一、O-RAN簡介

如今，全球蜂窩數(shù)據(jù)使用量持續(xù)增長，因此，電信系統(tǒng)必須隨之進(jìn)行革新，才能滿足這一需求量。雖然5G標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足更高的蜂窩吞吐量需求，且有望實(shí)現(xiàn)各種新的應(yīng)用場景，但如果網(wǎng)絡(luò)沒有進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，許多擬定的5G應(yīng)用只能是紙上談兵。以超可靠低延遲通信(URLLC)應(yīng)用場景為例，由于這種應(yīng)用場景對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲要求很高，而如果網(wǎng)絡(luò)不進(jìn)行優(yōu)化，URLLC應(yīng)用就不可能實(shí)現(xiàn)。未來的網(wǎng)絡(luò)需要變得更加靈活，并且能夠充分利用人工智能等新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在轉(zhuǎn)向軟件定義的網(wǎng)絡(luò)，以便能夠定制和管理其部署的網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商還需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作，或者能夠自由選擇不同供應(yīng)商提供的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組件?？傮w而言，無論是無線電接入網(wǎng)(RAN)，還是電信系統(tǒng)硬件，都有很大的改進(jìn)空間。3GPP R15中確定了三種不同的gNodeB功能：中央單元(CU)、分布式單元(DU)和無線電單元(RU)。這三個(gè)組件有多種配置方式，最好根據(jù)各自的網(wǎng)絡(luò)來確定最佳配置方案。如果gNodeB組件均來自同一個(gè)供應(yīng)商，那么可以在這些組件之間選擇專用的接口。O-RAN聯(lián)盟（即O-RAN）致力于推動(dòng)5G RAN實(shí)現(xiàn)前所未有的開放性。O-RAN聯(lián)盟章程介紹了如何通過開放的CU、DU和RU接口來實(shí)現(xiàn)白盒化的網(wǎng)絡(luò)，而不是整個(gè)系統(tǒng)的功能完全由供應(yīng)商定義，從而提高RAN的靈活度，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供更多選擇。而且，這種方法可以給傳統(tǒng)上不提供網(wǎng)絡(luò)硬件的中小企業(yè)帶來全新的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)他們創(chuàng)新發(fā)展。創(chuàng)新技術(shù)越多，選擇越多，意味著部署新網(wǎng)絡(luò)的成本也就有可能降低。O-RAN還希望將深度學(xué)習(xí)技術(shù)集成到每個(gè)RAN架構(gòu)中，從而提高通信系統(tǒng)的智能化水平。O-RAN的參考架構(gòu)（如圖1所示）說明了如何構(gòu)建與O-RAN兼容的RAN。

圖1.O-RAN聯(lián)盟參考架構(gòu)

二、如何切分RAN

O-RAN提出的概念以及架構(gòu)均基于RAN切分這一概念。就功能而言，RAN有8種切分方式，每種方式分別對(duì)不同的協(xié)議層進(jìn)行切分，這樣協(xié)議棧的不同部分就可以在不同的硬件上進(jìn)行處理。圖2總結(jié)了這八種選項(xiàng)。

圖2.RAN切分選項(xiàng)

O-RAN建議使用選項(xiàng)7-2。如圖2所示，此選項(xiàng)將物理層(PHY)切分為高低層。如果使用選項(xiàng)7-2，在上行鏈路(UL)，CP去除、快速傅立葉變換(FFT)、數(shù)字波束成形（如果適用）和預(yù)過濾（僅適用于PRACH（物理隨機(jī)接入信道））功能在RU中執(zhí)行，而物理層的其余處理均在DU中進(jìn)行。在下行鏈路(DL)，逆FFT(iFFT)、CP添加、預(yù)編碼功能和數(shù)字波束形成（如果適用）在RU中進(jìn)行，而PHY的其余處理均在DU中進(jìn)行。

選項(xiàng)8切分方式沿用了2G、3G和4G使用的通用公共無線電接口(CPRI)。而使用7-2切分方式，可減少DU和RU之間的流量。O-RAN指定了一個(gè)7-2切分的版本。下面的圖3解釋了7-2切分選項(xiàng)，以及協(xié)議棧的其他部分如何在CU和DU之間實(shí)現(xiàn)切分。7.2x切分既可以將該技術(shù)快速推向市場，又可以控制部署成本，在兩者之間實(shí)現(xiàn)了最佳平衡。這種方式可以減少關(guān)于切分細(xì)節(jié)的混淆，同時(shí)進(jìn)一步減少流量，并改善質(zhì)量。一些5G系統(tǒng)使用演進(jìn)的CPRI，也就是eCPRI作為DU-RU接口。eCPRI可針對(duì)特定供應(yīng)商對(duì)物理層進(jìn)行高低層切分。因此，通過支持多種切分，可優(yōu)化流量或靈活性，從而適應(yīng)由于獨(dú)特天線物理環(huán)境形成的不同部署環(huán)境。這樣能夠針對(duì)不同運(yùn)營商的特定連接進(jìn)行成本優(yōu)化。

圖3.選項(xiàng)7-2的CU、DU和RU協(xié)議層切分

對(duì)于新的5G RAN架構(gòu)（稱為NR-RAN），3GPP已定義了全新的F1接口并對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，用于CU和DU之間的通信。CU和DU之間的物理切分稱為高層切分(HLS)。DU和RU之間的低層接口則稱為低層切分(LLS)，但3GPP尚未對(duì)其進(jìn)行定義。CU和DU的關(guān)系，以及二者與RU的關(guān)系有多種配置方式。圖4顯示了不同的NR-RAN配置。請(qǐng)注意，F(xiàn)1接口具有容遲特點(diǎn)，而DU-RU接口需要低延遲傳輸。因而在創(chuàng)建低延遲接口時(shí)會(huì)面臨著諸多挑戰(zhàn)，所以在本文的后半部分，我們將詳細(xì)介紹了中央RAN的低層切分應(yīng)用場景。

圖4. 靈活的5G RAN功能單元位置

DU和RU之間的接口也稱為前傳（fronthaul，F(xiàn)H）接口。前傳接口是要求最苛刻的系統(tǒng)接口之一，對(duì)延遲非常敏感。如果DU和RU由同一制造商提供，則大多數(shù)系統(tǒng)可將CPRI或eCPRI（僅限5G）用作前傳接口。盡管設(shè)計(jì)CPRI的初衷是用作開放接口，但實(shí)際上，為了配合自身的硬件，每個(gè)供應(yīng)商的實(shí)現(xiàn)方式都略有不同，因此實(shí)現(xiàn)多廠商互操作絕非易事，甚至根本不切實(shí)際。雖然不鼓勵(lì)采用開放式白盒硬件架構(gòu)，但DU和RU之間的緊密同步卻可以更輕松地實(shí)現(xiàn)。如果DU和RU由同一供應(yīng)商提供，二者在發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間方面將是匹配的（唯一的變化就是DU和RU之間的距離）。

在O-RAN的兩個(gè)目標(biāo)中，其中一個(gè)是建立更開放的生態(tài)系統(tǒng)，這就需要定義一個(gè)新的前傳接口。在七個(gè)O-RAN工作組中，工作組4 (WG4)就是專門負(fù)責(zé)定義此接口。該工作組稱為開放式前傳接口工作組，其目標(biāo)是“提供真正開放的前傳接口，以實(shí)現(xiàn)多廠商DU-RRU互操作。” 圖5顯示了建議的DU-RU接口如何在不同平面上交換信息。雖然這七種不同的流量（再加上額外的管理(M)平面流量）看似非常復(fù)雜，但從更高的層面來看，四個(gè)平面（控制、用戶、同步和管理）其實(shí)只使用了三種數(shù)據(jù)類型（IQ數(shù)據(jù)、定時(shí)和同步數(shù)據(jù)、命令和控制信息）。

圖5.低層前傳數(shù)據(jù)流

由于CPRI基于選項(xiàng)8切分方式，因此在IQ數(shù)據(jù)傳輸、打包和解壓縮的方式上，前傳接口與CPRI截然不同。選項(xiàng)8可以在RF層上切分網(wǎng)絡(luò)，因此IQ樣本未經(jīng)過任何PHY處理(FFT/iFFT)。隨著4G后期和5G早期階段網(wǎng)絡(luò)的演變，大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)中使用的天線越來越多，采樣率（每個(gè)天線多個(gè)樣本）也不斷提高，為了減少流經(jīng)接口的數(shù)據(jù)流量，eCPRI便應(yīng)運(yùn)而生。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)量超出了物理連接的承受范圍，而如果要實(shí)現(xiàn)能夠容納該數(shù)據(jù)量的連接，成本又過于高昂，因此，為了減少通過該接口的數(shù)據(jù)量，eCPRI將PHY的一部分?jǐn)?shù)據(jù)移到RU上處理并添加了壓縮算法。但是，具體要將PHY的哪些部分移動(dòng)到RU中，并沒有任何特定的切分標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)供應(yīng)商的做法都有所不同。對(duì)于某些供應(yīng)商而言，這可能是一項(xiàng)競爭優(yōu)勢，并且這種方法可能有助于運(yùn)營商降低鏈路成本。由于部分低層PHY功能在RU中執(zhí)行，因此DU需要告知RU如何執(zhí)行這些功能。因此，eCPRI的命令和控制接口也與O-RAN的前傳接口完全不同。但是供應(yīng)商各自不同的切分方式將導(dǎo)致服務(wù)提供商繼續(xù)依賴于供應(yīng)商。O-RAN的開放式前傳接口旨在通過使用7-2x切分，對(duì)需要移動(dòng)到RU中的物理層部分建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以便集成不同供應(yīng)商提供的硬件。

三、互操作性測試(IOT)

在努力完善前傳接口的同時(shí)，WG4還必須考慮如何對(duì)接口進(jìn)行測試。如果系統(tǒng)包含不同硬件供應(yīng)商提供的DU和RU，就要求系統(tǒng)集成商和供應(yīng)商要具有適當(dāng)?shù)腄U和RU接口驗(yàn)證能力。此類測試通常稱為互操作性測試。O-RAN正在研究如何測試與O-RAN兼容的系統(tǒng)。圖6所示的O-RAN簡圖顯示了使用O-RAN-CU(O-CU)和UE對(duì)O-RAN-DU (O-DU)和O-RAN-RU (O-RU)進(jìn)行測試的系統(tǒng)配置，該配置可以用于實(shí)驗(yàn)室仿真，也可以商用。其中有一個(gè)測試點(diǎn)用于測試CU和DU之間的接口，還有一個(gè)測試點(diǎn)測試RU RF輸入/輸出，但是待測設(shè)備(DUT)卻是DU和RU的組合。這時(shí)如果使用主動(dòng)激勵(lì)，不會(huì)對(duì)DU和RU之間的前傳接口進(jìn)行測試，該測試僅在被動(dòng)監(jiān)測時(shí)才可能進(jìn)行。O-RAN當(dāng)前正在研究如何測試前傳接口。

圖6.O-RAN測試設(shè)置，主動(dòng)（左）和被動(dòng)（右）

前傳接口可以執(zhí)行兩種主動(dòng)測試：協(xié)議測試和參數(shù)測試。O-RAN已經(jīng)證明，在進(jìn)行測試用例驗(yàn)證和故障分析時(shí)，需要進(jìn)行協(xié)議測試。在開發(fā)過程中，必須擁有能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的測試工具，這樣才能確保正確連接其他兼容O-RAN的設(shè)備。在設(shè)計(jì)完成且DU和RU進(jìn)入驗(yàn)證和生產(chǎn)階段后，就需要進(jìn)行參數(shù)測試，以確保每個(gè)單元均按預(yù)期運(yùn)行。

對(duì)于RU測試系統(tǒng)，CU和DU之間的E1接口無需進(jìn)行測試。RU測試系統(tǒng)必須能夠模擬CU和DU的功能，并且能夠監(jiān)測前傳接口。根據(jù)所需的測試級(jí)別，可以將測試UE或UE仿真器添加到系統(tǒng)，來搭建完整的端到端(E2E)測試系統(tǒng)。NI可提供基于其軟件無線電(SDR)和FPGA硬件的5G NR IP。下面的圖7中展示了一個(gè)E2E測試系統(tǒng)示例。

圖7.E2E DU-RU測試系統(tǒng)示例

四、結(jié)論

O-RAN制定了三個(gè)愿景：

（1）打造更加智能的RAN網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)元虛擬化，最大程度提高效率

（2）推動(dòng)硬件白盒化，實(shí)現(xiàn)多廠商網(wǎng)絡(luò)解決方案

（3） 網(wǎng)絡(luò)組件接口標(biāo)準(zhǔn)化

O-RAN實(shí)施這些關(guān)鍵舉措的目的是推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，從而更好地適應(yīng)未來需求，并整合5G有望實(shí)現(xiàn)的新功能和應(yīng)用場景，例如URLLC。由于DU-RU通信要求低延遲傳輸，使得前傳接口的定義尤其具有挑戰(zhàn)性。O-RAN工作組4在此方面不斷取得進(jìn)展，而且多家公司已開始構(gòu)建與O-RAN兼容的RU，用于連接到其他與O-RAN兼容的硬件。隨著這項(xiàng)新技術(shù)的上市，無論是在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段還是生產(chǎn)測試過程中，驗(yàn)證和測試DU-RU接口的能力都至關(guān)重要。NI提供了IOT測試硬件和軟件，可幫助企業(yè)更快速將與O-RAN兼容的新RU推向市場。目前尚不清楚O-RAN能否在5G網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛采納和使用；但是目前該聯(lián)盟正在積極定義新接口，并努力尋求各種方法，通過多廠商硬件解決方案來建設(shè)新網(wǎng)絡(luò)，從而優(yōu)化并推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。