Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/33933
Title: 5G O-RAN Fronthaul P4 Switch
Other Titles: Switch P4 para Fronthaul O-RAN 5G
Author: Marques, Diogo Costa
Advisor: Oliveira, Arnaldo Silva Rodrigues de
Rito, Pedro Filipe Vieira
Keywords: 5G
Open RAN
Fronthaul
P4
Switch
FPGA
Defense Date: 16-Dec-2021
Abstract: The development of mobile communication networks has led to the creation of the fifth generation of cellular networks (5G) to meet new requirements and new use cases. 5G is expected to have a large impact not only on society but also in industry, enabling increased peak data rates, low latency and the connectivity needed to link everything, including machines and devices, enabling the next level of world connectivity. The 5G RAN has become a collection of base stations that support the capabilities of data transport, radio transmission and reception. By providing connectivity between devices and sensors with their core network, is the key element of a 5G system that needs to evolve to enable today’s requirements. Thus, the RAN has seen its architecture become more centralized and virtualized. Initially, C-RAN architecture proposed a division of the RAN in two, with a fixed function split and a fronthaul link that links both units. There was a need for more flexibility and a new RAN arises with the split into CU, DU and RU with various options in the functional split. The O-RAN intends to evolve the RAN to a network more software-driven, virtualized and flexible, supporting interoperation between vendors. Taking into consideration the requirements that a fronthaul link has, such as restricted time windows since it is dealing with radio signals, the goal of this dissertation is the design of a switch that allows the fronthaul link of an O-RAN to be shared by general-purpose traffic. The high performance three-port switch combines general-purpose and high-priority traffic in one optical link at both ends of the fronthaul link. The P4-SDNET tool was used to describe how the data plane processes the packets through the P4 language. The development is done by using a development kit based on FPGA and the Xilinx SDNet high-level environment that allows the design of packet-processing data plane with P4 languages that target FPGA hardware. A traffic generation platform was also designed, based on the same kit, to test the latency that the switches add to the fronthaul. Positive results were obtained with added latencies between 1 and 3 microseconds for O-RAN traffic. However, the main limitation of the system is the recognition of S-Plane traffic.
Com o desenvolvimento das redes de comunicação móveis o 5G emergiu para satisfazer novos requisitos e novos casos de utilização. O 5G irá causar um grande impacto não só na sociedade mas também na indústria, permitindo maiores taxas de transmissão de dados, baixa latência e a conectividade necessária para ligar tudo, incluindo máquinas e dispositivos, permitindo avançar para o próximo patamar de conectividade mundial. A Rede de Acesso Rádio 5G tem se tornado um conjunto de estações base que suportam o transporte de dados, transmissão e recepção de sinais de rádio. Ao fornecer conectividade entre dispositivos com o núcleo da rede, é o elemento chave de um sistema 5G que precisa de evoluir para que se possam cumprir os requisitos atuais. Assim, a RAN viu a sua arquitectura tornar-se mais centralizada e virtualizada. Inicialmente, o aparecimento da arquitectura C-RAN propôs uma divisão da RAN em dois componentes, com uma divisão das funções fixa e uma ligação fronthaul que liga ambas as unidades. Havendo necessidade de mais flexibilidade, surge uma nova RAN com uma divisão que consiste em CU, DU e RU com várias opções na divisão de funções. A O-RAN pretende fazer evoluir a RAN para uma rede mais orientada para o software, virtualizada e flexível, apoiando a interoperação entre fornecedores. Tendo em consideração os requisitos que uma ligação fronthaul possui, tais como janelas de tempo restritas uma vez que se trata do transporte de sinais de rádio, o objectivo desta dissertação é a concepção de um switch que permite que a ligação fronthaul de uma O-RAN seja partilhada com tráfego de uso geral. O switch com três portas de alto desempenho combina tráfego de uso geral e de alta prioridade numa ligação óptica em ambas as extremidades da ligação de fronthaul. A ferramenta P4-SDNET foi utilizada para descrever como é feito o processamento de pacotes, data plane, através da linguagem P4. O desenvolvimento foi realizado utilizando um kit de desenvolvimento baseado numa FPGA e o ambiente Xilinx SDNet que permite a programação do data plane com linguagens P4 tendo como alvo a FPGA. Foi também concebida uma plataforma de geração de tráfego, com base no mesmo kit, para testar a latência que os switchs adicionam ao fronthaul. Foram obtidos resultados positivos com latências adicionadas entre 1 e 3 microsegundos para o tráfego O-RAN. Contudo, a principal limitação do sistema é o reconhecimento do tráfego do S-Plane.
URI: http://hdl.handle.net/10773/33933
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DETI - Dissertações de mestrado

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