PCB資訊 - 解釋O-RAN技術白皮書

一、O-RAN簡介
如今，全球蜂窩材料使用量持續增長，因此，電信系統必須隨之進行革新，才能滿足這一需求量。雖然5G標準能夠滿足更高的蜂窩輸送量需求，且有望實現各種新的應用場景，但如果網路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，由於這種應用場景對網路延遲要求很高，而如果網路不進行優化，URLLC應用就不可能實現。未來的網路需要變得更加靈活，並且能夠充分利用人工智慧等新技術。網路運營商正在轉向軟體定義的網路，以便能夠定制和管理其部署的網路。

移動網路運營商還需要實現設備交互操作，或者能夠自由選擇不同供應商提供的網路設備元件。總體而言，無論是無線電接入網(RAN)，還是電信系統硬體，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)、分散式單元(DU)和無線電單元(RU)。這三個元件有多種配置方式，最好根據各自的網路來確定最佳配置方案。如果gNodeB元件均來自同一個供應商，那麼可以在這些元件之間選擇專用的介面。

O-RAN聯盟（即O-RAN）致力於推動5G RAN實現前所未有的開放性。O-RAN聯盟章程介紹了如何通過開放的CU、DU和RU介面來實現白盒化的網路，而不是整個系統的功能完全由供應商定義，從而提高RAN的靈活度，為網路運營商提供更多選擇。而且，這種方法可以給傳統上不提供網路硬體的中小企業帶來全新的機會，鼓勵他們創新發展。創新技術越多，選擇越多，意味著部署新網路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，從而提高通信系統的智慧化水準。O-RAN的參考架構（如圖1所示）說明了如何構建與O-RAN相容的RAN。

 圖1.O-RAN聯盟參考架構

二、如何切分RAN
O-RAN提出的概念以及架構均基於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定層進行切分，這樣協定棧的不同部分就可以在不同的硬體上進行處理。圖2總結了這八種選項。

 
圖2.RAN切分選項

O-RAN建議使用選項7-2。如圖2所示，此選項將實體層(PHY)切分為高低層。如果使用選項7-2，在上行鏈路(UL)，CP去除、快速傅立葉轉換(FFT)、數字波束成形（如果適用）和預過濾（僅適用於PRACH（物理隨機接入通道））功能在RU中執行，而實體層的其餘處理均在DU中進行。在下行鏈路(DL)，逆FFT(iFFT)、CP添加、預編碼功能和數位波束形成（如果適用）在RU中進行，而PHY的其餘處理均在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介面(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，以及協定棧的其他部分如何在CU和DU之間實現切分。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，在兩者之間實現了最佳平衡。這種方式可以減少關於切分細節的混淆，同時進一步減少流量，並改善品質。一些5G系統使用演進的CPRI，也就是eCPRI作為DU-RU介面。eCPRI可針對特定供應商對實體層進行高低層切分。因此，通過支持多種切分，可優化流量或靈活性，從而適應由於獨特天線物理環境形成的不同部署環境。這樣能夠針對不同運營商的特定連接進行成本優化。

圖3.選項7-2的CU、DU和RU協議層切分

對於新的5G RAN架構（稱為NR-RAN），3GPP已定義了全新的F1介面並對其進行了標準化，用於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之間的低層介面則稱為低層切分(LLS)，但3GPP尚未對其進行定義。CU和DU的關係，以及二者與RU的關係有多種配置方式。圖4顯示了不同的NR-RAN配置。請注意，F1介面具有容遲特點，而DU-RU介面需要低延遲傳輸。因而在創建低延遲介面時會面臨著諸多挑戰，所以在本文的後半部分，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之間的介面也稱為前傳（fronthaul，FH）介面。前傳介面是要求最苛刻的系統介面之一，對延遲非常敏感。如果DU和RU由同一製造商提供，則大多數系統可將CPRI或eCPRI（僅限5G）用作前傳介面。儘管設計CPRI的初衷是用作開放介面，但實際上，為了配合自身的硬體，每個供應商的實現方式都略有不同，因此實現多廠商交互操作絕非易事，甚至根本不切實際。雖然不鼓勵採用開放式白盒硬體架構，但DU和RU之間的緊密同步卻可以更輕鬆地實現。如果DU和RU由同一供應商提供，二者在發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系統，這就需要定義一個新的前傳介面。在七個O-RAN工作組中，工作組4 (WG4)就是專門負責定義此介面。該工作組稱為開放式前傳介面工作組，其目標是“提供真正開放的前傳介面，以實現多廠商DU-RRU交互操作。” 圖5顯示了建議的DU-RU介面如何在不同平面上交換資訊。雖然這七種不同的流量（再加上額外的管理(M)平面流量）看似非常複雜，但從更高的層面來看，四個平面（控制、用戶、同步和管理）其實只使用了三種材料類型（IQ材料、定時和同步材料、命令和控制資訊）。
 

圖5.低層前傳材料流程

由於CPRI基於選項8切分方式，因此在IQ材料傳輸、打包和解壓縮的方式上，前傳介面與CPRI截然不同。選項8可以在RF層上切分網路，因此IQ樣本未經過任何PHY處理(FFT/iFFT)。隨著4G後期和5G早期階段網路的演變，大規模多輸入多輸出(MIMO)中使用的天線越來越多，取樣速率（每個天線多個樣本）也不斷提高，為了減少流經介面的材料流程量，eCPRI便應運而生。由於系統材料量超出了物理連接的承受範圍，而如果要實現能夠容納該材料量的連接，成本又過於高昂，因此，為了減少通過該介面的材料量，eCPRI將PHY的一部分材料移到RU上處理並添加了壓縮演算法。

但是，具體要將PHY的哪些部分移動到RU中，並沒有任何特定的切分標準，各個供應商的做法都有所不同。對於某些供應商而言，這可能是一項競爭優勢，並且這種方法可能有助於運營商降低鏈路成本。由於部分低層PHY功能在RU中執行，因此DU需要告知RU如何執行這些功能。因此，eCPRI的命令和控制介面也與O-RAN的前傳介面完全不同。但是供應商各自不同的切分方式將導致服務提供者繼續依賴于供應商。O -RAN的開放式前傳介面旨在通過使用7-2x切分，對需要移動到RU中的實體層部分建立相應的標準，以便集成不同供應商提供的硬體。

三、互通性測試(IOT)
在努力完善前傳介面的同時，WG4還必須考慮如何對介面進行測試。如果系統包含不同硬體供應商提供的DU和RU，就要求系統集成商和供應商要具有適當的DU和RU介面驗證能力。此類測試通常稱為互通性測試。O-RAN正在研究如何測試與O-RAN相容的系統。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)進行測試的系統組態，該配置可以用於實驗室模擬，也可以商用。其中有一個測試點用於測試CU和DU之間的介面，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之間的前傳介面進行測試，該測試僅在被動監測時才可能進行。O-RAN當前正在研究如何測試前傳介面。

 
圖6.O-RAN測試設置，主動（左）和被動（右）

前傳介面可以執行兩種主動測試：協議測試和參數測試。O-RAN已經證明，在進行測試用例驗證和故障分析時，需要進行協定測試。在開發過程中，必須擁有能夠對設計進行驗證的測試工具，這樣才能確保正確連接其他相容O-RAN的設備。在設計完成且DU和RU進入驗證和生產階段後，就需要進行參數測試，以確保每個單元均按預期運行。

對於RU測試系統，CU和DU之間的E1介面無需進行測試。RU測試系統必須能夠類比CU和DU的功能，並且能夠監測前傳介面。根據所需的測試級別，可以將測試UE或UE模擬器添加到系統，來搭建完整的端到端(E2E)測試系統。NI可提供基於其軟體無線電(SDR)和FPGA硬體的5G NR IP。下面的圖7中展示了一個E2E測試系統示例。

 圖7.E2E DU-RU測試系統示例

四、結論
O-RAN制定了三個願景：
（1）打造更加智慧的RAN網路，通過網元虛擬化，最大程度提高效率
（2）推動硬體白盒化，實現多廠商網路解決方案
（3） 網路元件介面標準化

O-RAN實施這些關鍵舉措的目的是推動網路發展，從而更好地適應未來需求，並整合5G有望實現的新功能和應用場景，例如URLLC。由於DU-RU通信要求低延遲傳輸，使得前傳介面的定義尤其具有挑戰性。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相容的RU，用於連接到其他與O-RAN相容的硬體。

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測試過程中，驗證和測試DU-RU介面的能力都至關重要。NI提供了IOT測試硬體和軟體，可説明企業更快速將與O-RAN相容的新RU推向市場。目前尚不清楚O-RAN能否在5G網路中得到廣泛採納和使用；但是目前O-RAN聯盟正在積極定義新介面，並努力尋求各種方法，通過多廠商硬體解決方案來建設新網路，從而優化並推動網路的發展。