오픈 소스 소프트웨어 도구를 사용하여 5G Open RAN 테스트 랩 구축

오픈 소스 소프트웨어는 네트워크 코어에서 무선까지 5G 네트워크 기능을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 네트워크 구성 요소를 제공합니다. 

작성자: Lincoln Lavoie, 뉴햄프셔 대학교 상호 운용성 연구소

5G 및 개방형 무선 액세스 네트워크(Open RAN) 시스템 테스트를 지원하기 위한 실험실 인프라를 개발하고 배포하는 것은 어렵고 복잡한 작업이 될 수 있습니다. Open RAN 이전에는 대규모 네트워크 시스템 공급업체와 직접 협력해야만 이 작업이 가능했습니다. 그 이후로 여러 오픈 소스 프로젝트와 조직에서 3GPP 및 O-RAN Alliance 사양을 기반으로 한 자료를 개발했습니다. 이러한 도구와 리소스를 사용하면 모바일 코어부터 RAN까지 완전한 5G 배포를 생성하여 엔지니어에게 귀중한 리소스를 제공할 수 있습니다.

오픈 소스 활동은 신속한 프로토타이핑과 사양 검증을 가능하게 하기 때문에 중요한 역할을 합니다. 이러한 사양은 여전히 ​​초안 형태일 수 있습니다. 많은 표준화 그룹에서는 오픈 소스 사용을 장려하기 위한 관행과 정책을 고안했습니다. 이러한 그룹에는 IETF(Internet Engineering Task Force), "대략적인 합의 및 실행 코드"에 대한 지침 및 관행, 공식 프로그램을 구현한 O-RAN Alliance의 OSC(Open Software Community)가 포함됩니다.

실제로 5G 테스트 랩의 오픈 소스 프로젝트 및 구성 요소와 관련된 가장 복잡한 측면 중 하나는 어디서부터 시작해야 하는가입니다. 이 기사에서는 엔지니어가 시작 블록으로 사용할 수 있는 몇 가지 기본 구성 요소에 대해 논의하고 오픈 소스 소프트웨어가 Open RAN 테스트를 지원할 수 있는 방법을 설명합니다.

프로세스를 시작하려면 먼저 5G 네트워크의 일부 주요 구성 요소를 이해해야 합니다. 이 경우 현재 여러 오픈 소스 옵션이 3GPP 사양에서 요구하는 핵심 네트워크 기능을 구현하고 있으므로 핵심 네트워크를 단일 구성 요소로 일반화하겠습니다. 5G 모바일 코어는 3GPP에서 정의한 서비스 기반 아키텍처를 가능하게 하는 다양한 개별 네트워크 기능으로 구성됩니다.

5G 코어를 구현하는 오픈 소스 시스템의 세 가지 잘 알려진 예로는 Open 5GS 프로젝트, 무료 5GC 프로젝트, Open Air Interface 5G 코어 네트워크 구성 요소가 있습니다. 앞의 두 프로젝트는 5G 코어를 독립적으로 구현한 것입니다. 동시에 후자는 RAN도 제공할 수 있는 대규모 OAI(Open Air Interface) 프로젝트와 더욱 긴밀하게 결합됩니다.

UNH-IOL에서는 두 가지 구성 요소 세트로 배포하는 Open 5GS 코어를 자주 사용합니다. 먼저 액세스 및 이동성 관리 기능(AMF), 5G 세션 관리 기능(SMF) 등을 포함한 기본 제어 구성 요소를 배포합니다. 둘째, RAN 인터페이스에서 데이터 네트워크(예: 인터넷)로 가입자 트래픽을 전달하는 역할을 담당하는 UPF(사용자 평면 기능)를 배포합니다. 이를 통해 제어/사용자 평면 분리(CUPS)가 효과적으로 가능하며 이러한 기능은 별도의 가상 머신에 배포됩니다. 마찬가지로 대규모 배포에서 여러 UPF 인스턴스를 구현하여 구독자 트래픽의 부하를 분산할 수도 있습니다. 그림 1 우리 연구실에서 이 배포의 일부 실행 계획을 보여줍니다.

코어에서 RAN까지

핵심 네트워크가 실행되면 다음 초점은 RAN이 될 것입니다. 이 공간 내에서 배포 내에서 취하는 방향에 따라 오픈 소스 개발 노력의 최첨단에 더 가까워질 것입니다. RAN은 사용자 장비(UE)와 모바일 코어 네트워크 간의 RF 연결을 제공합니다. 이는 지나치게 단순화된 것이지만 핸드오버, 다중 셀 지원, 캐리어 통합 등과 같은 일부 복잡한 주제를 자세히 다루지 않고 해당 작업 정의를 고수하겠습니다. 여기에서 선택 프로세스의 가장 중요한 요소는 무선 구성 요소를 중심으로 이루어지며 이에 대한 두 가지 옵션이 있습니다.

첫째, 오픈 에어 인터페이스(Open Air Interface) 프로젝트를 활용하여 완전한 RAN, 더 정확하게는 우수한 기지국을 구현하기 위한 소프트웨어 및 펌웨어를 제공하는 SDR(소프트웨어 정의 라디오) 기반 시스템을 배포할 수 있습니다. 선택한 SDR 하드웨어에 따라 RF 포트를 안테나에 직접 연결하는 것이 가능할 수도 있습니다. 허가된 스펙트럼을 위반하지 않도록 주의하면서 UE 장치에 대한 RF 연결이 가능해야 합니다. 연구실에는 차폐된 챔버나 RF 격리실도 필요하지만 이는 이 기사의 범위를 벗어납니다.

RAN을 구현하는 또 다른 접근 방식은 O-RAN Alliance의 사양을 따릅니다. 여기서 gNodeB는 개별 구성 요소인 무선 장치(RU), 분산 장치(DU), 중앙 집중식 장치(CU)로 분리됩니다. 이 공간에서 OAI 프로젝트는 일부 소프트웨어, 특히 DU 및 CU 구성 요소를 제공하여 RU에 대한 OFH(Open Fronthaul 인터페이스)를 구현합니다. RU의 경우 현재 오픈소스 RU가 존재하지 않기 때문에 공급업체의 제품을 선택해야 합니다.

무선 신호나 프레임의 올바른 전송을 보장하려면 DU와 RU는 시간을 동기화하고 OFH 인터페이스를 지원할 만큼 시간을 잘 이해해야 합니다. 다시 말하지만, LLS-C1부터 LLS-C4까지 다양한 구성으로 설명되는 여러 아키텍처 또는 접근 방식이 가능합니다. 우리 연구실에서는 현재 RU 및 DU에 타이밍을 제공하는 IEEE-3 그랜드마스터 클록 역할을 하는 프런트홀 스위치 중 하나를 사용하여 LLS-C1588을 구현하고 있습니다. DU 서버의 NIC에는 하드웨어 타임스탬프 지원이 필요하며 ptp4l 프로젝트는 서버 시계를 네트워크에 동기화하는 데 사용됩니다. 그림 2 실습에서 이 구성을 보여줍니다.

휴대폰과 같은 기성 UE 장치를 사용한다고 가정하면 모든 것이 테스트할 준비가 된 것입니다. 글쎄, 거의. 지금까지 핵심 네트워크와 무선 네트워크가 구축되었습니다. 구성 문제가 없으면 gNodeB를 핵심 네트워크에 등록하고 연결해야 합니다. UE가 연결하려면 원하는 5G 대역에 하나 이상의 셀을 제공해야 합니다. UE는 SIM 카드에 의존하는 네트워크를 통해 인증해야 합니다. 5G에서 인증은 UE가 네트워크를 인증하고 네트워크가 UE를 인증하는 "양방향"으로 작동합니다. 모든 세부 사항을 자세히 살펴보지 않고도 네트워크 정보, 즉 SIM 카드 내의 키와 일치하도록 코어 네트워크에 프로비저닝된 일부 키가 필요하므로 암호화 문제/응답이 성공적으로 완료될 수 있습니다. SIM 카드에서 이러한 키 값을 읽는 것은 (아주 좋은 이유로) 불가능합니다.

그러나 일부 SIM 카드는 일반적으로 테스트 목적으로 프로그래밍 가능합니다. 따라서 실험실 하드웨어의 마지막 부분은 프로그래밍 가능한 SIM과 함께 소형 SIM 카드 리더/라이터입니다. 다행스럽게도 프로그래밍 측면에는 네트워크 키 값과 가입자 ID를 SIM 카드에 프로그래밍하여 인증이 성공할 수 있게 해주는 일부 오픈 소스 도구가 있습니다. 이 목적을 위해 연구실에서 사용한 도구는 pysim 및 sysmo-usim-tool입니다.

오픈 소스 도구를 사용하면 연구실에서 5G 연결이 작동하는 UE 장치를 온라인으로 가져올 수 있습니다. 여기의 모든 작업은 5G 네트워크와 테스트 가능성의 표면만을 긁는 것입니다. 그럼에도 불구하고 몇 가지 가능한 주제를 언급하자면 네트워크 슬라이싱 또는 캐리어/셀 집합과 같은 적절한 구성을 통해 더 많은 고급 기능을 지원할 수 있는 오픈 소스 기반 리소스를 갖춘 랩을 활성화해야 합니다.