Divisiones funcionales de Open RAN – Explicación

Las redes de acceso Open RAN ofrecen la opción de colocar funciones de red en diferentes lugares a lo largo de la ruta de la señal. Esa opción se denomina “split funcional de RAN” y permite a los operadores móviles optimizar el rendimiento y hacer intercambios. También es la base de Open RAN.

Comenzando con las redes inalámbricas 2G, las arquitecturas de la red de acceso por radio (RAN) se basaron en bloques de construcción monolíticos. En esas redes, y también en muchas redes 5G, se han contenido funciones de software en cajas patentadas llamadas unidades de banda base (BBU) en la base de las torres celulares. Estas funciones demodulan la señal de RF, convirtiendo la salida en flujos de datos digitales para su transporte en la red de “backhaul” hacia la red de “core”. Esa situación está cambiando y se está volviendo más abierta.

Desde las primeras fases del New Radio (NR) de 5G, ha habido un impulso para desagregar la BBU (ver Figura 1), dividiendo las funciones más allá de la Unidad de Radio (RU) en Unidades Distribuidas (DUs) y Unidades Centralizadas (CUs). La desagregación era flexibilidad, lo que permitía a los operadores de red decidir cómo ubicar estas funciones y maximizar el rendimiento al tiempo que se reducía el costo de implementación. Para que ocurra la desagregación, los componentes de hardware y software deben ser interoperables, lo que permite que los operadores móviles mezclen y combinen estas piezas de diferentes proveedores. La desagregación también trae beneficios al decidir qué unidad debe controlar ciertas operaciones: la división funcional de RAN (splits funcionales).

Figura 1. El concepto de Open RAN separa las Unidades Distribuidas (DUs) y las Unidades Centralizadas (CUs) de una Unidad de Banda Base (BBU) propietaria, conectándolas con interfaces abiertas.

Open RAN se trata de una apertura horizontal, con interfaces abiertas que permiten que las funciones de la RAN se conecten con otras funciones, desde una unidad de radio (RU) a una banda base (DU-CU), después al controlador y hasta el NMS/orquestador. Con la flexibilidad vienen las compensaciones. ¿Dónde deberían residir las funciones de red? Si bien está claro que las funciones de RF deben estar en la RU, el resto es una decisión que deben tomar los operadores.

Una arquitectura dividida (entre unidades centrales y unidades distribuidas) permite la coordinación de características de rendimiento como la latencia y el costo. Los ingenieros de red deben decidir entre la gestión de carga, la optimización del rendimiento en tiempo real y la adaptación a varios casos de uso para mantener la calidad de servicio (QoS). Los juegos, la voz y el video tienen diferentes tolerancias de latencia. Estos servicios dependen de diferentes escenarios de transporte y despliegue, como rural y urbano, que tienen diferente acceso a la fibra que transporta datos.

El concepto de división funcional (split funcional) se introdujo para 5G, aunque también se puede aplicar a 2G, 3G y 4G. Estas generaciones anteriores, con sus velocidades de datos más bajas que 5G, aún pueden beneficiarse de Open RAN, al permitir que los operadores móviles mezclen y combinen componentes de RAN utilizando diferentes divisiones funcionales de la RAN.

Cuando la RAN se abre horizontalmente, puede traer una nueva gama de proveedores de radio, hardware y software de bajo costo, esto brinda a los operadores móviles la opción de optimizar las opciones de implementación para requisitos de rendimiento específicos a un mejor costo.

Divisiones funcionales de RAN (Splits)

El 3GPP consideró el concepto de división (DU y CU) para 5G desde el comienzo de la redacción de sus especificaciones. El DU es responsable de la capa 1 en tiempo real (L1, capa física) y la capa inferior 2 (L2) que contiene la capa de enlace de datos y las funciones de “scheduling”. La CU es responsable de las funciones superiores de L2 y L3 (capa de red) en tiempo no real.

Si bien las CU mantendrán funcionalidades similares a las de una BBU (como el procesamiento digital) las DU se basan en software y podrían contener algunas funciones relacionadas con el cabezal de radio remoto (RRH) contenido en la RU. Aquí es donde entra el concepto Open RAN: desde servidores COTs para software DU y CU hasta unidades de radio (RU) de cualquier proveedor.

• RU (unidad de radio): Esta es la unidad de hardware de radio que convierte las señales de radio enviadas hacia y desde la antena en una señal digital para su transmisión a través de redes de paquetes. Maneja el extremo frontal digital (DFE) y la capa PHY inferior, así como la funcionalidad de formación de haz digital. Se supone que los diseños las RU de 5G son “intrínsecamente” inteligentes, pero las consideraciones clave del diseño de las RU son el tamaño, el peso y el consumo de energía. Las RUs son implementadas en el sitio
• DU: el software de la unidad distribuida que se implementa en el sitio en un servidor COTS. El software DU normalmente se implementa cerca de la RU en el sitio y ejecuta el RLC, MAC y partes de la capa PHY. Este nodo lógico incluye un subconjunto de las funciones eNodeB (eNB) / gNodeB (gNB), dependiendo de la opción de división funcional (split), y su operación está controlada por la CU
• CU: El software de la unidad centralizada que ejecuta las capas de Control de recursos de radio (RRC) y Protocolo de convergencia de paquetes de datos (PDCP). El gNB consta de una RU y una DU conectadas a la CU a través de las interfaces Fs-C y Fs-U para CP (plano de control) y UP (plano de usuario) respectivamente. Una CU con múltiples DUs admitirá múltiples gNB. La arquitectura dividida (splits) permite que una red 5G utilice diferentes distribuciones de pilas de protocolos entre CU y DUs según la disponibilidad de midhaul y el diseño de la red. Se trata de un nodo lógico que incluye las funciones gNB como transferencia de datos de usuario, control de movilidad, compartición de RAN (MORAN), posicionamiento, gestión de sesiones, etc., salvo funciones que se asignan exclusivamente a la DU. La CU controla el funcionamiento de varias DU a través de la interfaz de midhaul. El software CU se puede ubicar junto con el software DU en el mismo servidor en el sitio

Debido a que la arquitectura de división funcional (splits) de RAN (Figura 2) está completamente virtualizada, las funciones de CU y DU se ejecutan como funciones de software virtual en hardware comercial estándar (COTS) y se implementan en cualquier centro de datos aptos para RAN. Se pueden implementar como máquinas virtuales (VM) o contenedores.

Como las funciones son virtuales, varias instancias independientes de DU y CU pueden compartir los mismos recursos físicos (servidor). Esto permite que varios servicios RAN se ejecuten en el mismo hardware, cada uno con sus propios requisitos y necesidades de recursos satisfechas.

Figura 2: La desagregación de Open RAN con RU, DU, CU ofrece varias opciones para localizar funciones de RAN. Fuente: Xilinx.

Hay cuatro propósitos para separar la funcionalidad DU de la RU:

• Reducir costos. Las RU menos inteligentes cuestan menos
• Permitir que los componentes se mezclen y combinen reduce el bloqueo del proveedor
• Capacidad para observar un sector de RU a la vez y no solo una RU individual. Esto ayudará a habilitar funciones como CoMP
• A medida que el procesamiento se realiza en el DU, los recursos se pueden agrupar, lo que da como resultado la agrupación de ganancias

La implementación de una banda base centralizada permite el equilibrio de carga entre diferentes RUs. En la mayoría de los casos, la DU estará ubicada cerca de una o varias RUs y realizará tareas de procesamiento intensas como la Transformada Rápida de Fourier / Transformada Rápida de Fourier Inversa (FFT / IFFT) utilizadas en la modulación OFDMA. El procesamiento de banda base centrada en el borde (Edge-centric) ofrece baja latencia, local breakout, movilidad con gestión de interferencias en tiempo real y optimización ideal de los recursos.

El servidor de la CU y el software relevante pueden ubicarse junto con la DU o alojarse en un centro de datos en la nube regional. La división (Split) entre DU y RU (Figura 2) puede ser diferente según el caso de uso específico y la implementación (la definición de O-RAN Alliance es Opción-7.2 y la de Small Cell Forum es Opción-6). El número de la opción aumenta a medida que se acercan la RU y la capa física. Eso se opone al modelo OSI tradicional donde la capa 1 es la capa física.

Si bien la división CU y DU agrega flexibilidad en la forma en que se implementan los servicios RAN, el costo de la RU aún debe abordarse. En la actualidad, la interfaz entre la BBU y la RU en 4G LTE es propiedad de los proveedores de equipos móviles y se basa en la interfaz Common Public Radio Interface (CPRI). CPRI no es una interfaz abierta. Tiene dependencias en la implementación de BBUs y RRHs que requieren que ambos provengan del mismo proveedor. Además, crea un cuello de botella; se basa en el transporte de señales de radio digitales directamente sobre una fibra óptica de punto a punto. Eso crea un problema de costo cuando es necesario realizar una conexión de fibra punto a punto entre varias micro-celdas de RUs hacia las BBUs instaladas a 20 km de distancia. La interfaz CPRI requiere una tasa de bits constante sin importar la carga y no hay posibilidad de multiplexación estadística.

En 2017, Ericsson, Huawei, NEC y Nokia introdujeron una actualización de esta interfaz llamada CPRI mejorada (eCPRI). La interfaz eCPRI utiliza Ethernet como interfaz L2, lo que permite utilizar las soluciones existentes de control, gestión y sincronización. Ethernet permite la conmutación basada en paquetes y la multiplexación estadística de varias conexiones RU en una sola fibra de backhaul, lo que reduce el costo de implementación de micro-celdas.

La industria está llegando a un consenso de que la interfaz de nivel inferior que conecta la RU y la DU (fronthaul) debe ser eCPRI, que ofrece la latencia más baja a un costo menor. eCPRI especifica una serie de opciones de división en la pila de protocolos y, como muestra la Figura 3, estas opciones se alinean con las funciones 3GPP RAN y las de O-RAN Alliance.

Figura 3: Interfaz CPRI propietaria (izquierda) versus interfaz eCPRI abierta que puede soportar baja latencia a un costo mucho menor. Fuente: Design Reuse.

Como la latencia del fronthaul está limitada a 100 microsegundos, el uso de la interfaz eCPRI ayuda. Como muestra la Figura 2, una sola DU puede servir a las RUs hasta muchos kilómetros de distancia. El uso de eCPRI se vuelve rentable.

La división DU y CU apenas se ve afectada por el tipo de infraestructura física. La nueva interfaz principal es la interfaz F1 en la Figura 4 entre la DU y la CU. Midhaul conecta la CU con la DU. Si bien puede haber diferentes divisiones, la única que se considera de facto entre DU y CU es la Opción-2. También hay muy poca diferencia en la interfaz de midhaul entre las diferentes divisiones (1-5). La latencia en el enlace debe ser de alrededor de un milisegundo (mseg). Una CU centralizada puede controlar DU en un radio de 80 km.

El backhaul conecta la red de “core” 4G / 5G a la CU. La red de “core” de 5G puede estar a una distancia de hasta 200 km de la CU.

Figura 4. Fuente: Altran (Aricent)

En resumen, con el aumento de la huella de implementación, la fibra y la disponibilidad de las redes de fronthaul requeridos pueden ser un desafío. Al distribuir pilas de protocolos entre diferentes componentes (diferentes divisiones), los ingenieros y proveedores de redes pueden enfocarse en abordar los estrictos requisitos para un FH casi perfecto entre RU, DU y CU.