Программное обеспечение стека протоколов уровня L1-HighPHY/L2 базовой станции RAN 5G RUS

Описание программы

О документе

Документ обновлен: 2025.04.07

Данный документ описывает назначение, структуру, архитектуру и функциональные модули программного обеспечения стека протоколов уровня L1-HighPHY/L2 базовой станции 5G. Он предназначен для инженеров, разработчиков и специалистов, работающих с данным ПО.

Содержание

• 1. Назначение и область применения
• 2. структура программы
• 3. Технические средства
• 4. Входные и выходные данные
• 5. Перечень принятых сокращений
• 6. Контактная информация

1. Назначение и область применения

ПО L1-HighPHY/L2 реализует ключевые функции стека протоколов уровня L1-HighPHY и L2 (здесь и далее применяются обозначения уровней стека согласно рекомендациям стандарта 3GPP).

ПО L1-HighPHY/L2 предназначено для работы в составе распределенного модуля (gNB-DU) и обеспечивает работу ключевых модулей ПО gNB-DU, а именно MAC (вкл. Scheduler), RLC и L1-HighPHY, а также обеспечивает интерфейсное взаимодействие с централизованным модулем (gNB-CU) через интерфейс F1 и с ПО приемопередающего модуля RU – L1-LowPHY через интерфейс F2 (ORAN 7.2x). В составе ПО стека протоколов уровня L1-HighPHY/L2 включены необходимые интерфейсы для обеспечения управления и конфигурирования, а также интерфейсы для сбора и передачи данных о статистике и состоянии во внешние системы управления в соответствии с рекомендациями 3GPP.

ПО L1-HighPHY/L2 включает три основные функции, необходимые для организации работы распределенного модуля gNB-DU:

• функционал верхнего физического уровня L1 (L1-HighPHY);
• функционал управления доступом к среде (MAC);
• функционал управления радиотрактами (RLC).

2. Структура программы

Архитектура

ПО L1-HighPHY/L2 является частью ПО стека протоколов базовой станции 5G (далее gNB), трехуровневая архитектура которого показана на рисунке ниже.

Функции ПО L1-HighPHY/L2 реализуются в распределенном модуле (gNB-DU), высокоуровневая архитектура которого показана на рисунке ниже.

Для обеспечения стабильной и долговременной работы ПО и использующего это ПО оборудования в состав ПО стека протоколов уровня L1-HighPHY/L2 включены дополнительные модули, обеспечивающие:

• управление конфигурацией и запуском ПО, в частности, с использованием протокола Netconf;
• автоматический перезапуск ПО в случае непредвиденного отказа, без необходимости перезапуска всей аппаратной платформы gNB-DU;
• контроль за выполнением и последовательностью операций и вычислений;
• выделение аппаратных ресурсов для конкретного процесса, а также контроль загрузки процессора и оперативной памяти.

В соответствии с требованиями ТЗ интерфейс в составе ПО L1-HighPHY/L2 для взаимодействия между модулями L1-HighPHY и L2 разработан с опорой на рекомендации и парадигмы, описанные в спецификации «5G FAPI:PHY API Specification» версии 1.0.5, март 2020 г. Модуль, отвечающий за реализацию интерфейса FAPI, входит в состав ПО ПО L1-HighPHY/L2 и называется Модуль CL (Convergence Layer).

Функциональные модули

ПО L1-HighPHY/L2 включает три функциональных модуля: L1-HighPHY, который реализует функции верхнего уровня протокола уровня L1, модуль управления доступа к среде передачи (MAC – Medium Access Control), в составе которого имеется функция планировщика ресурсов (SCH - Scheduler), и функции модуля, реализующего протокол RLC – Radio Link Control, функционал которых подробно описан ниже.

Во исполнение требований ТЗ каждый из перечисленных выше модулей выполняет определенный набор функций:

1. Функция управления верхним физическим слоем HighPHY (High Physical Layer):
   1. подготовка (модуляция, скремблинг, кодирование, выравнивание скорости) транспортных каналов и их передача на RU и наоборот;
   2. модуляция и демодуляция сигнала в соответствии с рекомендациями 3GPP для сетей 5G New Radio с шириной полосы 100 МГц;
   3. поддержание работы 8 передающих и 8 приемных антенн;
   4. поддержание передачи 4 параллельных потоков MIMO в DL канале и прием 2 потоков MIMO в UL канале;
   5. подержание расстояния между поднесущими (SCS – Sub Carrier Spacing) OFDM символа, равное 30 КГц;
   6. поддержание статического разделения нисходящего и восходящего канала в необходимом соотношении (TDD Frame Configuration);
   7. поддержка модуляции физических каналов PDSCH, PDCCH, PBCCH и демодуляции физических каналов PUSCH, PUCCH, PRACH, а также пилотных последовательностей SRS;
   8. поддержка работы до 8 пользователей на TTI как в DL, так и в UL каналах.
2. Функция управления доступом к среде MAC (Media Access Control):
   1. контроль соответствия транспортных и логических каналов;
   2. динамическое распределение ресурсов с учетом приоритетов пользовательских терминалов (UE) и логических каналов и информации о состоянии среды передачи – функции менеджера расписаний (scheduler);
   3. обнаружение и коррекция ошибок передачи методом гибридного автоматического запроса повторной передачи HARQ.
3. Функция управления радиотрактами RLC (Radio Link Control):
   1. проецирование сервисных пакетов данных RLC SDU на логические каналы;
   2. поддержка трех режимов: прозрачный режим передачи (transparent mode, TM), передача без подтверждения (unacknowledged mode, UM), передача с подтверждением (acknowledged mode, AM);
   3. передача данных с уровня L3 и наоборот;
   4. нумерация пакетов данных, независимая от вышележащего уровня;
   5. сегментация и десегментация пакетов данных (только в режимах AM и UM);
   6. обнаружение и коррекция ошибок передачи методом автоматического запроса повторной передачи ARQ (только в режиме AM).

Функциональный модуль MAC

Модуль управления доступом к среде передачи данных Media Access Control (MAC) разработан в соответствии с требованиями стандарта 3GPP TS 38.321 «Medium Access Control (MAC) Protocol Specification» версии 15.3.1 и поддерживает следующие основные функции:

1. контроль соответствия транспортных и логических каналов;
2. динамическое распределение ресурсов с учетом приоритетов пользовательских терминалов (UE) и логических каналов и информации о состоянии среды передачи – функции планировщика ресурсов (Scheduler, более подробно в разделе MAC Scheduler);
3. обнаружение и коррекция ошибок передачи методом гибридного автоматического запроса повторной передачи (HARQ).

В таблице ниже приведены поддерживаемые функции и процедуры модуля MAC. В соответствии с терминологией консорциума 3GPP функции приведены на языке стандарта (англ).

Планировщик MAC Scheduler

Планировщик ресурсов MAC Scheduler поддерживает функции и процедуры, которые подробно описаны в таблице ниже. В соответствии с терминологией консорциума 3GPP функции приведены на языке стандарта (англ.).

Функциональный модуль RLC

Модуль протокола Radio Link Control (RLC) разработан в соответствии с требованиями стандарта 3GPP TS 38.322 «Radio Link Control (RLC) Protocol Specification» Release 15.3.

Модуль RLC располагается между PDCP (Packet Data Convergence Protocol) и MAC уровнями стека протоколов базовой станции 5G. RLC взаимодействует с PDCP через SAP (Service Access Point), а с MAC - с помощью специальных логических каналов.

RLC уровень переформатирует пакеты PDCP PDU для того, чтобы они были определенного размера, который указывает MAC уровень. Таким образом, со стороны отправителя RLC сегментирует и/или объединяет пакеты PDCP PDU, а со стороны получателя RLC восстанавливает PDCP PDU. Кроме этого, RLC уровень восстанавливает порядок следования пакетов RLC PDU, если он был нарушен (например, из-за работы функции HARQ на MAC уровне).

Функции RLC уровня выполняются RLC объектами (RLC entities). RLC объект функционирует в одном из трех режимов передачи: прозрачный (transparent mode, TM), передача без подтверждения (unacknowledged mode, UM) и передача с подтверждением (acknowledged mode, AM).

В режиме AM поддерживаются специальные функции для повторной передачи данных. Когда используются режимы AM и UM, выбор между ними осуществляет ПО стека протоколов уровня L3 во время процедуры настройки RRC радиопотока, основываясь на требованиях к QoS EPS потока.

Ниже приведены основные функции модуля протокола RLC:

1. Переформатирование сервисных пакетов данных RLC SDU на логические каналы, необходимые MAC уровню;
2. Реализация трех режимов работы с пакетами данных: прозрачный режим передачи (TM), передача без подтверждения (UM), передача с подтверждением (AM);
3. Передача данных и контроль за передачей данных с уровня L3 (от PDCP) и обратно;
4. Нумерация пакетов данных, независимая от вышележащего уровня;
5. Сегментация и десегментация пакетов данных (для режимов AM и UM);
6. Обнаружение и коррекция ошибок передачи методом автоматического запроса повторной передачи ARQ (только для режима AM).

В таблице ниже приведены поддерживаемые функции и процедуры модуля протокола RLC. В соответствии с терминологией консорциума 3GPP функции приведены на языке стандарта (английском).

Программные интерфейсы

ПО стека протоколов уровня L1-HighPHY/L2 включает модули интерфейсов, разработанные в соответствии с требованиями стандарта 3GPP TS 38.473 «5G NG-RAN/F1 Application Protocol F1AP» и специализированного стандарта «5G FAPI:PHY API Specification» версии 1.0.5, март 2020 г.

На рисунке ниже показаны интерфейсы F1 и FAPI, посредством которых реализуется обмен данными между централизованным модулем CU и распределенным модулем DU, а также между уровнями стека протоколов L2 и L1 внутри распределенного модуля DU.

Интерфейс F1

Интерфейс F1 поддерживает следующие функции:

1. Передача данных управления для взаимодействия и самодиагностики CU и DU, включая функции обновления конфигураций CU и DU и передачи сообщений об ошибках.
2. Передача контрольных данных для работы функции распределения и управления ресурсами базовой станции, включая:
   • данные для работы функции управления потоками данных с различными индикаторами качества передачи (QoS);
   • данные функции управления контекстами абонентов;
   • данные о пейджинге;
   • данные с сообщениями об ошибках.
3. Передача пользовательских данных в соответствии с протоколом для передачи плоскости пользовательских данных сети радиодоступа 5G RUS.

В таблице ниже приведены функции и процедуры интерфейса F1. В соответствии с терминологией консорциума 3GPP функции приведены на языке стандарта (английском).

Интерфейс FAPI

Обмен данными между уровнями L1-HighPHY и L2-MAC осуществляется с помощью протокола FAPI и реализуется в модуле CL (Convergence Layer) ПО стека протоколов уровня L2. Требования к протоколу FAPI отражены в спецификации «5G FAPI:PHY API Specification» версии 1.0.5, март 2020г.

В таблице ниже приведены функции и процедуры интерфейса FAPI в соответствии с терминологией стандарта FAPI.

На рисунке ниже приведена схема разделения функций протокола FAPI в плоскости управления и плоскости передачи пользовательских данных. В плоскости управления реализованы функции конфигурации (P5). Взаимодействие между модулем MAC и модулем PHY AP реализуется в плоскости передачи пользовательских данных (P7).

3. Технические средства

Ниже приводится описание и обоснование выбора программных и аппаратных средств, необходимых для развертывания разработанного ПО L1-HighPHY/L2.

Исходные коды и языки программирования

ПО L1-HighPHY/L2 разработано на языках программирования С, С++11 и выше.

ПО L1-HighPHY/L2 имеет в составе библиотеки и модули с открытым исходным кодом (OpenSource Software).

Исходный код ПО L1-HighPHY/L2 хранится в Git-репозитории с системой контроля версий на серверах ООО «ИРТЕЯ» на территории РФ.

Состав программных средств

ПО L1-HighPHY/L2 предназначено для развертывания на ОС Linux Ubuntu 22.04. Рекомендуется использование специализированных версий ядра Linux, в состав которых входят необходимые для работы RT-приложений (RealTime) функции (RT Kernel Patches).

Состав аппаратных средств

ПО адаптировано для работы на различных аппаратных платформах для построения цифровых модулей БС 5G, построенных на базе процессоров с архитектурой X86. Рекомендуемые требования к такой платформе указаны ниже:

• Центральный процессор: Intel Xeon 6338N или аналогичный, с поддержкой набора инструкций AVX512;
• ОЗУ: 192 Гб;
• Твердотельный жесткий диск объемом не менее 200 Гб;
• Интерфейсная плата синхронизации: Silicom STS2 или STS4, с приемником сигналов ГНСС и поддержкой PTP IEEE1588v2 (G.8275.1/2);
• Аппаратный ускоритель FEC: Intel ACC100 для ускорения операций цифровой обработки сигналов (LDPC Decoding/Encoding, RateMatching, HARQ).

При необходимости использования другого, отличного от рекомендованного, аппаратного обеспечения рекомендуется обращаться в техническую поддержку ООО «ИРТЕЯ» для подтверждения наличия всех необходимых для работы ПО функций в конкретной вычислительной платформе.

Защита информации

ПО L1-HighPHY/L2 имеет встроенную защиту от несанкционированного копирования с использованием лицензионных ключей, использующих идентификаторы аппаратных средств для индивидуализации конечных изделий и привязки к ним лицензионных файлов.

Система для генерации и валидации лицензионных ключей разработана в ООО «ИРТЕЯ» и функционирует на базе собственной вычислительной инфраструктуры, расположенной на территории РФ. Никаких дополнительных (сторонних) лицензионных файлов для полноценного функционирования ПО не требуется.

4. Входные и выходные данные

Организация входных и выходных данных ПО L1-HighPHY/L2 выполнена в соответствии с действующими стандартами 3GPP.

Входные данные

• Входными данными L1-HighPHY являются:
• для канала Downlink (нисходящий канал) – MAC PDU (Protocol Data Unit);
• для канала Uplink (восходящий канал) – IQ-данные (UP) и данные контроля и управления (CP).
• Входными данными MAC являются:
• для канала Downlink – RLC PDU;
• для канала Uplink – MAC PDU.
• Входными данными RLC являются:
• для канала Downlink – PDCP PDU;
• для канала Uplink – MAC SDU (Service Data Unit).

Выходные данные

• Выходными данными L1-HighPHY являются:
  • для канала Downlink (нисходящий канал) – IQ-данные (UP) и данные контроля и управления (CP), передаваемые по интерфейсу eCPRI ORAN 7.2x CUS;
  • для канала Uplink (восходящий канал) – MAC PDU.
• Выходными данными MAC являются:
  • для канала Downlink – MAC PDU;
  • для канала Uplink – MAC SDU.
• Выходными данными RLC являются:
  • для канала Downlink – RLC PDU;
  • для канала Uplink – RLC SDU.

5. Перечень принятых сокращений

6. Контактная информация