美国力挺的Open RAN,真的能成功吗?

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今年以来,关于Open RAN的新闻不绝于耳。这种全新的网络架构在打开我们视野的同时,也带来了很多的困惑。

究竟什么是Open RAN?它真的是美国的5G杀手锏吗?它会成功吗?

Open RAN剑指开放

说起Open RAN,Open这个“词”的含义相当直白,就是开放的意思。RAN则是Radio Access Network缩写,意思就是无线接入网。因此,Open RAN的含义就是开放的无线接入网。

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对于2G和3G来说,RAN包含两个网元:基站,以及管理基站的控制器(2G叫BSC,3G叫RNC)。到了4G,网络开始扁平化,控制器被取消,基站直连核心网,RAN就只有基站这一个网元,5G时代依然如此。

2G和3G现在已在退网,我们暂且不提。关键是4G和5G,RAN侧就是孤零零的一个基站,还要怎样开放呢?

其实,这看似小小的基站,里面大有乾坤。

在无线网络发展的远古时代,基站是浑然一体的一个设备,仅仅对外出两类接口:连接核心网的传输接口,以及连接天线的射频接口。

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这两类接口之间的基站主设备,就像是一个“黑盒子”,我们只是大概知道里面是由电源,交换,基带,收发信机,数字中频,射频等零件组装起来的,运行着相关软件来支撑这一系统的正常工作。

 

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这些基站的硬件和软件都是各个厂家自研的,内部各模块的划分和之间的接口对外不可见,其内运行的软件也是如此。运营商要买基站就只能整套买,出了问题厂家包排查包解决。

到了4G时代,这个“黑盒子”稍微打开了点,大家都把基站划分成了两大模块:BBU和RRU,以及它们之间的接口CPRI(通用公共无线接口)。

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但是,BBU和RRU的内部实现还是不对外开放的,各厂家的方案各异。它们之间的CPRI接口虽然名字上带着“通用公共”,其实也是私有的,各厂家都有各自的数据格式,不能互通。

因此,运营商要买基站,还是得BBU,RRU连带软件从一家整套买,爱立信的BBU是不可能接诺基亚的RRU的。

从2G到5G至今,随着供应商之间竞争的加剧,倒闭的倒闭,并购的并购,供应商越来越少,而由于通信行业的技术壁垒又非常高,新的玩家很难进入,最终形成了近似少数厂家寡头垄断的客观现实。

运营商设备投资的费用高企,各供应商的产品同质化,价格难以降低,又没有新的厂家可以替代,这可如何是好?

于是,无数期望的目光纷纷投向了“白盒化”基站。

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白盒基站,就是要把传统的黑盒基站打开,并大卸八块,软硬件解耦,并将所有的接口开放。这样一来,即使这些部件由不同厂家提供,只要大家都遵循相同的协议就可以组装起来运行。

其中的BBU硬件需要使用通用服务器(也称作COTS,Commercial Off-The-Shelf,意为商用现成品),可以从市场上的任意服务器厂家购买。

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在BBU使用了通用服务器之后,就必须支持虚拟化功能(称作vRAN),才能在上面灵活地部署来自不同厂家的功能软件。

 

RRU硬件由于不仅仅处理数据,还要进行无线信号的发送和接收,必须使用专用的功放和滤波器等部件,因此不能直接使用通用服务器,需要由专业的RRU厂家提供。

不同厂家的RRU硬件,怎样运行不同软件提供商的软件呢?这就需要这些硬件遵循同样的开放架构,并且支持虚拟化。这样一来,运营商不论从哪家购买RRU,都可以运行第三方的软件。

RRU怎样和不同厂家的BBU软件对接呢?这就要求RRU和BBU之间的接口也是要开放的,大家都完全遵守相同的协议,才能互通有无。

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在5G时代,传统的BBU可进一步拆分成CU和DU,这两个网元也可以采用不同的软件供应商,运营商的选择更多,网络的灵活性进一步增加。

 比如,基站RRU的硬件采用供应商A,B,C三家,RRU软件采用供应商D,E,F三家,CU和DU的硬件采用供应商G,DU的软件采用供应商H,I,J三家,CU的软件采用供应商K。

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这样一来,原先只能由2到3个传统设备商提供的同质化的基站,现在可以由11家厂商提供。原先孤零零的一颗大树,现在变成了一片树林,还形成了新的生态系统,各厂家在自己的生态位上各司其职!

这样一来,对运营商来说,其供应商体系将更加灵活,更加多元化,还能引入充分的竞争来激发创新活力,不必再担心因网络被某家供应商独占而丧失议价权。网络建设的成本也得以降低。

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基站白盒化的诉求,核心在于软硬件解耦和接口开放,承载着运营商对于成本的节省,以及摆脱设备商胁迫的梦想,成就了如今Open RAN的风起云涌。

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上图是一个关于Open RAN部署动机的调查。可以看出,28%的运营商的诉求是降低成本;21%的运营商考虑解除供应商锁定,引入竞争;15%的运营商想要借此增强网络部署的灵活性。此三点需求占了64%,是绝对的主流。

Open RAN背后的组织

当大家在讨论Open RAN的时候,经常能看到C-RAN,xRAN,O-RAN,ORAN,oRAN,OpenRAN,Open vRAN,O-vRAN这些字眼,让人眼花缭乱。

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它们又都是什么意思,跟Open RAN之间的关系是什么呢?

上面这些说法其实来源于三个不同的组织:O-RAN联盟,OpenRAN工作组,以及Open vRAN计划。我们先从O-RAN联盟说起。

 

2018年,那是一个春天,在西班牙巴塞罗那一年一度的世界移动大会(MWC)期间,中国移动,美国AT&T,德国电信,日本NTT DOCOMO,以及法国的Orange这五巨头联合起来,宣布了O-RAN联盟的诞生。

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O-RAN联盟的前身,就是中国移动发起的C-RAN联盟,以及日本NTT DOCOMO主导的xRAN论坛。

C-RAN,就是Centralized RAN或者Cloud RAN,由中国移动在2009年提出。其核心思想是把多个BBU集中部署形成基带池,然后再进行虚拟化和云化,从而降低能耗,基础设施投入以及运维成本。

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xRAN成立于2016年,其主要目标是用开放可替代的通用服务器来替换传统基站的专用硬件,从而将基站的软硬件解耦,核心思想也无非是开放二字。

基于相同的目标,C-RAN联盟和xRAN论坛合二为一,成为了新的O-RAN联盟。上文提到的ORAN,oRAN等不同写法也都代表的是O-RAN联盟。

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O-RAN联盟的成员众多,参与的运营商除了包含创始的五巨头之外,还有中国电信和联通,西班牙电信,英国沃达丰,日本软银,KDDI等,几乎囊括了全球绝大部分主流运营商。

设备商里面,爱立信,诺基亚,中兴,三星,中国信科等都是O-RAN联盟成员,只有华为没有参与。高通,Intel等芯片厂家也位列其中。

此外,还有大量新兴的中小设备商的参与,包括美国的Altiostar, Parallel,Mavenir,以及来自中国的佰才邦,赛特斯,亚信,京信等,他们都想从中分得一杯羹。

那么,O-RAN是怎样对基站进行拆分呢?主要有下面四个目标(新四化):

接口开放化:把基站内部原有的封闭接口的开放,在这个基础上,不同厂家的软件才有可能无缝配合,以此降低对单一厂商的依赖,鼓励创新,降低成本。

软件开源化:推动无线协议栈开源,共享代码,降低研发成本,让产业企业把更多精力聚焦在核心算法和差异化功能软件的研发上。

硬件白盒化:将传统基站的专用硬件用通用服务器代替,充分进行软硬件解耦,降低行业门槛,吸引更多中小企业参与竞争。

网络智能化:RAN开放和解耦之后,可以引人工智能,实现复杂组网环境下的高效运维管理,提升频谱资源的利用率,降低网络能耗。

在上述四点思路的指导下,基站就被分解成了下面的样子:

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O-RAN联盟负责制定统一的技术规范,以及互操作测试规范,在顺从3GPP定义的5G基站标准接口(E1/F1/FH/X2/Xn/NG)的基础上,还自行扩展了A1/O1/O2/E2等接口,约束非常严格。

为了实现上述目标,O-RAN联盟成立了9个工作组,3个焦点组,以及1个开源软件社区。

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下面再说另一个主要组织:OpenRAN。

2016年,Facebook发起了一个叫做TIP(Telecom Infra Project,电信基础设施)的项目,下面包含了很多子项目,其中就有一个OpenRAN的项目计划。

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2017年,全球运营商巨头沃达丰把自己研究的SDR RAN的成果奉献给了TIP,并创建OpenRAN工作组,旨在建立一个基于通用服务器,可软件定义技术的白盒化RAN解决方案。

参与OpenRAN的运营商成员以欧美地区为主,中国的三大运营商都没有参与。项目由沃达丰和西班牙电信牵头,沃达丰负责全力推进。

传统设备商中,除诺基亚积极参与之外,爱立信,华为和中兴都没有参与。此外新晋设备商三星对此也非常激进。

此外,希望夹缝生存,在通信市场分得一杯羹的大量欧美新兴的中小设备商的参与非常积极,他们已经在全球开始部署OpenRAN商用网络,并开始组建自己的生态系统。

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跟O-RAN联盟不同,OpenRAN工作组并没有对开放网络的内外部接口进行严格规范的定义,他们属于务实行动派,积极鼓励各运营商和设备商进行Open RAN网络的实际部署,并在外场进行互操作测试。

也就是说,O-RAN联盟是标准先行,而OpenRAN则是先部署验证,标准后续再补。因此目前实际部署的开放接入网络基本都是基于OpenRAN的。

总体而言,O-RAN和OpenRAN这两个组织的参与成员虽然不尽相同,推进策略也各有侧重,但其目标和产品方案却大体一致,拥有非常广泛的共同语言。

在2020年2月份,两者携起手来,共同在欧洲成立了开放测试和集成中心(OTIC),共享资源来进行Open RAN的研究和推进。

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从上图可以看出,OpenRAN定义了一套自己的工作流程,并和3GPP,开源软件社区,以及O-RAN联盟之间都有广泛的合作。

话说另外一个组织:Open vRAN的起源,也要从2018年说起。

同样是在当年的巴塞罗那全球移动通信大会上,思科发布了一个名为Open vRAN生态系统的计划,目标同样是基于通用硬件,以及开放式模块化的软件架构来让RAN走向开放之路。

Open vRAN也被称作O-vRAN。vRAN里面的v就是virtualized,指的是虚拟化,Open RAN的基础。

据悉,在2020年6月,思科和Telenor在挪威总部已经开始了Open vRAN的实验,进一步验证使用虚拟化的开放架构的成本和效率。

从上面的介绍可以看出,Open RAN是一个统称,代表了目前的基站白盒化,接口开放化,以及软件开源化,网络智能化等网络发展架构,而O-RAN,OpenRAN,Open vRAN等则是推动Open RAN不断前进的组织名称。

正是这些组织的诸多工作,不断为Open RAN添柴加火,成就了Open RAN今日的热度。

Open RAN需要面对的问题

毫无疑问,Open RAN代表了无线网络发展的方向,在技术上是可行的。但与此同时,它的成熟度又是明显不够的,面临的挑战也是巨大的。

  • 技术复杂度增加

开放的接口会带来更加复杂的处理机制,部分接口还需定义全新规范的信令流程,增加了整体的设备复杂度和系统集成的难度。

并且,多个供应商之间要互联互通,就必须进行互操作测试。目前该测试也就是仅限于基站,核心网两个网元,涉及的厂家也不多,即便这样在前期也是困难重重,常有不兼容的情况发生。

Open RAN把基站拆地七零八碎,由于各厂家的技术方案各不相同,他们之间对接口相关规范的理解也可能存在差异,所需互操作验证的工作量是非常巨大的。

  • 网络能效挑战

Open RAN的目标是硬件白盒化,使用通用服务器。这类硬件服务器的功能很强大,使用的是X86架构的通用芯片,什么都能算,不但成本低,灵活性还高。

但通用芯片也有致命的缺点,那就是没有经过特殊的定制和优化,对流量的处理效率低,功耗高。

而传统的黑盒基站,则主要是用FPGA和ASIC这样的专用芯片,软硬件是集成在一起的,因此也被称作SoC(System on Chip)。

FPGA,就是可编程集成电路。它可以通过硬件编程来改变内部芯片的逻辑结构,但软件是深度定制的,本质上其实就是专用芯片。

ASIC,即专用集成电路。顾名思义,它是为专业用途而定制的芯片,其绝大部分软件算法都固化于硅片,特点是“软硬件一体”。

专用芯片的优点是结构简单,性能强,体积小,功耗低,但灵活性差,基本没有可扩展性。

它们之间的优势对比,如下图所示:

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图片来自公众号:鲜枣课堂

据业界研究,如果采用通用芯片来实现5G基站功能,其需要的芯片数量是专用芯片的18倍,功耗约是专用芯片的30倍。

如此巨大的功耗差距,使得白盒硬件难以满足宏站的性能要求,因此Open RAN产品多以微站,室分等为目标场景,或者以农村等低价值区域作为突破口。

  • 网络质量挑战

采用Open RAN建网之后,性能到底怎么样?目前这个系统还处于方案验证阶段,对于其网络性能能否满足预期,还要打个大大的问号。

可以想到的是,在初期Open RAN仅仅是能正常工作,以微站形式部署,或者在低价值区域部署的策略对网络性能的容忍度也较高。

可以预想的是在系统集成验证完成之后,Open RAN才会逐渐在性能问题上进行增强。

并且,白盒硬件系统复杂,多厂家配合的可靠性也没有经过市场验证。

通常来说,运营商网络的可用性级别必须达到6个9的标准,也就是99.9999%。但是目前来看,白盒硬件难以做到这一级别。

如果要满足网络可靠性要求,就必须增加设备冗余备份。这就造成了设备成本的增加。

  • 网络安全风险

一个基站由多个厂家的软硬件配合起来工作,多厂商之间如何进行安全隔离?如何保证最终的系统是安全的?

无线系统的复杂度远超操作系统的数十倍,如果采用开源软件,又怎样规避其中的安全风险?目前成功的大型开源软件,都要经过5年以上的积累和稳定周期。而O-RAN的软件开源才刚刚起步,道阻且长。

  • 运维难度增加

软硬件分离解耦之后,同一个基站系统可能包括不同厂商的软件和硬件。这样一来,就会很难分清安装和维护时的责任划分。

众所周知,以前一两家厂商的时候,扯皮都是家常便饭。换成N家厂商,肯定会闹得鸡犬不宁。

安装阶段,扯皮将严重影响设备安装的工期,增加成本。维护阶段,扯皮还会增加故障的恢复时间。

并且,对于运营商来说,原本只需要掌握和维护三家设备商的产品,现在数量上直接翻了几倍,无形中也增加了学习成本和管理成本。

这样以来,运营商很有可能在设备投资上省下来的钱,又被迫投入到网络维护的无底洞中去,最后一算账成本并没有降低。

2020年的Open RAN成绩单

目前来说,Open RAN的推动力主要来自两条线。

一条线是前面介绍的O-RAN和OpenRAN这两个组织的持续努力,其中以沃达丰牵头的OpenRAN工作组最为积极,近一年来成果卓著。

另一条线则来自于美国政府的5G焦虑。

众所周知,美国本土的大型设备商均已不复存在,为了达到所谓“网络安全”的诉求,并进行行业的重新洗牌,塑造有利于美国的产业生态,美国在对Open RAN的支持上不遗余力。

2019年12月,美国国防部要求美国企业开发开源5G软件,重塑产业生态。

2020年1月,美国两党参议员提出一项华为替代法案,要求设立一个7.5亿美元的基金,用来支持Open RAN的开发。同时,美国国防高级研究计划局宣布正式启动“开放,可编程,安全的5G计划”,标志着美国的5G战略开始实施。

2020年2月,美国政府召集顶级运营商和技术公司,与AT&T,戴尔,微软合作开发5G软件,以减少对华为设备的依赖。

2020年5月,具有浓厚美国政府背景的Open RAN政策联盟宣布成立。前美国国家电信和信息管理局行政长官担任该组织执行董事,且该联盟的31家成员中有24家是美国公司。

2020年7月,美国政府要求日本的NTT DOCOMO和NEC加入Open RAN政策联盟。

2020年9月,美国联邦通信委员会(FCC)举行线上5G Open RAN论坛。在美国的威胁之下,欧洲各国开始禁用华为设备,多个的运营商表示未来会使用Open RAN。

2020年11月,美国众议院通过了年初提出的7.5亿元Open RAN支持资金,这些拨款将在新的电信法案颁布后的18个月内发放。

2020年12月,美国联邦通信委员会计划向运营商支付一定费用(耗资可能超过20亿美金),帮助他们拆除华为和中兴的设备,并表示可以采用Open RAN方案。

在美国政府的胡萝卜和大棒之下,2020年下半年,全球的Open RAN试点显著加速,呈现一片热火朝天的景象。

6月,GSMA和O-RAN联盟宣布合作,共同推进Open RAN相关的软件和硬件及解决方案的应用。思科和挪威Telenor宣布合作进行Open vRAN的研究和落地。爱立信表示Open RAN是其研发重点之一。

7月,诺基亚发布现有产品支持Open RAN的路标,并表示:“无论运营商是否采用Open RAN,它都在为未来的网络架构做准备。” 三星也声称已推出了完全开发和虚拟化的5G RAN产品,并表示:“三星是开放系统的忠实拥护者。”

从此之后,Open RAN在全球的试点遍地开花。

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沃达丰在印度多个城市进行了基于Open RAN的4G Massive MIMO部署,并在非洲刚果,莫桑比克以及土耳其进行Open RAN试用。法电也正计划非洲农村地区推出Open RAN,用来进一步扩展用户。西班牙电信也在秘鲁开展了Open RAN测试。

8月,美国AT&T使用三星和诺基亚的设备在美国达拉斯商用Open RAN网络,与此同时,Verizon和Dish也在测试这项技术。日本乐天移动宣布推出一款基于Open RAN架构的32通道5G AAU,可支持100M带宽,能达到1.7Gbps的下行速率。

9月,市场研究机构Dell’Oro预测Open RAN将在未来的5年内保持两位数百分比的增长,累计投资超过50亿美元。

10月,使用Open RAN 的日本乐天移动宣布在多个城市推出5G服务,最高下载上传速率达870Mbps/110Mbps。高通宣布在其5G芯片中增加对Open RAN的兼容性,沃达丰在荷兰打通首个基于Open RAN的5G电话。

11月,沃达丰透露其将在2027年前在英国农村部署约2600个Open RAN站点,用来取代华为35%的设备。日本NEC野心勃勃地宣布在英国设立Open RAN卓越中心,面向沃达丰总部来推动全球Open RAN的推动。

12月,英国数字文化媒体相关部门表示将大力发展Open RAN。NEC马上参与英国政府主导的5G Open RAN实验计划,并在印度同步启动Open RAN实验室。

非洲的通信巨头MTN也宣布其将在尼日利亚农村地区部署2000个Open RAN站点,其中500个在明年安装,未来可能将数量增加到5000个。西班牙电信宣布在德国成功部署Open RAN站点。

市场研究机构Dell’Oro 预测2020年Open RAN的设备收入已达3亿美元。Omdia预测2024年Open RAN市场规模将达到34亿美元,接近4G和5G市场总量的10%。

虽然这份成绩单看似傲人,其中也不乏冷静的声音。目前业界一致的看法是:Open RAN目前还只是传统基站的补充,真正离成熟商用还有3到5年的时间。

对此,你怎么看?

来源: 无线深海

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