新聞中心

Open RAN技術與發展趨勢


壹  前言

行動網路發展至5G時代,除提供一般公共網路服務,也強調用於非公用網路服務,全球電信存取網路朝向開放網路Open RAN架構發展,Open RAN相較傳統RAN ,帶來的好處包括營運商不再受限於少數設備供應商,使得營運商可以多方議價,以降低設備採購費用,並且可依不同的情境選擇不同的佈建架構,網路佈署彈性大等,更能符合多元的5G及未來的應用需求。

貳  科技發展現況

一、 Open RAN簡介

行動網路的基本組成包括核網(Core Network)、基地台與使用者裝置(Mobile Device),如圖1所示,無線存取網路(Radio Access Network, 簡稱RAN)是由多基地台組成,並由管理系統(Management System)持續監控其運作狀況。目前主流行動營運商運行之RAN架構,其中包括射頻單元(Radio Unit, 簡稱RU)、基頻單元(Baseband Unit,簡稱BBU)、網管(Management System),皆由單一設備商提供,其介面並無開放,為設備商專屬制定,隨著行動網路演進,支持多天線、大頻寬等複雜功能的軟硬體導致RAN的建置與維運成本越來越高。

圖1 現行主流行動營運商運行之RAN

5G的基站根據3GPP第15版[1]定義,分為集中式單元(CU)與分散式單元(DU),射頻單元RU包含在負責部分基頻功能的DU中,而開放式網路 Open RAN 是一個通用術語,CU、DU與RU分離,中間以開放的中傳(Midhaul)與前傳(Fronthaul)介面相連,如圖2所示,即RAN的單元可由不同供應商提供,且能彼此互操作組成完整基站,國際上的推動組織包括O-RAN (O-RAN Alliance)、TIP (Telecom Infra Project)、LF (Linux Foundation)等。

O-RAN成立於2018年,是推動Open RAN共通標準發展的主要國際組織,是由營運商和供應商、學研單位共同組成的Open RAN產業聯盟,O-RAN聯盟定義O-RAN網路架構和組成,制定各個組成(或邏輯單元)與單元間介面的技術規範,及單元或介面的測試規範。TIP(電信基礎設施項目)是由全球運營商、供應商和科技公司組成,致力於推動創新的電信基礎設施技術。 TIP的OpenRAN工作組專注於開發和推廣Open RAN解決方案,並與O-RAN Alliance等組織合作,推動Open RAN的測試與全球部署。Open RAN 是LF的一個重要領域,LF通過 O-RAN SC 支持和推動 Open RAN 技術的開源化,旨在開發和共享 Open RAN 軟體的原型、工具和代碼,該社區促進了 Open RAN 軟體的開源化,使不同供應商能夠更容易地開發和整合 Open RAN 解決方案。LFN (LF Networking)也是 Linux Foundation 的一個項目,旨在推動開放和協作的網絡技術和解決方案。LFN 通過提供開放的平台和框架,促進Open RAN 的開源和標準化。LFN 還支持Open RAN 的相關項目和工作組,如ONAP(Open Network Automation Platform,開放式網路自動化平台)[6]、Anuket 計畫(共通電信雲基礎架構) [7] 等。

二、 O-RAN架構與關鍵技術

有共通標準將使更多的Open RAN廠商提供具可互操作性的軟硬體與RAN網元,不僅能降低RAN的建置成本,同時還能滿足5G時代多樣化的特定需求。O-RAN定義之架構與標準透過擴展3GPP標準組織所定義的5G NG-RAN介面和組成單元[3],以及與Linux Foundation合作成立開源社群O-RAN Software Community (O-RAN SC)[4],達到開放介面、軟硬體解耦、自動與智慧三項特徵,以滿足低成本、高彈性、並可供營運商持續使用的開放式網路需求。

(1) 開放介面

O-RAN將原本基站內的封閉介面進行開放,定義統一的資料與傳輸格式,依所需的用例 (Use case)、延遲要求和物理基礎設施的可用性,BBU重新劃分為O-CU、O-DU、與部分的O-RU三個單元,可放置在不同的物理位置,可看成是Open RAN的水平解耦 (Horizontal disaggregation) [2],如圖2所示。各個模組與介面的架構如圖 3 所示[3],其中3GPP所定義的原有介面以黑色線表示,在既有 E1/F1/X2/Xn/NG介面之外,新增A1/O1/O2/E2/Y1/O-FH等介面,不同廠商間的網元及軟硬體因此能溝通對接,更多廠商得以進入基站設備市場,從基站開放進一步走到基站市場開放,為網路市場注入活水與創新能量。

圖2開放式網路Open RAN組成與分類 [2]
圖3 O-RAN網路架構和組成 (資料來源:O-RAN Alliance)

圖3中O-CU分為O-CU-CP控制面和O-CU-UP用戶面兩部份,O-CU-CP進行RRC (Radio Resource Control)和PDCP (Packet Data Convergence Protocol)協議之功能,而O-CU-UP則進行SDAP (Service Data Adaptation Protocol)和PDCP協議的功能,向上透過NG-c與NG-u介面與5G核網接通,向下透過F1介面連接O-DU,可以同時管理多個O-DU單元。

O-DU主要處理NR protocols中的RLC (Radio Link Control) Layer、MAC (Medium Access Control) Layer和High PHY (Physical) Layer功能,與O-RU間為O-FH介面,使用eCPRI (evolved CPRI)規格。

O-RU主要處理NR protocols中的Low-PHY (Physical) Layer和上下行的射頻訊號,射頻訊號連接於天線,如sub-6 GHz small-cell時,而在Macro-cell或運行於mmWave頻段時,O-RU通常具備AAS (Active Antenna System)天線的功能。

(2) 軟硬體解耦

即RAN軟體與底層硬體分離和虛擬化,使網路具可擴展、容錯和自我修復的彈性,可看成是圖2所示的Open RAN縱向解耦(Vertical disaggregation)[2]。圖3中O-Cloud為提供虛擬化網路功能的雲平台,若將部分或全部網路功能遷移到雲端環境中運行,能提供更大的靈活性、擴展性與可配置性,並降低硬體成本,雲端化還可實現更進階的自動化和改版等功能提升維運效率,進而降低營運成本。

同時RAN因軟體化,藉由無線介面協議開源與共享基礎單元的程式碼,開發者能將研發資源聚焦於開發核心演算法和差異化功能軟體,節省重複且冗餘的基礎程式撰寫人力與時間基站。所需硬體部分則訂定統一且開放的規格與參考設計,改變由廠商自定義的傳統作法,同時也將傳統的專用硬體以通用伺服器替代,軟硬體的革新作法不僅降低研發與設備成本,也促進Open RAN產業的發展與創新。

(3) 自動與智慧

經由設計能引入各種演算法和人工智能模組於基站運作與接收網管系統指令的架構,即圖3中的新增組成單元SMO (Service Management and Orchestration) ,滿足雲化與網路7x24小時持續運作所需的監控管理,再加入提升RAN運作性能的非即時智慧控制器 (Non-Real Time RAN Intelligent Controller)、與近即時智慧控制 (Near-Real Time RIC)共三個單元,透過相關流程自動化彈性運用與快速管理網路資源,提升網路整體的運作效率。

SMO提供網路設備管理服務,透過O1介面進行FCAPS (Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security)管理,與O-RU間使用O-FH的M-Plane介面進行介接與管理,使用O2介面進行O-Cloud平台資源和負載管理。

Non-Real Time RIC主要功能包含資料分析、機器學習模型建立、多元資訊EI (Enrichment Information)提供、策略 (Policy)制定,可以藉由取得SMO的相關資料進行運算與模型建立,對網路效能與參數進行運算和決策,透過A1介面對Near-Real Time RIC進行策略和機器學習模型的更新,為處理大於1秒以上的判斷和決策,可透過調整網路資源的配置,達到如改善網路品質、提升使用者體驗等目的。

Near-Real Time RIC則處理介於10 ms與1秒之間的智慧決策迴圈,依據Non-Real Time RIC所提供的策略與多元資訊進行基站配置,與O-DU、O-CU間以E2介面對接,進行相關配置與交換訊息,並對RAN的相關資料進行決策和分析,也透過Y1介面提供RAN的資訊給外部的Y1 consumers如邊緣應用伺服器。

三、 Open RAN演進趨勢

Open RAN仍在發展中,尚未邁入成熟,其關鍵演進挑戰包括開放介面標準化與整合、資安、及導入AI及大數據智能化功能。

(1) 開放介面標準化與整合

現階段大部分廠商提供產品的軟體功能較傳統基站少,比較進階的功能如網路切片、跨DU多載波聚合等,有更多的開放介面需進一步定義與標準化,還須考量複雜度與功效能的平衡,避免因複雜化導致設備成本增加。與傳統RAN由單一廠商提供相較,由多廠商組成的Open RAN之整合,更是不可或缺且具挑戰性,首先須確保O-CU、O-DU、O-RU各自功能符合標準,並能彼此互通,接下來基地台基本功能與UE、核網的整合,確保其功效能與運作穩定性,第三階段O-CU、O-DU、O-RU加上SMO與RIC及其智慧模組,整合形成使用案例 (Use Cases),加值Open RAN適應多樣場景需求,未來甚至整合邊緣運算系統,提供更彈性與高效能的網絡,有助降低網路延遲改進用戶體驗、支持物聯網技術發展[8]。最後,包含基站 (O-CU、O-DU、O-RU)、管理(SMO/RIC)、核網 (5GC)之基於雲基礎架構的共用開源平台,能實現與加速Open RAN發展創新端到端使用案例。

(2) 資安

邁向Open RAN的過渡期因管理多供應商環境的複雜性增加,潛在的漏洞和故障點可能被惡意行為者利用,為網路安全和彈性帶來潛在風險,運營商在確保其網路的互通性與整合運作方面可能面臨挑戰。開放介面和標準化協定的使用,O-Cloud、Near-RT RIC xApps、AI/ML 運行流程(workflow)、SMO RAN-Core Data Sharing、Shared O-RU Security也可能使網路面臨新的攻擊媒介。雖然這些功能可以提高可見性和控制力,但因攻擊者更容易訪問敏感網路資訊,並發起有針對性的攻擊。運營商須有力的安全措施,以保護其網路免受潛在威脅[9]。

(3) 導入AI及大數據智能化功能

設計自動化、測試自動化、佈署自動化、與維運自動化,可以加速Open RAN產品發展,符合不斷演進的行動網路技術與標準需求。Open RAN節能議題受到各國營運商普遍重視[10],包括透過軟體調整基站開關,具有智慧的維運管理系統調整網路,硬體部分使用更先進節能的設計,更進一步則是建立生態評級印章,呼應環境永續需求。人工智慧和機器學習等技術,除可應用於前述發展安全性與節能性功能,前者有機會幫助運營商領先於新出現的威脅,後者能因使用需求更動態即時的調整調整網路組態與運作,亦能用於協助提升Open RAN的運作性能與穩定性的智慧技術,未來進一步結合數位雙生技術,複雜網路的運作將具可預測性。

參  結論

開放式無線接取網路(Open RAN)的出現推動了無線網絡的轉型和創新,有助於降低無線網路建設和運營的成本,並為未來網路提供更多的選擇和靈活性。2022年高德納諮詢公司(Gartner)預估消費者服務提供者(Communications service provider, 簡稱CSP)之網路基礎建設成熟度曲線(Hyper cycle),Open RAN目前處於泡沫化的下降中期,預計大量部署的時間需要5-10年[11],盡快探索出適用範圍和商業模式有利其發展,行動專網市場從5G開始逐漸興盛,需要有客製彈性、供應商多樣性、安全性和支持物聯網應用特性的無線網路,Open RAN將為專網市場的理想選擇。然就技術發展與成本仍有一段距離,但也同時促進了新的業務模式和市場參與者出現,為整個產業甚至社會帶來更大的變革與創新機會。

肆  參考文獻

[1] Alliance, Open RAN. ”O-RAN: Towards an Open and Smart RAN.” White Paper, October 2018.
[2]“Assessing the importance of RIC in open vRAN strategies,”OMDIA, 2022
[3] Alliance, Open RAN. “O-RAN Architecture Description 9.0, ”Specification, June 2023.
[4] O-RAN Software Community Website,https://o-ran-sc.org/
[5] TIP (Telecom Infra Project) Website,https://telecominfraproject.com/
[6] ONAP(Open Network Automation Platform)Website, https://www.onap.org/about
[7] Anuket Project Website, https://cntt.readthedocs.io/en/stable-moselle/common/chapter00.html
[8] S. K. Singh, R. Singh and B. Kumbhani, "The Evolution of Radio Access Network Towards Open-RAN: Challenges and Opportunities," 2020 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), Seoul, Korea (South), pp. 1-6. 2020
[9] M. Polese, L. Bonati, S. D’Oro, S. Basagni and T. Melodia, "Understanding O-RAN: Architecture, Interfaces, Algorithms, Security, and Research Challenges," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 25, no. 2, pp. 1376-1411, 2nd quarter 2023
[10] N. Aryal, E. Bertin and N. Crespi, "Open Radio Access Network challenges for Next Generation Mobile Network," 2023 26th Conference on Innovation in Clouds, Internet and Networks and Workshops (ICIN), Paris, France, pp. 90-94, 2023
[11]“Hype Cycle for CSP Networks Infrastructure”, Gartner, 2022