打造智慧基站/優化垂直應用　5G O-RAN白盒設備浮現藍海

這巨大的流量需求已使行動接取網(Radio Access Network, RAN)過載，但相比之下，行動接取網路的容量成長速度卻慢得多。除此之外，現今多媒體與萬物聯網時代的來臨，對於這些不同應用數據流需要不同服務指標等級(Quality of Service, QoS)，行動網路的RAN系統如何能夠維持足夠的、保證有效率的無線資源運用，已經成為行動運營商面對繁重流量的一項嚴峻挑戰。

目前台灣電信營運商在選擇接取網路(Radio Access Network, RAN)的網元(基站)解決方案時，皆以國外大廠設備為主要考量(如愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)等)，且國內的基站供應商都以代工為主，而無線資源管理功能皆由各製造商制定與研發。所以國產5G基站要進入電信設備供應鏈，優良的RAN無線資源管理技術絕對是重要差異點之一，例如流量優先順序管理、分類的傳輸服務品質、上下行頻寬分配等資源分配問題都應以自動化、智慧化的方式解決。

突破選擇有限/規格架構封閉問題

早期電信商如果打算建置站，都必須向Ericsson、Nokia或華為等傳統電信設備業者購買設備。換言之，電信業者的設備採購與可提供的服務，均脫離不了這些業者，使得電信商在部署行動網路時，不僅選擇有限，且規格架構封閉，採購成本也高昂；因而較難為客戶提供彈性、快速、客製化、差異化的服務。

然而，當5G開始導入開放式架構之後，O-RAN架構可望打破過往這種被國際設備大廠「綁死」的情況。O-RAN使電信業者可採用來自不同供應商的軟體、通用硬體來構建網路，避免被傳統設備商綁定。舉例來說，類似iOS和Android的開放平台，消費者可選擇各種廠牌的手機，安裝各種應用程式。因應開放式無線電接取網路架構(如O-RAN及TIP)，5G基站白牌化的商機愈加成形，以往主攻資通訊、硬體製造業者的代工廠商，轉而投入開放式架構基站的研發。如仁寶、和碩、宏達電、廣達、鴻海等非傳統電信設備的硬體製造商、資通訊業者而言，也有著更多機會能夠切入過往傳統封閉的電信設備系統，趁此建構新的商業模式。

政策面，經濟部工業局也於2020年8月宣布，以「Open Networking, Taiwan Amazing」為核心價值，與美國網通科技廠商Cisco聯手，結合台灣網通設備廠商及系統整合商，打造全台首座5G開放網路驗測平台，全力搶攻5G電信白牌(White-box)設備兆元商機。

智慧型基站技術加值5G專網應用

5G專網已被視為實現5G垂直應用最重要的布建場景，包含智慧工廠、智慧運輸、虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)、異地展演等。建構5G專網將需要整合應用終端、基站、核網與應用服務，如圖1所示，其中基站設備業者除了需要以O-RAN或非O-RAN架構建立5G基站之外，更需要讓該基站能夠配合各式不同應用終端之能力(如感測器、手機、車輛、機械手臂、無人搬運車、智慧眼鏡等)，針對不同應用服務進行效能最佳化；同時基於此需求，許多國內積極發展5G專網系統之主要廠商(仁寶、廣達、雲達、亞旭等)已陸續投入建構5G智慧基站。發展5G基站時除了提供基本增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)服務，更需進一步發展基站對無線資源與傳送方式之控制機制。5G智慧基站將提供無線資源管理功能模組智慧化無線資源管理技術與中央單元(Central Unit, CU)/分散式單元(Distribution Unit, DU)之穩定與高效能之連結與協作，並能進一步與不同能力之應用終端針對不同垂直應用進行穩定與高效能之連結。

5G NR技術是以eMBB發展為先，其基礎功能已日趨成熟；目前在國內外5G產業所關注的重點開始往系統效能以及應用整合發展，且朝超可靠度和低延遲通訊(Ultra-Reliable and Low Latency Communications, URLLC)與大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)傳輸服務進行討論。在配合多種特徵技術發展下，智慧型基站技術朝5G系統效能議題出發，期盼在支援O-RAN架構下發展無線資源管理技術，並設計適用於機器學習之模組架構，結合學習方法實現智慧化資源管理。

智慧基站建構技術，將能夠因應專網場域的應用需求、流量的即時變化，以智慧建構技術將無線資源做最佳化的管理，不僅可協助國內基站設備廠商建立具備差異化的智慧化無線資源管理之軟、硬整合之方案，提升國產基站的技術能量與功能，也可協助Server/IPC廠商，以具智慧基站管理功能之RIC設備商的角色進入O-RAN生態系，並共同推動、建構國產專網的生態系的發展。

O-RAN開放式架構下的基站

IMT-2020系統將支援不同延遲、不同可靠度、不同傳送速率、不同連結數量的無線服務，5G基站必須根據不同無線服務需求決定能夠最佳化效能的傳送方式。目前國內外投入O-RAN開發之主要廠商現階段皆著重於傳送速率之提升，然僅提供高傳送速度服務並不足以支援5G垂直應用，國內外O-RAN主要廠商下階段必將全力發展低延遲高可靠度等無線傳送服務。若要提供不同無線傳送服務，基站必須決定能夠最佳化效能的傳送方式。例如，若要提供低延遲資料傳送，有多種傳送方式能夠達成類似目的，如啟用Mini-slot功能、啟用Grant-free(Configure Grant)傳送、減少混合式自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request)重送次數等，基站則必須根據引起傳送延遲之不同原因決定最佳的傳送方式。藉由無線資源管理功能模組對基站CU與DU進行通道狀況、終端服務需求、與核網之間流量等資訊之蒐集，並設計發展安裝於無線資源管理功能模組上以機器學習為基礎之管控單元，無線資源管理功能模組將能自主判斷通訊環境於無線應用之可能流量，並進而控制與管理基站CU/DU之傳送方式，以最佳化各式無線服務之效能。

5G採用NFV、O-RAN等技術，將過去電信專屬設備推向虛擬化發展，將原本整合的軟硬體專屬系統設計，改為由軟體控制；以往All-in-one的基站，也被拆分為無線電單元(Radio Unit, RU)、DU、CU三個主要單元(如圖2所示)，其中除了RU為較封閉專屬的單元，DU與CU儘量使用Intel x86或恩智浦(NXP)平台；功能面來看，DU執行即時性L1和L2調度功能，CU執行L2和L3非即時性部分功能，並加入RAN智慧控制器(RAN Intelligent Controller, RIC)以實現網路維運的智慧化。

5G行動通訊技術在開放架構之解構下，未來廠商可藉由各模組間共通介面標準，依據不同應用情境需求，以xAPP的模式，提供智慧網路應用所需不同之資訊延遲品質需求、訊號覆蓋範圍與訊號強度。並針對不同應用之彈性預測與調整，反應無線通訊環境即時狀態，協助決策系統針對不同服務提供差異化通訊品質服務(如下圖3)。

以上下行資料傳輸量在各應用領域為例，智慧工廠中為上行資料傳輸需求遠大於下行資料傳輸，但在AR相關應用中時則為下行傳輸需求遠大於上行；傳統電信網路中因無法預知當下的應用情境，採用固定式的上行/下行比例，無法因時因地因事制宜。整合開放式介面技術及接取網路智慧化控制技術可與傳統大廠之基站在專網設備中做出差異化，並墊高在專屬應用中的價值。目前5G相關產業中仍欠缺此類軟體技術廠商，包含Edge端的智慧化基站控制平台設計及其上的資料傳輸與機器學習運算，可視為5G網路的網管系統新興領域。

智慧基站建構技術

為達到整合開放式介面技術及接取網路智慧化控制技術，透過O-RAN所定義的E2及O1等介面，列出相關技術如下：

・SMO(Service Management and Orchestration)

主要提供網路設備的管理服務，可透過O1介面進行FCAPS(Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security)管理，透過O1介面進行雲端計算平台(O-Cloud)資源及負載管理，透過開放式前傳介面(Open Front Haul ,OFH) M-Plane介面進行O-RU管理。SMO內包含Non-RT(Non-Real-Time) RIC，主要功能為資料分析、訓練機器學習模型、Enrichment Information提供、Policy制定。Non-RT RIC分別從SMO及應用服務端取得RAN與用戶相關資料，再透過機器學習，針對特定目的，訓練識別或預測模型，透過A1介面將機器學習模型部署於Near-RT RIC，使其可因應流量與環境的變化，主動或提前調整網路資源配置。

・Near-RT RIC(Near-Real-Time RAN Intelligent Controller)

位於RAN內，接收與分析來自RAN的即時資訊，結合Non-RT RIC提供的額外資訊，利用Non-RT RIC部署的機器學習模型，監控或預測連線狀況的變化，並依據需要，透過E2介面對RAN進行參數調整，在Near-RT RIC中，有個別的xAPP針對不同的應用，進行資料監控與對RAN Function進行參數調整。因可監控近即時的網路狀況，本層的設定或調整週期為1秒以上。

・E2 Node

代表基站端，亦可再細分為CU、DU、RU等模組，透過E2介面與Near-RT RIC連接，Near-RT RIC透過訂閱服務的方式接收基站模組的即時運作狀況、事件等，接收與分析RAN運作之即時資訊。E2 Node亦會透過E2介面接收來自Near-RT RIC的調控指令，調整運作參數。為了提供具有可移植性的軟體模組，E2 Node分為存取基站系統運作參數的Convergence Layer、管理RAN Function與Near-RT RIC訂閱狀況的IRM Layer、處理E2連線與通訊協定內容的E2 Layer。

因5G基站需要提供各式不同無線服務，若要提供低延遲資料傳送，將有多種傳送方式能夠達成類似目的，如啟用Mini-slot功能、啟用Grant-free傳送、減少HARQ重送次數等，基站則必須根據引起傳送延遲之不同原因決定最佳的傳送方式。

智慧控制技術藉由E2介面與CU/DU連接，以接收與分析來自RAN的即時資訊，並藉由A1介面連接Non-RT RIC以獲得部署於Non-RT RIC的機器學習模型，監控或預測基站與終端/基站與核網連線狀況的變化，並依據需要，透過E2介面對IRM或CU/DU進行參數調整。進而針對不同垂直應用開發基於機器學習或非基於機器學習之各式xAPPs，並藉由E2介面連接CU/DU，對基站CU與DU進行通道狀況、終端服務需求、與核網之間流量等資訊進行蒐集，並對CU/DU傳送方式進行控制與調整，達到智慧化自主判斷通訊環境於無線應用之可能流量，並進而控制與管理基站CU/DU之傳送方式。

提供網路創新/多樣性電信設備朝白盒化發展

全球電信營運商的網路變革正從核心網向接取網蔓延，通過基站與相關設備的白盒化，無線接取網路軟硬體一體化、緊耦合的模式，已朝向「智慧、開放、開源」的方向前進。對營運商來說，O-RAN架構透過軟體功能支援與控制，能有效提高系統效能；而電信網路投資也需要更多供應商予以支持，特別是模組元件的多樣性與競爭性有助電信網路架構的創新發展。面向電信網路雲化技術發展趨勢，以及其所能夠創造的經濟效益，也與大量通用硬體設備和軟體解決方案直接相關。

就概念而言，O-RAN主要精神為提供一種開放且具共通性的架構，所以強調資料交換格式相關的標準，對於機制中資料分析模型或演算法、應用程式模組開發細項等等，則沒有強制的規定。這點從已公開的標準、軟體社群的發展狀況觀察是相呼應的，在實際應用相關議題仍然有很大的發揮空間。

因此，在基於E2介面上的無線資源管理之整合，勢必面臨各廠相容性與效能好壞的問題，初期投入的相關廠商將耗費更多研發資源來進行整合與驗證工作。初步來看，所謂智慧化無線資源管理技術，便是建立在整合相容性考量下設計適應性模組，達到智慧基站建構的目標。此外，如同有不少資訊公司專門負責企業網路的Wi-Fi維運及網管系統；藉由5G的開放式架構及動態管理機制設計，現今專網布建衍生的維運問題亦可衍生為5G網管技術新產業。 2020年各國多家指標性營運商積極導入開放式網路解決方案，相關測試、驗證工作持續推進。獨立軟體商也開始以系統整合業者之姿切入市場積極擴張合作版圖。多家台廠正積極參與O-RAN生態系，把握與國際領頭業者發展夥伴關係的機會，透過硬體設備互通性測試、驗證工作，搭著巨人的肩膀切入國際營運商之設備供應鏈。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者皆任職於資策會)