Uplink Compression IP Design for 5G O-RAN Compliant SoC Radio Unit

Abstract

Fifth generation of mobile networks (5G) brings many new services and opportunities for people, businesses, and society, but there are huge challenges how to implement all the new required features in different situations. One key part of the mobile network is a radio access network (RAN), and the RAN needs to be very flexible in order to support new type of services in diverse environments. One solution for flexible RAN is the open radio access network (O-RAN). The O-RAN introduces RAN architecture split to three components and a new standardized interface between components called a fronthaul interface. The fronthaul interface is extremely critical regarding throughput and latency and in order to improve throughput the data needs to be compressed. The purpose of this thesis was to implement uplink compression IP block for the system-on-a-chip (SoC) that is used in the 5G O-RAN radio unit. The IP block performs the data compression before the data is send over the fronthaul link. In order to understand the application, the background of the mobile networks and the network architecture are explained. Also, the design process of the IP based SoC design is explained. All the compression methods defined by the O-RAN were studied, although only the block floating point compression was used in the implemented IP block. The implemented IP block fulfilled all the requirements, but there was still potential to improve it for future projects.

Viidennen sukupolven matkapuhelinverkot (5G) tuovat monia uusia palveluita, sekä mahdolli-suuksia ihmisille, yrityksille sekä yhteiskunnalle. Samalla ne tuovat myös suuria haasteita kuinka rakentaa kaikki vaaditut ominaisuudet eri olosuhteissa. Radioliityntäverkko on yksi keskeisin osa matkapuhelinverkkoa ja sen on oltava hyvin joustava, jotta uudenlaisia palveluja voidaan tukea erityppisissä ympäristöissä. Yksi ratkaisu joustavan radioliityntäverkon rakentamiseen on avoin radioliityntäverkko (O-RAN). O-RAN jakaa radioliityntäverkkoarkkitehtuurin kolmeen komponent-tiin sekä määrittelee uuden fronthaul-nimisen standardoidun rajapinnan komponenttien välille. Fronthaul on erittäin kriittinen suorituskyvyn ja viiveen suhteen ja parantaakseen suoristuskykyä data on pakattava ennen kuin se lähetetään rajapinnan yli. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli toteuttaa IP-lohko järjestelmäpiirille, jota käytetään 5G O-RAN radioyksikössä toteuttamaan ylälinkin datan pakkaaminen ennen kuin data lähetetään seuraavalle komponentille. Taustatietona opinnäytetyössä selitetään mobiiliverkkojen taustat sekä verkkoarkkitehtuuri. Myöskin IP pohjaisen järjestelmäpiirin (SoC) suunnitteluprosessi käy-dään läpi. Kaikkia O-RANin määrittelemiä pakkaus algoritmeja on analysoitu tässä työssä, vaikka toteutuksessa käytetään vain yhtä algoritmia. Toteutettu IP lohko täytti kaikki vaatimukset, mutta sitä voi vielä parantaa tulevia projekteja varten.