As redes de acesso ao Open RAN oferecem a opção de colocar funções de rede em diferentes locais ao longo do caminho do sinal. Essa opção é chamada de split funcional RAN e permite que as operadoras móveis otimizem o desempenho e façam compensações. É também a fundação do Open RAN.

Começando com redes sem fio 2G, as arquiteturas da rede de acesso ao rádio (RAN) eram baseadas em blocos de construção monolíticos. Essas redes - e muitas redes 5G - contêm funções de software em caixas proprietárias chamadas unidades de banda base (BBUs) na base das torres de rádio. Essas funções desmodulam o sinal RF, convertendo a saída em fluxos de dados digitais para transporte no backhaul para o núcleo de rede. Essa situação está mudando e se tornando mais aberta.

Desde as primeiras fases do 5G New Radio (NR), houve um movimento para desagregar o BBU (Figura 1), quebrando suas funções além da Unidade de Rádio (RU) em Unidades Distribuídas (DUs) e Unidades Centralizadas (CUs). O argumento para a desagregação foi a flexibilidade, permitindo que as operadoras de rede decidissem onde implementar essas funções e maximizar o desempenho, reduzindo o custo de implantação. Para que a desagregação aconteça, os componentes de hardware e software devem ser interoperáveis, permitindo que as operadoras móveis misturem e combinem essas peças de diferentes fornecedores. A desagregação também traz compensações na decisão de qual unidade deve controlar determinadas operações – o split funcional da RAN.

Figura 1. O conceito Open RAN separa as Unidades Distribuídas (DUs) e as Unidades Centralizadas(CUs) de uma Unidade de Banda Base (BBU) proprietária, conectando-as com interfaces abertas.

Open RAN é sobre abertura horizontal – com interfaces abertas permitindo que funções do RAN se conectem com outras funções, de uma unidade de rádio (RU) a uma banda base (DU-CU), ao controlador NMS/orquestrador. Com flexibilidade vem as trocas. Onde as funções de rede devem residir. Embora esteja claro que as funções de RF precisam estar na RU, o resto pode ser distribuído de acordo ao split funcional adotado.

Uma arquitetura dividida (entre unidades centrais e distribuídas) permite a coordenação de recursos de desempenho, como latência e custo. Os engenheiros de rede devem decidir entre gerenciamento de carga, otimização de desempenho em tempo real e adaptação a vários casos de uso para manter a qualidade do serviço (QoS). Jogos, serviço de voz, serviços de vídeo, têm diferentes tolerâncias a latência. Esses serviços dependem de diferentes cenários de transporte e implantação, como rural versus urbano, que têm acesso diferente à redes de fibra óptica que transportam dados.

O conceito de split funcional foi introduzido para 5G, embora possa ser aplicado ao 2G, 3G e 4G também. Essas gerações anteriores, com suas taxas de dados mais baixas que o 5G, ainda podem se beneficiar do Open RAN, permitindo que as operadoras móveis misturem e combinem componentes RAN utilizando diferentes splits funcionais na RAN.

Quando as interfaces da RAN são abertas horizontalmente, pode trazer uma nova gama de fornecedores de rádio, hardware e software de baixo custo, e dá às operadoras móveis a liberdade de otimizar opções de implantação para requisitos específicos de desempenho a um custo muito melhor.

Splits funcionais RAN

O 3GPP considerou o conceito dividido (DU e CU) para 5G desde o início da redação de suas especificações. O DU é responsável pela camada 1 em tempo real (L1, camada física) e camada inferior 2 (L2) que contém a camada de link de dados e funções de scheduling. O CU é responsável por funções non-real time, L2 e L3 (camada de rede).

Embora as CUs mantenham funcionalidades semelhantes ao BBU, como o processamento digital, as DUs são baseadas em software e podem conter algumas funções relacionadas ao RRH (Remote Radio Head, head de rádio remoto) contido na RU. É aí que entra o conceito Open RAN: desde servidores baseados em COTS (Common of the shelf) para software DU e até RU de qualquer fornecedor.

RU: Esta é a unidade de hardware do rádio que cobre sinais de rádio enviados de e para a antena em um sinal digital para transmissão através de redes de pacotes. Ele lida com a digital frontend (DFE) e a camada PHY inferior (camada física inferior), bem como a funcionalidade de formação de feixe digital. Os designs 5G RU devem ser "inerentemente" inteligentes, mas as principais considerações do design RU são tamanho, peso e consumo de energia. Implantado no local.
DU: O software da unidade distribuída que é implantado no local em um servidor COTS. O software DU é normalmente implantado perto da RU no local e executa o RLC, MAC e partes da camada PHY. Este nó lógico inclui um subconjunto das funções eNodeB (eNB)/gNodeB (gNB), dependendo da opção de divisão funcional, e seu funcionamento é controlado pelo CU.
CU: O software de unidade centralizado que executa as camadas RRC (Radio Resource Control, controle de recursos de rádio) e PDCP (Packet Data Convergence Protocol, protocolo de convergência de dados de pacotes). O gNB consiste em uma CU e uma DU conectadas ao CU via interfaces Fs-C e Fs-U para CP (Control Plane) e UP (User Plane), respectivamente. Uma CU com várias DUs suportará vários gNBs. A arquitetura dividida permite que uma rede 5G utilize diferentes distribuições de pilhas de protocolo entre CU e DUs, dependendo da disponibilidade do midhaul e design da rede. É um nó lógico que inclui as funções gNB como transferência de dados do usuário, controle de mobilidade, compartilhamento RAN (MORAN), posicionamento, gerenciamento de sessão etc., exceto para funções que são alocadas exclusivamente para o DU. A CU controla o funcionamento de várias DUs sobre a interface midhaul. O software CU pode ser co-localizado com software DU no mesmo servidor no local.

Como a arquitetura de split funcional RAN (Figura 2) é totalmente virtualizada, as funções CU e DU são executadas à medida que o software virtualizado funciona no hardware padrão comon off-the-shelf (COTS) e pode ser implantado em qualquer datacenter hierárquico RAN. Eles podem ser implantados como máquinas virtuais (VMs) ou contêineres.

Como as funções são virtuais, várias instâncias independentes de DU e podem compartilhar os mesmos recursos físicos (servidor). Isso permite que vários serviços RAN sejam executados no mesmo hardware, cada um com seus próprios requisitos e necessidades de recursos atendidas.

Figura 2: Desagregação Open RAN com RU, DU, CU oferece várias opções para localizar funções RAN. Fonte: Xilinx.

Existem quatro propósitos de separar a funcionalidade DU da RU:

Para reduzir o custo. RUs menos inteligentes custam menos.
Permitir a mistura e combinação (mix and match) de componentes reduzindo o bloqueio de fornecedores (vendor lock in)
Capacidade de olhar para um cluster de RUs ao mesmo tempo e não apenas uma RU individual. Isso ajudará a habilitar recursos como o CoMP.
Como o processamento é feito no DU, os recursos podem ser agrupados resultando em ganhos de agrupamento (Pooling gain).

A implantação centralizada da banda base permite o balanceamento de carga entre diferentes RUs. Na maioria dos casos, o DU será co-localizado perto de uma ou várias RUs e realizará tarefas intensas de processamento, como Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) usado na modulação OFDMA. O processamento de banda base centrado em bordas oferece baixa latência, fuga local, mobilidade com gerenciamento de interferência em tempo real e otimização ideal de recursos.

O servidor e o software da CU podem ser co-localizados com o DU ou hospedados em um data center em nuvem regional. A divisão real entre DU e RU (Figure 2) pode ser diferente dependendo do caso de uso e implementação específico (a definição da Aliança O-RAN é Option-7.2 e Small Cell Forum é Option-6). O número de opções aumenta à medida que você se aproxima da RU e da camada física. Isso é em oposição ao modelo tradicional de OSI onde a camada 1 é a camada física.

Embora a divisão CU/DU adicione flexibilidade na forma como os serviços RAN são implantados, o custo RU ainda precisa ser resolvido. Hoje, a interface entre o BBU e a RU em 4G LTE é proprietária para fornecedores de equipamentos móveis e é baseada na interface Common Public Radio Interface (CPRI). CPRI não é uma interface aberta. Possui dependências na implementação de BBUs e RRHs que exigem que ambos venham do mesmo fornecedor. Além disso, cria um gargalo; é baseado no transporte de sinais de rádio digitais de um único fluxo sobre uma fibra óptica ponto a ponto. Isso cria um problema de custo quando uma conexão de fibra ponto a ponto precisa ser feita entre várias RUs de microcélulas a BBUs instaladas a 20 km de distância. A interface CPRI requer uma taxa de bits constante, não importa a carga e não há possibilidade de multiplexagem estatística.

Em 2017, Ericsson, Huawei, NEC e Nokia introduziram uma atualização para esta interface chamada CPRI aprimorada (eCPRI). A interface eCPRI usa o Ethernet como interface L2, que permite que soluções existentes para controle, gerenciamento e sincronização sejam usadas. O Ethernet permite a comutação baseada em pacotes e o multiplexamento estatístico de várias conexões RU em uma única fibra de backhaul, reduzindo o custo de implantação de microcelulares.

A indústria está chegando a um consenso de que a interface de nível inferior que conecta RU e DU (fronthaul) deve ser eCPRI, que fornece a menor latência a um custo menor. O eCPRI especifica uma série de opções de divisão na pilha de protocolos e, como mostra a Figura 3, essas opções se alinham com o 3GPP RAN funcional e o da Aliança O-RAN.

Figura 3: Interface Propietary CPRI (esquerda) versus interface eCPRI aberta ser capaz de suportar baixa latência a um custo muito menor. Fonte: Design Reuse.

Como a latência fronthaul é restrita a 100 microsegundos, o uso da interface eCPRI ajuda com isso. Como a Figura 2 mostra, um único DU pode servir RUs até muitos quilômetros de distância. O uso do eCPRI torna-se econômico.

A divisão DU/CU dificilmente é impactada pelo tipo de infraestrutura física. A nova interface principal é a interface F1 na Figura 4 entre a DU e a CU. O midhaul conecta a CU com a DU. Embora possa haver diferentes divisões, a única que está sendo considerada de fato entre DU e CU é a Opção-2. Há também pouca diferença na interface midhaul entre as diferentes divisões (1-5). A latência no link deve ser em torno de 1 microsegundo. Uma CU centralizada pode controlar DUs em um raio de 80 km.

O backhaul conecta a CU 4G/5G ao núcleo 5G que pode estar a até 200 km de distância da CU.

Figura 4. Fonte: Altran (Aricent)

Resumindo, com o aumento das implantações, a disponibilidade de fibra ótica e a disponibilidade de fronthauls necessários, podem ser aspectos desafiadores. Ao distribuir pilhas de protocolo entre diferentes componentes (diferentes splits), os engenheiros de rede e os provedores deverão se concentrar em atender aos requisitos exigentes para um fronthaulquase perfeito entre RU, DU e CU.