לשוק טכנולוגיית הגישה לרשת אלחוטית פתוחה (ORAN) ולתפקידו ביישום שירותי 5G יש פוטנציאל לצמוח בקצב מהיר. מפעילי רשתות סלולריות (MNOs) מבקשים לנצל עלויות נמוכות יותר, גמישות רב יותר ויכולת להימנע מהיקשרות לספקים (lock-in). את כל היתרונות הללו ניתן לממש באמצעות גישה לטכנולוגיות הניתנות להפעלה הדדית (interoperable) הזמינות ממספר ספקים. המפעילים יכולים גם ליהנות מביצועים בזמן אמת.
ORAN הוא השלב האחרון באבולוציה של הגישה לרשת אלחוטית (RAN), שהחלה עם ההשקה של 1G ב-1979. 2G הושק ב-1991 ו-3G ב-2001. שירותי 4G לטווח ארוך (LTE) הופיעו לראשונה ב-2009 והציגו מיתוג מבוסס-מנות (packet switching). במהלך פריסתה, החלו להיכנס לשימוש מערכי אנטנות מרובי-קלט ומרובי פלט (MIMO) ו-cRAN ממורכז (או מבוסס-ענן), הפועל על תוכנה קניינית של הספק, ואפשרו פיצול של יחידת פס הבסיס (BBU) ליחידה מבוזרת (DU) וליחידה מרכזית (CU), עם midhaul בין השתיים.
השקת רשתות אלחוט 5G חדשות (NR) החלה בשנת 2018 והציגה את ה-Virtualized RUN (vRAN) כאמצעי יישום, עם פונקציות BBU (או CU ו-DU) המיושמות בתוכנה הפועלת על שרתים. לדוגמה, איזון עומסים, ניהול משאבים, נתבים וחומות אש יכולים לפעול כעת תחת וירטואליזציה של פונקציית רשת (NFV). עם זאת, התוכנה של יחידת האלחוט (RU), CU ו-DU היא קניינית. ORAN שואף להסיר חסמים על ידי מתן גישה למפעילים ל-vRAN מבוסס תוכנה בקוד פתוח לצורך השתלת 5G1 .
איור 1 מדגים את מטרתה של ה-O-RAN Alliance – קהילה של יותר מ-300 מפעילים סלולריים, ספקים, ארגוני מחקר ומוסדות אקדמיים – שהיא להגיע למצב של RUs, CUs ו-DUs פתוחים (כאשר הקידומת של כל ראשי תיבות מתחילה עם -O) ועם fronthaul באמצעות ממשק אלחוטי ציבורי משותף (CPRI).
איור 1: תחת O-RAN, יש לנו למעשה סטאק תוכנה של תחנת בסיס מודולרית הפועלת על חומרה זמינה מסחרית של שרתים. ה-MNO יכולים לערבב ולהתאים את ה-O-RU, O-DU ו-O-CU שמקורם בספקים שונים
התמיכה בזמן אמת אפשרית באמצעות 5G עם מהירויות העברה של עד 20 Gb/sec, זאת בהשוואה ל-1 Gb/sec של 4G בין נקודות סטטיות, ורק 100 Mb/sec בין נקודה נעה אחת או שתיים. כמו כן, הלטנטיות עבור 5G ירדה ל-1 ms בלבד.
מרכיב מרכזי נוסף של ORAN הוא הבקר החכם המנוהל של RAN (או RIC), אשר יכול להיות כמעט בזמן אמת או לא בזמן אמת, כאשר שתי האפשרויות האלו אחראיות לבקרה ולאופטימיזציה של רכיבי ה-ORAN. איור 2 מציג את קהילת התוכנות (SC) של O-RAN, העוקבת אחר הארכיטקטורה שהוגדרה על ידי ה-O-RAN Alliance.
איור 2: ארכיטקטורת קהילת תוכנות O-RAN עם בקר RAN החכם המופעל כמעט בזמן אמת
סנכרון
אחד האתגרים העיקריים ביישום ORAN הוא וידוא קיומו של סנכרון של האלמנטים השונים של ORAN, בעיקר, אך לא רק, בגלל הצורך בביצועי סנכרון מחמירים יותר הדורשים דיוק של התזמון ברמה של 130± ננומטר בלבד.
שמירה על מתגי ה-RU וה-DUs מסונכרנים חשובה לתפעול יעיל של ORAN. הסנכרון הזה מונע אובדן של מנות נתונים, ממזער הפרעות ברשת ועוזר לשמור על צריכת חשמל נמוכה ככל האפשר. הסנכרון גם מסייע ל-MNOs לעמוד במחויבויות הבעלות על רישיון התדרים שלהם.
הבדל מרכזי נוסף בין 5G לדורות קודמים הוא המעבר מדופלקס חלוקת תדרים (FDD) לדופלקס חלוקת זמן (TDD) – המאפשר ביצוע שידורי uplink ו-downlink בו זמנית באמצעות שני תדרים נפרדים אך קרובים. הוא משתמש במשבצות זמן שונות עבור אותות uplink ו-downlink באותו תדר, מה שעושה שימוש טוב יותר בספקטרום ה-RF של ה-RAN המספק פס רחב נייד משופר (eMBB), למשל, מכיוון שניתן להתאים את היחס בין זמן uplink לזמן downlink על פי הצורך.
ה-TDD מספק גם תאימות רבה יותר עם אלומות MIMO וספקטרום C-band (3.7 עד 3.98 גיגה-הרץ), אשר ישמשו את המפעילים לפריסת 5G ברחבי קהילות גדולות וקטנות כאחד. כדי למנוע הפרעה תוך-סלולרית ובין-סלולרית, קיימת תקופת שמירה (guard period) בין שידורי up ל-downlink. למרות זאת, סנכרון הדוק הוא חיוני ליעילות תפעולית (ירידה בשיעורי השגיאה) ולצורך פיצוי על כל שינוי תדירות או מופע2 .
תזמון מדויק
כל הפריסות האלחוטיות החדשות חייבות לשמור על דיוק יישור מופע ביחס למקור תזמון המבוסס על מערכת ניווט לוויינית גלובלית (UTC) המתואמת עם זמן אוניברסלי (GNSS) ברמת דיוק של ±1.5 מיקרו-שניות.3 גם עמידה בתקני תעשייה מרובים ולהמלצות של גופי תעשייה היא חיונית בעת יצירת קישוריות מקצה-לקצה בזמן אמת.
להפצת זמן מדויקת ברחבי הרשת יש צורך בפרוטוקול זמן מדויק (PTP) כפי שנקבע על ידי IEEE 1588-2019 בארכיטקטורת ה-O-RAN של ה-O-RAN Alliance. במסגרת הפרוטוקול יש שעון grandmaster (או PTP master) שמולו מסתנכרנים שעוני PTP אחרים ברשת באמצעות הודעות PTP. גורמי הסנכרון באפקטים כגון עיכובי נתיב (path delays), זמן שעון הגבול הסטנדרטי (T-BC) והשעון השקוף-מבחינת-זמן (T-TSC) פועלים למניעת אסימטריה ב-upstream וב-downstream, כמו גם וריאציות בעיכוב מנות (PDV).
ה-ITU-T, חלק מאיגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי, המליץ גם הוא על TDD. לדוגמה, ITU-T G.8272/Y.1367 מפרט את הדרישות לשעוני זמן סימוכין ראשוניים (pRTCs) המתאימים לסנכרון זמן, מופע ותדר ברשתות מבוססות-מנות וה-ITU-T G.8273.2 ממליץ על מאפייני תזמון של שעוני גבול טלקום (telecom boundary clocks) ושעונים משניים לזמן טלקום לשימוש עם תמיכה בתזמון מלא (FTS) מהרשת.
ברחבי הרשת, השעונים ממוקמים בשרשראות, לאחר ניקוי אות הזמן כדי לסנן ולהסיר רעש שנגרם ע”י שעוני גבול. עם זאת, הציוד יצטרך לעמוד באחת מארבע קטגוריות הביצועים, המוגדרות על ידי ITU-T G.8273.24, הנעות בין Class A ל-Class D. מתוכן, דרישות הדיוק של C ו-D הן הגבוהות ביותר. לדוגמה, שגיאת הזמן שמייצר שעון Class D מסוג T-BC חייבת להיות פחות מ-5ns5 . בנוסף ל-GNSS/UTC ו-PTP, פריסות 5G משתמשות גם ב-Synchronous Ethernet (SyncE). יחד, כל השלושה יכולים לספק דיוק בזמן, במופע ובתדר על פני הרשת.
ORAN דורשת פלטפורמות מהמדף
ORAN מספקת לחברות MNO גישה לפתרונות שאינם קנייניים. בכל הנוגע לחומרה, ניתן להשתמש במכשירים ובפלטפורמות מבוססי-מוליכים למחצה הזמינים-מסחרית כדי לעמוד בדרישות התזמון מקצה לקצה בתוך הרשת.
לדוגמה, יש זמינות של שעוני grandmaster תואמי IEEE 1588 עם יכולות PTP ו-SyncE, העומדים במפרט PRTC Class A, Class B ו-PRTC משופר (ePRTC) בתוספת למפרטי Class C ו-Class D עבור שעון גבול רב-דומיינים. הרבגוניות והרב תכליתיות האלו הן תכונות קריטיות ל-MNOs כדי שיוכלו ליישם פתרון תזמון מסונכרן.
ניתן לפרוס חומרה לסנכרון רשת, כגון מתנדים, PLLs הניתנים-לתכנות, באפרים ומנחיתי ריצוד בתוך ציוד DU, CU ו-RU. יתר על כן, יש כעת בשוק פתרונות סנכרון רשת ייעודיים של שבב יחיד. מבחינה זו, Microchip הייתה הראשונה שיצאה לשוק עם פלטפורמת ZL3073x/63x/64x (איור 3). טכנולוגיה זו מפגישה בין DPLLs וסינתסייזרים בעלי ריצוד פלט נמוך וסטאק פרוטוקול זמן מדויק בתקן IEEE 1588 -2008 ומודולים של תוכנה מבוססי אלגוריתם לסנכרון.
איור 3: פלטפורמת סנכרון רשת על שבב יחיד ZL3073x/63x/64x של Microchip
שיקול עיקרי נוסף של תזמון כה קריטי במסגרת ORAN 5G הוא נושא היציבות מול הטמפרטורה. מתנדים ו-PLLs עם פיצוי טמפרטורה, ושעונים אטומיים בקנה מידה שבבי (CSACs), כבר נפרסו והוכיחו את עצמם בסביבות קשוחות כגון יישומים צבאיים ותעשייתיים, ומתאימים לחומרה של RU, CU ו-DU.
לסיכום, השימוש ב-TDD ב-5G מספק יתרונות גדולים אך מציב בפנינו אתגרי סנכרון. למרבה המזל, תחת ORAN, ל-MNOs ולחברות התומכות בהם עם מערכות יש גישה למוליכים למחצה ולפלטפורמות שניתן להשתמש בהם כדי ליצור RAN מקצה לקצה תוך הימנעות מהיקשרות לפתרונות קנייניים.
מקורות
- https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/radio-access-network-RAN
- https://www.viavisolutions.com/en-uk/what-5g-timing-and-synchronization
- https://www.5gtechnologyworld.com/how-virtual-primary-reference-time-clocks-improve-5g-network-timing/
- https://www.5gtechnologyworld.com/how-ieee-1588-synchronizes-5g-open-ran/
