O-RAN とは?

オープン無線アクセスネットワーク (O-RAN) は、さまざまなベンダーによって開発されたセルラーネットワーク機器間の相互運用性を実現する、無線アクセスネットワーク (RAN) の一種です。O-RAN は、従来型のモノリシックなハードウェア中心の RAN 設計を、オープンな標準化されたインターフェイスによって別個の基本構成を使用する RAN 設計に変換することを目的としています。これにより、無線ネットワーク機器プロバイダーは、RAN 全体の構築ではなく、特定のソフトウェアコンポーネントを提供することに注力できます。このコンポーネント化により、無線サービスプロバイダーは複数のベンダーから調達したコンポーネントを組み合わせて運用できます。MATLAB^® および 5G Toolbox™ を使用して、O-RAN 適合性テストのためのフロントホールのコントロール (C) プレーンおよびユーザー (U) プレーンメッセージを生成できます。

MATLAB および 5G Toolbox による O-RAN 通信のメッセージの生成を示すブロック線図。

図 1. MATLAB および 5G Toolbox を利用して O-RAN 設計のテストのための CU プレーンメッセージを生成する方法。

O-RAN アーキテクチャ

単一のベンダーによる従来型の RAN と複数のベンダーによるオープン RAN を比較した図。

図 2. 従来型の無線アクセスネットワーク (RAN) とオープン無線アクセスネットワーク (O-RAN) のアーキテクチャの比較。

図 2 の左側には、単一のベンダーから提供されたベースバンド処理部 (BBU) や無線部 (RU) などのブロックを従来型の RAN がどのように使用するかが示されています。無線アクセスネットワークの設計の柔軟性を向上させるために、O-RAN Alliance は O-RAN プロトコルを開発しました。これにより、ベースバンド処理部と無線部を以下の 3 つの別個のモジュールとそのプロトコルレイヤーに分割できるため、各モジュールを異なるベンダーが提供できるようになりました。

O-RU (O-RAN 無線部)。RF および物理レイヤーの下位部分 (Low-PHY) を処理します。
O-DU (O-RAN 分散局)。物理レイヤーの上位部分 (High-PHY) のタスク、メディアアクセス制御 (MAC)、および無線リンク制御 (RLC) のタスクを処理します。
O-CU (O-RAN 集約基地局)。DCP (Packet Data Convergence Protocol)、SDAP (Service Data Adaptation Protocol)、および RRC (Radio Resource Control) プロトコルエンティティを管理します。

O-RAN の場合、O-CU とコアネットワーク間のインターフェイスをバックホール、O-DU と O-CU 間のインターフェイスをミッドホール、O-DU と O-RU 間のインターフェイスをフロントホールと呼びます。MATLAB および 5G Toolbox を使用すると、図 2 に示したフロントホールや、その他の O-RAN インターフェイスのデータを生成するアルゴリズムを開発できます。また、MATLAB、Simulink^®、および Wireless HDL Toolbox™ を使用することで、実装の複雑度を軽減してから、モデルベースデザイン (MBD、モデルベース開発)を利用して FPGA で O-DU および O-RU のシステムの統合、テスト、妥当性確認を実行できます。

O-RU、O-DU、および O-CU のプロトコルの機能的コンポーネントを示した図。

図 3. O-RAN プロトコルコンポーネント (O-RU、O-DU、O-CU) およびそのプロトコルエンティティ。

O-RAN Alliance は 7.2x 分割を採用しました。7.2x 分割は、物理レイヤーの下位部分 (Low-PHY) と上位部分 (High-PHY) の間に存在します。O-DU と O-RU 間のオープンフロントホールインターフェイスは、7.2x 分割で定義されます。

O-RAN フロントホール信号処理

たとえば、ダウンリンク (DL) 処理では、操作のシーケンスを 7.2x 分割より前の操作と 7.2x 分割より後の操作に分割できます。7.2x 分割の一方では、以下のように、リソースエレメントマッピングまでの機能が O-DU で処理されます。

ユーザービットをメディアアクセス制御 (MAC) レイヤーから受け取ります。
トランスポートチャネルとして構成されたこれらのビットには、データ符号化、スクランブリング、変調、レイヤーマッピング、プリコーディングおよびリソースエレメントマッピングなどの 5G NR 上位レイヤー信号処理操作が行われます。
結果として取得された IQ サンプルにより、5G NR リソースグリッドが生成されます。

7.2x 分割のもう一方では、それ以降の機能が O-RU で処理されます。

プリコーディングおよびデジタルビームフォーミング
逆高速フーリエ変換 (IFFT) とその後のサイクリックプレフィックス挿入で構成される、サイクリックプレフィックス直交周波数分割多重 (CP-OFDM) 信号生成
デジタルからアナログへの変換とアナログビームフォーミング
指定された RF 周波数での指定されたアンテナポートにおける OTA (over-the-air) アナログ信号伝送

オープンフロントホールインターフェイス

5G トランシーバーの信号フローと、それが O-RAN プロトコル (図 3) にどのようにマッピングされるのかを示した O-RAN ブロック線図。

図 4. O-RAN プロトコル階層および 5G NR 機能分割オプション。

オープンフロントホールにある 2 つの 7.2x 分割間での情報送信を可能にするには、次の手順に従う必要があります。O-DU 側では、High-PHY の情報をまず圧縮し、eCPRI (enhanced Common Public Radio Interface) パケット内にカプセル化し、最後にイーサネットフレーム内に埋め込んでから送信します。O-RU 側では、受信したイーサネットフレームを取得し、eCPRI パケットを抽出し、パケット内のデータを解凍してから、Low-PHY の操作を実行します。これらの手順は、図 5 に示されています。圧縮が必要なのは、オープンフロントホールの容量が限られているためです。O-RAN Alliance では、伝送の帯域幅を低減するさまざまな圧縮と解凍の手法を提案しています。

図 5. ダウンリンクのオープンフロントホールにおける信号フローおよび信号処理手順。

MATLAB を使用した O-RAN のモデル化とシミュレーション

MATLAB と 5G Toolbox を使用すると、O-RAN 圧縮適合性テストのためのフロントホールのコントロール (C) プレーンおよびユーザー (U) プレーンメッセージを生成できます。5G Toolbox を使用して、それらのパケットを生成および復号化できます。High-PHY と Low-PHY に属しているすべての物理レイヤー機能をこのツールボックスで使用できます。

5G Toolbox によるオープンフロントホールのモデル化とシミュレーションにより、以下を行うことができます。

High-PHY の操作を適用してから、7.2x 分割で IQ データ (リソースグリッドからのデータ) を抽出する。
利用可能な圧縮法のいずれかを使用してデータを圧縮する。サポートされている圧縮法はブロック浮動小数点 (BFP)、ブロックスケーリング、および μ 則です。これらの圧縮法は、TS O-RAN.WG4.CUS Annex A.1.1、A.2.1、および A.3.1 でそれぞれ規定されています。
TS O-RAN.WG4.CUS の規定を使用して O-RAN フロントホールの CU プレーンメッセージを作成し、そのメッセージを PCAP ファイルに書き込む。このようなフロントホールのメッセージは、O-RAN 分散局 (O-DU) から O-RAN 無線部 (O-RU) に送信されます。
O-RAN 無線部 (O-RU) で CU プレーンメッセージを復号化する。
リソースグリッドを復元、データを解凍し、Low-PHY の操作を続ける。