传统与开放式 RAN ： 5G 无线电中的功耗

遗产与 OPENRAN：POWER 消费 5GRADIOS DimitrisMavrakis，高级研究总监SaqlainAli，高级分析师 MalikSaadi，战略技术副总裁 赞助商： MARVENIR QUALCOMM CONTENTS SUMMARY1 市场概述2 趋势3 遗产运行的演变 走向开放RAN4 7.2X5 AAU元素之间的比较 遗产和开放RAN5 消费6 假设7 配置文件8 部门9 RRU和AAU尺寸和 电源消费10 Results11 LOAD13 质量分析 打开RAN能量节省14 RIC14 RIC14 RIC14 结论和 建议15 执行摘要 开放无线接入网（RAN）将在2023年获得吸引力和商业兴趣，多家运营商正在积极考虑为其新的和现有的5G网络使用新技术。与此同时，5G在消费市场的部署已经成熟，移动运营商正在期待下一波货币化浪潮，因为今天的5G在大多数发达市场提供了几乎无处不在和一致的移动宽带连接。 同时，可持续发展正在成为一个重要的话题，现在是供应商选择的关键部分。试图不辜负5G性能标准（超快速度，更高的吞吐量，更低的延迟，增强的安全性）和可持续性标准（运行绿色网络，同时优化能源效率）的炒作有时可能会有所不同。整个电信供应链现在的目标是优化所有设备的功耗，由于其分布式和技术特性，RAN是网络中最耗电的部分。 根据许多欧洲移动运营商的说法，在5GRAN中，无线电本身消耗大部分能量，通常占RAN总能量消耗的70％至80％。这是一个主要的优化领域，其中设计和实施了多个计划以减少其影响。3至5年前发布的早期供应商设备的效率远低于当前一代,并且很可能许多早期5G网络仍然在该设备上运行,因为在蜂窝网络基础设施中的折旧和因此的更换周期通常需要长达10年。 在过去的几年中,OpenRAN设备已经被开发出来并在商业上可获得,但是到目前为止,能耗的话题还没有被明确地讨论,这可能是由于传统基础设施供应商和尚未大规模部署的OpenRAN无线电与传统无线电并行。打开RAN能效高?这项研究仅关注基带层，旨在比较无线电(远程无线电单元(RRU))和大规模多输入多输出(mMIMO)单元(有源天线单元(AAU))中的同类。 ABIResearch为西欧市场设计了一个网络部署模型，5G在高密度和低密度城市地区都有密集部署。研究小组还收集了电力消耗数据，同时了解到这些数据是当前市场上最敏感，最机密和最具竞争力的信息。我们的模型表明，就RAN功耗而言，在任何成熟网络中观察到的典型网络RAN使用范围中，开放式RAN无线电和活动单元的性能都优于传统RAN，这可能在整个预测期内都是如此。然而,在极高的网络RAN使用率的情况下,这可能不是商业RAN网络操作范围的典型表示,传统RAN无线电可以表现得更好,这可能不归因于任何开放RAN相关的缺点。还可以注意到,在OpeRAN产品系列内,我们所分析的特定单元的优异功耗性能还取决于其他因素,如硅供应商的不同效率、其实现技术的差异以及与其选择的过程节点和硬件设计相关的差异。 除了本研究中汇编的结果，这些结果比较喜欢和显示“香草”收音机性能，所有传统供应商都实施了定性改进，包括在夜间将收音机置于“睡眠”模式。同时，OpeRAN无线电承诺通过RAN智能控制器（RIC）和xApps/rApps进行额外的能源优化，这将在未来几年为第三方和初创公司提供与供应商无关的创新创造更多机会。 5G市场概述 在过去的几年里，电信行业见证了与5G部署相关的混合挑战，包括COVID-19、地缘政治和能源危机，与此同时，它通 过提供固定和移动连接，继续成为国家基础设施的支柱。事实上，持续的地缘政治挑战和市场不确定性加速了对电信网络的投资，并引发了对蜂窝网络的新兴趣，包括5G-Advaced和6G，这些现在已成为全球许多国家国家议程的一部分。 市场无懈可击加速了对电信网络的投资，并重新引起了对蜂窝网络的兴趣，包括5G-Advanced和6G，这些现在已成为国家议程的一部分 许多国家。 与此同时，5GRAN、云和芯片组市场的一些发展加速了电信行业的竞争。其中包括OpeRAN和VirtalizedRAN（vRAN），两者都旨在向新进入者开放移动基础设施供应链，同时允许基础设施使用通用处理平台，而不必使用定制芯片。另一方面，云计算和加速器基础设施市场变得更具竞争力，硅供应商开始获得移动供应商合作伙伴关系。在2023年上半年期间，硅供应商已经开始开发超级和集成芯片组，以提供全栈加速，包括用于RAN的mMIMO配置的复杂第1层(L1)处理，而不需要外部加速器卡。 电信市场现在正朝着5G-Advanced和6G发展，研究下一波移动网络技术，同时试图为下一代构 建平台。 网络基础设施市场趋势 vRAN和OpeRAN的出现承诺通过为运营商提供选择供应商的灵活性来帮助电信行业从这些条件中恢复。vRAN支持使用商品化硬件进行虚拟化基带处理，这些硬件依赖于射频(RF)域中的专有接口、软件和有目的的硬件，这些硬件仍然限制vRAN提供互操作性和开放性。OpeRAN的概念承诺使RAN虚拟化，软件定义和分类，以及通过开放接口连接，以实现不同供应商之间的RAN可重构性，智能性和互操作性，允许运营商利用来自不同供应商的设备和芯片组。结合OpeRAN和vRAN的两个概念产生OpevRAN,其允许运营商从定制基带单元(BBU)迁移到在商用现成(COTS)硬件上运行的标准软件。 在无线电域中，OpenRAN允许运营商在基带（集中式单元（CU）/分布式单元（DU））和无线电单元（RU）供应商之间进行混合和匹配，而OpenRAN无线电的集成由于这些单元的设计而允许额外的效率。 通过处理需要更高吞吐量、覆盖范围、更多天线数量和更多频段的高级用例和应用，5G开始在多个地理区域和行业变得更加普遍。这可能会导致更高的能耗，从而影响5G网络的环境影响。由于与环境可持续性相关的日益关注和能源成本的增加,网络运营支出(OPEX)已成为许多欧洲市场的主要问题,约占总运营商成本的25%。移动运营商已经开始寻找不同的方法来节省能源成本，例如在夜间非高峰时段关闭5G无线电。此外，移动运营商已经开始通过改造新的基础设施或完全替换现有的基站和网络设备来优化其网络。 最重要的功能之一是使用人工智能(AI)和机器学习(ML)，它们开始在网络堆栈的上层进入移动网络，主要是在处理用户、营销和商业数据的业务支持系统(BSS)中。BSS一直是AI/ML的一个相对简单的领域，因为它处理大量数据，并在公共信息技术(IT)平台上运行。然而,AI/ML现在正在远远超出该领域扩展到网络的所有区域,延伸到无线电领域,其中由于网络操作的复杂性,网络优化传统上在封闭且防护良好的领域中垂直集成。现在，许多计划正在解决网络的多个领域，包括RIC 、服务、管理和编排(SMO)元素、网络编排以及许多其他方面。重要的是要注意,RIC已经被设计为解决开放RAN部署而不是传统RAN网络,因为它主要被设计用于开放接口。与针对传统RAN部署的自优化网络(SON)相比,RIC还提供显著优势,包括进行基于用户的优化的能力。 最后，电信市场正在朝着5G-Advaced和6G方向发展，研究下一波移动网络技术，同时试图为后代构建平台。这现在正在过滤当前的市场发展，这些市场发展的重点是部署水平平台，而不是前几年作为主流选择的垂直架构。在无线电网络中也是如此。 遗产RAN向开放RAN的演进 无线电网络传统上是通过单片单元来部署的,遵循实现全协议栈的黑匣子方法。在4G的情况下，这意味着RRU，它 将电子信号转换为RF，在5G的情况下，mMIMOAAU是更复杂的网络元素，能够波束成形并由数百个RF链组成。传统的RAN市场一直是封闭的，这意味着市场由少数大型供应商主导。 在无线电域中,特别是在前传域中,封闭接口意味着BBU和RU在供应商之间不可互换,这限制了运营商利用RAN可重构性,限制了网络节点与来自多个供应商的设备之间的协调。OpeRAN概念的提出正是为了解决传统RAN的缺点，并实现无线电领域的互操作性和开放性。这可以通过由O-RAN联盟定义的7-2x前传接口来实现,该接口在开放DU(O-DU)和开放RU(O-RU)之间划分PHY层(L1)处理。7-2x前传接口在接口和O-RU设计的简单性之间提供了公平的权衡,这意味着与更高层分割选项相比,它需要更少的参数来配置并且需要更低的数据速率用于前传传输。但当在RU部署mMIMOAAU时，这并不简单，这是5G引入市场的关键功能。由于RF链的数量增加以及与O-DU交换更多信息的要求,协议栈功能的分布在5GmMIMO中是不同的。因此,AAU的复杂度随着天线和RF链的数量而增加,由于AAU处的密集L1处理,导致mMIMO的计算复杂度增加。 图1示出了从传统RAN到vRAN和开放RAN的过渡。 图1：传统到vRAN到开放RAN演进 来源：ABIResearch 打开RAN功能拆分和7.2X 当OpenRAN最初被讨论并且概念被开发时，有几个“功能分割”旨在分别分割CU、DU和RU的功能和处理能力。图 2说明了在O-RAN联盟中的OpenRAN设计期间考虑的潜在功能分割。 图2：5G功能拆分 来源：O-RAN联盟 对于城市和密集城市位置的典型5G区域，O-RAN联盟选择了7.2x选项，该选项将O-RU和O-DU之间的物理（PHY）层分开，以符合严格的延迟和高要求。这种拆分代表了前传和处理要求之间的良好折衷，而OpeRAN生态系统设计了广泛使用这种拆分的产品。在传统RAN中,与在O-DU和O-RU之间分割PHY层处理(其中处理甚至可以被池化)的开放RAN相比,由于在这些单元处执行复杂的PHY层处理,ra-dios消耗更多的能量。这产生了显著的能量节约,其随着O-DU的集中化而进一步扩展。 遗产和开放RAN之间的AAU元素比较 MIMO是5G的基础技术，对于下一代RAN以前所未有的覆盖范围、容量和速度改变无无线通信至关重要。大规模天线阵列可以提供分集增益和波束成形机会,但是实现这些目标的一个主要瓶颈是前传数据速率的要求,其取决于压缩技术和在O -DU和O-RU之间使用的功能分割的可用性。前传数据速率随着AAU的数量而扩大;因此,布置高速光纤可能增加运营商的运营成本,因为在64天线配置中将IQ样本从AAU发送到BBU将需要显著更高的数据速率。 一对夫妇的解决方案是可用的，使mMIMO经济上可行的运营商：压缩技术，以减少前传负载，和功能分割，以分割单元之间的处理。在非mMIMO情况下,开放RAN不影响无线电的模拟处理,这意味着RF路径和功能保持相同,包括模数转换和数模转换、对数波束成形和RF前端(RFFE)。然而,在mMIMO的情况下,由于RF链的数量增加、PHYL1功能的复杂性以及向DU交换更多信息的要求,协议栈的分布并不简单。除了这个约束之外，选项7-2x是否在稳定的互操作性和减少方面提供最佳性能还存在争议。 前传传输成本。为了解决这个问题，O-RAN联盟启动了一个新的工作项目来补充现有的7-2x接口，以提高上行链路场景中mMIMO的性能。为了加快这一发展，有几家公司提交的提案如图 3.O-RAN联盟选择了两个建议来进行进一步的开发和测试。在第一个建议中，想法是将功能(例如均衡器)从O-DU移动到O-RU，而在第二个建议中，想法是保持O-RU更简单，同时通过在O-DU上实现复杂的均衡过程来实现性能优势。 图3：上行链路mMIMOO-RU的O-RAN方法 来源：ABIResearch 模拟RRU/AAU功耗 除了任何新部署的性能和成本比较之外，在考虑新部署时，能耗已成为一个关键指标。因此，ABIResearch创建了一个网 络模型，以评估在现实生活中的网络场景中，OpeRAN的功耗与分布式RAN（DRAN）相比如何。对于这种模式，ABIResearch选择了一个发达的西欧市场，原因有几个：5G在该地区部署良好，消费者和企业都