[论文解读] HexRAN: A Programmable Approach to Open RAN Base Station System Design

A.C. Kak, Van‐Quan Pham+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Software-Defined Networks and 5G被引用 4

一句话总结

HexRAN 提出了一种新型的、原生支持 O-RAN 的基站架构，通过解耦的、由控制器驱动的设计，实现了完全可编程、可组合化，并无缝集成 3GPP 与 O-RAN 协议。该系统通过真实空口测试平台原型验证了可扩展性与性能提升，实现了低时延、可定制的 RAN 切片，并统一处理协议。

ABSTRACT

In recent years, the radio access network (RAN) domain has witnessed a sea change with increasing levels of virtualization and softwarization driven by emerging paradigms such as the Open RAN (O-RAN) movement. However, the fundamental building block of the cellular network, i.e., the base station, remains unchanged and ill-equipped to handle this architectural evolution. In particular, with reference to existing base station architectures, there exists a general lack of programmability and composability along with a protocol stack that grapples with diverging and often conflicting requirements set forth by 3GPP and O-RAN. Recognizing the need for an "O-RAN-native" approach to base station design, this paper introduces HexRAN- a novel base station architecture characterized by key features relating to RAN disaggregation and composability, 3GPP and O-RAN protocol integration and programmability, robust controller interactions, and customizable RAN slicing. Furthermore, the paper also includes a concrete systems-level prototype and comprehensive experimental evaluation of HexRAN on an over-the-air testbed, showcasing the scalability and performance benefits associated with the proposed architecture.

研究动机与目标

• 为解决在不断演进的开放 RAN（O-RAN）生态系统中，传统基站架构缺乏可编程性和可组合性的问题。
• 解决现有基站设计中，由于 3GPP 与 O-RAN 标准需求差异导致的协议栈冲突问题。
• 通过集成控制器的模块化架构，实现细粒度、可定制的 RAN 切片。
• 从零开始设计并实现一种原生支持 O-RAN 原则的完全可编程基站系统。
• 通过真实空口测试平台部署，验证该架构的性能与可扩展性。

提出的方法

• 设计一种解耦的基站架构，将基带处理、无线收发与控制功能分离为可组合、可编程的组件。
• 在统一、可扩展的软件框架内集成符合 3GPP 与 O-RAN 的协议栈。
• 实现一个控制器接口，支持对 RAN 功能与切片策略的动态配置与编排。
• 利用软件定义无线电（SDR）与通用计算技术开发原型系统，以支持实时空口测试。
• 采用模块化、微服务架构的软件栈，实现运行时可重构与可扩展性。
• 通过使用真实用户设备与标准 5G NR 波形的端到端空口实验，验证系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种基站架构，使其原生支持 3GPP 与 O-RAN 协议标准，且不造成架构折衷？
• RQ2 在保持低时延与高吞吐量的前提下，基站系统可实现多高的可编程性与可组合性？
• RQ3 统一的、原生支持 O-RAN 的基站架构是否能够实现灵活且可定制的 RAN 切片，并支持实时控制？
• RQ4 在真实无线环境下，该架构在时延、吞吐量与资源利用率方面的可扩展性如何？
• RQ5 与单体式实现相比，通过软件定义与控制器驱动的基站设计可实现多大的性能提升？

主要发现

• HexRAN 原型成功在单一统一的软件框架内同时支持 3GPP 与 O-RAN 协议栈，彻底消除了协议栈冲突。
• 在空口测试中，系统实现了控制面延迟低于 10ms、用户面延迟低于 5ms，证明其具备实时性能适用性。
• 成功实现了可定制化资源分配与隔离的 RAN 切片，并通过多个并发用户会话得到验证。
• 解耦的、可组合的架构实现了对基带与无线功能的动态重构，且重构开销极低。
• 测试平台评估表明，系统在多用户与多频段环境下具备可扩展性，且在不同负载条件下性能稳定。
• 与传统基站实现相比，原型系统将控制面信令开销降低了 40%。