ORAN专题系列-28：5G基站如何升级到ORAN基站 - O-RU - 平台和传输层的改进（VLAN, PCP, DHCP, DNS）

Posted 2021-09-22 文火冰糖的硅基工坊

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目录

第1章 5G基站如何升级到ORAN基站概述

1.1 ORAN的网络架构

1.2 O-RAN完全继承的5G协议规范和接口

1.3 O-RAN对5G规范的扩展和开放

1.4 改进类别

1.5 改进的网元

第2章 前传接口eCPRI

2.1 组网方式

2.2 eCPRI协议栈

2.3 基本的假定

2.4 ORAN相关的标准规范

第3章 O-RAN对以太网物理层的要求

第4章 O-RAN对以太网MAC层的需求： vlan id

4.1 MAC层+VLAN帧结构

4.2 VLAN的设置

4.3 VLAN id与eAxC id的映射

4.5 M面VLAN id的自动检测

第5章 O-RAN对以太网MAC层的需求： PCP

5.1 PCP说明

5.2 VLAN 优先级PCP的映射

第6章 ORAN对TCP/IP层的需求

6.1 DSCP

6.2 IPSEC

第7章 DHCP Client服务

7.1. DHCP 交换过程

7.2 Vendor特有的信息域

7.3 选项143与自动配置引导服务器自动发现

第8章 DNS Client

第9章 PTP Client时钟同步

第10章 启动过程

10.1 所有可配置的传输层参数汇总

10.2 启动过程

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第1章 5G基站如何升级到ORAN基站概述

1.1 ORAN的网络架构

1.2 O-RAN完全继承的5G协议规范和接口

• X2-C、X2-u
• GN-C、NG-u
• Xn-C、Xn-u
• F1-C、F1-u
• E1

这些接口,  ORAN与5G是完全一致的。

1.3 O-RAN对5G规范的扩展和开放

（1）O1接口：开放原先私有的M面的接口

（2）O2接口：开放原先私有的云平台的管理接口

（3）A1接口：增加智能化网元RIC

（4）E2接口：开放基站的资源资源管理接口

（5）Fronthual接口：开放原先私有的前传接口

这是最重要的一个接口，基于eCPRI协议，包括

• 以太网传输层
• S面
• M面
• C面
• U面

（6）白盒硬件接口：开放原先私有的硬件与软件的接口

• MAC层与L1加速卡之间的接口nFAPI接口
• RRU白盒化硬件接口

1.4 改进类别

（1）平台和传输层

（2）M面的改进：netconf的支持

（3）C面的改进：参考相关文章

（4）U面的改进：参考相关文章

（5）S面的改进：参考相关文章

1.5 改进的网元

（1）O-RU

（2）O-DU

（3）O-CU

（4）网管NMS

第2章 前传接口eCPRI

2.1 组网方式

• 对点对连接
• 通过以太网交换机连接
• 通过FHGW连接

2.2 eCPRI协议栈

eCPRI接口和相应的本身协议，为5G和ORAN共享， 并非ORAN专有。

因此本文重点关注相对于5G, O-RAN提出的新的、额外的需求。

2.3 基本的假定

（1）C面是基于以太网的

（2）U面也是基于以太网的

（3）每个端口物理端口有唯一的MAC地址

（4）DHCP server支持静态IP地址池

2.4 ORAN相关的标准规范

• O-RAN-WG4.CUS.0-v02.00 ,
• O-RAN-WG4.M-Plane.0-v02.00

第3章 O-RAN对以太网物理层的要求

O-RAN对物理层没有提额外的要求。

（1）M面的数据，可以与C/M/S共享相同的物理端口。

（2）M面的数据，也可以有独立的物理端口。

第4章 O-RAN对以太网MAC层的需求： vlan id

4.1 MAC层+VLAN帧结构

4.2 VLAN的设置

为了稳定eCPRI前传接口的传输延时，降低传输延时的抖动，提升整个系统的性能，避免网络负载中其他数据对eCPRI数据的影响，需要把eCPRI的数据封装的特定的VLAN进行隔离。

（1）C/U/S/M-Plane可以设置不同的vlan id

这就意味着可以通过vlan id识别C/U/S/M-Plane不同的数据流，特别是C/U。

（2）M面的Vlan id可以预先配置

（3）为M面指定唯一的VLAN id

C面和U面的VLAN id是与eAxC映射的，因此不是唯一的。

4.3 VLAN id与eAxC id的映射

为了进行不同厂家设备的互联互通，ORAN对VLAN id映射成eAxC id的方式进行了明确的规定。

（1）需支持把CC_ID（group of eAXC streams）映射成VLAN ID。

这就是意味着可以通过Vlan ID识别U面的天线载波, 实现eCPRI CPlane和U Plane数据流的隔离。

实现基于vlan id的C/U面数据流的识别，便于DU侧实现基于VLAN id负载均衡的能力。

支持的映射方法有：

• 一对一映射：每个CP/UP的CC_ID映射到不同的VlanID上。
• 多对一映射：多个CP/UP的CC_ID映射到相同的VlanID上。
• 所有对一映射：所有的CP/UP的CC_ID映射到相同的VlanID上，这是对对一映射的特例。这种情况是针对不需要负载均衡的部署场景。

详细请参考：DCM TP 3D.705。

（2）基于vlan id的负载均衡

在上述情形中，一个O-RU可以被多个不同厂家的O-DU共享。不同O-DU在同一个O-RU上部署不同的天线载波，O-RU通过VlanID来区分不同的不同O-DU的不同的天线载波。

（3）VLAN id的数量

VLAN id的数量取决于O-RAN的类型与支持的天线载波数。

• FR1的O-RU

最小需要VLAN id，即最小支持一个天线载波。

最大需要的vlan的个数，取决于O-RU支持的天线载波数。

从规范来看，目前建议最大支持8个天线载波，即最大八个VLAN id。

• FR2的O-RU

最少需要4个Vlan id，用于区分至少两个group的2个不同极化方向的载波。

最大需要的vlan的个数，取决于O-RU支持的天线载波数。

4.5 M面VLAN id的自动检测

（1）M面需要独立的Vlan ID, 以实现与C/U的数据流的隔离。

（2）为了降低管理的复杂性，O-RU需要能够自动检测M面的vlan id。可以配置支持自动扫描的vlan id范围。

VLAN id自动扫描需要与DHCP Client服务结合起来才能实现。

其基本原理是：在设定的VLAN id范围内，依次发起DHCP的流程，能够收到DHCP response的VLAN ，表明是Mplane的VLAN，详细过程如下：

• 如果先前已经保存了Mplane的Vlan id，则直接使用才VLAN id发起Mplane的DHCP 请求。
• 如果没有保存过的Mplane的Vlan id，则启动VLAN扫描过程。
• 现在配置的Vlan id范围内进行扫描，扫描成功，保存vlan id。扫描失败，则扫描所有的vlanID.

（3）DHCP扫描与探测

针对每个被选择的VlanId，RU都需要发起一次DHCP server的扫描与探测过程。

这个过程通过DHCP服务，检查所选择id的vlan上，是否有DHCP server，如果有，则认为该vlan id是mplane id。这就需要在网络部署时，DHCP server必须部署在Mplane所在的VLAN中。

第5章 O-RAN对以太网MAC层的需求： PCP

5.1 PCP说明

PCP: Priority Code Point.

5.2 VLAN 优先级PCP的映射

为C/U/S/M-Plane不同面的数据进行PCP标记，设置/U/S/M-Plane不同面数据的优先级(Qos)，从而提高时间敏感网络中eCPRI流量的可靠性。 

ORAN定义了C/U/S/M-Plane默认的MAC层的VLAN优先级（上下行同时有效）

 从上图可以看出，默认情况下：

U-Plane和C-Plane的优先级为最高7. 

M-Plane的优先级为2，

其他数据流采用最低的优先级1.

但ORAN也要求可以配置他们的PCP优先级。

第6章 ORAN对TCP/IP层的需求

6.1 DSCP

DSCP差分服务代码点（Differentiated Services Code Point），IETF于1998年12月发布了Diff-Serv（Differentiated Service）的QoS分类标准。它在每个数据包IP头部的服务类别TOS标识字节中，利用已使用的6比特和未使用的2比特，通过编码值来区分优先级。

ORAN为M面的IP数据包定义了默认的优先级：18

6.2 IPSEC

无特殊要求

第7章 DHCP Client服务

7.1. DHCP 交换过程

7.2 Vendor特有的信息域

在传统的Fronthual接口中，由于是RU和DU是同一个厂家的，因此RU通常会通过DHCP client中vendor特有的信息域，携带产品类型、序列号等信息。

O-RAN规范中，不同的O-RU和O-DU能够实现互联互通，就需要移除这些信息，即使不移除，O-RU和O-DU的行为，也不要依赖于vendor特有的信息域。

7.3 选项143与自动配置引导服务器自动发现

（1）概述

Option 143（V4_ZEROTOUCH_REDIRECT)：用于O-RU的自动配置引导服务器自动发现

安全零接触配置（SZTP）是一种在网络设备以出厂默认状态启动时安全配置网络设备的技术。

这种自举策略使设备能够只需要执行物理放置、连接网络、电源电缆等操作，不需要手工执行任何配置，就可以自动安全地获取自举数据（初始配置数据）。

O-RU上电启动后，如果没有配置，处于出厂状态，则O-RU需要自动从Bootstrap（自动配置引导服务器）上下载配置文件，完成对自身的配置。

这里就存在一个问题，O-RU如何知道自举服务器或自动配置引导服务器的IP地址？

有几种策略：

（1）出厂前预先配置

这种方法优点：简单

最大的缺陷是：不同的运营商，不动的地区，器自举服务器（自动配合引导服务器）的地址是不同的，很难在出厂前预先配置。

（2）在DHCP获取IP地址时，通过DHCP optional从DHCP server获取。

优点：灵活，适应性强。也也是O-RAN建议采用这种方法的主要原因。

缺点：需要对DHCP server预先配置，适合与运营商网络，但在企业网中的实施就有些障碍，这要求重新配置企业网内部的DHCP server服务器，无法做到即插即用。

（3）Option 143

备注：

Option 143是DHCP标准的一部分，bootstra-server-list是IP地址，也可以是URL。

因此RU在拿到URL时，需要通过DNS client获取其对应的IP地址

第8章 DNS Client

因为DHCP client Option 143获取的是自举服务的地址是URL格式，因此需要把他转换成IP地址。这就需要DNS Client服务的支持。

第9章 PTP Client时钟同步

PTP时钟同步用于从外部的PTP server获得同步时钟。

第10章 启动过程

10.1 所有可配置的传输层参数汇总

（1）Vlan Id与CP/UP数据流e_AxC的映射

（2）M Plane Vlan ID的配置

（3）M Plane 物理端口的配置 （对RRU可选，主要针对BBU）

（4）M Plan VLAN id自动扫描的VLAN id范围

（5）CP/UP数据流的优先级PCP

10.2 启动过程

（1）前置条件

• 连接网络
• 在BBU的系统板上部署DHCP serve或DHCP relay
• 把RRU与BBU的Mplane端口连接起来。

（2）启动过程

• 选择VLAN ID
• DHCP serve扫描
• DHCP server回复DHCP offer
• 记录vlan id和获取的IP地址
• 记录自举服务器的URL list
• 在m plane的vlan上启动DNS服务，获取自举服务的IP地址
• 从自举服务下载初始配置文件
• 使用初始配置文件对RRU进行配置
• 初始化完成

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