O-RAN 科普教育

一台應變網路行動車，整合了這麼多的設備 這次數位發展部moda（Ministry of Digital Affairs）緊急派出的「應變網路行動車」，其連接的是盧森堡的 SES 中軌衛星通訊系統。而截至去年(2023年)，SES 公司前前後後也發射了 20顆衛星上去，衛星高度大約在海拔 8,000 Km。也正因為這個高度相較於定軌衛星(約 36,000 Km) 而言，距離地面更近，因此 SES 中軌衛星的延遲時間大約僅有定軌衛星的四分之一，這樣的延遲時間在緊急通訊面前，可說是綽綽有餘！ 這套 SES 中軌衛星通訊系統還蠻方便的。首先，中軌衛星會先與合作的地面站連接（這次我猜應該還是和台灣微軟 Azure 合作），以獲得網路存取。一旦中軌衛星成功獲取網路存取，隨後便開始向行動車傳輸網路訊號。 那基本上「行動車」會裝有兩組天線，以便於執行切換 (handover) 操作。（實際運作時，一支主要用來通訊，另一支追蹤下一顆衛星） 傳統搭載的是 可轉動的碟盤天線 ，但這次安裝在「應變網路行動車」上的似乎是 新型的相位陣列天線(Phased Array Antennas) ！！！（下圖紅框） 紅框-我猜是最新相控陣列天線（傳統為可轉動式碟盤天線） 藍框-看起來像電信基地台的Micro Cell，可以提供災區網路服務。 回到正題，當行動車上的天線成功追蹤到衛星，並測量通訊品質符合標準，便會建立連線，開始接收來自衛星的訊號。但由於衛星訊號使用的頻段非常高（Ka：26.5–40GHz），因此衛星傳下來的訊號是無法直接與地面網路系統對接，所以天線後端會連接 SES 它們家基頻處理的裝置（下圖紅色虛線框處），用於進一步將衛星訊號降頻，然後經過一系列類比/數位轉換和訊號處理步驟。 最終訊號會變成封包，並以 IP 的形式連接地面網路系統（如：5G O-RAN基地台、Wi-Fi CPE、乙太網路），就可以應用在像是跨國工廠或是災害現場等......場景(scenario)。 > 當然這套系統也支援接收 X band、C band、Ka band、Ku band。 紅框-SES系統（包含降頻設備和訊號處理設備 藍框-地面網路系統。 補充一下，衛星向「應變網路行動車」提供網路訊號之前，必須先與其他國家或合作網路供應商的地面站進行連接，以此來接取網路，中軌衛星成功獲取網路存取之後，即可向行動車

SDR Platform 指的是用來實現軟體無線電（Software Defined Radio，SDR）的硬體和軟體系統，SDR Platform 可以用來實現各種衛星的操作功能，（如：遙測接收、遙控指令傳輸和頻譜監測...）總而言之 SDR Platform 是一種靈活、高效益的衛星與地面接收站通訊的解決方案。 而軟體無線電(SDR) 呢，它是一種使用軟體來控制 RF 訊號處理的無線電。它比傳統無線電靈活度還要高，並且適應性更強，因為通常傳統無線電都是為了連接特定頻率，或是特定調製方案(modulation scheme)的來專門進行設計的。 以下簡介通用無線電系統的硬體設備及其職責： 通用無線電系統的 Physical Layer 處理和硬體設備示意圖 資料來源：A Software-Defined Baseband for Satellite Ground Operations 上圖最左邊橘色的部分，即是無線電系統前端的接收天線。無論你是用 Phased array、Control Plane Receiver 或是 User plane Receiver 一旦接收衛星通訊訊號之後，必然需要再進行後端處理，讓衛星訊號得以轉換成地面行動通訊訊號以供使用。 由於不同軌道的衛星會使用不同的通訊頻段（如：X, S, Ka, Ku band ...），所以傳統無線電系統的設計方式，會依據不同的頻段來設計 專門的接收器 、專門的 Up/Down Converter ，甚至可以說專為特定頻段 專門 設計了整套無線電系統 。 地面接收站接收到特定頻段之後，就會需要進行降頻處理，藉由將高頻的衛星通訊訊號降到中頻或是基頻，最後再經過基頻的系統處理，（上圖右邊藍色部分）將訊號轉換成 OSI 第三層（TCP/IP的網路層） 的 IP，後端就可以透過像是 Gateway 等設備，再介接電信基站、Wi-Fi Router、乙太網路，以供使用！ 基於硬體 的衛星地面接收站整體運行的架構圖 資料來源：A Software-Defined Baseband for Satellite Ground Operations 像這類傳統基於硬體的衛星地面接收站，就會需要針對不同的衛星頻段（如：X band, S band ）來設計不同硬體和處理方式，雖然它看起來是一套系統，但是其實整合度不是很好，

我國數位發展部的核心理念，即為「強化全民數位韌性」 摘要： 數位發展與全體國民的日常生活息息相關，我國數位發展部（以下簡稱數位部）成立的核心理念，即是為了 「強化全民數位韌性」 ，可是瑞凡 「數位韌性」 這個詞，對於全體民眾而言，似乎還太過遙遠，多數民眾對數位發展仍缺乏概念，也不了解數位到底如何發展？這乃是數位發展政策執行面上長久以來的痛點，因此，為了以俾日後社會全面數位化發展順利， 數位發展專有名詞 的 科學普及教育 實為勢在必行。 本篇文章以民眾日常生活中一定會接觸到的 行動通訊基地台 為題，並針對於我國數位發展的最新應用技術  O-RAN  來進行科普介紹，帶領讀者了解什麼是  O-RAN ？以及數位部是如何 應用  O-RAN 強化我國數位韌性 ，實現「科技島」願景，就讓我們接著看下去吧 ~ 前言： 行動通訊的高速演進，促進社會朝向全面數位化發展，現代人的生活無論求學、工作、娛樂，都早已離不開行動通訊，但當你在享受數位發展帶來生活便利的同時，有沒有想過數位發展究竟是透過什麼樣的工具來實現。本文將會分為三個部分進行科普，首先簡介行動通訊概論及其演進歷史，而後帶領讀者了解為 促進我國數位發展、強化數位韌性 背後的重要功臣「 O-RAN 」究竟是什麼，以及為何我們需要  O-RAN ？最後說明  O-RAN 強化我國數位韌性的應用案例 。 行動通訊概論及其演進歷史簡介： 在了解什麼是  O-RAN  之前，我們先來了解什麼叫做 (RAN ， Radio Access Network) 。 所謂的  RAN  就是 「無線電接取網路」，聽到這個專有名詞，大家可能還是很模糊。 我們換成另一個日常生活稱呼 「基地台」 ，大家應該就比較耳熟能詳，而就是  RAN  它發出了 4G 、 5G 的無線電訊號（如：手機、智慧手錶 等…）接收到訊號後，並與  RAN  互相收發訊號、交換資訊，就實現我們所謂的無線上網啦！ 圖(一) RAN 的基本架構，需包含 RU (射頻單元) 和 BBU (基帶單元)，才能組成完整的 RAN 「什麼是 O-RAN？敢是路邊攤个黑輪？這是啥可以吃嗎？」 讀者對於  RAN  有初步的瞭解後，現在就可以詢問「 O-RAN  是什麼？ 為何會需要它呢？ 」下圖 ( 二 ) 可以看到，在過去  RAN  的所有軟 / 硬體組件及介面，都是專有設備

一句話介紹：這是 O-RAN 新增的介面(2023/03)，允許 Y1 consumers 訂閱或請求 Near-RT RIC 提供的 RAN 分析資訊 (RAN analytics information)。 圖(一) O-RAN Y1介面（圖中紅框處） O-RAN Y1介面功能介紹： Near-RT RIC 透過 Y1 介面，提供 RAN 分析資訊 (RAN analytics information) 的服務，而 Y1 consumers 可以藉由訂閱或請求 RAN 分析資訊 ，來使用 RAN 分析資訊 服務。 當 Y1 consumers 在 O-RAN 可信域 (Trusted Domain) 時，可以作為應用程式功能 (Application Functions，AFs)；或  RAN 分析資訊 可以透過網路曝光功能 (Network Exposure Function，NEF) 以安全的方式提供給 (Application Functions，AFs) 速記：在 O-RAN Trusted Domain 時 ， Y1 consumers == (Application Functions，AFs) 安全的網路曝光方式(NEF) 詳見：3GPP TS 23.501, Clause 5.20 (External Exposure of Network Capability)，連結如下： Release 17:  https://reurl.cc/ml7Y6W Release 16:  https://reurl.cc/7RnV2y 秀吉 MurMur： Y1 consumers  使用 RAN 分析資訊 服務，出發點一定是好的啦~，得以提供不同情境的使用者裝置更適合的服務，但 新介面的出現，同時也意味著新的資安威脅，學術界又有新的研究領域了（誤 綜觀 O-RAN 的高級架構 (High Level Architecture；HLA)   圖(一)： 圖(一) 顯示 O-RAN 架構中主要的四個介面 (A1、O1、Open Fronthaul M-plane、O2)。 SMO（服務管理和編排）透過 A1、O1、Open Fronthaul M-plane 連結 O-RAN Network Functions（如：Near-RT RIC、O-CU-CP、O

 O-Cloud 簡介 O-Cloud 是一個雲計算平台，這個平台整合了架設 O-RAN 基站所需的各種物理基礎設備節點(Node)，用於託管 O-RAN 的相關網路功能，此外，O-Cloud 也支援軟體組件（例如：操作系統 (OS)、虛擬機監視器 (Virtual Machine Monitor)、Container Runtime 等...）以及適當管理功能和編排功能(Orchestration functions)。 O-Cloud 物理基礎設備節點是什麼？  O-cloud 物理基礎設備節點 (Physical infrastructure nodes)包含像是：CPU、BIOS、記憶體、儲存(storage)、主機版管理控制器(BMC)、網卡(NIC)等...  未看先猜，未來 node 也會包含像是有硬體加速器、軟體定義硬體(SDH)、Switch 等... O-RAN 的相關網路功能是什麼？ 例如：Near-RT RIC、O-CU-CP、O-CU-UP 和 O-DU 有關什麼是 適當管理功能和編排功能(Orchestration functions)，本文下段有進一步著墨~ 與 O-Cloud 連接的介面 O-RAN 的高級架構(High Level Architecture；HLA) 上圖顯示了 O-RAN 架構中主要的四個介面 A1介面 O1介面 Open Fronthaul M-plane 開放前傳 M-plane 介面 O2介面：SMO（服務管理和編排）透過 O2介面連接 O-Cloud O-Cloud 通知介面(Notification interface) 可使 O-RAN Network Function（如：Near-RT RIC、O-CU-CP、O-CU-UP 和 O-DU）接收來自 O-Cloud 的相關通知。 O-Cloud 通知介面允許事件消費者 (Event Consumers) 可以從 O-Cloud 訂閱事件/狀態。 （事件消費者：如部署在 O-Cloud 上的 O-DU） 雲基礎設施 (Cloud Infrastructure) 將會提供事件生產者(Event Producer)啟用(cloud workloads)，用來接收可能只有基礎設施知道的事件/狀態。 O-Cloud 管理、編排以及工作流管理介紹 標題原文：O-

Near-RT RIC 概述 是開放基站(O-RAN) 架構中，專為網路智慧化而設計創新元件，用於促進無線電資源管理(RRM)。 支援第三方控制應用程式 xApp 部屬。 藉由收集 E2 介面提供的數據，透過 Non-RT RIC 提供 Near-RT RIC 的網路資源智慧分配 AI/ML模型以及 Policy，來進一步優化 RAN（如： RAN 對網路元件(elements)的即時控制、即時網路資源分配智慧化。）達成 QoS 管理、連接管理和無縫切換(handover)控制 Near-RT RIC 架構圖 圖源： O-RAN.WG3.RICARCH-v03.00 基本上所有實體 (CU, DU, eNB) 都可以作為 E2 節點 (E2 Node)。 O-RAN 架構兼容 5G 和 LTE。所以這邊要注意，此處顯示的 E2 Node 的定義包含 CU/DU (5G NR) 以及 LTE eNB (O-eNB) 5G NR 系統中，基地台稱為 gNB(Next. Generation Node B) LTE 系統中，基地台稱為 eNB(Evolved Node B) RIC 部屬位置 非即時智慧控制器(Non-RT RIC)，被部屬在服務管理與編排(SMO) 當中。 近即時智慧控制器(Near-RT RIC)，部屬在歸類於網路邊緣(edge of the network) 的部分，通常歸類在和 CU 在同樣的位置。 圖源： https://arxiv.org/pdf/2202.01032.pdf 圖源： Near_RT_RIC_for_ONS (PDF) 可以看到兩個 RIC 部屬的位置是不同的 Near-RT RIC 位在圖中央 REC(Radio Edge Cloud) 的地方 Near-RT RIC 閉迴路控制(Control Loop Control) 這項功能引入了數據驅動(data-driven)的閉控制，可以自動優化網路資源和 RAN 的切片、負載平衡、切換、調度策略(Policy) 等…，這項功能實現了網路智慧化。 Near-RT RIC 閉迴路的決策時間週期為(10ms-1s) Near-RT RIC 通常會連結多個 RAN Node，因此閉控制會影響成百上千個用戶設備(UE) 的 QoS。 Near-RT RIC 介面 A1介面 ：SMO 當中