O-RAN 正在改变 5G 网络设计和组件的互操作性

开放式无线接入网络(O-RAN)支持 RAN 用于 5G 的转换和虚拟化。它给网络运营商带来了巨大的机遇,同时也给测试工程师带来了新的挑战。在无线工程师的心中,有很多关于 O-RAN 的问题。本文将解释无线通信行业为何需要 O-RAN,其工作方式以及面临的挑战。

什么是 O-RAN?

首先,让我们说明一下 O-RAN 的定义。它本身不是一项技术,而是由五家全球运营商于 2018 年 2 月成立的,由运营商领导的联盟,希望从物理专用硬件过渡到基于虚拟云的软件实现。通过指定分立的组件和标准化的接口,该联盟可以托管在白盒硬件上,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,甚至是虚拟云基础架构提供商合作。借助 O-RAN,运营商可以混合和匹配组件,并与专家合作以创建独特的解决方案。
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图 1该组织由九个小组组成,每个小组专注于系统的特定区域。资料来源:O-RAN 联盟

O-RAN 联盟提供 RAN 组件之间的规范,参考体系结构和接口,这些组件包括无线电单元(O-RU),分布式单元(O-DU)和集中式单元(O-CU)。在过去两年中,成员数量大大增加。该联盟现在包括 24 个移动网络运营商和 148 个其他参与者,从网络设备制造商(NEM)和芯片组制造商到制造堆栈和无线电元件的公司。您可以在组织的网站上查看成员列表。

5G 需要 O-RAN

既然我们已经定义了 O-RAN,那么让我们更深入地研究行业为何需要它。答案很简单:5G 将带来更多数据,这将对 RAN 基础架构的前传部分提出重大要求。

在 4G LTE 中,集中式基带单元(BBU)通过公共公共无线电接口(CPRI)连接到远程无线电头(RRH)。由于总带宽需求和很少的天线,BBU 和 RRH 之间的数据速率足够。但是,在 5G 中,需要往返传输更多的数据。使用大规模多输入 / 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。

已经出现了两种解决方案来应对 5G 的前途挑战:高级拆分(HLS)和低级拆分(LLS)。O-RAN 涉及 HLS 和 LLS,并且接口是标准化的。运营商可以为 CU,DU 或 RU 使用不同的供应商。这些组件具有更高的互操作性,并且协议明确定义。

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图 2 此图形表示显示了 RAN 基础架构向 O-RAN 的演进。资料来源:是德科技

尽管如此,5G 仍将在前途推动带宽爆炸。LTE 信道通常仅具有 10 或 20MHz 的带宽。BBU 和 RRH 之间的 CPRI 表示线速范围为 600 到 10 Mbps,具体取决于带宽和 MIMO 通道数。单个 10 MHz 带宽通道可转换为 614 Mbps 的线速,八个 10 MHz 通道意味着约 5 Gbps,而 10 个 20 MHz 通道则略高于 10 Gbps。CPRI 可以轻松满足这些要求,这就是为什么该接口在 LTE 网络中的 BBU 和 RRH 之间很重要的原因。

5G 的情况截然不同。在许多情况下,带宽增加到 100 MHz 或更高,并且天线的数量增加到 8 个,这转化为 RU 和 BU 之间 28 Gbps 范围内的线速。更大的带宽(例如 500 MHz)意味着超过 140 Gbps。在这样的带宽下,大规模 MIMO 将线路速率提高到 2 Tbps,这在 CPRI 上根本站不住脚。功能划分解决了这一挑战。

功能拆分的工作方式

功能拆分如何在实践中解决此问题?通常,基于在两个之间来回传输分组的极低等待时间要求,RU 与 DU 之间的距离约为 10 km。增强的 CPRI(eCPRI)接口通过将所有物理层功能移至 RU 来降低带宽需求。

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图 3 此图显示了 5G RAN 功能拆分的工作方式。资料来源:是德科技

但是,RU 的复杂性急剧增加。选项 8 是拆分选项,它通过将所有物理层(PHY)功能放入 DU 中而仅将天线保持在边缘,从而提供了一种替代方法。这就像具有通过 CPRI 接口进行连接的 LTE 架构一样。

如前所述,带宽要求随着 5G 的增加而显着增加。即使在 DU 和 RU 之间需要 200 或 300 Gb 传输的正常情况下也是无法实现的。这就是选项 7.2 的用处。此拆分选项可提供 DU 和 RU 之间的最佳拆分。PHY 分为低 PHY 和高 PHY。低 PHY 保留在 RU 中,高 PHY 保留在 DU 中。结果,对于具有某些 MIMO 功能的 100 MHz 带宽,前传接口所需的带宽约为 20 Gb。

从 DU 移至 CU 通常意味着上层拆分或 HLS(选项 2)。处理器密集型功能移至 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)) )层与高 PHY 一起留在 DU 中。您可以使用 DU 和 CU 之间的接口在控制级别进行拆分。DU 和 CU 之间的数据要求约为 100 Gb,并且毫秒级范围内的延迟要求略高。CU 和 DU 之间的距离要求约为 80 km。

其他实施挑战

让我们不要忘记回程接口,在非独立(NSA)部署的情况下,CU 到 4G 网络的连接点,在独立(SA)实施中的 5G 核心网络。该接口的距离要求更高(约 200 km),而延迟要求则不那么严格(40 ms)。

从测试的角度来看,这一切意味着什么?简而言之,这意味着随着 O-RAN 从规范过渡到实施和部署,互操作性将是一项重大挑战。这些组件不仅需要互操作,而且还符合规范。性能也将是控制 O-DU 和 O-RU 之间的带宽量的重点重点领域。

当前,许多工程师正在为被测设备(DUT)奋斗。很少有人熟练使用 RF 和以太网,并且他们对规范的解释有所不同,从而导致了不同的实现。

从事 O-RU 的工程师正在处理时序问题,并且经常绕过 M 平面。他们还面临 O-RU 和 O-DU 之间的时钟和同步挑战。那些关注 O-DU 的人面临处理瓶颈和与 O-RU 端类似的时序问题,还需要确保 O-DU 可以托管在虚拟和物理设备上。

同时,O-CU 挑战围绕可伸缩性展开,例如每个 CU 可以支持多少个 DU 或 UE,以及吞吐量如何。此外,中央单元的控制平面和用户平面(Cu-UP 和 Cu-CP)的分离要求在 E1 接口上进行协调。

这些挑战可以被视为可以随着时间的推移而解决的初期问题,但它们可能会带来严重的后果。如果某些协议选项丢失或 M 平面参数不满足,即使它们是可选的,DU 也不会继续进行。DU 也设计为与特定的 RU 功能配合使用。DU 通常支持特定的 RU 类别,波束成形模型和压缩率,如果不匹配,它将停止运行。

为了使整个系统正常工作,DU 和 RU 之间必须有很多方面的统一。好消息是,工程师可以使用解决方案来克服这些挑战,并且还会出现更多的解决方案。O-RAN 很复杂,但是仍然存在。