無線電接取網路開放架構，成為5G商業化過程中最吸睛的話題。開放無線電接取網路架構提倡開放式的介面和軟硬體，RAN軟硬體走向分散式設計與開放架構，讓電信設備更容易採購和升級，軟硬體解構不僅帶來全新的商機，也促成企業專網的興起。
在物聯網(IoT)、工業4.0、人工智慧(AI)等領域的持續發展之下，5G的商轉不僅帶領一般消費者進入次世代的行動通訊應用，更將進一步擴展行動通訊技術在各垂直領域的應用，不同產業的網路需求差距極大，因此透過網路虛擬化與網路切片(Network Slicing)技術，虛擬化的雲端原生網路架構，讓管理調度更加容易。相較之下，傳統網路架構較難為客戶提供彈性、快速、客製化、差異化的服務。 因此，無線電接取網路(Radio Access Network, RAN)開放架構，成為5G商業化過程中最吸睛的話題。在Cloud RAN的發展趨勢之下，使用網路切片將實體網路劃分為多個虛擬的邏輯網路，以滿足對網路有不同需求的各種應用。開放無線電接取網路架構提倡開放式的介面和軟硬體，讓電信設備更容易採購和升級，軟硬體的解構不僅帶來全新的商機，也促成專用網路的興起。
5G開放架構引起產業關注
5G網路在傳輸速率、網路延遲與可靠性、節點連結數量上大幅提升，對於網路基礎設備的技術挑戰也同樣提高，分散式RAN架構應運而生，並透過網路功能虛擬化架構(Network Function Virtualization Infrastructure; NFVI)整合各類網路元件，如核心網路5GC/vEPC、網緣運算MEC、接取網路vRAN等，運行新形態行動網路。工研院資通所寬頻網路與系統整合技術組組長蔣村杰(圖1)表示，公網採用開放架構以日本樂天最為積極，該公司從4G網路就開始採用開放架構，2020年3月已布建3,490座基地台並正式商轉，2021年將擴增至8,600座，積極建構開放架構生態鏈。
圖1 工研院資通所組長蔣村杰表示，具備CBRS功能的基地台銷售金額將由2020年的3億美元，成長至2030年將達40億美元。
蔣村杰強調，樂天採用白牌RAN架構，網路建置成本約為傳統的50%，搭配軟體整體建置成本節省70~80%，並大幅減少維護人力；另外，過去封閉式架構新服務上線需要測試數個月，在新架構下只需要1小時。這兩年已有不少產業組織推動開放架構的發展，其中最重要的就是由AT&T、中國移動、德國電信、NTT DoCoMo與Orange於2018年2月組成的O-RAN聯盟；另外，由Facebook發起的TIP(Telecom Infra Project)亦已吸引超過500家廠商加入。
而由於無線頻譜的稀缺，美國FCC 2015年提出頻譜共享機制公民無線寬頻服務(Citizens Broadband Radio Service, CBRS)，改善既有頻譜使用效率，所有運行在3.5G頻段的設備都要遵循CBRS規範。由於美國市場規模驚人，產業研究機構推估，具備CBRS功能的基地台銷售金額將由2020年的3億美元成長到2023年超過10億美元，2030年將達40億美元，應用類型以專網為大宗。
企業專網建置依需求選擇
5G企業專網應用可說是產業發展的重點，根據統計全球5G行動網路基地台規模約700萬座，而在私網的企業專網部分，產業需求高達1,400萬座基地台，這也是企業專網吸引產業大量投入的主要誘因。Nokia台灣暨香港澳門、大中國區客戶營運部技術總監陳銘邦(圖2)說明，一個網路營運的價值鏈不是只有基地台的建設，還包括連線、網路分析、應用、管理服務、專業服務等等。
圖2 Nokia技術總監陳銘邦說明，5G網路營運的價值鏈不只在基地台的建設，還有連線、網路分析、應用、管理服務、專業服務。
在3GPP R15的規範中，陳銘邦解釋，將專網稱做NPN(Non-Public Network)與公網區隔，並定義四種架構方式，第一為完全自建(Fully Isolated Network)；第二種為基地台與公網共享但網路自建，裡面的資料與控制都由私網自行管理；第三種則是除了資料由專網掌握之外，接取網路與控制都請電信業者協助管理；第四種則是幾乎委託電信業者提供專網服務，透過網路切片技術提供所有網路資源與服務。R16版本則是進一步規範獨立組網(Standalone, SA)架構的NPN，並定義CBRS網路運行專網的架構。
5G開放架構與專網帶動台灣科技業轉型
在5G專網的應用部分，與產業結合之後，將開創更多元的可能性，自從2019年4月全球第一個5G商用網路開台，到2020年10月已經有136家電信營運商於47個地區推出5G商用網路；就在公網持續開台與布建的過程中，5G也將帶動垂直產業的創新，經濟部技術處新世代通訊技術推進辦公室主任許冬陽(圖3)指出，2030年企業專網設備規模將上看180億美元，專網的優勢在可確保關鍵服務傳輸可靠性與通訊品質，並隨企業需求彈性調整網路架構，且維護企業營運機密資料安全。
圖3 經濟部技術處新世代通訊技術推進辦公室主任許冬陽指出，企業專網的優勢在可確保關鍵服務傳輸可靠性與通訊品質。
與公網相較，5G企業專網主要應用在大量工業生產數據蒐集、大量影音蒐集、遠端協作/指導、無人載具遠端操作影像回傳等。終端的形式亦大異於消費應用的手機、平板，為AR眼鏡、MR頭盔、感測器、CCTV等，數據傳輸應用也上傳高於下載。許冬陽強調，5G專網產業鏈其實是涵蓋CT、OT與IT的跨領域整合，與台灣科技產業轉型升級的方向不謀而合。台灣2019年號召成立5G垂直應用聯盟，至2020年10月已經有103家業者加入，著眼於機場巡邏、客服互動、軌道巡檢、安全監控、遠距看診、行動醫療、病蟲防治、集會維安、交通控制、影像監控、機電診斷等應用技術發展。
5G RAN走向分散式設計/開放式架構
5G的網路架構與4G最大的不同就在接取網路(RAN)，就是俗稱的基地台，5G RAN走向分散式設計與開放式架構，台灣恩智浦半導體(NXP)Edge Processing資深產品經理張嘉恆(圖4)說，5G RAN主要分為RU(Radio Unit)、DU(Distributed Unit)、CU(Central Unit)，RU射頻單元是最複雜的部分，因應5G使用頻譜範圍擴大，有中低頻Sub-6GHz與高頻的毫米波(mmWave)前端，與使用陣列天線的Massive MIMO，而為彌補訊號的不足會有更多的小型基地台(Small Cell)建置需求；DU就是傳統的基頻(Baseband)，以MAC/PHY元件與數據機為主，CU主要功能為數據交換與控制，並與核心網路連接。
圖4 NXP Edge Processing資深產品經理張嘉恆說，5G透過邊緣運算，簡化訊息傳輸流程，將時間延遲壓縮在1~10ms之內。
另外，5G為了讓訊號傳輸更有效率，降低訊號的時間延遲，張嘉恆提到，過去4G訊號從手機終端到雲端的傳輸時間延遲超過100ms，5G透過邊緣運算，簡化訊息傳輸流程，可將時間延遲壓縮在1~10ms之內。邊緣運算則需要注意每位元所消耗的能源，並能同時連接Wi-Fi與5G，另外也需要注意邊緣到雲端的架構，網路安全與生命週期管理，還有深度學習與AI在邊緣的應用。
開放架構測試驗證不可少
5G RAN走向開放架構，在正式上線前互連互通就變得更加重要，這也是開放架構較過去封閉架構工作更為繁複的一部分。是德科技(Keysight)應用工程部資深專案經理蘇千翔(圖5)表示，O-RAN聯盟與TIP目前都有不少工作小組針對5G開放架構進行標準的討論與制定，整體而言O-RAN聯盟負責的是框架，TIP則主要討論使用案例，都是為了解決開放架構互連互通的障礙，測試與驗證則是在O-RAN聯盟的測試與整合工作小組(Testing and Integration Focus Group, TIFG)中討論最多。
圖5 Keysight應用工程部資深專案經理蘇千翔表示，在標準化分工上，O-RAN聯盟負責框架，TIP則主要討論使用案例。
目前在O-RAN聯盟中定義的一致性測試(Conformance Testing)與互通性測試(Interoperability)共有三項，並以R15規範為主，R16規範的測試內容相信在2022年亦會陸續制定完成。蘇千翔說明，三項測試分別為RU的一致性測試，未來基頻的DU也會有一致性測試規範；互通性測試則是針對介面，以裝置對裝置為主；第三則是End-to-end的測試，針對後端與服務。一般而言測試規範與項目越完善越好，所以這三項測試規範是最基本的項目，未來除了完善各項規範的內容之外，預計也會有第四項針對使用情境(Use Case)的測試。
5G O-RAN發展開源軟體與標準化介面
O-RAN聯盟推動5G開放架構主要有四個目標，包括：接口開放化、軟體開源化、硬體白盒化與網路智能化，除了硬體之外，軟體更是提供整體架構重要價值的核心。台科大電子系特聘教授鄭瑞光(圖6)說，在5G RAN開放的過程中，因為架構從一體化走向分散式，所以介面變得更加重要，核網與RAN的介面稱為A1介面，CU與DU則透過F1介面連接，另外E2介面是RAN智慧控制器(RAN Intelligent Controller, RIC)與RU/DU連接的介面，而CU的控制平面(CU-CP)與CU使用者平面(CU-UP)則是透過E1介面連接，RU與DU的連接介面則是Open Front Haul。
圖6 台科大電子系特聘教授鄭瑞光說，在5G RAN開放的過程中，架構從一體化走向分散式，介面標準化變得更加重要。
這些介面的標準化攸關5G開放架構的成敗，A1與F1介面是原先就有定義的部分，正在進行標準化的工作，而E1、E2與Open Front Haul則是O-RAN聯盟重新定義的介面。此外，整個RAN裡面的軟體在開放的精神下，使用開源軟體(Open Source)則是最為適當，但是多年來開源軟體的發展一直面臨穩定性的挑戰，鄭瑞光強調，開源軟體應用在無線接取網路的主要挑戰為：與標準保持同步、延遲與可擴展性問題、無線接取網路開源軟體不足、缺乏可靠/可布建及完整文件的軟體與缺乏安全的開源軟體等。
5G基地台虛擬化設計考量
而在網路虛擬化的風潮之下，也興起網路架構實體層虛擬化發展，陽明交大資工系教授許騰尹(圖7)解釋，開放架構希望採用更多通用性元件如CPU、GPU、DSP、FPGA等透過更多運算與模擬，以實現網路虛擬化，同時也讓硬體架構更為簡化，使用軟體完成資源切割的工作，而在網路切片的概念下，也可以更有彈性的完成特殊應用需求，比如工業物聯網(IIoT)與5G遠距醫療網路的架構與資源切分更加符合需要。
圖7 陽明交大資工系教授許騰尹解釋，開放架構希望採用更多通用性元件透過運算與模擬，以實現網路虛擬化。
而在網路虛擬化的設計上則分成幾個重要的考量，許騰尹說，軟體架構從最早期的設計就應該依照硬體的選擇與應用的需要進行考量，包括選擇的處理器是CPU或FPGA等，應用延遲需求是1ms或20ms？再者，運算資源(Computing Resource)規畫也很重要，以台灣為例，懂程式語言合成的人不見得懂平行處理，懂平行處理的不見得懂通訊，懂通訊的人不見得懂基地台及標準，所以造成運算資源很難做適切的規畫。
另外，演算法(Algorithm)在通訊裡的設計相對困難，建議要從足夠的傳輸效率的前題下進行設計考量；最後，軟體實體層的卸載，需要在架構中找到可以利用其他硬體進行運算的部分，如LDPC使用GPU來運算就比CPU更適合。