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行業(yè)科普

5G RAN的開放之路

更新時間 : 2021-09-30 20:06:39
2021年7月24日，由江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院主辦、SDNLAB承辦的2021中國5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新論壇上，多家機構(gòu)談到了RAN發(fā)展進展，我們對此進行整理，以饗讀者。

截至2021年4月，全球68個國家162個運營商推出了5G服務(wù)。近期數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)已經(jīng)建成5G基站91.6萬個，5G連接數(shù)已經(jīng)超過3.65億，5G共建共享基站超過40萬個，已建成全球最大的5G SA網(wǎng)絡(luò)。

5G標準持續(xù)演進，R17已經(jīng)凍結(jié)，下一個五年的5G-Advanced已經(jīng)啟動，6G架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在布局。但是，反觀5G基站的建設(shè)進展，在國內(nèi)，5G尚未實現(xiàn)全國覆蓋，基站規(guī)模遠遠沒達到全覆蓋的程度。此外特定領(lǐng)域特定行業(yè)的2B2C應(yīng)用，如智慧工廠、智慧交通，對5G覆蓋的廣度和深度提出了比4G時代更加苛刻的要求。在5G的發(fā)展路徑圖中，基站將占據(jù)重要地位。

工信部推出了5G應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021-2023）年，提出5G覆蓋水平不斷提升，每萬人擁有5G基站數(shù)超18個（按照全國13億人口規(guī)模，需要建設(shè)5G基站234萬個），建成超過3000個5G行業(yè)虛擬專網(wǎng)。未來基站建設(shè)規(guī)模巨大。

5G RAN
圖1：RAN在5G（R15）全景圖中的位置。RAN通過N2接口與AMF通信，通過N3接口與UPF交互。

5G RAN新需求
在業(yè)務(wù)與技術(shù)的雙重驅(qū)動下，5G無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)也正在發(fā)生巨大變化。從模型驅(qū)動到數(shù)據(jù)驅(qū)動；從宏觀規(guī)劃到精準管控，從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分域自治到網(wǎng)業(yè)協(xié)同、網(wǎng)隨業(yè)動，從封閉系統(tǒng)到敏捷定制、生態(tài)開放。管理、控制及無線資源調(diào)度都逐步引入AI，提升RAN接入能力。基于云網(wǎng)融合的基礎(chǔ)設(shè)施，將定制網(wǎng)絡(luò)和AI能力產(chǎn)品化對外輸出。無線智能管理從傳統(tǒng)的OAM的FCAPS進一步演進支持智能無線切片管理，無線數(shù)據(jù)分析、意圖策略管理、AI模型訓(xùn)練/推理等智能特性。

傳統(tǒng)基站軟硬件綁定，硬件高度定制化，不支持網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，無法滿足未來網(wǎng)絡(luò)智能化、動態(tài)化、協(xié)同化的要求。5G基站必須要走開放化的道路，匹配各種網(wǎng)絡(luò)拓撲，適用業(yè)務(wù)密集區(qū)與業(yè)務(wù)稀疏區(qū)的不同要求，能夠應(yīng)用于室外和室內(nèi)場景，支持多運營商共享；能夠面向更加復(fù)雜杜多樣的行業(yè)市場，需要通過智能化網(wǎng)絡(luò)快速引入新能力，靈活滿足行業(yè)客戶的各種需要，為運營商拓展新的商業(yè)模式創(chuàng)造必要的技術(shù)條件；需要進一步降低成本，包括設(shè)備采購成本，運維成本，降低5G業(yè)務(wù)的使用門檻。

此外，從5G知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展來看，截至2021年2月，在5G專利申請數(shù)量方面，華為以15.39%的比例占據(jù)全球第一，高通以11.24%排名第二，中興以9.81%排名第三。絕大部分技術(shù)仍然由少數(shù)傳統(tǒng)CT大所主導(dǎo)。 聚焦到RAN的建設(shè)，站點建設(shè)成本仍然居高不下。通過RAN的開放，構(gòu)建5G發(fā)展的良好生態(tài)，降低技術(shù)門檻，共同繁榮5G產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

對于運營商來說，需要提升議價權(quán)，降低部署成本（5G基站數(shù)量多得多，必須降低成本）。通過RAN的開放，分化市場，引入更多的供應(yīng)商，激勵軟硬件創(chuàng)新。電信運營商可以獲得RAN的控制權(quán)，經(jīng)南向接口解決不同組件的互操作性，經(jīng)北向接口開發(fā)豐富的應(yīng)用和服務(wù)。統(tǒng)一運管平臺，標準南向接口，APP式智能管控，基帶系統(tǒng)軟硬解耦，基帶硬件通用，實現(xiàn)前傳接口開放，射頻白盒發(fā)展。

開放5G RAN的組織推進
國際國內(nèi)，多個組織在共同推進5G RAN的開放工作。

O-RAN聯(lián)盟：由運營商主導(dǎo)，于2018年2月發(fā)起成立，由C-RAN聯(lián)盟（以中國企業(yè)為主）和xRAN論壇（以美日韓和歐洲企業(yè)為主）合并而成。該組織推動RAN接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化、網(wǎng)絡(luò)智能化，打破傳統(tǒng)封閉的RAN架構(gòu)，降低RAN部署成本，提升RAN敏捷性和加速創(chuàng)新。主要工作是開發(fā)標準，作為3GPP標準的補充，包括9大工作組，確保多個供應(yīng)商設(shè)備相互操作。

TIP（Telecom Infra Project 電信基礎(chǔ)設(shè)施項目）Facebook 于2016年發(fā)起成立，目前已有超過500家成員，包括運營商、設(shè)備上、芯片商、IT商和系統(tǒng)集成商。關(guān)注基站軟件和硬件的具體實施，采用O-RAN制定的標準通過開源軟件和開放的通用硬件來模塊化地建立基站，引入AI/ML相關(guān)技術(shù)，對RAN系統(tǒng)進行智能化地控制。

OSA：（OpenAirInterface 軟件聯(lián)盟）成立于 2014 年，由歐洲 EURECOM 公司創(chuàng)建，是法國的一家非營利軟件基金會，其推出的OAI（Open Air Interface）開源軟件系統(tǒng)，通過軟件無線電（SDR）的方式實現(xiàn)通信系統(tǒng)。

OS-RAN聯(lián)盟（開源無線電聯(lián)盟），在科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心指導(dǎo)下，由北京郵電大學(xué)聯(lián)合10家創(chuàng)始單位發(fā)起成立，是國家重點研發(fā)計劃“基于開源生態(tài)的無線協(xié)作環(huán)境”項目孵化的開源組織，致力于聯(lián)合國內(nèi)開源無線產(chǎn)業(yè)各方，推動中國開源無線技術(shù)研究、技術(shù)社區(qū)建設(shè)、開源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5G RAN的開放體系

5G RAN的開放體系

3GPP R15引入了CU和DU分離的RAN架構(gòu)，定義了CU-CP（控制面）和CU-UP（用戶面）之間的E1接口，以及CU與DU之間F1接口。
O-RAN進一步開放前傳接口，在管理層和RAN引入了非實時RIC和近實時RIC控制器，新增了A1、E2、O1、O2等接口。

在5G RAN的開放之路上，有5個層面的開放。
1、架構(gòu)開放
1）開放的云平臺，區(qū)域云和邊緣云，區(qū)域云上可以承載RIC，邊緣云可以承載CU、DU。
2）多功能云基站，基于開放云平臺的基站，可以實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)功能的部署，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理和編排。

2、功能開放
按照處理功能、實時性要求、功能模塊之間的關(guān)系，將基站BBU拆分為DU和CU，將RRU與天線融合為AAU，引入無線控制器RIC，包括非實時部分和近實時。非實時RIC一般作為網(wǎng)管SMO的一部分，近實時RIC作為基站系統(tǒng)內(nèi)部組成部分。

3、接口開放：
1）前傳接口的開放，DU和RU間前傳接口的用戶面、控制面、管理面和同步面的開放；基站設(shè)備間接口的開放，包括CU-DU間F1接口、CU-CP和CU-UP間E1、基站間X2/Xn接口的開放。
2）控制接口的開放，在基站控制面構(gòu)建開放的標準化接口，基站功能滿足3GPP標準，利用開放接口對基站進行配置和管理，非實時RIC和近實時RIC間采用A1接口、近實時RIC和CU/DU間采用E2接口。

4、數(shù)據(jù)開放：
R15引入了NWDAF（數(shù)據(jù)感知分析網(wǎng)元），通過手機用戶連接管理、移動性管理、會話管理、接入的業(yè)務(wù)等信息，對不同類型用戶進行評估和分析，構(gòu)建用戶畫像，確定用戶的移動軌跡和業(yè)務(wù)使用習(xí)慣，以及預(yù)測用戶行為，5G網(wǎng)絡(luò)基于分析和預(yù)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化用戶移動性管理參數(shù)和無線資源管理參數(shù)等。
網(wǎng)絡(luò)感知產(chǎn)生包大小、周期等大數(shù)據(jù)信息構(gòu)建業(yè)務(wù)特征，無線智能控制實時預(yù)測無線SLA、OoE滿足狀態(tài)，并基于預(yù)測利用無線業(yè)務(wù)保障策略優(yōu)化能力進行調(diào)度策略優(yōu)化，實時保障用戶業(yè)務(wù)體驗。面向行業(yè)OT對無線網(wǎng)絡(luò)的差異化、定制化能力要求，通過開放API接口面向業(yè)務(wù)應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)和管理能力開放，使能第三方應(yīng)用的部署，從而構(gòu)建開放無線智能應(yīng)用生態(tài)。
終端參數(shù)的定制或優(yōu)化，預(yù)測用戶行為，優(yōu)化用戶移動性管理參數(shù)和無線資源管理參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)化，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片畫像，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片資源分配和網(wǎng)絡(luò)切片選擇策略；業(yè)務(wù)路徑優(yōu)化，構(gòu)建業(yè)務(wù)畫像，確定業(yè)務(wù)的QoE和業(yè)務(wù)路徑、5G QoS等內(nèi)在關(guān)聯(lián)，優(yōu)化業(yè)務(wù)路徑（優(yōu)化UPF選擇）、業(yè)務(wù)路由（優(yōu)化URSP）、5G邊緣計算、業(yè)務(wù)對應(yīng)5G QoS等。
另一方面，通過數(shù)據(jù)開放，業(yè)務(wù)可以主動感知網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測無線空口狀態(tài)（如用戶速率、時延、抖動）從而實時調(diào)整，例如云游戲、VR的碼率優(yōu)化，更好的匹配網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，保障用戶流暢的業(yè)務(wù)體驗。RIC的xAPP應(yīng)用，通過獲取外部MEC應(yīng)用的業(yè)務(wù)時長、業(yè)務(wù)周期等信息來進一步優(yōu)化其無線資源的配置。對于外部應(yīng)用APP，需要獲取無線側(cè)的信息（如小區(qū)信息、QoS參數(shù)、UE手機位置）進一步優(yōu)化其業(yè)務(wù)性能。

5、運營模式開放
5G RAN支持多運營商接入，支持多業(yè)務(wù)接入，多租戶接入。通過切片技術(shù)以及虛擬化技術(shù)。將不同要求的功能模塊 部署到不同的位置，實現(xiàn)QoS優(yōu)化。支持多運營商共建共享基站資源，降低建網(wǎng)成本。近實時RIC中包含多個xAPP，xAPP可以由第三方獨立部署，通過AI推理模型和策略與不同的RAN功能關(guān)聯(lián)。
國內(nèi)，三大運營商基于開放式架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)能力進一步拆分、組合、封裝，形成產(chǎn)品支撐千行百業(yè)的發(fā)展。
電信基于開放架構(gòu)制定了云改數(shù)轉(zhuǎn)戰(zhàn)略，為行業(yè)客戶打造一體化定制融合服務(wù)，推出了“致遠、比鄰、如翼”三類服務(wù)模式，實現(xiàn)云網(wǎng)一體、按需定制。其推出的自研小站，綜合考慮了藍牙/UWB等多種接入方式，支持高精度定位算法，BBU采用全云化架構(gòu)，支持無線網(wǎng)絡(luò)能力開放為行業(yè)客戶提供室內(nèi)定位，網(wǎng)絡(luò)能力動態(tài)調(diào)度等服務(wù)。
移動基于開放架構(gòu)推出了“優(yōu)享、專享、尊享”三種模式，構(gòu)建了5G專網(wǎng)產(chǎn)品體系1.0，支撐5G專網(wǎng)產(chǎn)品體系和重點客戶發(fā)展。
中國聯(lián)通發(fā)布了CUBE-Net3.0 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新工程合作伙伴計劃，開展全方位網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。

開放5G RAN的部署路徑
結(jié)合技術(shù)發(fā)展及市場應(yīng)用需求，開放5G RAN的部署并不是一蹴而就的，在由江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院主辦，SDNLAB承辦的“2021中國5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新論壇”上，中國移動研究院無線與終端技術(shù)研究所王桂珍嘉賓的演講獲知，開放智能的無線接入網(wǎng)的構(gòu)建可劃分為三個階段
第一階段：針對現(xiàn)有的具備條件的硬件設(shè)施進行升級，依托無線開放接口和智控組件（RIC），打通基站、UPF、MEC等網(wǎng)元，實現(xiàn)基本的云網(wǎng)協(xié)同，降低基站建設(shè)成本。
第二階段：構(gòu)建無線云，統(tǒng)一承載云集站、無線智能組件、邊緣計算等多種能力，北向支持SaaS應(yīng)用，向行業(yè)客戶、特定用戶提供”云網(wǎng)融合的一站式綜合服務(wù)，降低無線網(wǎng)絡(luò)及邊緣云服務(wù)成本。
第三階段：基于移動的網(wǎng)絡(luò)云和移動云進行基站云化部署，形成無線網(wǎng)+移動云的云網(wǎng)一體服務(wù)方案。實現(xiàn)無線服務(wù)能力整體上云，云網(wǎng)資源統(tǒng)一編排，打造向客戶提供差異化云網(wǎng)融合的綜合服務(wù)能力。

開放5G RAN部署情況
日本樂天：2020年開始使用ALtiostar、Airspan、諾基亞等公司的產(chǎn)品推出了多供應(yīng)商開放網(wǎng)絡(luò)。諾基亞開放其接口支持ALtiostar的軟件，軟件運行于Quanta的通用硬件，虛擬環(huán)境來自Cisco
DOCOMO：2019年9月基于O-RAN開放前傳和X2首次實現(xiàn)了多供應(yīng)商4G、5G基站互操作，2020年9月引入5G O-CU/DU,以及O-RU，2021年3月退出Open RAN生態(tài)系統(tǒng)，與合作伙伴一起推動向海外電信運營商提供Open RAN。

歐洲，德國電信、Orange、西班牙電信和沃達豐 2021年5月聯(lián)合發(fā)布了《Open RAn系統(tǒng)的優(yōu)先技術(shù)要求清單》，計劃從2022年開始大規(guī)模部署Open RAN。分步實施，階段部署，確保開放RAN與同類最佳的傳統(tǒng)RAN解決方案達到同等水平。其中沃達豐已于2021年6月開始啟動部署歐洲首個Open RAN商用網(wǎng)絡(luò)（農(nóng)村場景）。

截至2021年第一季度，全球已有23家運營商公開聲明在網(wǎng)絡(luò)中采用無線云網(wǎng)絡(luò)。預(yù)計到2025年，全球運營商無線云網(wǎng)絡(luò)將覆蓋52.5%的用戶。

需要解決的問題
接口規(guī)范尚未成熟。不同廠商的研發(fā)進度不同支持的特性不同，對標準規(guī)范的理解不同，跨廠商基站設(shè)備間的互通性測試工作、解耦工作需要長期進行下去?？梢砸隓evOps的理念，快速迭代，推進技術(shù)快速研發(fā)及上線、反饋，通過構(gòu)建技術(shù)閉環(huán)快速推進產(chǎn)品演進。
運營商技術(shù)要求更高。5G NR的開放、解耦要求最終由運營商將各個模塊通過標準化協(xié)議組裝起來，形成完整的功能體，對外提供服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟件模塊升級面臨挑戰(zhàn)。對于O-RAN開放、解耦架構(gòu)體系，如何順利、平滑的進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的升級、不同廠商的設(shè)備是否可以獨立升級還是需要整體打包升級，都是亟須解決的問題。參考操作系統(tǒng)，將多家廠商設(shè)備及驅(qū)動融合在一起，可以獨立升級，利用分層的思想上層應(yīng)用體驗更好。
網(wǎng)絡(luò)安全問題更加嚴峻。開放，解耦使得模塊間的通信機會增多，技術(shù)細節(jié)更加透明，當產(chǎn)生規(guī)模成為更大的價值網(wǎng)絡(luò)后，完全問題不容忽視。O-DU和O-RU來自不同廠家時，O-DU不能完全控制O-RU，需要通過更高層來輔助管理，這會帶來通過前傳接口向O-DU北向系統(tǒng)發(fā)起中間人攻擊的風(fēng)險；近實時RIC與gNodeB之間尚未有明確的功能界限劃分，可能會造成決策沖突、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，攻擊者可以利用惡意的xAPP故意觸發(fā)與gNodeB相沖突的RRM決策而導(dǎo)致服務(wù)拒絕。此外，在O-RAN規(guī)范中也已經(jīng)指出xAPP之間存在直接沖突、間接沖突、隱式?jīng)_突，沖突會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或性能下降，攻擊者就可能會利用這個漏洞來攻擊網(wǎng)絡(luò)，令網(wǎng)絡(luò)存在安全風(fēng)險。

來源：SDNLAB《5G RAN的開放之路 》 https://www.sdnlab.com/25162.html
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