Phần mềm nguồn mở cung cấp các thành phần mạng mà bạn có thể sử dụng để mô phỏng các chức năng mạng 5G từ lõi mạng đến radio.
bởi Lincoln Lavoie, Phòng thí nghiệm tương tác của Đại học New Hampshire
Việc phát triển và triển khai cơ sở hạ tầng phòng thí nghiệm để hỗ trợ thử nghiệm hệ thống 5G và mạng truy cập vô tuyến mở (Open RAN) có thể là một nhiệm vụ khó khăn và phức tạp. Trước Open RAN, nhiệm vụ này chỉ có thể thực hiện được bằng cách tham gia trực tiếp với các nhà cung cấp hệ thống mạng lớn. Kể từ đó, một số dự án và tổ chức nguồn mở đã phát triển các tài liệu dựa trên thông số kỹ thuật của Liên minh 3GPP và O-RAN. Những công cụ và tài nguyên đó giúp có thể triển khai 5G hoàn chỉnh, trải dài từ lõi di động đến RAN, cung cấp tài nguyên vô giá cho các kỹ sư.
Các hoạt động nguồn mở đóng một vai trò quan trọng vì chúng cho phép tạo mẫu nhanh và xác minh các thông số kỹ thuật. Những thông số kỹ thuật đó vẫn có thể ở dạng dự thảo. Nhiều nhóm tiêu chuẩn hóa đã nghĩ ra các thực tiễn và chính sách để thúc đẩy việc sử dụng nguồn mở. Các nhóm này bao gồm Lực lượng đặc nhiệm kỹ thuật Internet (IETF), các hướng dẫn và thực tiễn xung quanh “sự đồng thuận thô và mã chạy” và Cộng đồng phần mềm mở (OSC) của Liên minh O-RAN, đã triển khai các chương trình chính thức.
Thật vậy, một trong những khía cạnh phức tạp nhất liên quan đến các dự án và thành phần nguồn mở trong phòng thí nghiệm thử nghiệm 5G là bắt đầu từ đâu. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về một số thành phần cơ bản mà các kỹ sư có thể sử dụng làm khối khởi đầu và giải thích cách phần mềm nguồn mở có thể hỗ trợ thử nghiệm Open RAN.
Để bắt đầu quá trình, trước tiên bạn cần hiểu một số thành phần chính của mạng 5G. Trong trường hợp này, chúng tôi sẽ khái quát hóa mạng lõi như một thành phần duy nhất, vì nhiều tùy chọn nguồn mở hiện đang triển khai các chức năng mạng lõi theo yêu cầu của thông số kỹ thuật 3GPP. Lõi di động 5G bao gồm nhiều chức năng mạng riêng lẻ khác nhau cho phép kiến trúc dựa trên dịch vụ được xác định bởi 3GPP.
Ba ví dụ nổi tiếng về các hệ thống nguồn mở triển khai lõi 5G là dự án Open 5GS, dự án 5GC miễn phí và thành phần mạng lõi 5G Giao diện không gian mở. Hai dự án trước đây là những triển khai độc lập của lõi 5G. Đồng thời, dự án sau được kết hợp chặt chẽ hơn với dự án Giao diện không gian mở (OAI) lớn hơn, dự án này cũng có thể cung cấp RAN.
Tại UNH-IOL, chúng tôi thường xuyên sử dụng lõi Open 5GS mà chúng tôi triển khai dưới dạng hai bộ thành phần. Đầu tiên, chúng tôi triển khai các thành phần kiểm soát chính, bao gồm chức năng quản lý truy cập và di động (AMF), chức năng quản lý phiên 5G (SMF) và các thành phần khác. Thứ hai, chúng tôi triển khai chức năng mặt phẳng người dùng (UPF), chức năng này chịu trách nhiệm chuyển tiếp lưu lượng thuê bao từ giao diện RAN sang mạng dữ liệu (ví dụ: Internet). Điều này cho phép phân tách mặt phẳng điều khiển/người dùng (CUPS) một cách hiệu quả, với các chức năng này được triển khai trên các máy ảo riêng biệt. Tương tự, chúng tôi cũng có thể triển khai nhiều phiên bản UPF trong các đợt triển khai lớn hơn để cân bằng tải lưu lượng người đăng ký. Hình 1 cho thấy một số công việc hậu cần của việc triển khai này trong phòng thí nghiệm của chúng tôi.
Hình 1. UNH-IOL đã triển khai cấu trúc liên kết 5GS mở này để kiểm tra khả năng tương tác của các thành phần mạng 5G.
Từ lõi đến RAN
Khi mạng lõi đang chạy, trọng tâm tiếp theo có thể sẽ là RAN. Trong không gian này, chúng ta sẽ tiến gần hơn đến đỉnh cao của các nỗ lực phát triển nguồn mở, tùy thuộc vào các hướng được thực hiện trong quá trình triển khai. RAN cung cấp kết nối RF giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng lõi di động. Đó là một sự đơn giản hóa quá mức, nhưng chúng tôi sẽ bám sát định nghĩa hiệu quả đó mà không đi sâu vào một số chủ đề phức tạp như chuyển giao, hỗ trợ nhiều ô, tập hợp sóng mang, v.v. Ở đây, yếu tố quan trọng nhất trong quá trình lựa chọn có thể sẽ xoay quanh các thành phần vô tuyến mà chúng ta có hai tùy chọn.
Đầu tiên, chúng tôi có thể triển khai hệ thống dựa trên sóng vô tuyến được xác định bằng phần mềm (SDR) tận dụng dự án Giao diện không gian mở để cung cấp phần mềm và chương trình cơ sở nhằm triển khai RAN hoàn chỉnh hay chính xác hơn là một trạm cơ sở tốt. Tùy thuộc vào phần cứng SDR được chọn, có thể kết nối trực tiếp các cổng RF với ăng-ten. Cần thận trọng để tránh vi phạm bất kỳ phổ tần được cấp phép nào, nên có thể kết nối RF với thiết bị UE. Lưu ý rằng, phòng thí nghiệm cũng sẽ cần các buồng được che chắn hoặc phòng cách ly RF, nhưng điều đó nằm ngoài phạm vi của bài viết này.
Một cách tiếp cận khác để triển khai RAN tuân theo các thông số kỹ thuật của Liên minh O-RAN, trong đó gNodeB được tách thành các thành phần riêng biệt: đơn vị vô tuyến (RU), đơn vị phân tán (DU) và đơn vị tập trung (CU). Trong không gian này, dự án OAI có thể cung cấp một số phần mềm, đặc biệt là các thành phần DU và CU, sau đó triển khai giao diện Open Fronthaul (OFH) hướng tới RU. Đối với RU, việc chọn sản phẩm từ nhà cung cấp là cần thiết vì hiện tại không có RU nguồn mở nào tồn tại.
Để đảm bảo truyền tín hiệu hoặc khung vô tuyến chính xác, DU và RU cần đồng bộ hóa thời gian và hiểu đủ rõ về nó để hỗ trợ giao diện OFH. Một lần nữa, có thể có nhiều kiến trúc hoặc cách tiếp cận, được mô tả dưới dạng các cấu hình khác nhau từ LLS-C1 đến LLS-C4. Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi hiện đang triển khai LLS-C3, với một trong các công tắc truyền dẫn đầu đóng vai trò là đồng hồ chính IEEE-1588, cung cấp thời gian cho RU và DU. Cần có hỗ trợ ghi thời gian phần cứng cho NIC trên máy chủ DU và dự án ptp4l được sử dụng để đồng bộ hóa đồng hồ máy chủ với mạng. Hình 2 hiển thị cấu hình này trong phòng thí nghiệm.
Hình 2. Đối với Open RAN, phòng thí nghiệm sử dụng cấu trúc liên kết tách rời này, có tính đến giới hạn mạng.
Giả sử bạn sẽ sử dụng các thiết bị UE có sẵn như điện thoại, mọi thứ đã sẵn sàng để thử nghiệm, phải không? Vâng, gần như vậy. Cho đến nay, mạng lõi và mạng vô tuyến đã được triển khai. Ngoại trừ mọi vấn đề về cấu hình, gNodeB phải được đăng ký và kết nối với mạng lõi. Nó phải cung cấp ít nhất một ô trên băng tần 5G mong muốn để UE kết nối. UE phải xác thực bằng mạng, điều này phụ thuộc vào thẻ SIM. Trong 5G, xác thực hoạt động “cả hai cách”, trong đó UE xác thực mạng và mạng xác thực UE. Không cần đi sâu vào tất cả các chi tiết, điều này yêu cầu thông tin mạng, tức là một số khóa được cung cấp trong mạng lõi phải khớp với các khóa trong thẻ SIM, do đó cho phép thử thách/phản hồi mật mã hoàn tất thành công. Không thể (vì những lý do chính đáng) đọc các giá trị khóa này từ thẻ SIM.
Tuy nhiên, một số thẻ SIM có thể lập trình được, thường dành cho mục đích thử nghiệm. Vì vậy, phần cuối cùng của phần cứng trong phòng thí nghiệm là một đầu đọc/ghi thẻ SIM nhỏ, cùng với các SIM có thể lập trình được. May mắn thay, về mặt lập trình, có một số công cụ nguồn mở cho phép bạn lập trình các giá trị khóa mạng và ID thuê bao vào thẻ SIM, giúp quá trình xác thực có thể thành công. Các công cụ chúng tôi sử dụng trong phòng thí nghiệm cho mục đích này là pysim và sysmo-usim-tool.
Bằng cách sử dụng các công cụ nguồn mở, bạn có thể đưa thiết bị UE lên mạng bằng kết nối 5G đang hoạt động trong phòng thí nghiệm. Tất cả công việc ở đây chỉ là bề nổi của mạng 5G và khả năng thử nghiệm. Tuy nhiên, bạn nên kích hoạt một phòng thí nghiệm có các tài nguyên dựa trên nguồn mở có khả năng hỗ trợ các tính năng nâng cao hơn với cấu hình phù hợp, chẳng hạn như cắt mạng hoặc tổng hợp sóng mang/tế bào, chỉ để nêu tên một số chủ đề có thể có.