為什么無線通信行業(yè)需要O-RAN?

開放式無線接入網(wǎng)（O-RAN）實(shí)現(xiàn)了5G的RAN轉(zhuǎn)型和虛擬化。它給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商帶來了重大的機(jī)遇，但也給測(cè)試工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。在無線工程師心中，有很多關(guān)于O-RAN的問題。本文將解釋為什么無線通信行業(yè)需要O-RAN，它是如何工作的以及未來有哪些挑戰(zhàn)。

什么是O-RAN？

首先，我們來定義一下O-RAN。它本身并不是一項(xiàng)技術(shù)，而是由全球五家運(yùn)營(yíng)商牽頭于2018年2月成立的聯(lián)盟，希望從物理的專用硬件遷移到基于云的虛擬軟件實(shí)現(xiàn)。通過指定離散組件和標(biāo)準(zhǔn)化接口，該聯(lián)盟實(shí)現(xiàn)了在白盒硬件上的托管，并為運(yùn)營(yíng)商打開了與眾多供應(yīng)商合作的大門。

他們可以直接與射頻合約制造商、專門從事圖形處理單元（GPU）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的公司，甚至虛擬云基礎(chǔ)設(shè)施提供商合作。通過O-RAN，運(yùn)營(yíng)商可以混合和匹配組件，并與專家合作，創(chuàng)建獨(dú)特的解決方案。

O-RAN聯(lián)盟提供了RAN組件（包括無線單元（O-RU）、分布式單元（O-DU）和集中式單元（O-CU））之間的規(guī)范、參考架構(gòu)和接口。在過去的兩年里，成員數(shù)量有了很大的增長(zhǎng)。該聯(lián)盟現(xiàn)在包括24家移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和148家其他貢獻(xiàn)者，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商（NEM）和芯片組制造商到構(gòu)建堆棧和無線電元件的公司。 你可以在該組織的網(wǎng)站上查看成員名單。

5G需要O-RAN

現(xiàn)在我們已經(jīng)定義了O-RAN，讓我們更深入地了解一下為什么行業(yè)需要它。答案很簡(jiǎn)單：更多的數(shù)據(jù)將隨著5G而來，這將對(duì)RAN基礎(chǔ)設(shè)施的前程部分提出重大要求。

在4G LTE中，集中式基帶單元（BBU）通過通用公共無線電接口（CPRI）連接到遠(yuǎn)程無線頭（RRH）。由于總帶寬要求和天線數(shù)量少，BBU和RRH之間的數(shù)據(jù)速率是足夠的。然而，在5G中，有更多的數(shù)據(jù)需要來回傳輸。使用大規(guī)模多輸入/多輸出（MIMO）來提高吞吐量意味著更高的帶寬和更多的天線端口。

為解決5G前程挑戰(zhàn)，已經(jīng)出現(xiàn)了兩種解決方案：高層分路（HLS）和低層分路（LLS）。O-RAN同時(shí)涉及HLS和LLS，而且接口是標(biāo)準(zhǔn)化的。運(yùn)營(yíng)商可以使用不同的廠商的CU、DU或RU。這些組件的互操作性更強(qiáng)，協(xié)議也有明確的定義。

不過，5G還是會(huì)推動(dòng)前端的帶寬爆炸。LTE信道通常只有10或20 MHz的帶寬。BBU和RRH之間的CPRI意味著線路速率從600到10 Mbps不等，這取決于帶寬和MIMO信道的數(shù)量。單個(gè)10-MHz帶寬信道可轉(zhuǎn)化為614 Mbps的線路速率，8個(gè)10-MHz信道意味著約5 Gbps，10個(gè)20-MHz信道略高于10 Gbps。CPRI可以很容易地解決這些要求，這也是為什么在LTE網(wǎng)絡(luò)中BBU和RRH之間的這個(gè)接口很突出的原因。

5G的情況則大不相同。帶寬增加到100 MHz或更多，在許多情況下，天線數(shù)量增加到8根，這意味著RU和BU之間的線路速率在28 Gbps范圍內(nèi)。更大的帶寬，如500 MHz，意味著超過140 Gbps。在這樣的帶寬下，大規(guī)模MIMO將線路速率提高到2 Tbps，這在CPRI上根本無法維持。功能分路可解決這一挑戰(zhàn)。

功能分路如何工作

功能分割在實(shí)際中是如何解決這個(gè)問題的呢？通常情況下，基于兩者之間來回傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)延要求非常低，RU和DU之間的距離約為10公里。增強(qiáng)型CPRI（eCPRI）接口通過將所有物理層功能轉(zhuǎn)移到RU上，降低了對(duì)帶寬的要求。

不過，RU的復(fù)雜性急劇增加。方案8是一種分離方案，它提供了一種替代方案，將所有物理層（PHY）功能放入DU中，只在邊緣保留天線。這就像通過CPRI接口進(jìn)行連接的LTE架構(gòu)。

如前所述，隨著5G的發(fā)展，對(duì)帶寬的要求顯著增加。即使是在DU和RU之間需要200或300Gb傳輸?shù)拿x方案也是站不住腳的。這就是方案7.2的作用。這個(gè)分路方案提供了DU和RU之間的最佳分路。PHY被分成低PHY和高PHY；低PHY留在RU中，高PHY留在DU中。因此，在前程接口上，100 MHz帶寬所需的帶寬約為20 Gb，并具有一定的MIMO功能。

從DU移動(dòng)到CU通常意味著上層分割或HLS-方案2。處理器密集型功能將移至CU，而堆棧的其余部分，如媒體訪問控制（MAC）和無線鏈路控制（RLC）層，以及高PHY，則留在DU中。你可以在控制層用DU和CU之間的接口進(jìn)行分割。DU和CU之間的數(shù)據(jù)要求約為100Gb，在毫秒范圍內(nèi)有稍高的時(shí)延要求。CU與DU之間的距離要求約為80公里。

其他實(shí)施挑戰(zhàn)

我們不要忘記回程接口，在非獨(dú)立（NSA）部署的情況下，這是CU與4G網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)，在獨(dú)立（SA）實(shí)施的情況下，這是5G核心網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)。 這個(gè)接口對(duì)距離的要求要高得多--大約200公里，而對(duì)時(shí)延的要求則不那么嚴(yán)格，只有40毫秒。

從測(cè)試的角度來看，這一切意味著什么？簡(jiǎn)而言之，這意味著隨著O-RAN從規(guī)范到實(shí)現(xiàn)和部署，互操作性將是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。組件不僅需要互操作，還需要符合規(guī)范。為了控制O-DUU和O-RU之間的帶寬量，性能也將是一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。

目前，許多工程師都在為被測(cè)設(shè)備（DUT）而苦惱。很少有人同時(shí)精通射頻和以太網(wǎng)，他們對(duì)規(guī)范的解釋也不盡相同，從而導(dǎo)致不同的實(shí)現(xiàn)。

從事O-RU工作的工程師正在處理時(shí)序問題，并經(jīng)常繞過M平面。他們還面臨著O-RU和O-DU之間的時(shí)鐘和同步挑戰(zhàn)。那些專注于O-DU的工程師面臨著處理瓶頸和類似于O-RU方面的時(shí)序問題，還需要確保O-DU可以托管在虛擬和物理設(shè)備上。

同時(shí)，O-CU的挑戰(zhàn)則是圍繞著可擴(kuò)展性，比如每個(gè)CU可以支持多少個(gè)DU或UE，吞吐量有多大。此外，中央單元的控制和用戶平面--Cu-UP和Cu-CP的分離需要通過E1接口進(jìn)行協(xié)調(diào)。

雖然這些挑戰(zhàn)可以說是早期的磨合問題，隨著時(shí)間的推移會(huì)得到解決，但它們可能會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。如果缺少某些協(xié)議選項(xiàng)或不滿足M面參數(shù)，DU將無法繼續(xù)工作，即使它們是可選的。DU的設(shè)計(jì)也是為了配合特定的RU功能。DU通常支持一定的RU類別、波束成形模型和壓縮率，如果不匹配就會(huì)停止工作。

很多方面必須在DU和RU之間保持一致，整個(gè)系統(tǒng)才能工作。好消息是工程師們可以獲得克服這些挑戰(zhàn)的解決方案，而且還會(huì)有更多的解決方案出現(xiàn)。O-RAN是復(fù)雜的，但它會(huì)一直存在。
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