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)必須隨之進行革新，才能滿足這一需求量。雖然5G標準能夠滿足更高的蜂窩吞吐量需求，且有望實現(xiàn)各種新的應用場景，但如果網(wǎng)絡沒有進行相應的改進，許多擬定的5G應用只能是紙上談兵。以超可靠低延遲通信(URLLC)應用場景為例，由于這種應用場景對網(wǎng)絡延遲要求很高，而如果網(wǎng)絡不進行優(yōu)化，URLLC應用就不可能實現(xiàn)。未來的網(wǎng)絡需要變得更加靈活，并且能夠充分利用人工智能等新技術。網(wǎng)絡運營商正在轉(zhuǎn)向軟件定義的網(wǎng)絡，以便能夠定制和管理其部署的網(wǎng)絡。移動網(wǎng)絡運營商還需要實現(xiàn)設備互操作，或者能夠自由選擇不同供應商提供的網(wǎng)絡設備組件?？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)。這三個組件有多種配置方式，最好根據(jù)各自的網(wǎng)絡來確定最佳配置方案。如果gNodeB組件均來自同一個供應商，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5G RAN實現(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接口來實現(xiàn)白盒化的網(wǎng)絡，而不是整個系統(tǒng)的功能完全由供應商定義，從而提高RAN的靈活度，為網(wǎng)絡運營商提供更多選擇。而且，這種方法可以給傳統(tǒng)上不提供網(wǎng)絡硬件的中小企業(yè)帶來全新的機會，鼓勵他們創(chuàng)新發(fā)展。創(chuàng)新技術越多，選擇越多，意味著部署新網(wǎng)絡的成本也就有可能降低。O-RAN還希望將深度學習技術集成到每個RAN架構中，從而提高通信系統(tǒng)的智能化水平。O-RAN的參考架構（如圖1所示）說明了如何構建與O-RAN兼容的RAN。

圖1.O-RAN聯(lián)盟參考架構

二、如何切分RAN

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

圖2.RAN切分選項

O-RAN建議使用選項7-2。如圖2所示，此選項將物理層(PHY)切分為高低層。如果使用選項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）和預過濾（僅適用于PRACH（物理隨機接入信道））功能在RU中執(zhí)行，而物理層的其余處理均在DU中進行。在下行鏈路(DL)，逆FFT(iFFT)、CP添加、預編碼功能和數(shù)字波束形成（如果適用）在RU中進行，而PHY的其余處理均在DU中進行。

選項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7-2切分的版本。下面的圖3解釋了7-2切分選項，以及協(xié)議棧的其他部分如何在CU和DU之間實現(xiàn)切分。7.2x切分既可以將該技術快速推向市場，又可以控制部署成本，在兩者之間實現(xiàn)了最佳平衡。這種方式可以減少關于切分細節(jié)的混淆，同時進一步減少流量，并改善質(zhì)量。一些5G系統(tǒng)使用演進的CPRI，也就是eCPRI作為DU-RU接口。eCPRI可針對特定供應商對物理層進行高低層切分。因此，通過支持多種切分，可優(yōu)化流量或靈活性，從而適應由于獨特天線物理環(huán)境形成的不同部署環(huán)境。這樣能夠針對不同運營商的特定連接進行成本優(yōu)化。

圖3.選項7-2的CU、DU和RU協(xié)議層切分

對于新的5G RAN架構（稱為NR-RAN），3GPP已定義了全新的F1接口并對其進行了標準化，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尚未對其進行定義。CU和DU的關系，以及二者與RU的關系有多種配置方式。圖4顯示了不同的NR-RAN配置。請注意，F(xiàn)1接口具有容遲特點，而DU-RU接口需要低延遲傳輸。因而在創(chuàng)建低延遲接口時會面臨著諸多挑戰(zhàn)，所以在本文的后半部分，我們將詳細介紹了中央RAN的低層切分應用場景。

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。盡管設計CPRI的初衷是用作開放接口，但實際上，為了配合自身的硬件，每個供應商的實現(xiàn)方式都略有不同，因此實現(xiàn)多廠商互操作絕非易事，甚至根本不切實際。雖然不鼓勵采用開放式白盒硬件架構，但DU和RU之間的緊密同步卻可以更輕松地實現(xiàn)。如果DU和RU由同一供應商提供，二者在發(fā)送時間和接收時間方面將是匹配的（唯一的變化就是DU和RU之間的距離）。

在O-RAN的兩個目標中，其中一個是建立更開放的生態(tài)系統(tǒng)，這就需要定義一個新的前傳接口。在七個O-RAN工作組中，工作組4 (WG4)就是專門負責定義此接口。該工作組稱為開放式前傳接口工作組，其目標是“提供真正開放的前傳接口，以實現(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）看似非常復雜，但從更高的層面來看，四個平面（控制、用戶、同步和管理）其實只使用了三種數(shù)據(jù)類型（IQ數(shù)據(jù)、定時和同步數(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8可以在RF層上切分網(wǎng)絡，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（每個天線多個樣本）也不斷提高，為了減少流經(jīng)接口的數(shù)據(jù)流量，eCPRI便應運而生。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的一部分數(shù)據(jù)移到RU上處理并添加了壓縮算法。但是，具體要將PHY的哪些部分移動到RU中，并沒有任何特定的切分標準，各個供應商的做法都有所不同。對于某些供應商而言，這可能是一項競爭優(yōu)勢，并且這種方法可能有助于運營商降低鏈路成本。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。但是供應商各自不同的切分方式將導致服務提供商繼續(xù)依賴于供應商。O-RAN的開放式前傳接口旨在通過使用7-2x切分，對需要移動到RU中的物理層部分建立相應的標準，以便集成不同供應商提供的硬件。

三、互操作性測試(IOT)

在努力完善前傳接口的同時，WG4還必須考慮如何對接口進行測試。如果系統(tǒng)包含不同硬件供應商提供的DU和RU，就要求系統(tǒng)集成商和供應商要具有適當?shù)腄U和RU接口驗證能力。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O-RAN-DU (O-DU)和O-RAN-RU (O-RU)進行測試的系統(tǒng)配置，該配置可以用于實驗室仿真，也可以商用。其中有一個測試點用于測試CU和DU之間的接口，還有一個測試點測試RU RF輸入/輸出，但是待測設備(DUT)卻是DU和RU的組合。這時如果使用主動激勵，不會對DU和RU之間的前傳接口進行測試，該測試僅在被動監(jiān)測時才可能進行。O-RAN當前正在研究如何測試前傳接口。

圖6.O-RAN測試設置，主動（左）和被動（右）

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

對于RU測試系統(tǒng)，CU和DU之間的E1接口無需進行測試。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制定了三個愿景：

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

（2）推動硬件白盒化，實現(xiàn)多廠商網(wǎng)絡解決方案

（3） 網(wǎng)絡組件接口標準化

O-RAN實施這些關鍵舉措的目的是推動網(wǎng)絡發(fā)展，從而更好地適應未來需求，并整合5G有望實現(xiàn)的新功能和應用場景，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展，而且多家公司已開始構建與O-RAN兼容的RU，用于連接到其他與O-RAN兼容的硬件。隨著這項新技術的上市，無論是在設計和驗證階段還是生產(chǎn)測試過程中，驗證和測試DU-RU接口的能力都至關重要。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新網(wǎng)絡，從而優(yōu)化并推動網(wǎng)絡的發(fā)展。