Программное обеспечение с открытым исходным кодом предоставляет сетевые компоненты, которые можно использовать для моделирования функций сети 5G от ядра сети до радиомодуля.
Линкольн Лавуа, Лаборатория совместимости Университета Нью-Гэмпшира
Разработка и развертывание лабораторной инфраструктуры для поддержки тестирования систем 5G и открытых сетей радиодоступа (Open RAN) может представлять собой сложную задачу. До появления Open RAN эта задача была возможна только при прямом взаимодействии с крупными поставщиками сетевых систем. С тех пор несколько проектов и организаций с открытым исходным кодом разработали материалы на основе спецификаций 3GPP и O-RAN Alliance. Эти инструменты и ресурсы позволяют создать полное развертывание 5G, от ядра мобильной связи до RAN, предоставляя инженерам бесценные ресурсы.
Деятельность с открытым исходным кодом играет важную роль, поскольку она позволяет быстро создавать прототипы и проверять спецификации. Эти спецификации все еще могут оставаться в форме проекта. Многие группы по стандартизации разработали методы и политику, способствующие использованию открытого исходного кода. В число этих групп входят Инженерная группа Интернета (IETF), руководства и практики, касающиеся «приблизительного консенсуса и выполнения кода», а также Сообщество открытого программного обеспечения (OSC) Альянса O-RAN, которые реализовали официальные программы.
Действительно, один из самых сложных аспектов, связанных с проектами и компонентами с открытым исходным кодом в испытательной лаборатории 5G, — это то, с чего начать. В этой статье мы обсудим некоторые фундаментальные компоненты, которые инженеры могут использовать в качестве отправной точки, и объясним, как программное обеспечение с открытым исходным кодом может поддерживать тестирование Open RAN.
Чтобы начать процесс, вам необходимо сначала понять некоторые основные компоненты сети 5G. В этом случае мы обобщим базовую сеть как один компонент, поскольку в настоящее время несколько вариантов с открытым исходным кодом реализуют функции базовой сети, требуемые спецификациями 3GPP. Ядро мобильной связи 5G включает в себя различные отдельные сетевые функции, которые обеспечивают архитектуру на основе услуг, определенную 3GPP.
Тремя хорошо известными примерами систем с открытым исходным кодом, реализующих ядро 5G, являются проект Open 5GS, бесплатный проект 5GC и компонент базовой сети Open Air Interface 5G. Первые два проекта представляют собой автономные реализации ядра 5G. В то же время последний более тесно связан с более крупным проектом Open Air Interface (OAI), который также может обеспечить RAN.
В UNH-IOL мы часто используем ядро Open 5GS, которое развертываем в виде двух наборов компонентов. Сначала мы развертываем основные компоненты управления, включая функцию управления доступом и мобильностью (AMF), функцию управления сеансами 5G (SMF) и другие. Во-вторых, мы развертываем функцию пользовательской плоскости (UPF), которая отвечает за пересылку абонентского трафика от интерфейсов RAN в сеть передачи данных (например, Интернет). Это эффективно обеспечивает разделение плоскостей управления и пользователя (CUPS), при этом эти функции развертываются на отдельных виртуальных машинах. Аналогичным образом мы могли бы реализовать несколько экземпляров UPF в более крупных развертываниях для балансировки нагрузки абонентского трафика. Рисунок 1 показаны некоторые аспекты логистики этого развертывания в нашей лаборатории.
Рисунок 1. UNH-IOL развернул топологию Open 5GS для тестирования совместимости сетевых компонентов 5G.
От ядра к RAN
Как только базовая сеть заработает, следующим вероятным приоритетом станет RAN. В этом пространстве мы приблизимся к переднему краю усилий по разработке открытого исходного кода, в зависимости от направлений, выбранных в ходе развертывания. RAN обеспечивает радиочастотное соединение между пользовательским оборудованием (UE) и базовой сетью мобильной связи. Это чрезмерное упрощение, но мы будем придерживаться этого рабочего определения, не углубляясь в некоторые сложные темы, такие как хэндоверы, поддержка нескольких ячеек, агрегация несущих и так далее. Здесь наиболее значимым фактором в процессе выбора, скорее всего, будут радиокомпоненты, для которых у нас есть два варианта.
Во-первых, мы могли бы развернуть систему на основе программно-определяемой радиосвязи (SDR), которая использует проект Open Air Interface для предоставления программного обеспечения и встроенного ПО для реализации полной RAN, или, точнее, хорошей базовой станции. В зависимости от выбранного оборудования SDR возможно подключение RF-портов непосредственно к антенне. Чтобы избежать нарушения любого лицензированного спектра, должно быть возможно радиочастотное соединение с устройством UE. В этой связи лаборатории также потребуются экранированные камеры или комнаты с радиочастотной изоляцией, но это выходит за рамки данной статьи.
Другой подход к реализации RAN соответствует спецификациям O-RAN Alliance, где gNodeB разделен на дискретные компоненты: радиоблок (RU), распределенный блок (DU) и централизованный блок (CU). В этой области проект OAI может предоставить некоторое программное обеспечение, в частности компоненты DU и CU, которые затем реализуют интерфейс Open Fronthaul (OFH) по отношению к RU. Для RU необходимо выбрать продукт у поставщика, поскольку в настоящее время не существует RU с открытым исходным кодом.
Чтобы обеспечить правильную передачу радиосигналов или кадров, DU и RU должны синхронизировать время и понимать его достаточно хорошо, чтобы поддерживать OFH-интерфейс. Опять же, возможны несколько архитектур или подходов, описываемых как разные конфигурации от LLS-C1 до LLS-C4. В нашей лаборатории мы в настоящее время внедряем LLS-C3, где один из коммутаторов Fronthaul служит главным тактовым генератором IEEE-1588, который обеспечивает синхронизацию RU и DU. Для сетевого адаптера на сервере DU требуется аппаратная поддержка отметок времени, а проект ptp4l используется для синхронизации часов сервера с сетью. Рисунок 2 показывает эту конфигурацию в лаборатории.
Рисунок 2. Для Open RAN лаборатория использует эту дезагрегированную топологию, которая учитывает ограничение сети.
Предполагая, что вы будете использовать готовые устройства UE, такие как телефоны, все готово для тестирования, не так ли? Ну, очень почти. На данный момент развернуты базовая сеть и радиосеть. За исключением каких-либо проблем с конфигурацией, gNodeB должен быть зарегистрирован и подключен к базовой сети. Он должен предоставить хотя бы одну ячейку в желаемом диапазоне 5G для подключения UE. UE должно пройти аутентификацию в сети, что зависит от SIM-карты. В 5G аутентификация работает «в обоих направлениях», где UE аутентифицирует сеть, а сеть аутентифицирует UE. Не вдаваясь во все детали, для этого требуется сетевая информация, т. е. некоторые ключи, предоставленные в базовой сети, для соответствия ключам на SIM-карте, что позволяет успешно завершить криптографический запрос/ответ. Невозможно (по очень веским причинам) считать эти значения ключей с SIM-карты.
Однако некоторые SIM-карты можно программировать, обычно в целях тестирования. Итак, последняя часть лабораторного оборудования — это небольшое устройство для чтения/записи SIM-карт вместе с программируемыми SIM-картами. К счастью, что касается программирования, существует несколько инструментов с открытым исходным кодом, которые позволяют запрограммировать значения сетевых ключей и идентификаторы абонента в SIM-карту, что позволяет успешно пройти аутентификацию. Для этой цели мы использовали в лаборатории инструменты pysim и sysmo-usim-tool.
Используя инструменты с открытым исходным кодом, вы можете подключить устройство UE к сети с работающим соединением 5G в лаборатории. Вся работа здесь лишь поверхностно касается сети 5G и возможностей тестирования. Тем не менее, вам следует создать лабораторию с ресурсами с открытым исходным кодом, способными поддерживать более продвинутые функции при правильной настройке, такие как разделение сети или агрегирование операторов/сот, и это лишь несколько возможных тем.