Couverture ElectroniqueS n°127

LA TECHNOLOGIE 5G S'EST ACCOMPAGNÉE DE DIVERSES ÉVOLUTIONS, NOTAMMENT AU NIVEAU DE L'ARCHITECTURE MÊME DU RÉSEAU D'ACCÈS RADIO (RAN). LES STATIONS DE BASE gNodeB S'APPUIENT DÉSORMAIS SUR DES RAN OUVERTS (OPEN RAN) QUI SE CARACTÉRISENT PAR UNE SÉPARATION EN TROIS UNITÉS DISTINCTES (CENTRALE, DISTRIBUÉE ET RADIO). POUR GARANTIR LE BON FONCTIONNEMENT D'UN RAN MULTIFOURNISSEUR, LA CONFORMITÉ DE CHAQUE COMPOSANT DOIT ÊTRE TESTÉE D'UNE MANIÈRE ISOLÉE ET DANS DES COMBINAISONS D'INTEROPÉRABILITÉ. Les déploiements de réseaux d'accès radio (RAN) pour la technologie 4G et les versions antérieures reposent sur des équipements de réseau partagés venant d'un même fabricant ou de quelques-uns. Traditionnellement, un réseau multifournisseur se compose d'équipements de plusieurs fabricants déployés dans différentes parties du réseau. Les équipements de deux fabricants ne se mélangent donc le plus souvent pas dans une partie donnée du réseau multifournisseur. De nombreux fournisseurs de services appellent cela une « région » de fournisseur unique, et les unités radio doivent donc provenir du même fabricant que celui de l'unité en bande de base (BBU). Ensemble, ces équipements forment ce que l'on appelait l'eNodeB (eNB) en LTE. Animés principalement par l'Alliance O-RAN, les fournisseurs de services du monde entier encouragent l'adoption d'un RAN ouvert pour la technologie 5G. L'Alliance O-RAN a ainsi défini une architecture RAN 5G qui se distingue par la décomposition du RAN à fournisseur unique et centré sur le matériel en plusieurs sections. Pour que tout fonctionne correctement, des normes inte-ropérables définissent précisément les interfaces entre les différentes sections. Les fournisseurs de services peuvent donc combiner des composants de plusieurs fabricants, ce qui offre divers avantages. UN RAN OUVERT CONSTITUÉ DE TROIS ÉLÉMENTS Les liaisons intermédiaires (fronthaul) passent de l'interface radio publique commune (common public radio interface ou CPRI) propriétaire à l'Ethernet ouvert. Ce dernier donne accès à la virtualisation en permettant au trafic de fronthaul de basculer entre les nœuds physiques à l'aide d'un équipement réseau standard. Le trafic est donc dirigé vers des nœuds avec une capa-cité de réserve et de nouvelles instances de démarrage du trai-tement en bande de base. En plus de la virtualisation et de la réduction des coûts liée à une concurrence désormais réelle du marché, on peut encore mentionner l'innovation, la vitesse d'innovation et un plus grand contrôle parmi les autres avantages. Auparavant, les fabricants d'équipements radio de taille réduite ne pouvaient pas s'intégrer dans un réseau, faute d'interopérabilité avec l'eNodeB en place. Les fournisseurs de services n'étaient alors pas en mesure de déployer une technologie innovante proposée par l'un de ces « petits » fabricants. Ces derniers n'avaient pas les ressources nécessaires pour créer un RAN complet. Mais les interfaces ouvertes modifient désormais complètement la donne. En permettant aux « petites » entreprises – qui évoluent bien plus vite que les grandes – de participer, les acteurs du marché espèrent accélérer l'innovation. Enfin, la virtualisation de nouveaux éléments de réseau apporte une plus grande personnalisation qu'avec des interfaces propriétaires. Le nouveau O-RAN pour la 5G – et, rétroactivement, pour de nombreux cas de LTE –, est constitué de trois unités : une centrale, une distribuée et une radio (voir figure 1). L'unité centrale O-RAN (O-RAN central unit ou O-CU) est le composant centralisé et virtua-lisé du réseau d'accès radio. Il a en charge la couche de protocole de convergence de données par paquets (packet data convergence protocol ou PDCP). Son interface « en direction du nord » est le réseau de raccordement (backhaul) vers le cœur, son interface « en direction du sud » est l'interface F1. L'unité distribuée O-RAN (O-RAN distriduted unit ou O-DU) assure tout le traitement en bande de base, la programmation, le contrôle de liaison radio (radio link control ou RLC), le contrôle d'accès au support (medium access layer ou MAC) et la partie supérieure de la couche physique (PHY). L'interface F1 est celle « en direction du nord » et le fronthaul O-RAN est l'interface « en direction du sud ». La virtualisation de ce composant est typique, mais nécessite une assistance matérielle sous la forme d'accélérateurs, tels que des FPGA ou des unités de traitement graphique (GPU). Quant à l'unité radio O-RAN (O-RAN radio unit ou O-RU), il a en charge la partie inférieure du traitement de la couche PHY (par exemple, la transformée de Fourier rapide (FFT), la FFT inverse (IFFT), la formation de faisceaux (beamforming), y compris les composants analogiques de l'émetteur et du récepteur radio. Une virtualisation distante de l'O-RU est possible ; un groupe de travail de l'Alliance O-RAN prévoit néanmoins une mise en œuvre radio de type « boîte blanche » utilisant des composants standards. N'importe qui est en mesure de construire une radio sans composants propriétaires, ce qui diffère de la virtualisation. TESTS DE CONFORMITÉ ET D'INTEROPÉRABILITÉ Faire fonctionner le nouveau RAN ouvert requiert des exigences de test strictes. Dans le passé, il suffisait de tester l'eNodeB en tant qu'entité complète, conformément aux exigences de la 3GPP, avec des points de test concentrés sur l'équipement utilisateur (UE) et l'interface du backhaul. Avec l'introduction du RAN ouvert et d'un RAN distribué, il est maintenant nécessaire de tester chaque composant de manière isolée du point de vue de la conformité aux normes. Et il est aussi important de tester les composants dans des combinaisons d'interopérabilité. Plusieurs fabricants de test et de mesure se positionnent Plusieurs annonces concernant l'Open RAN (O-RAN) ont été faites ces derniers mois, voire ces dernières semaines, du côté des fabricants d'équipements de test et de mesure. L'Américain Keysight Technologies a par exemple lancé une nouvelle suite de solutions complète pour les réseaux d'accès radio ouverts. Cette suite permet à un écosystème de fournisseurs d'équipements O-RAN et d'opérateurs mobiles de vérifier l'interopérabilité entre les éléments du réseau, les performances, la conformité aux dernières spécifications O-RAN et 3GPP, ainsi que la sécurité des réseaux 5G multifournisseurs basés sur ces interfaces standards. Du côté de l'Américain Viavi Solutions, le fabricant a publié des mises à jour de la première suite de tests du marché pour la spécification O-RAN. La suite intègre désormais des cas d'usage d'une importance critique au fur et à mesure que l'O-RAN sera adopté à grande échelle, ainsi que des retours d'expérience des clients dans le monde entier. L'Américain est également impliqué dans les groupes de travail WG4 (fronthaul ouvert) et WG5 (interfaces ouvertes) pour la spécification de test d'interopérabilité. Signalons enfin l'arrivée de Japonais Anritsu au sein de l'Alliance O-RAN, qui a pour rôle la promotion de normes ouvertes, de la virtualisation et de l'interopérabilité des réseaux d'accès sans fil, en tant que membre contributeur. Les tests de conformité et d'interopérabilité sont tous les deux nécessaires pour corriger d'éventuels problèmes de performance. Habituellement, la réalisation des tests de conformité a lieu en premier afin de s'assurer que tous les composants répondent bien aux spécifications d'interface requises. Les tests d'interopérabilité ont lieu ensuite pour s'assurer que tous les compo-Capteu sants fonctionnent correcte-de parti ment ensemble. Contourner les tests de conformité et ne se fier qu'aux tests d'interopérabilité équivaudrait à ce qu'un constructeur automobile assemble une voiture à partir de pièces non testées et ne vérifie que si la voiture démarre et fonctionne. Les tests de conformité, qui se focalisent sur chaque composant de manière isolée, nécessitent un équipement de test pour émuler l'élément de réseau environnant et vérifier toutes les capacités du protocole. Cette approche apporte des avantages qui ne seraient pas réalisables avec les seuls tests d'interopérabilité. Parmi les bénéfices identifiés, on peut mentionner la possibilité de « stresser » le dispositif testé (DUT) dans les limites des spécifications déclarées, de tester (exerciser) les fonctionnalités du protocole pour vérifier qu'interfaces et fonctions fonctionnent comme prévu, ainsi que la vérification du bon fonctionnement de l'application grâce à des tests négatifs. Tous ces tests réduisent finalement le risque associé au déploiement dans un RAN ouvert. Intéressons-nous maintenant au test de conformité des différents composants d'un puissance, RAN ouvert. Au niveau du s et d'infrarouges fronthaul, la méthodologie de test d'interopérabilité a légèrement changé entre la 4G et la 5G : il faut simplement tester une combinaison d'équipements en tant que gNodeB (gNB), comme si l'on testait un eNodeB. En ce qui concerne les tests de conformité O-RAN, les choses sont bien différentes. Prenons le cas de l'O-DU, le nœud maître pour le protocole du fronthaul O-RAN. Dans l'interface O-DU « en direction du sud », les messages du protocole de commande et de plan utilisateur vont de l'O-DU vers l'O-RU, à l'exception des données d'accès assisté par licence (license assisted access ou LAA) et du plan utilisateur de liaison montante. L'O-RU n'acquitte pas ces messages, les exécutant simplement de la meilleure façon possible. L'interface F1 « en direction du nord » est un flux de données envoyé, via la radio, à un ou plusieurs UE. L'interface F1 n'a pas de mécanisme pour que l'O-DU formate les données, définisse les éléments de protocole à utiliser ou la manière d'envoyer les données à temps. Ce type de contrôle est nécessaire pour tester l'O-DU dans le cadre de la conformité O-RAN, mais il n'est disponible que via un port dédié. Par exemple, si l'on doit tester des allocations de blocs de ressources non contiguës – parce que la radio d'un fabricant les prend en charge –, il n'est pas possible de forcer l'O-DU à inclure l'extension de section dans ses messages de plan C. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle il a été retenu de reporter le test de l'O-DU à une date ultérieure. LE TEST DE CONFORMITÉ POUR L'O-RU L'O-RU, lui, exécute les commandes du plan C sans acquitter en retour à l'O-DU. La transmission de ces messages se fait à des débits de données extrêmement élevés et avec une tolérance de synchronisation très serrée. Il est possible d'analyser la réponse RF de l'O-RU pour déterminer s'il a compris et appliqué correctement les commandes de l'O-DU. Pour tester l'O-RU, il est aussi nécessaire de disposer d'un émulateur pour simuler l'O-DU, d'un analyseur de signal vectoriel pour mesurer l'énergie RF émise par l'O-RU et d'un générateur de signal pour fournir un signal de liaison montante vers l'O-RU qui le traitera. Des équipements supplémentaires tels qu'une chambre et un système de positionnement seront enfin nécessaires dans le cas d'un test OTA (over-the-air). Comme il comprend les éléments de ressources et les blocs de ressources, l'O-RU requiert par ailleurs une forme d'onde au format 5G ou LTE. L'O-RU doit « remplir à zéro » les blocs de ressources inutilisés non envoyés par l'O-DU. Pour cela, il a besoin de connaître l'emplacement des blocs de ressources dans un symbole et de savoir où mettre les zéros. Il est donc impossible de tester l'O-RU, en liaison montante ou descendante, avec un signal mono-porteuse comme en 4G. Comme le montre la figure 1, l'O-RU n'a pas connaissance des couches de protocole MAC, RLC et PDCP. Tester un O-RU avec un émulateur d'UE avancé et un émulateur d'UA à pile complète (full-stack) – pour créer des fonctions telles que la mobilité d'un UE, les transferts et les procédures d'attachement d'un UE – reviendrait à utiliser un équipement de test pour exerciser un équipement de test. En raison des tolérances de synchronisation serrées, l'O-RU (le DUT), l'émulateur de l'O-DU, l'analyseur de signal et le générateur de signal doivent tous être synchronisés sur une horloge commune. Habituellement, l'O-RU s'attend à recevoir sa synchronisation d'une connexion Ethernet synchrone et des messages de plan S issus de l'émulateur de l'O-DU. La synchronisation de l'émulateur et de l'O-RU assure l'alignement de l'ensemble du système. Il est également important que l'émulateur de l'O-DU déclenche le générateur de signal au moment précis de l'envoi de son signal RF à l'O-RU. Tous les tests de conformité du fronthaul O-RAN commencent par l'exercise du plan M et la synchronisation à travers le plan S, avant de lancer tous les tests du plan CU. LES TESTS OTA EN BANDES FR1 ET FR2 Une solution de test de conformité pour une O-RU comprend un émulateur de l'O-DU, un analyseur de signal vectoriel et un générateur de signal. On peut utiliser un séquenceur pour automatiser les tests, parce qu'une suite de tests de conformité se compose de centaines de tests. La figure 2 montre la radio d'équipement de test (test equipment radio ou TER) dans la spécification de test de conformité O-RAN. Généralement, les radios FR1 – ce sont les bandes de fréquence inférieures à 6 GHz – ont réalisé des ports de test disponibles ou exposés par le fabricant. Les ports de test conduits permettent des tests simples et rentables. Le défi se pose lorsque l'on est en présence de grands réseaux d'antennes sur les radios FR1. Dans ce cas, il est coûteux d'avoir un analyseur sur chaque port. Mais pour mesurer le beamforming, on doit mesurer les ports au moins par paires, la mesure des différences de phase et d'amplitude nécessitant au moins deux signaux. Il est envisageable d'utiliser une matrice de commutation RF et des ports de commutation dans et hors de l'équipement de test, mais cela prend du temps. Une autre solution consiste à mettre en œuvre un émulateur de canal doté de capacités de filtrage spatial ou de beamfor-ming pour se connecter à tous les ports simultanément. Cela revient à déplacer « numériquement » l'analyseur de signal et le générateur de signal pour mesurer l'amplitude du faisceau en divers points. Dans le cas de tests FR1 OTA, qui sont d'autant plus onéreux que les chambres sont grandes, il est préférable d'utiliser un test conduit en FR1. La plupart des radios FR2 (les bandes de fréquences millimétriques) nécessitent des tests OTA, parce qu'elles ne disposent pas de ports de test. La bonne nouvelle est que les chambres pour les bandes FR2 sont aujourd'hui plus petites et moins chères que les modèles pour les bandes FR1. Hormis la connexion physique du côté RF de la radio, la configuration de test (voir figure 3) est la même que celle pour les tests conduits et les tests OTA. RELATION AVEC LES TESTS 3GPP La réalisation des tests définis dans les spécifications 3GPP 38.141-1 et 38.141-2 nécessite un gNodeB complet, car la 3GPP ne reconnaît pas la nature ouverte de l'O-RAN. La 3GPP ne sépare en effet pas la partie radio de l'unité de traitement en bande de base, comme l'exige l'O-RAN. Cependant, il est possible de tirer parti des tests d'émetteur et de récepteur 3GPP (chapitres 6 et 7 des 3GPP 38.141-1/2) lors de la validation du fronthaul O-RAN. Toutes les formes d'onde de test définies par la spécification de test de conformité O-RAN utilisent les mêmes formes d'onde de test que celles utilisées dans les tests 3GPP. Seules les données de charge utile diffèrent ; ce sont généralement une séquence pseu-do-aléatoire plutôt que toutes à zéro, comme spécifié par la 3GPP. Les données non nulles garantissent que les données correctes migrent vers les bons blocs de ressources. Les figures 4 et 5 montrent les séquences de test 3GPP pour les liaisons montante et descendante respectives. La spécification du test de conformité O-RAN du groupe de travail WG4 garantit la conformité de l'O-RU aux normes du fronthaul O-RAN. La configuration de test peut tester une radio pour les performances de l'émetteur et du récepteur 3GPP, ainsi que Processeur la conformité O-RAN. La seule différence Réseau réside dans le fait embarqué que la 3GPP s'attend à ce que les tests s'exécutent sur un gNodeB en mode test. L'O-RAN teste la radio à l'aide d'un émulateur de l'O-DU et ne nécessite donc pas de mode de test. Il n'est pas possible d'effectuer des tests de conformité 3GPP chapitre 8 avec l'émulateur de l'O-DU, parce qu'il requiert un traitement de couche MAC, qui n'est pas présent dans l'émulateur de l'O-DU. Adapté et traduit du white paper « O-RAN Next-Generation Fronthaul Conformance Testing » de Keysight Technologies • Figure 5.-Signal de test pour la liaison descendante Signal du test 3GPP NR-FR1-TM1.1 FDD On voit ici une séquence de test 3GPP, avec un signal du test 3GPP NR-FR1-TM1.1 FDD, pour la liaison descendante.

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