O-RAN用于实现RAN for 5G的虚拟化
文章作者:Jessy Cavazos
O-RAN为网络运营商带来了重大机遇，但也为测试工程师带来了新的挑战。
开放无线接入网(Open radio access network, O-RAN)实现了对RAN的改造和虚拟化，适用于5G。它给网络运营商带来了重大机遇，但也给测试工程师带来了新的挑战。无线工程师对O-RAN有很多疑问。本文将解释无线通信行业为什么需要O-RAN，它是如何工作的，以及未来的挑战。
O-RAN是什么?
首先，让我们定义O-RAN。它本身并不是一种技术，而是由五家全球运营商于2018年2月组成的一个运营商主导的联盟，他们希望从专门定制的物理硬件迁移到基于虚拟云的软件实现。通过指定离散组件和标准化接口，该联盟允许在白盒硬件上托管，并为运营商与众多供应商合作打开了大门。
他们可以直接与RF合同制造商、专门从事图形处理单元(gpu)和现场可编程门阵列(fpga)的公司，甚至虚拟云基础设施提供商合作。使用O-RAN，作业者可以混合和匹配组件，并与专家合作，创造独特的解决方案。
图1该组织由9个小组组成，每个小组专注于系统的特定领域。来源:O-RAN联盟
O-RAN联盟提供了无线电单元(O-RU)、分布式单元(O-DU)和集中式单元(O-CU)之间的规范、参考体系结构和接口。在过去两年中，会员人数急剧增长。该联盟目前包括24家移动网络运营商和148家其他贡献者，从网络设备制造商(NEMs)和芯片组制造商到制造堆栈和无线电元件的公司。您可以查看组织的成员列表网站。
5G需要O-RAN
现在我们已经定义了O-RAN，让我们深入了解为什么行业需要它。答案很简单：更多的数据来自5克，这将对RAN基础设施的前运输部分进行显着要求。
在4G LTE中，BBU (centralized baseband unit)通过CPRI (common public radio interface)与RRH (remote radio head)连接。由于总带宽需求和天线数量较少，BBU和RRH之间的数据速率足够。然而，在5G中，更多的数据需要来回传输。使用大量多输入/多输出(MIMO)来提高吞吐量意味着更高的带宽和更多的天线端口。
目前出现了两种解决方案:高级别分裂(HLS)和低级别分裂(LLS)。O-RAN同时涉及HLS和LLS，接口是标准化的。操作员可以使用不同的厂商提供的CUs、du或RUs。这些组件具有更强的互操作性，协议也得到了清晰的定义。
图2此图形表示显示了RAN基础结构向O-RAN的演变。来源:Keysight
尽管如此，5G仍将在前端推动带宽爆炸。LTE信道通常只有10或20兆赫兹的带宽。BBU和RRH之间的CPRI表示线速率在600 ~ 10mbps之间，这取决于带宽和MIMO通道的数量。单个10- mhz带宽通道转换成614 Mbps的线速率，8个10- mhz通道约为5gbps, 10个20-MHz通道略大于10gbps。CPRI可以很容易地满足这些要求，这就是为什么在LTE网络中BBU和RRH之间的接口是突出的。
而5G的情况则截然不同。带宽增加到100 MHz或更多，天线数量在许多情况下增加到8个，这转换成RU和BU之间28 Gbps范围的线路速率。更大的带宽，如500mhz意味着超过140gbps。在这样的带宽下，大规模MIMO将行速率提高到2 Tbps，这在CPRI上是根本无法维持的。功能划分解决了这一挑战。
功能划分是如何工作的
功能分裂在实践中如何解决这个问题？通常，基于在两者之间来回运输分组的非常低的延迟要求，rus和dus之间的距离约为10km。增强的CPRI（ECPRI）接口通过将所有物理层功能移动到RUS来降低带宽要求。
图3此图显示了5G RAN功能分割的工作原理。来源:Keysight
不过，RU的复杂度大大提高了。选项8是一个分裂的选项，通过将所有物理层(PHY)功能放入DUs，只保持天线在边缘提供了一个替代方案。这就像通过CPRI接口连接的LTE架构。
如前所述，5G对带宽的要求显著增加。即使在标称的场景下，需要在DUs和RUs之间传输200gb或300gb的数据，也无法实现。这就是选择7。2的由来。这个分割选项提供了du和RUs之间的最佳分割。PHY分为低PHY和高PHY;low-PHY在RUs中，high-PHY在du中。因此，对于带有一些MIMO功能的100mhz带宽，前端传输接口所需的带宽约为20gb。
从DUs移动到CU通常意味着一个上层分裂或HLS-Option 2。处理器密集型的功能转移到CU，而堆栈的其余部分，如媒体访问控制(MAC)和无线电链路控制(RLC)层，以及高phy，留在DU。您可以在控制级别上通过DU和CU之间的接口进行拆分。DU和CU之间的数据要求约为100gb，时延要求稍高，在毫秒范围内。CU和DU之间的距离要求约为80公里。
其他实现挑战
让我们不要忘记回程接口，CU的连接点在非独立（NSA）部署的情况下为4G网络或独立（SA）实现中的5G核心网络。该界面具有更高的距离要求 - 大约200公里 - 和更严格的延迟需求-40 ms。
从测试的角度来看，这一切意味着什么?简而言之，这意味着当O-RAN从规范转向实现和部署时，互操作性将成为一个重大挑战。组件不仅需要互操作，而且还需要符合规范。性能也将是控制o - du和O-RUs之间带宽数量的关键重点领域。
目前，许多工程师都在为测试设备(DUT)而努力。很少有人同时擅长射频和以太网，他们对规范的解释不同，导致了不同的实现。
O-RUs的工程师们正在处理时间问题，经常绕开M-plane。他们也面临着O-RU和O-DU之间的时钟和同步的挑战。那些关注O-DU的人面临着处理瓶颈和类似的O-RU方面的时间问题，还需要确保O-DU可以托管在虚拟设备和物理设备上。
同时，O-Cu挑战围绕着可扩展性，例如每个CU或UE可以支持多少和吞吐量。此外，中央单元-Cu-up和Cu-CP的控制和用户平面的分离 - 需要在E1接口上协调。
虽然这些挑战可以被认为是初期的问题，随着时间的推移会得到解决，但它们可能会产生严重的后果。如果缺少某些协议选项或m平面参数不满足，DU将不会继续进行，即使它们是可选的。用户单元也被设计用于处理特定的RU功能。DU通常支持特定的RU类别、波束形成模型和压缩率，如果不匹配将停止运行。
为了让整个系统工作，DU和RU之间必须在很多方面保持一致。好消息是，工程师可以找到解决方案来克服这些挑战，而且还会有更多的解决方案出现。O-RAN是复杂的，但它会一直存在下去。
通过听演讲了解更多关于O-RAN的挑战和解决方案前进的道路或访问KeysightO-RAN解决方案页面。
本文最初发表于经济日报。
杰西CAVAZOS.是Keysight行业解决方案营销团队的一部分。
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