Campus5G: A Campus Scale Private 5G Open RAN Testbed¶

Univ. Edinburgh 在校园内部署全网规模, 符合 O-RAN 标准的专用 5G 测试床的技术报告

校园网从 WiFi 走向 5G 的一次实践尝试

来自arXiv, 新鲜出炉, 有点意思. 看看吧:

背景与动机:
- 移动网络行业正朝着 Open RAN (开放无线接入网) 的解耦架构发展
- 由于 Private 5G 网络具有高度的可控性和创新机会, 它们被视为 Open RAN 的理想早期采用者
核心贡献: 基于上述动机, 作者团队在爱丁堡大学中心校区部署了 CAMPUS5G. 这是一个首创的, 覆盖整个校园范围且完全符合 O-RAN 标准的专用 5G 测试床
文章内容概览:
- 测试床的开发全过程, 涵盖从网络规划, 架构设计, 实际部署到性能测量的各个阶段
- 在构建过程中获得的经验教训
- 由此产生的相关研究机遇

Introduction 核心内容

(1) 背景:

移动网络正趋向于解耦架构(Open RAN), 并在 O-RAN 联盟推动下引入 AI/ML 以提升效率和灵活性
O-RAN 架构将基站解耦为 CU, DU 和 RU, 降低了资本支出并促进了生态系统多样化

(2) 行业趋势:

尽管公共网络的 Open RAN 部署进展缓慢, 但专用 5G 网络 (Private 5G) 因其本地化, 高可控性, 被视为 Open RAN 的早期采用者

许多新运营商已将 Open RAN 作为专用 5G 的默认选项

(3) CAMPUS-5G Testbed:

爱丁堡大学中心校区部署了名为 CAMPUS5G 的测试床
首个部署在密集城市户外环境, 覆盖全校区且完全符合 O-RAN 标准的专用 5G 测试床
亮点:
1. 实现全覆盖的同时保持高度灵活性
2. 支持混合使用不同厂商的商用及开源组件, 并嵌入 AI 计算能力
3. User-defined: 允许用户使用未经修改的商用移动设备, 通过自定义 SIM 卡接入网络

背景补充: 5G / Private5G / RAN / OpenRAN 关系梳理

基础组件: RAN (Radio Access Network, 无线接入网)
- 定义: RAN 是移动网络中连接 UE 和 CoreNet 的部分. 在传统网络中, 它通常表现为我们在生活中看到的"基站"
- 传统形态: 传统的基站是"单体式" (monolithic) 的, 意味着硬件和软件紧密绑定在一起, 通常由单一供应商提供
技术标准: 5G
- 定义: 5G 是移动通信技术的代际标准, 纯定义
架构革新: Open RAN (开放无线接入网)
- 与 RAN 的关系: Open RAN 是对传统 RAN 架构的一种"解耦"和"开放"的革新
- 核心变化:
  - 硬件解耦: 它将传统的一体化基站拆分为三个部分: 集中单元 (CU), 分布单元 (DU) 和射频单元 (RU)
  - 接口开放: 这些组件之间通过开放的标准化接口进行通信
  - 软硬分离: CU 和 DU 可以作为虚拟化网络功能 (VNFs) 运行在通用的商用计算硬件上, 而不再依赖专用硬件
- 优势: 这允许运营商混合使用不同供应商的设备 (不再被一家锁定), 并引入 AI 和机器学习来优化网络运行
应用场景: Private 5G (专用 5G 网络)
- 定义: 与覆盖全国的公共 5G 网络不同, Private 5G 是"本地"规模的部署, 专门服务于特定的工厂, 企业, 大学校园, 医院场馆
- 特点: 它允许高度的控制权和定制化, 同时也特别需要技术创新

这四者在当下的核心逻辑关系如下:

(1) Open RAN 是 5G 发展的一个新趋势, 但公共网络用得还不多

虽然 Open RAN 被认为是未来 (6G) 架构的组成部分, 但目前的全国性公共 5G 网络主要还是基于传统架构. Open RAN 在公共网络中的应用主要还局限于试验阶段.

这是因为公共运营商在投资 5G 时, Open RAN 技术还未完全赶上他们的投资周期.

(2) Private 5G 是 Open RAN 的"最佳试验田"

论文强调, 专用 5G 网络 (Private 5G) 被视为 Open RAN 的早期采用者

原因: Private 5G 环境 (如大学校园) 需要高度的控制, 同时它们更具备创新属性, 这与 Open RAN 提供的灵活特点完美契合
现状: 许多针对 Private 5G 的新运营商和供应商, 已经默认将 Open RAN 作为首选方案

TLDR:

5G 是通信技术标准
RAN 是负责无线连接的基础设施
Open RAN 是一种把 RAN 拆开, 标准化接口的新架构
Private 5G 是 OpenRAN 这种新架构目前最适合落地, 最活跃的应用场景

Related Work 核心内容

将现有的测试床主要分为三类, 并指出了它们的局限性以及 CAMPUS5G 如何填补了空白

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(1) 基于商用组件的专用 5G Testbed

现状: 存在一些使用商用组件的专用 5G 部署 (如日本 NICT, 美国 South Bend, 德国 Fraunhofer).
局限性: 这些测试床要么不兼容 O-RAN (如 NICT, South Bend), 要么主要用于互操作性测试, 缺乏研究使用的灵活性 (如 Fraunhofer).

(2) 支持 O-RAN 研究的 SDR (Software Defined Radio) Testbed

现状: 许多现有的 O-RAN 测试床 (如 Powder, Arena, Open Ireland) 主要依赖 USRP 等软件无线电 (SDR) 设备, 且大多部署在室内.
关键缺陷:
- 这些基于 SDR 的测试床通常无法完全支持 O-RAN 标准的前传接口 (即基于 3GPP 7.2x 分段, 将 High-PHY 放在 DU, Low-PHY 放在 RU)
- 因此, 它们只是部分符合 O-RAN 标准, 无法兼容符合 O-RAN 标准的商用 vRAN 解决方案.

(3) 完全符合 O-RAN 标准的商用 RU Testbed

近期出现了一些使用商用射频单元 (RU) 且完全符合 O-RAN 标准的测试床, 主要包括:

Microsoft Research Cambridge: 基于 Intel FlexRAN, 但仅限室内 (楼宇级).
X5G (Northeastern): 基于 NVIDIA GPU 加速, 但也是室内部署.
Brazil Open RAN: 虽然是全国范围的大规模项目, 但各个站点主要是小规模的室内部署.

相较于上述, CAMPUS5G 的独特特性:

完全兼容 O-RAN: 使用商用 RU, 不同于 SDR 测试床
独特的部署环境: 这是目前唯一一个部署在密集城市户外环境且达到校园规模的测试床, 填补了室内小规模部署与真实户外大规模部署之间的空白

TLDR: 目前唯一一个 完全符合 O-RAN 标准 + 校园级规模 + 密集城市户外环境 Testbed

现有 5G / Open RAN 测试床与仿真系统对比汇总

自行汇总整理一下:

类别	名称	主要特点	缺点 / 局限性 [From this paper]
基于商用组件的专用 5G Testbed	NICT Local 5G Testbed	位于日本, 使用商用组件构建的本地 5G 测试床.	不兼容 O-RAN.
	South Bend CBRS Network	位于美国, 基于 CBRS 频段的商用组件网络.	不兼容 O-RAN.
	Fraunhofer IIS Industrial Testbed	位于德国, 面向工业场景的测试床.	主要用于互操作性测试, 提供给研究用途的灵活性非常有限.
支持 O-RAN 研究的 SDR Testbed (部分符合标准)	Arena	早期示例, 基于 SDR (软件定义无线电) 的室内测试平台.	仅部分符合 O-RAN 标准. 不支持基于 3GPP 7.2x 分裂的前传接口 (即无法实现 DU 侧 High-PHY 和 RU 侧 Low-PHY 的分离). 不兼容符合 O-RAN 标准的商用 vRAN 解决方案.
	NEC Testbed	基于 SDR 的 O-RAN 研究测试床.	同上 (SDR 固有的部分合规与前传接口限制).
	NSF PAWR Platforms	美国国家科学基金会资助的无线研究平台系列.	这一类平台主要依赖 SDR, 存在前传接口不完全符合 O-RAN 标准的问题.
	↳ COSMOS	侧重于毫米波 (mmWave) 研究.	同上 (SDR 限制).
	↳ AERPAW	侧重于无人机 (UAVs) 通信研究.	同上 (SDR 限制).
	↳ ARA	侧重于农村应用 (Rural applications) 研究.	同上 (SDR 限制).
	Powder	位于犹他大学, 包含 8 个节点的户外 SDR 测试床.	虽然是户外部署, 但仍基于 SDR, 不完全支持 O-RAN 7.2x 前传接口, 仅部分符合标准.
	Fed4Fire	包含欧洲 (罗马尼亚, 挪威等) 及其他的多个 SDR 测试床项目.	同上 (SDR 限制, 不完全兼容商用 vRAN).
	Open Ireland	爱尔兰的 SDR 开放测试床.	同上.
	Colosseum	位于东北大学 (Northeastern Univ.), 拥有 128 个节点的大规模仿真器.	基于 SDR 和硬件信道仿真 (Emulation), 主要支持基于回放真实信道测量痕迹的实验, 而非真实的商用现场部署.
完全符合 O-RAN 标准的商用 RU Testbed	MSR Cambridge	微软剑桥研究院部署. 楼宇级规模, 使用 20 个 Foxconn 商用 RU, 基于 Intel FlexRAN L1.	局限于室内部署 (Indoor).
	X5G Testbed	位于东北大学. 使用 8 个 Foxconn 商用 RU, 基于 NVIDIA ARC GPU 加速 L1.	局限于室内部署 (Indoor).
	Brazil OpenRAN	巴西的全国性 Open RAN 部署, 跨越多个互联站点.	虽然地理跨度大, 但每个单独站点仅包含少量商用 RU, 且绝大多数是室内部署 (Mostly indoor).

Testbed Design and Deployment 核心内容

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架构设计 + 组件选型 + 具体配置&&性能调优

(1) Architecture and Design Choices

部署场景:
- 选择了 O-RAN 部署场景 "A". 即 CU、DU 和 RT-RIC 共处于边缘云数据中心, 而 RU 分布在各处通过 fronthaul 网络连接
- 这种集中式处理适合校园规模, 提供了高度灵活性
前传设计 (Fronthaul): 由于 O-RAN 前传对延迟 (<100µs) 和带宽的严格要求, 复用现有校园光纤不可行, 因此安装了定制光纤连接边缘云和 RU
时间同步:
- 采用精确时间协议 (PTP) 进行亚微秒级同步
- 部署中在边缘云使用单一 PTP 主时钟 (Viavi Qg 2) 来确保全网同步

(2) Testbed Components

射频单元 (Radios):
- 选择了 Benetel RAN650 (12台) 和 VVDN MPRU (8台). 选型标准包括兼容 O-RAN 7.2x 分段、支持 n77 频段、100MHz 带宽、4x4 MIMO 以及户外防护等级
- SDR 因不支持 O-RAN 前传而被排除
服务器与计算:
- HP DL110 G10 Plus Telco 服务器
- Intel ACC100 加速卡用于物理层加速
- 配有 GPU 节点处理 AI 负载
交换机: 采用双交换机架构!
- Arista 7050X3 用于数据平面 (满足高带宽低延迟需求)
- Arista 7010X 用于管理平面
软件平台: 基于实时优化的 Ubuntu OS, 使用 Kubernetes 和 Helm charts 进行容器化编排
移动网络功能:
- 默认使用开源的 srsRAN (1个 CU 对应 20个 DU)
- 也支持 OpenAirInterface 和商用 vRAN (如 CapGemini)
- 核心网使用基于云的 Open5GS
RIC 与 Apps: 集成了标准 RIC (O-RAN SC, FlexRIC) 和研究型 RIC (EdgeRIC, Microsoft Janus), 并部署了 AI/ML 应用

(3) RAN Configuration

参数调优:
- 许多厂商默认参数无法直接使用, 需要手动调整
- 例如, 针对不同 RU (VVDN vs Benetel) 的 TDD 配置差异, 以及根据光纤传播延迟手动调整前传延迟参数以避免丢包
干扰管理: 针对密集部署进行了 PRACH 规划, 为每个小区分配唯一的根序列索引以防止随机接入冲突
性能表现: 目前实现了下行 650 Mbps / 上行 80 Mbps 的吞吐量. 虽然低于理论峰值 (1.1Gbps), 但已是该区域公共 5G 网络速度的 3.5 倍以上