オープンソース ソフトウェアは、ネットワーク コアから無線まで 5G ネットワーク機能をシミュレートするために使用できるネットワーク コンポーネントを提供します。
ニューハンプシャー大学相互運用性研究所、リンカーン・ラヴォイエ著
5G およびオープン無線アクセス ネットワーク (Open RAN) システムのテストをサポートするラボ インフラストラクチャの開発と展開は、気の遠くなるような複雑な作業になる可能性があります。 Open RAN が登場する前は、このタスクは大規模なネットワーク システム ベンダーと直接連携することによってのみ可能でした。それ以来、いくつかのオープンソース プロジェクトや組織が 3GPP および O-RAN Alliance の仕様に基づいてマテリアルを開発してきました。これらのツールとリソースにより、モバイル コアから RAN に至る完全な 5G 導入を構築することが可能になり、エンジニアに貴重なリソースを提供します。
オープンソース活動は、迅速なプロトタイピングと仕様の検証を可能にするため、重要な役割を果たします。これらの仕様はまだ草案の状態である可能性があります。多くの標準化グループは、オープンソースの使用を促進するための実践とポリシーを考案しました。これらのグループには、インターネット エンジニアリング タスク フォース (IETF)、「大まかなコンセンサスと実行コード」に関するガイドラインと実践、および正式なプログラムを実装した O-RAN Alliance のオープン ソフトウェア コミュニティ (OSC) が含まれます。
実際、5G テスト ラボにおけるオープンソース プロジェクトとコンポーネントに関わる最も複雑な側面の XNUMX つは、どこから始めればよいかということです。この記事では、エンジニアが開始ブロックとして使用できるいくつかの基本コンポーネントについて説明し、オープンソース ソフトウェアがどのように Open RAN テストをサポートできるかについて説明します。
プロセスを開始するには、まず 5G ネットワークの主要コンポーネントのいくつかを理解する必要があります。現在、3GPP 仕様で必要なコア ネットワーク機能は複数のオープンソース オプションで実装されているため、この場合、コア ネットワークを単一のコンポーネントとして一般化します。 5G モバイル コアは、3GPP で定義されたサービスベースのアーキテクチャを可能にするさまざまな個別のネットワーク機能で構成されています。
5G コアを実装するオープンソース システムの 5 つのよく知られた例は、Open 5GS プロジェクト、無料の 5GC プロジェクト、および Open Air Interface 5G コア ネットワーク コンポーネントです。前の XNUMX つのプロジェクトは、XNUMXG コアのスタンドアロン実装です。同時に、後者は、RAN も提供できる大規模なオープン エア インターフェイス (OAI) プロジェクトとより緊密に結合されています。
UNH-IOL では、5 セットのコンポーネントとして展開する Open 5GS コアを頻繁に使用します。まず、アクセスおよびモビリティ管理機能 (AMF)、XNUMXG セッション管理機能 (SMF) などを含む主要な制御コンポーネントを展開します。第 XNUMX に、ユーザー プレーン機能 (UPF) を展開します。これは、加入者トラフィックを RAN インターフェイスからデータ ネットワーク (インターネットなど) に転送する役割を果たします。これにより、コントロール プレーン分離 (CUPS) が効果的に有効になり、これらの機能が別々の仮想マシンにデプロイされます。同様に、大規模な展開に複数の UPF インスタンスを実装して、サブスクライバ トラフィックの負荷分散を行うこともできます。 図1 は、私たちのラボでのこの展開のロジスティックスの一部を示しています。
図 1. UNH-IOL は、5G ネットワーク コンポーネントの相互運用性テストのためにこの Open 5GS トポロジを導入しました。
コアからRANまで
コア ネットワークが稼働すると、次に焦点となる可能性があるのは RAN です。この分野では、展開内で取られる方向に応じて、オープンソース開発の取り組みの最先端に近づくことになります。 RAN は、ユーザー機器 (UE) とモバイル コア ネットワークの間に RF 接続を提供します。これは単純化しすぎですが、ハンドオーバー、複数のセルのサポート、キャリア アグリゲーションなどの複雑なトピックには立ち入らずに、その実用的な定義に固執します。ここで、選択プロセスで最も重要な要素はおそらく無線コンポーネントを中心とするでしょう。これには 2 つの選択肢があります。
まず、オープン エア インターフェイス プロジェクトを利用して、完全な RAN、より正確には優れた基地局を実装するためのソフトウェアとファームウェアを提供するソフトウェア無線 (SDR) ベースのシステムを展開できます。選択した SDR ハードウェアによっては、RF ポートをアンテナに直接接続できる場合があります。認可されたスペクトルへの違反を避けるように注意すれば、UE デバイスへの RF 接続が可能である必要があります。その点で、研究室にはシールドされたチャンバーまたは RF 隔離室も必要になりますが、それはこの記事の範囲外です。
RAN を実装する別のアプローチは、O-RAN Alliance の仕様に従い、gNodeB が無線ユニット (RU)、分散ユニット (DU)、および集中ユニット (CU) という個別のコンポーネントに分割されます。この分野では、OAI プロジェクトは、いくつかのソフトウェア、特に DU および CU コンポーネントを提供し、RU に対してオープン フロントホール インターフェイス (OFH) を実装します。 RU については、現在オープンソースの RU が存在しないため、ベンダーから製品を選択する必要があります。
無線信号またはフレームの正しい送信を保証するには、DU と RU が時間を同期し、OFH インターフェイスをサポートするのに十分な時間を理解する必要があります。ここでも、複数のアーキテクチャまたはアプローチが可能であり、異なる構成 LLS-C1 から LLS-C4 として説明されています。私たちのラボでは現在、フロントホール スイッチの 3 つが RU と DU にタイミングを提供する IEEE-1588 グランドマスター クロックとして機能する LLS-C4 を実装しています。 DU サーバー上の NIC にはハードウェア タイム スタンプのサポートが必要であり、サーバー クロックをネットワークに同期するために ptpXNUMXl プロジェクトが使用されます。 図2 は、ラボでのこの構成を示しています。
図 2. オープン RAN の場合、ラボではネットワーク制限を考慮したこの分離トポロジを使用しています。
電話などの既製の UE デバイスを使用すると仮定すると、すべてをテストする準備ができていますよね?そうですね、もうすぐです。これまでに、コア ネットワークと無線ネットワークが展開されました。構成に問題がない限り、gNodeB はコア ネットワークに登録され、接続されている必要があります。 UE が接続するために必要な 5G 帯域上に少なくとも 5 つのセルを提供する必要があります。 UE はネットワークで認証する必要がありますが、これは SIM カードに応じて異なります。 XNUMXG では、認証は「双方向」で機能し、UE がネットワークを認証し、ネットワークが UE を認証します。すべての詳細を詳しく説明する必要はありませんが、これにはネットワーク情報、つまり SIM カード内のキーと一致するためにコア ネットワークにプロビジョニングされたキーの一部が必要となり、暗号化チャレンジ/レスポンスが正常に完了できるようになります。 SIM カードからこれらのキーの値を読み取ることは (非常に正当な理由により) 不可能です。
ただし、一部の SIM カードは、通常はテスト目的でプログラム可能です。したがって、実験室ハードウェアの最後の部分は、プログラム可能な SIM とともに小型の SIM カード リーダー/ライターです。幸いなことに、プログラミング面では、ネットワーク キーの値と加入者 ID を SIM カードにプログラムできるオープンソース ツールがいくつかあり、認証を成功させることができます。この目的でラボで使用したツールは、pysim と sysmo-usim-tool です。
オープンソース ツールを使用すると、ラボ内で 5G 接続が機能し、UE デバイスをオンラインにすることができます。ここでの作業はすべて、5G ネットワークとテストの可能性の表面をなぞっただけです。それでも、考えられるトピックをいくつか挙げると、ネットワーク スライシングやキャリア/セル アグリゲーションなど、適切な構成でより高度な機能をサポートできるオープンソース ベースのリソースを備えたラボを有効にする必要があります。