APPROFONDIMENTO

Open Fronthaul (FH)

Open Fronthaul (FH)
 

Le specifiche dell’interfaccia di fronthaul recentemente rilasciate dal WG4 dell’O-RAN nella versione 2.0 definiscono un’interfaccia standard fra gli apparati di banda base (O-DU) e le unità radio (O-RU) per LTE e NR nel caso di split funzionale 7-2 (secondo la classificazione 3GPP, [4]) all’interno del livello fisico (Low Layer Split, LLS), permettendo l’interoperabilità fra apparati di vendor diversi (a.k.a. multivendor RAN).

Il protocollo standardizzato da O-RAN, definisce il piano utente, controllo, sincronizzazione e management e si appoggia sul protocollo eCPRI (o in alternativa sul protocollo IEEE 1914.3, anche noto come Radio over Ethernet, RoE).

 

Figura A - Struttura dei protocolli su cui si appoggia Open Fronthaul

A livello 3 è previsto l’utilizzo opzionale del protocollo UDP/IP (Control/User plane) o TCP/IP (Management plane) che a sua volta si appoggia sul protocollo Ethernet per il trasporto a livello 1 e 2. La struttura dei protocolli su cui si appoggia il protocollo Open Fronthaul è illustrata in Figura A mentre la ripartizione dei protocolli fra i vari nodi che costituiscono l’architettura Open RAN è mostrata in Figura B.

I messaggi del piano utente dell’O-FH trasportano i campioni del segnale OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nel dominio della frequenza, quantizzati ed eventualmente compressi mediante specifici algoritmi standardizzati dalla specifica O-RAN.

 

Figura B - Ripartizione dei protocolli fra i nodi che costituiscono l’Open RAN

I messaggi del C-Plane inviati dalla O-DU alla O-RU trasportano invece informazioni di controllo associate ai dati trasportati sul piano utente, quali ad esempio le risorse tempo/frequenza (i.e. scheduling) su cui si mappano i dati e le informazioni di supporto al beamforming (es. l’indice del beam i cui pesi sono pre-caricati nella O-RU o alternativamente i pesi di beamforming calcolati nella O-DU da applicare nella O-RU ai dati). La specifica O-FH standardizza diversi metodi per lo scambio delle informazioni di controllo legate al beamforming rendendo quindi possibile l’interoperabilità fra O-DU ed O-RU di vendor diversi.

Il throughput dell’interfaccia O-FH è un elemento importante da cui dipendono le scelte di dispiegamento e l’opportuno dimensionamento della rete di trasporto. Caratteristica dello split funzionale 7-2 è che il throughput sul fronthaul, a differenza dell’interfaccia CPRI (Common Public Radio Interface), scala in proporzione al carico sull’interfaccia radio rappresentato essenzialmente dal numero di Resource Block (RB) utilizzati. Questa caratteristica permette la multiplazione statistica nel caso di aggregazione del traffico generato/ricevuto da molteplici O-RU, aumentando l’efficienza della rete di trasporto e permettendo di effettuare un dimensionamento di tipo statistico non vincolato al valore di picco come nel caso dell’interfaccia CPRI.

 

Figura C - Throughput sull’interfaccia O-FH sul piano utente nel caso di portante NR

Per quanto riguarda il MIMO, poiché il beamforming digitale e/o analogico con l’applicazione dei relativi pesi è effettuato nella O-RU, il throughput del piano utente scala proporzionalmente al numero di layer/stream MIMO trasmessi e non in funzione del numero di antenne (come nel caso della CPRI), rendendo possibile l’utilizzo di antenne con un numero elevato di elementi radianti (a.k.a. massive MIMO) mantenendo requisiti sul trasporto ragionevoli.  A titolo di esempio, la Figura C mostra una stima ottenuta per via analitica del throughput di picco generato in downlink da una O-DU sull’interfaccia O-FH nel caso di una portante NR, in funzione della larghezza di banda della portante e del numero di layers trasmessi (ottenibili in NR anche con meccanismi di trasmissione MU-MIMO). Il calcolo è effettuato supponendo un utilizzo completo di tutte le risorse disponibili in termini di Resource Blocks (carico massimo sull’interfaccia radio), spaziatura delle sottoportanti OFDM di 30 kHz ed una quantizzazione su 8 bit dei segnali I/Q trasmessi. Il throughput sul piano dati dipende oltre che dal numero di risorse utilizzate (RB) e dal numero di layer trasmessi (quindi indirettamente dal numero di utenti serviti) anche dal livello di quantizzazione che a sua volta è legato allo schema di compressione utilizzato. Al throughput generato sul piano utente è stato sommato il throughput generato sul piano di controllo che in una situazione media è stato stimato pari al 5% del throughput sul piano utente. Il throughput sul piano di controllo dipende principalmente dal numero di utenti serviti simultaneamente e dallo schema di beamforming utilizzato (ad es. dal periodo con cui sono ricalcolati e trasmessi i coefficienti di beamforming).

Altro elemento importante da considerare per le opportune scelte di dispiegamento di una soluzione O-RAN è la massima latenza supportata da quest’interfaccia. I valori considerati nella prima versione della specifica sono dell’ordine delle centinaia di microsecondi. Nella seconda versione è stato introdotto il supporto anche di valori superiori, sulla scorta di quanto svolto nell’ambito del progetto vRAN Fronthaul del TIP (vedere il box di approfondimento “Non ideal Fronthaul e attività TIM nell’ambito del TIP”).

 

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