El software de código abierto proporciona componentes de red que puede utilizar para simular funciones de red 5G desde el núcleo de la red hasta la radio.
por Lincoln Lavoie, Laboratorio de Interoperabilidad de la Universidad de New Hampshire
Desarrollar e implementar una infraestructura de laboratorio para respaldar las pruebas de sistemas 5G y de redes abiertas de acceso por radio (Open RAN) puede presentar una tarea compleja y desalentadora. Antes de Open RAN, esta tarea solo era posible interactuando directamente con los grandes proveedores de sistemas de red. Desde entonces, varios proyectos y organizaciones de código abierto han desarrollado materiales basados en especificaciones 3GPP y O-RAN Alliance. Esas herramientas y recursos hacen posible crear una implementación 5G completa, que abarca desde el núcleo móvil hasta RAN, proporcionando recursos invaluables para los ingenieros.
Las actividades de código abierto desempeñan un papel importante porque permiten la creación rápida de prototipos y la verificación de las especificaciones. Esas especificaciones aún podrían estar en forma de borrador. Muchos grupos de estandarización han ideado prácticas y políticas para promover el uso de código abierto. Estos grupos incluyen el Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet (IETF), directrices y prácticas en torno al “consenso aproximado y ejecución de código”, y la Comunidad de Software Abierto (OSC) de la Alianza O-RAN, que ha implementado programas formales.
De hecho, uno de los aspectos más complejos que involucran proyectos y componentes de código abierto en un laboratorio de pruebas 5G es por dónde empezar. En este artículo, analizaremos algunos componentes fundamentales que los ingenieros pueden utilizar como punto de partida y explicaremos cómo el software de código abierto puede respaldar las pruebas de Open RAN.
Para comenzar el proceso, primero debe comprender algunos de los componentes principales de una red 5G. En este caso, generalizaremos la red central como un solo componente, ya que actualmente múltiples opciones de código abierto implementan las funciones de la red central requeridas por las especificaciones 3GPP. El núcleo móvil 5G comprende varias funciones de red individuales que permiten la arquitectura basada en servicios definida por 3GPP.
Tres ejemplos bien conocidos de sistemas de código abierto que implementan el núcleo 5G son el proyecto Open 5GS, el proyecto gratuito 5GC y el componente de red central Open Air Interface 5G. Los dos primeros proyectos son implementaciones independientes del núcleo 5G. Al mismo tiempo, este último está más estrechamente vinculado con el proyecto más amplio de Open Air Interface (OAI), que también puede proporcionar la RAN.
En UNH-IOL, utilizamos con frecuencia el núcleo Open 5GS, que implementamos como dos conjuntos de componentes. Primero, implementamos los componentes de control primarios, incluida la función de gestión de acceso y movilidad (AMF), la función de gestión de sesiones 5G (SMF) y otras. En segundo lugar, implementamos la función del plano de usuario (UPF), que es responsable de reenviar el tráfico de suscriptores desde las interfaces RAN a la red de datos (por ejemplo, Internet). Esto permite efectivamente la separación del plano de control/usuario (CUPS), con estas funciones implementadas en máquinas virtuales separadas. De manera similar, también podríamos implementar múltiples instancias de UPF en implementaciones más grandes para equilibrar la carga del tráfico de suscriptores. Figura 1 y XNUMX muestra parte de la logística de este despliegue en nuestro laboratorio.
Figura 1. UNH-IOL ha implementado esta topología Open 5GS para pruebas de interoperabilidad de componentes de red 5G.
Del núcleo a la RAN
Una vez que la red central esté funcionando, el próximo foco probable será la RAN. Dentro de este espacio, nos acercaremos a la vanguardia de los esfuerzos de desarrollo de código abierto, dependiendo de las direcciones tomadas durante la implementación. La RAN proporciona una conexión RF entre el equipo de usuario (UE) y la red central móvil. Es una simplificación excesiva, pero nos atendremos a esa definición funcional sin profundizar en algunos temas complejos como traspasos, soporte de múltiples células, agregación de operadores, etc. Aquí, el factor más importante en los procesos de selección probablemente se centrará en los componentes de radio, para los que tenemos dos opciones.
En primer lugar, podríamos implementar un sistema basado en radio definida por software (SDR) que aproveche el proyecto Open Air Interface para proporcionar el software y el firmware necesarios para implementar la RAN completa, o más exactamente, una buena estación base. Dependiendo del hardware SDR seleccionado, es posible conectar puertos RF directamente a la antena. Con cuidado para evitar violar cualquier espectro licenciado, debería ser posible una conexión RF al dispositivo UE. En ese sentido, un laboratorio también necesitará cámaras blindadas o salas de aislamiento de RF, pero eso está fuera del alcance de este artículo.
Otro enfoque para implementar RAN sigue las especificaciones de O-RAN Alliance, donde el gNodeB se desagrega en componentes discretos: unidad de radio (RU), unidad distribuida (DU) y unidad centralizada (CU). En este espacio, el proyecto OAI puede proporcionar algún software, en particular los componentes DU y CU, que luego implementan la interfaz Open Fronthaul (OFH) hacia la RU. Para la RU, es necesario seleccionar un producto de un proveedor porque actualmente no existen RU de código abierto.
Para garantizar la transmisión correcta de señales o tramas de radio, el DU y el RU deben sincronizar la hora y comprenderla lo suficientemente bien como para admitir la interfaz OFH. Nuevamente, son posibles múltiples arquitecturas o enfoques, descritos como diferentes configuraciones LLS-C1 a LLS-C4. En nuestro laboratorio, actualmente estamos implementando LLS-C3, con uno de los conmutadores fronthaul que actúa como reloj gran maestro IEEE-1588, que proporciona sincronización a RU y DU. Se requiere compatibilidad con marcas de tiempo de hardware para la NIC en el servidor DU y el proyecto ptp4l se utiliza para sincronizar los relojes del servidor con la red. Figura 2 y XNUMX muestra esta configuración en el laboratorio.
Figura 2. Para Open RAN, el laboratorio utiliza esta topología desagregada, que tiene en cuenta el límite de la red.
Suponiendo que utilizará dispositivos UE disponibles en el mercado, como teléfonos, todo está listo para probar, ¿verdad? Bueno, casi. Hasta el momento, se han desplegado una red central y una red de radio. Salvo que haya problemas de configuración, el gNodeB debe estar registrado y conectado a la red central. Debería proporcionar al menos una celda en la banda 5G deseada para que se conecte el UE. El UE debe autenticarse en la red, lo que depende de la tarjeta SIM. En 5G, la autenticación funciona "en ambos sentidos", donde el UE autentica la red y la red autentica al UE. Sin profundizar en todos los detalles, esto requiere la información de la red, es decir, algunas de las claves proporcionadas en la red central para que coincidan con las claves dentro de la tarjeta SIM, permitiendo así que el desafío/respuesta criptográfica se complete con éxito. No es posible (por muy buenas razones) leer estos valores clave desde una tarjeta SIM.
Sin embargo, algunas tarjetas SIM son programables, normalmente con fines de prueba. Entonces, la última parte del hardware del laboratorio es un pequeño lector/grabador de tarjetas SIM, junto con las SIM programables. Afortunadamente, en lo que respecta a la programación, existen algunas herramientas de código abierto que le permiten programar los valores de las claves de red y las ID de los suscriptores en la tarjeta SIM, lo que hace posible que la autenticación se realice correctamente. Las herramientas que hemos utilizado en el laboratorio para este propósito son pysim y sysmo-usim-tool.
Con herramientas de código abierto, puede conectar el dispositivo UE con una conexión 5G que funcione en el laboratorio. Todo el trabajo aquí solo araña la superficie de la red 5G y las posibilidades de prueba. Aún así, debe habilitar un laboratorio con recursos de código abierto capaces de admitir funciones más avanzadas con la configuración adecuada, como división de red o agregación de operador/célula, solo por nombrar un par de posibles temas.