Le logiciel open source fournit des composants réseau que vous pouvez utiliser pour simuler les fonctions du réseau 5G, du cœur du réseau à la radio.
par Lincoln Lavoie, Laboratoire d'interopérabilité de l'Université du New Hampshire
Développer et déployer une infrastructure de laboratoire pour prendre en charge les tests des systèmes 5G et de réseau d’accès radio ouvert (Open RAN) peut présenter une tâche ardue et complexe. Avant Open RAN, cette tâche n'était possible qu'en s'engageant directement avec les grands fournisseurs de systèmes de réseau. Depuis lors, plusieurs projets et organisations open source ont développé des matériaux basés sur les spécifications 3GPP et O-RAN Alliance. Ces outils et ressources permettent de créer un déploiement 5G complet, allant du cœur mobile au RAN, fournissant ainsi des ressources inestimables aux ingénieurs.
Les activités open source jouent un rôle important car elles permettent un prototypage et une vérification rapides des spécifications. Ces spécifications pourraient encore être sous forme de projet. De nombreux groupes de normalisation ont élaboré des pratiques et des politiques pour promouvoir l'utilisation de l'open source. Ces groupes comprennent l'Internet Engineering Task Force (IETF), les lignes directrices et les pratiques autour du « consensus approximatif et de l'exécution du code » et l'Open Software Community (OSC) de l'Alliance O-RAN, qui ont mis en œuvre des programmes formels.
En effet, l’un des aspects les plus complexes impliquant des projets et des composants open source dans un laboratoire de test 5G est de savoir par où commencer. Dans cet article, nous aborderons certains composants fondamentaux que les ingénieurs peuvent utiliser comme éléments de départ et expliquerons comment les logiciels open source peuvent prendre en charge les tests Open RAN.
Pour commencer le processus, vous devez d’abord comprendre certains des principaux composants d’un réseau 5G. Dans ce cas, nous généraliserons le réseau central en tant que composant unique, car plusieurs options open source implémentent actuellement les fonctions de réseau central requises par les spécifications 3GPP. Le cœur mobile de la 5G comprend diverses fonctions de réseau individuelles qui permettent l'architecture basée sur les services définie par le 3GPP.
Trois exemples bien connus de systèmes open source implémentant le noyau 5G sont le projet Open 5GS, le projet gratuit 5GC et le composant de réseau central Open Air Interface 5G. Les deux premiers projets sont des implémentations autonomes du noyau 5G. Dans le même temps, ce dernier est plus étroitement associé au projet plus vaste Open Air Interface (OAI), qui peut également fournir le RAN.
Chez UNH-IOL, nous utilisons fréquemment le noyau Open 5GS, que nous déployons sous forme de deux ensembles de composants. Tout d’abord, nous déployons les principaux composants de contrôle, notamment la fonction de gestion de l’accès et de la mobilité (AMF), la fonction de gestion de session 5G (SMF) et autres. Deuxièmement, nous déployons la fonction de plan utilisateur (UPF), qui est responsable du transfert du trafic des abonnés des interfaces RAN vers le réseau de données (par exemple Internet). Cela permet effectivement la séparation du plan de contrôle/utilisateur (CUPS), ces fonctions étant déployées sur des machines virtuelles distinctes. De même, nous pourrions également implémenter plusieurs instances UPF dans des déploiements plus importants pour équilibrer la charge du trafic des abonnés. Figure 1 montre une partie de la logistique de ce déploiement dans notre laboratoire.
Figure 1. L'UNH-IOL a déployé cette topologie Open 5GS pour les tests d'interopérabilité des composants du réseau 5G.
Du cœur au RAN
Une fois le réseau central opérationnel, le prochain objectif probable sera le RAN. Dans cet espace, nous nous rapprocherons de l'avant-garde des efforts de développement open source, en fonction des orientations prises lors du déploiement. Le RAN fournit une connexion RF entre l'équipement utilisateur (UE) et le réseau central mobile. C'est une simplification excessive, mais nous nous en tiendrons à cette définition de travail sans plonger dans certains sujets complexes tels que les transferts, la prise en charge de plusieurs cellules, l'agrégation de porteuses, etc. Ici, le facteur le plus important dans les processus de sélection sera probablement centré sur les composants radio, pour lesquels nous avons deux options.
Premièrement, nous pourrions déployer un système basé sur la radio définie par logiciel (SDR) qui exploite le projet Open Air Interface pour fournir le logiciel et le micrologiciel nécessaires à la mise en œuvre du RAN complet, ou plus précisément, d'une bonne station de base. En fonction du matériel SDR sélectionné, il peut être possible de connecter des ports RF directement à l'antenne. En prenant soin d'éviter de violer tout spectre sous licence, une connexion RF au périphérique UE devrait être possible. À cet égard, un laboratoire aura également besoin de chambres blindées ou de salles d'isolation RF, mais cela sort du cadre de cet article.
Une autre approche de mise en œuvre du RAN suit les spécifications de l'O-RAN Alliance, où le gNodeB est désagrégé en composants discrets : unité radio (RU), unité distribuée (DU) et unité centralisée (CU). Dans cet espace, le projet OAI peut fournir certains logiciels, notamment les composants DU et CU, qui implémentent ensuite l'interface Open Fronthaul (OFH) vers le RU. Pour l’EF, la sélection d’un produit auprès d’un fournisseur est nécessaire car aucune RU open source n’existe actuellement.
Pour garantir la transmission correcte des signaux radio ou des trames, le DU et le RU doivent synchroniser l'heure et la comprendre suffisamment bien pour prendre en charge l'interface OFH. Encore une fois, plusieurs architectures ou approches sont possibles, décrites comme différentes configurations LLS-C1 à LLS-C4. Dans notre laboratoire, nous implémentons actuellement LLS-C3, avec l'un des commutateurs fronthaul servant d'horloge grand maître IEEE-1588, qui fournit la synchronisation au RU et au DU. La prise en charge de l'horodatage matériel est requise pour la carte réseau sur le serveur DU et le projet ptp4l est utilisé pour synchroniser les horloges du serveur avec le réseau. Figure 2 montre cette configuration dans le laboratoire.
Figure 2. Pour Open RAN, le laboratoire utilise cette topologie désagrégée, qui prend en compte le chaulage du réseau.
En supposant que vous utilisez des appareils UE disponibles dans le commerce, tels que des téléphones, tout est prêt à être testé, n'est-ce pas ? Enfin, presque. Jusqu'à présent, un réseau central et un réseau radio ont été déployés. Sauf problème de configuration, le gNodeB doit être enregistré et connecté au réseau principal. Il doit fournir au moins une cellule sur la bande 5G souhaitée pour que l'UE puisse se connecter. L'UE doit s'authentifier auprès du réseau, qui dépend de la carte SIM. Dans la 5G, l’authentification fonctionne « dans les deux sens », où l’UE authentifie le réseau et le réseau authentifie l’UE. Sans entrer dans tous les détails, cela nécessite que les informations du réseau, c'est-à-dire certaines des clés fournies dans le réseau central, correspondent aux clés de la carte SIM, permettant ainsi au défi/réponse cryptographique de se terminer avec succès. Il n'est pas possible (pour de très bonnes raisons) de lire ces valeurs clés depuis une carte SIM.
Certaines cartes SIM sont toutefois programmables, généralement à des fins de test. Ainsi, la dernière partie du matériel du laboratoire est un petit lecteur/enregistreur de carte SIM, ainsi que les cartes SIM programmables. Heureusement, du côté de la programmation, il existe des outils open source qui vous permettent de programmer les valeurs des clés réseau et les identifiants d'abonné dans la carte SIM, permettant ainsi la réussite de l'authentification. Les outils que nous avons utilisés dans le laboratoire à cette fin sont pysim et sysmo-usim-tool.
À l’aide d’outils open source, vous pouvez mettre l’appareil UE en ligne avec une connexion 5G fonctionnelle dans le laboratoire. Tout le travail effectué ici ne fait qu’effleurer la surface du réseau 5G et des possibilités de test. Néanmoins, vous devez activer un laboratoire doté de ressources open source capables de prendre en charge des fonctionnalités plus avancées avec une configuration appropriée, telles que le découpage du réseau ou l'agrégation de porteurs/cellules, pour ne citer que quelques sujets possibles.