ซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สมีส่วนประกอบเครือข่ายที่คุณสามารถใช้เพื่อจำลองฟังก์ชันเครือข่าย 5G จากแกนเครือข่ายไปจนถึงวิทยุ
โดย Lincoln Lavoie, University of New Hampshire Interoperability Lab
การพัฒนาและปรับใช้โครงสร้างพื้นฐานของห้องปฏิบัติการเพื่อรองรับการทดสอบ 5G และระบบเครือข่ายการเข้าถึงวิทยุแบบเปิด (Open RAN) อาจเป็นงานที่ท้าทายและซับซ้อน ก่อนที่จะมี Open RAN งานนี้สามารถทำได้โดยการมีส่วนร่วมโดยตรงกับผู้จำหน่ายระบบเครือข่ายขนาดใหญ่เท่านั้น ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา โครงการและองค์กรโอเพ่นซอร์สหลายแห่งได้พัฒนาวัสดุตามข้อกำหนด 3GPP และ O-RAN Alliance เครื่องมือและทรัพยากรเหล่านั้นทำให้สามารถสร้างการใช้งาน 5G ที่สมบูรณ์ได้ ครอบคลุมตั้งแต่แกนหลักสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ไปจนถึง RAN ซึ่งเป็นทรัพยากรอันล้ำค่าสำหรับวิศวกร
กิจกรรมโอเพ่นซอร์สมีบทบาทสำคัญเนื่องจากช่วยให้สามารถสร้างต้นแบบและตรวจสอบข้อกำหนดได้อย่างรวดเร็ว ข้อกำหนดเหล่านั้นอาจยังอยู่ในรูปแบบร่าง กลุ่มมาตรฐานหลายแห่งได้คิดค้นแนวปฏิบัติและนโยบายเพื่อส่งเสริมการใช้โอเพ่นซอร์ส กลุ่มเหล่านี้ประกอบด้วย Internet Engineering Task Force (IETF), แนวปฏิบัติและแนวปฏิบัติเกี่ยวกับ “ฉันทามติคร่าวๆ และโค้ดที่ใช้งานอยู่” และ Open Software Community (OSC) ของ O-RAN Alliance ซึ่งได้ดำเนินโครงการอย่างเป็นทางการ
แท้จริงแล้ว หนึ่งในแง่มุมที่ซับซ้อนที่สุดที่เกี่ยวข้องกับโครงการโอเพ่นซอร์สและส่วนประกอบในห้องปฏิบัติการทดสอบ 5G คือจุดเริ่มต้น ในบทความนี้ เราจะพูดถึงองค์ประกอบพื้นฐานบางอย่างที่วิศวกรสามารถใช้เป็นบล็อกเริ่มต้น และอธิบายว่าซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สสามารถรองรับการทดสอบ Open RAN ได้อย่างไร
ในการเริ่มต้นกระบวนการ คุณต้องเข้าใจองค์ประกอบหลักบางประการของเครือข่าย 5G ก่อน ในกรณีนี้ เราจะสรุปเครือข่ายหลักเป็นองค์ประกอบเดียว เนื่องจากปัจจุบันตัวเลือกโอเพ่นซอร์สหลายตัวเลือกใช้ฟังก์ชันเครือข่ายหลักที่กำหนดตามข้อกำหนด 3GPP แกนหลักสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ 5G ประกอบด้วยฟังก์ชันเครือข่ายต่างๆ ที่แตกต่างกัน ซึ่งเปิดใช้สถาปัตยกรรมตามบริการที่กำหนดโดย 3GPP
ตัวอย่างที่รู้จักกันดีสามตัวอย่างของระบบโอเพ่นซอร์สที่ใช้คอร์ 5G ได้แก่ โครงการ Open 5GS โครงการ 5GC ฟรี และส่วนประกอบเครือข่ายหลัก Open Air Interface 5G สองโครงการก่อนหน้านี้เป็นการใช้งานแกนหลัก 5G แบบสแตนด์อโลน ในเวลาเดียวกัน โครงการหลังนี้มีความแน่นแฟ้นมากขึ้นกับโครงการ Open Air Interface (OAI) ที่ใหญ่กว่า ซึ่งสามารถให้บริการ RAN ได้เช่นกัน
ที่ UNH-IOL เราใช้ Open 5GS core บ่อยครั้ง ซึ่งเราปรับใช้เป็นส่วนประกอบสองชุด ขั้นแรก เราปรับใช้ส่วนประกอบการควบคุมหลัก รวมถึงฟังก์ชันการจัดการการเข้าถึงและความคล่องตัว (AMF) ฟังก์ชันการจัดการเซสชัน 5G (SMF) และอื่นๆ ประการที่สอง เราปรับใช้ฟังก์ชันระนาบผู้ใช้ (UPF) ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบในการส่งต่อการรับส่งข้อมูลของสมาชิกจากอินเทอร์เฟซ RAN ไปยังเครือข่ายข้อมูล (เช่น อินเทอร์เน็ต) สิ่งนี้ทำให้สามารถควบคุม/การแยกระนาบผู้ใช้ (CUPS) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้งานฟังก์ชันเหล่านี้บนเครื่องเสมือนที่แยกจากกัน ในทำนองเดียวกัน เรายังสามารถใช้อินสแตนซ์ UPF หลายรายการในการปรับใช้ขนาดใหญ่เพื่อสร้างสมดุลในการโหลดการรับส่งข้อมูลของสมาชิก รูป 1 แสดงให้เห็นโลจิสติกส์บางส่วนของการปรับใช้นี้ในห้องปฏิบัติการของเรา
รูปที่ 1 UNH-IOL ได้ปรับใช้โทโพโลยี Open 5GS นี้สำหรับการทดสอบการทำงานร่วมกันของส่วนประกอบเครือข่าย 5G
จากคอร์ถึง RAN
เมื่อเครือข่ายหลักทำงานแล้ว จุดสนใจต่อไปน่าจะเป็น RAN ภายในพื้นที่นี้ เราจะเข้าใกล้ระดับแนวหน้าของความพยายามในการพัฒนาโอเพ่นซอร์สมากขึ้น โดยขึ้นอยู่กับทิศทางที่ดำเนินการภายในการปรับใช้ RAN ให้การเชื่อมต่อ RF ระหว่างอุปกรณ์ผู้ใช้ (UE) และเครือข่ายหลักแบบเคลื่อนที่ นั่นเป็นการทำให้เข้าใจง่ายเกินไป แต่เราจะยึดถือคำจำกัดความของการทำงานนั้น โดยไม่ต้องเจาะลึกในหัวข้อที่ซับซ้อนบางอย่าง เช่น การส่งมอบ การสนับสนุนหลายเซลล์ การรวมตัวของผู้ให้บริการ และอื่นๆ ในที่นี้ ปัจจัยที่สำคัญที่สุดในกระบวนการคัดเลือกน่าจะเน้นไปที่ส่วนประกอบวิทยุ ซึ่งเรามีสองทางเลือก
อันดับแรก เราสามารถปรับใช้ระบบที่ใช้วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ (SDR) ซึ่งใช้ประโยชน์จากโปรเจ็กต์ Open Air Interface เพื่อจัดหาซอฟต์แวร์และเฟิร์มแวร์เพื่อใช้ RAN ที่สมบูรณ์ หรือที่แม่นยำกว่านั้นคือสถานีฐานที่ดี ขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ SDR ที่เลือก อาจสามารถเชื่อมต่อพอร์ต RF เข้ากับเสาอากาศได้โดยตรง ด้วยความระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงการละเมิดคลื่นความถี่ที่ได้รับอนุญาต การเชื่อมต่อ RF กับอุปกรณ์ UE ควรเป็นไปได้ ในหมายเหตุดังกล่าว ห้องปฏิบัติการจะต้องมีห้องที่มีฉนวนป้องกันหรือห้องแยก RF ด้วย แต่นั่นอยู่นอกขอบเขตของบทความนี้
อีกวิธีหนึ่งในการนำ RAN ไปใช้เป็นไปตามข้อกำหนดจาก O-RAN Alliance โดยที่ gNodeB ถูกแยกออกเป็นส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง ได้แก่ หน่วยวิทยุ (RU) หน่วยแบบกระจาย (DU) และหน่วยส่วนกลาง (CU) ในพื้นที่นี้ โครงการ OAI สามารถจัดหาซอฟต์แวร์บางอย่าง โดยเฉพาะส่วนประกอบ DU และ CU ซึ่งจะปรับใช้อินเทอร์เฟซ Open Fronthaul (OFH) กับ RU สำหรับ RU การเลือกผลิตภัณฑ์จากผู้ขายเป็นสิ่งจำเป็นเนื่องจากปัจจุบันไม่มี RU แบบโอเพ่นซอร์สอยู่
เพื่อให้แน่ใจว่าการส่งสัญญาณวิทยุหรือเฟรมถูกต้อง DU และ RU จำเป็นต้องซิงโครไนซ์เวลาและทำความเข้าใจให้ดีพอที่จะรองรับอินเทอร์เฟซ OFH ขอย้ำอีกครั้งว่า สามารถใช้สถาปัตยกรรมหรือแนวทางได้หลายวิธี โดยอธิบายว่าเป็นการกำหนดค่า LLS-C1 ถึง LLS-C4 ที่แตกต่างกัน ในห้องปฏิบัติการของเรา เรากำลังใช้ LLS-C3 โดยมีสวิตช์ส่วนหน้าตัวหนึ่งทำหน้าที่เป็นนาฬิกาแกรนด์มาสเตอร์ IEEE-1588 ซึ่งทำหน้าที่กำหนดเวลาให้กับ RU และ DU NIC บนเซิร์ฟเวอร์ DU จำเป็นต้องมีการรองรับการประทับเวลาด้วยฮาร์ดแวร์ และโปรเจ็กต์ ptp4l ใช้เพื่อซิงโครไนซ์นาฬิกาเซิร์ฟเวอร์กับเครือข่าย รูป 2 แสดงการกำหนดค่านี้ในห้องปฏิบัติการ
รูปที่ 2 สำหรับ Open RAN ห้องปฏิบัติการใช้โทโพโลยีแบบแยกส่วนนี้ ซึ่งคำนึงถึงข้อจำกัดของเครือข่ายด้วย
สมมติว่าคุณจะใช้อุปกรณ์ UE ที่มีจำหน่ายทั่วไป เช่น โทรศัพท์ ทุกอย่างพร้อมสำหรับการทดสอบแล้วใช่ไหม? เกือบมากแล้ว จนถึงขณะนี้ มีการใช้เครือข่ายหลักและเครือข่ายวิทยุแล้ว ยกเว้นปัญหาการกำหนดค่าใดๆ gNodeB ควรลงทะเบียนและเชื่อมต่อกับเครือข่ายหลัก ควรมีอย่างน้อยหนึ่งเซลล์บนแบนด์ 5G ที่ต้องการเพื่อให้ UE เชื่อมต่อ UE ต้องตรวจสอบสิทธิ์กับเครือข่าย ซึ่งขึ้นอยู่กับซิมการ์ด ใน 5G การตรวจสอบสิทธิ์จะทำงาน "ทั้งสองวิธี" โดยที่ UE ตรวจสอบสิทธิ์เครือข่าย และเครือข่ายตรวจสอบสิทธิ์ UE การดำเนินการนี้จำเป็นต้องมีข้อมูลเครือข่าย เช่น คีย์บางส่วนที่จัดเตรียมไว้ในเครือข่ายหลักเพื่อให้ตรงกับคีย์ภายในซิมการ์ด โดยไม่ต้องเจาะลึกรายละเอียดทั้งหมด จึงทำให้การท้าทาย/การตอบสนองด้านการเข้ารหัสเสร็จสมบูรณ์ได้สำเร็จ ไม่สามารถอ่านค่าหลักเหล่านี้จากซิมการ์ดได้ (ด้วยเหตุผลที่ดี)
อย่างไรก็ตาม ซิมการ์ดบางอันสามารถตั้งโปรแกรมได้ โดยทั่วไปใช้เพื่อการทดสอบ ดังนั้นส่วนสุดท้ายของฮาร์ดแวร์ในห้องปฏิบัติการคือตัวอ่าน/เขียนซิมการ์ดขนาดเล็ก พร้อมด้วยซิมที่ตั้งโปรแกรมได้ โชคดีที่ในด้านการเขียนโปรแกรม มีเครื่องมือโอเพ่นซอร์สบางตัวที่ให้คุณตั้งโปรแกรมค่าคีย์เครือข่ายและรหัสสมาชิกลงในซิมการ์ด ทำให้การรับรองความถูกต้องสำเร็จได้ เครื่องมือที่เราใช้ในห้องปฏิบัติการเพื่อจุดประสงค์นี้คือ pysim และ sysmo-usim-tool
การใช้เครื่องมือโอเพ่นซอร์สทำให้คุณสามารถนำอุปกรณ์ UE ออนไลน์ด้วยการเชื่อมต่อ 5G ที่ใช้งานได้ในห้องแล็บ งานทั้งหมดที่นี่เป็นเพียงรอยขีดข่วนบนพื้นผิวของเครือข่าย 5G และความเป็นไปได้ในการทดสอบ อย่างไรก็ตาม คุณควรเปิดใช้งานห้องปฏิบัติการที่มีทรัพยากรแบบโอเพ่นซอร์สที่สามารถรองรับคุณสมบัติขั้นสูงเพิ่มเติมด้วยการกำหนดค่าที่เหมาะสม เช่น การแบ่งส่วนเครือข่ายหรือการรวมตัวของผู้ให้บริการ/เซลล์ เพียงเพื่อตั้งชื่อหัวข้อที่เป็นไปได้สองสามหัวข้อ