع ذلك، يجب عليك تمكين مختبر بموارد مفتوحة المصدر قادرة على دعم المزيد من الميزات المتقدمة مع التكوين المناسب، مثل تقسيم الشبكة أو تجميع الناقل/الخلية، على سبيل المثال لا الحصر بعض المواضيع المحتملة.