開放式無線接入網（O-RAN）實現了5G的RAN轉型和虛擬化。它給網絡運營商帶來了重大的機遇，但也給測試工程師帶來了新的挑戰。在無線工程師心中，有很多關于O-RAN的問題。本文將解釋為什么無線通信行業需要O-RAN，它是如何工作的以及未來有哪些挑戰。

什么是O-RAN？

首先，我們來定義一下O-RAN。它本身并不是一項技術，而是由全球五家運營商牽頭于2018年2月成立的聯盟，希望從物理的專用硬件遷移到基于云的虛擬軟件實現。通過指定離散組件和標準化接口，該聯盟實現了在白盒硬件上的托管，并為運營商打開了與眾多供應商合作的大門。

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）和現場可編程門陣列（FPGA）的公司，甚至虛擬云基礎設施提供商合作。通過O-RAN，運營商可以混合和匹配組件，并與專家合作，創建獨特的解決方案。

O-RAN聯盟提供了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））之間的規范、參考架構和接口。在過去的兩年里，成員數量有了很大的增長。該聯盟現在包括24家移動網絡運營商和148家其他貢獻者，從網絡設備制造商（NEM）和芯片組制造商到構建堆棧和無線電元件的公司。 你可以在該組織的網站上查看成員名單。

5G需要O-RAN

現在我們已經定義了O-RAN，讓我們更深入地了解一下為什么行業需要它。答案很簡單：更多的數據將隨著5G而來，這將對RAN基礎設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）連接到遠程無線頭（RRH）。由于總帶寬要求和天線數量少，BBU和RRH之間的數據速率是足夠的。然而，在5G中，有更多的數據需要來回傳輸。使用大規模多輸入/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，已經出現了兩種解決方案：高層分路（HLS）和低層分路（LLS）。O-RAN同時涉及HLS和LLS，而且接口是標準化的。運營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，協議也有明確的定義。

不過，5G還是會推動前端的帶寬爆炸。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信道的數量。單個10-MHz帶寬信道可轉化為614 Mbps的線路速率，8個10-MHz信道意味著約5 Gbps，10個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網絡中BBU和RRH之間的這個接口很突出的原因。

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。更大的帶寬，如500 MHz，意味著超過140 Gbps。在這樣的帶寬下，大規模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。

功能分路如何工作

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

不過，RU的復雜性急劇增加。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接口進行連接的LTE架構。

如前所述，隨著5G的發展，對帶寬的要求顯著增加。即使是在DU和RU之間需要200或300Gb傳輸的名義方案也是站不住腳的。這就是方案7.2的作用。這個分路方案提供了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之間的接口進行分割。DU和CU之間的數據要求約為100Gb，在毫秒范圍內有稍高的時延要求。CU與DU之間的距離要求約為80公里。

其他實施挑戰

我們不要忘記回程接口，在非獨立（NSA）部署的情況下，這是CU與4G網絡的連接點，在獨立（SA）實施的情況下，這是5G核心網絡的連接點。 這個接口對距離的要求要高得多--大約200公里，而對時延的要求則不那么嚴格，只有40毫秒。

從測試的角度來看，這一切意味著什么？簡而言之，這意味著隨著O-RAN從規范到實現和部署，互操作性將是一個重大挑戰。組件不僅需要互操作，還需要符合規范。為了控制O-DUU和O-RU之間的帶寬量，性能也將是一個重點領域。

目前，許多工程師都在為被測設備（DUT）而苦惱。很少有人同時精通射頻和以太網，他們對規范的解釋也不盡相同，從而導致不同的實現。

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

同時，O-CU的挑戰則是圍繞著可擴展性，比如每個CU可以支持多少個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接口進行協調。

雖然這些挑戰可以說是早期的磨合問題，隨著時間的推移會得到解決，但它們可能會帶來嚴重的后果。如果缺少某些協議選項或不滿足M面參數，DU將無法繼續工作，即使它們是可選的。DU的設計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，如果不匹配就會停止工作。

很多方面必須在DU和RU之間保持一致，整個系統才能工作。好消息是工程師們可以獲得克服這些挑戰的解決方案，而且還會有更多的解決方案出現。O-RAN是復雜的，但它會一直存在。
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