開放式無線接入網(wǎng)絡(luò)(O－RAN)的基礎(chǔ)知識

開放式無線接入網(wǎng)絡(luò)（O-RAN）正在改變移動網(wǎng)絡(luò)。O-RAN是指將傳統(tǒng)的RAN系統(tǒng)分解為無線電單元（RU）、分布式單元（DU）和集中式單元（CU）組件及其硬件和軟件平臺。O-RAN通過讓更多的制造商參與到RAN基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)中來促進(jìn)創(chuàng)新，如果新進(jìn)入者能夠提供競爭優(yōu)勢，他們就能夠參與競爭并活躍市場。理想情況下，O-RAN標(biāo)準(zhǔn)將創(chuàng)建一個(gè)廣泛的RAN供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)營商可以從不同的供應(yīng)商那里挑選組件，而不是被束縛在一家公司。硬件和軟件的分解使虛擬化成為可能，這意味著網(wǎng)絡(luò)功能的很大一部分變得虛擬化，可以在商用現(xiàn)成的硬件或通用處理器上運(yùn)行。虛擬化還實(shí)現(xiàn)了“云化”，即許多功能由多個(gè)服務(wù)器托管，通常捆綁在一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中心。

圖1 CU和DU之間的功能劃分。

O-RAN網(wǎng)絡(luò)要成功和被接受，接口的標(biāo)準(zhǔn)化和證明互操作性是成功的關(guān)鍵。3GPP已經(jīng)研究了CU和DU之間不同的功能劃分方案（圖1）。O-RAN聯(lián)盟選擇了3GPP劃分方案2作為CU和DU之間的接口，劃分方案7作為DU到RU的接口。分組數(shù)據(jù)收斂協(xié)議（PDCP）層的集中化使得用戶面的流量負(fù)荷得以擴(kuò)展。O-RAN聯(lián)盟選擇了劃分方案2-2，使U平面與其他平面分離，同時(shí)有一個(gè)集中的無線電資源控制器和無線電資源管理器。對于DU和RU之間的接口，O-RAN聯(lián)盟選擇了物理層內(nèi)（PHY）的劃分，即在低PHY和高PHY之間。

圖2 網(wǎng)絡(luò)功能劃分為CU、DU和RU。

圖2顯示了CU、DU和RU的功能區(qū)分。RU和DU之間的鏈路被稱為前傳，CU和DU之間的鏈路被稱為中傳。由于系統(tǒng)內(nèi)有各種控制回路，可以容忍不同的延遲。關(guān)鍵的接口是前傳，它通?？梢匀萑谈哌_(dá)160微秒的延遲。如果使用點(diǎn)對點(diǎn)連接來連接RU和DU，可以支持RU和DU之間高達(dá)30公里的距離。

由于本文的重點(diǎn)是RU，所以更多的是討論O-RAN的前傳接口和相應(yīng)的架構(gòu)劃分。在選擇前傳接口時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)方面：

傳輸帶寬——參照圖1，所需的數(shù)據(jù)速率從右邊（PHY和RF之間的劃分方案8接口）向左邊減少。所選擇的劃分方式在靈活性和算法差異性之間提供了一個(gè)很好的折中，對數(shù)據(jù)速率的要求不高。

架構(gòu)劃分——?jiǎng)澐直仨毞从砄-RAN架構(gòu)的意圖：供應(yīng)商中立的硬件和軟件。無線電的性能不僅由無線電硬件定義，也由信號的處理方式定義。為了被市場接受，O-RAN系統(tǒng)必須提供與傳統(tǒng)單一供應(yīng)商系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅?。架?gòu)上的劃分使創(chuàng)新和激勵(lì)差異化，如果可能的話，不應(yīng)規(guī)定某些處理算法或排除其他處理技術(shù)。O-RAN聯(lián)盟已經(jīng)選擇了一種接口，定義了具有明確定義和可理解的處理功能的無線電硬件，由DU及其軟件嚴(yán)格控制。

互操作性——不同供應(yīng)商系統(tǒng)之間的互操作性是O-RAN被市場采納的關(guān)鍵。因此，架構(gòu)劃分必須提供一個(gè)任何實(shí)施者都容易理解的接口，清楚地描述，沒有解釋的余地，并對互操作性進(jìn)行嚴(yán)格的測試。

圖3 O-RAN架構(gòu)。：O-RAN前傳工作組。

O-RAN聯(lián)盟已經(jīng)定義了一個(gè)被稱為7.2x劃分的接口。3 在7.2x劃分中，O-RAN前傳接口位于DU中的資源元素映射和RU中的時(shí)頻轉(zhuǎn)換之間，即下行鏈路中的反FFT（iFFT）和循環(huán)前綴（CP）添加以及上行鏈路中的CP去除和FFT計(jì)算（圖3）。圖中的虛線處理塊并非對所有RU類別都是強(qiáng)制性的。某些RU類別的預(yù)編碼可以在RU內(nèi)完成，在這種情況下，DU中的預(yù)編碼被繞過了。對于mMIMO無線電，該接口預(yù)見了在RU側(cè)的數(shù)字波束賦形。數(shù)字波束賦形對于傳統(tǒng)無線電來說是省略的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)無線電通常只有少量的收發(fā)器。此外，O-RAN聯(lián)盟還區(qū)分了A類和B類O-RU。B類架構(gòu)支持O-RU中的MIMO預(yù)編碼;A類不支持。B類O-RU提供對調(diào)制壓縮的支持，這是一種通過將調(diào)制功能轉(zhuǎn)移到O-RU來減少前傳帶寬的技術(shù)。

除了由所謂的前傳接口的U平面處理的用戶流量外，O-RAN還定義了其他三個(gè)平面：處理管理控制數(shù)據(jù)的M平面、處理近實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)的C平面和處理同步（頻率和時(shí)間）的S平面。M平面主要用于配置RU，讀出狀態(tài)信息，處理錯(cuò)誤和報(bào)警。它完全基于NETCONF協(xié)議，這是一個(gè)基于XML的協(xié)議，用于設(shè)置和查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作。它使用YANG作為其數(shù)據(jù)建模語言。

典型的配置數(shù)據(jù)包括：

設(shè)置載波（如中心頻率、帶寬和功率）。

映射天線層

完全重設(shè)RU的軟件

更新O-RU軟件，因?yàn)镸平面支持整個(gè)軟件映像。

可以查詢的有關(guān)O-RU狀態(tài)和一般信息的典型參數(shù)有：

天線輻射板的物理結(jié)構(gòu)

時(shí)鐘同步狀態(tài)

前傳網(wǎng)絡(luò)接口版本以及支持的C面和U面部分類型和擴(kuò)展的相關(guān)信息

啟動狀態(tài)

O-RU警報(bào)和性能計(jì)數(shù)器，如收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量和按時(shí)、延遲或損壞的U-平面數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

輻射板被建模為一個(gè)平均分布和獨(dú)立控制的輻射元件的矩形陣列。這些信息對O-DU計(jì)算用于形成所需波束的波束賦形權(quán)重很有用。波束賦形權(quán)重決定了波束的方向和形狀。特別是在mMIMO系統(tǒng)中，一組不同的波束賦形權(quán)重通常用于每個(gè)時(shí)間傳輸間隔;然而，變化的頻率可以達(dá)到每個(gè)OFDM符號。

如前所述，O-RAN聯(lián)盟支持硬件和軟件分離。因此，它定義了由O-DU指導(dǎo)的無線電（O-RU），信道估計(jì)、權(quán)重計(jì)算和近實(shí)時(shí)用戶調(diào)度的算法都在這里。與提供波束賦形權(quán)重相關(guān)的流量可能是巨大的，可能與用戶平面流量是同一數(shù)量級。因此，在O-RAN標(biāo)準(zhǔn)中定義了減少流量的不同手段。

為了使蜂窩網(wǎng)絡(luò)正常工作，無線電單元的同步精度必須達(dá)到頻率上的±25ppb和時(shí)間上的±1.5？s。O-RAN標(biāo)準(zhǔn)定義了幾種使RU與網(wǎng)絡(luò)同步的方法，其中主要的同步方法是IEEE 1588協(xié)議，也被稱為時(shí)間協(xié)議（PTP）。PTP是基于測量IP數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)間的。然而，由于IP流量可能受到抖動的影響，需要相對較長的觀察時(shí)間來實(shí)現(xiàn)所需的頻率精度。因此，O-RAN提供了利用SyncE的選項(xiàng)，它使用線速將時(shí)鐘從源頭（如O-DU或交換機(jī)）傳送到O-RU。IEEE 1588還定義了內(nèi)置在交換機(jī)和路由器中的硬件功能，可以根據(jù)這些網(wǎng)絡(luò)功能引入的延遲來調(diào)整時(shí)間戳。由于并非所有的網(wǎng)元都配備了這樣的功能，因此可能難以估計(jì)延遲。

在某些情況下，網(wǎng)絡(luò)引入的數(shù)據(jù)包延遲抖動可能是不可容忍的。O-RAN提供了另一種方法，使用GPS來同步O-RU。在這種情況下，O-RU有一個(gè)內(nèi)置的GPS接收器，使O-RU與的GPS時(shí)間同步（圖4）。一個(gè)站點(diǎn)的多個(gè)RU從一個(gè)共同的有源天線接收GPS信號，而每個(gè)O-RU都有一個(gè)GPS接收器。O-RU與一個(gè)O-DU相連，該O-DU可能位于現(xiàn)場或30公里以外，例如在一個(gè)數(shù)據(jù)中心，O-DU通過網(wǎng)絡(luò)從外部時(shí)間服務(wù)器接收其時(shí)間同步。另外，它也可以配備自己的GPS接收器。作為GPS的替代方案或作為GPS同步失敗情況下的后備方案，O-DU可以向O-RU提供頻率和時(shí)間同步。

圖4 在RU中使用GPS的系統(tǒng)。

圖5 典型的mMIMO天線：全陣列（a）和子陣列（b）。

在某些情況下，交叉許可協(xié)議允許運(yùn)營商使用另一個(gè)運(yùn)營商的頻譜來提供聯(lián)合服務(wù)。這被稱為多運(yùn)營商RAN（MORAN）。從O-RU的角度來看，存在兩種基本的共享架構(gòu)。如果每個(gè)運(yùn)營商都使用自己的O-DU，那么O-RU必須作為兩個(gè)獨(dú)立的RU到DU。如果不是，只有O-RU和O-DU在運(yùn)營商之間共享。MORAN對RU是透明的。這樣的架構(gòu)帶來了一些限制，如時(shí)分雙工（TDD）下行和上行傳輸周期在兩個(gè)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)上保持一致，必須小心處理以避免沖突。

mMIMO的無線電架構(gòu)

O-RAN前傳接口既支持傳統(tǒng)的無線電，有兩個(gè)或四個(gè)收發(fā)器，也支持mMIMO無線電。MIMO是一種通過使用空間域來增加移動網(wǎng)絡(luò)容量的手段，其中的“多輸入、多輸出”指的是無線電信道。由多個(gè)發(fā)射器發(fā)送的信號由多個(gè)接收器接收。假設(shè)傳播條件允許，先進(jìn)的信道編碼方法和信號處理算法能夠?qū)l(fā)射信號與接收信號分開。當(dāng)在給定頻率和時(shí)間下發(fā)射的單天線終端（即用戶數(shù)）的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接收的基站天線數(shù)量時(shí)，就適用于mMIMO。TDD、參考序列和從終端到基站的反饋有助于將同樣的原則應(yīng)用于下行鏈路。

一般來說，假設(shè)傳播特性支持用戶區(qū)分，mMIMO系統(tǒng)中的收發(fā)器越多，在同一信道上就可以為更多的用戶服務(wù)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)多可提供256個(gè)收發(fā)器。然而，由于成本和功耗隨著收發(fā)器數(shù)量的增加而增加，一個(gè)mMIMO基站的實(shí)際配置范圍在16個(gè)發(fā)射器和16個(gè)接收器（16T16R）和64個(gè)發(fā)射器和64個(gè)接收器（64T64R）之間。

mMIMO系統(tǒng)中的天線被安排在一個(gè)陣列中，其中每個(gè)天線可能由一個(gè)子陣列的天線單元組成。圖5顯示了64T64R陣列的典型安排，一個(gè)12×8的天線陣列（圖5a）包括32個(gè)極化子陣列。每個(gè)子陣列由六個(gè)天線單元組成，其中三個(gè)天線單元以負(fù)極化輻射，用“np”表示，其他三個(gè)天線單元以正極化輻射，用“pp”表示（圖5b）。

對于傳統(tǒng)的無源基站天線，天線增益是一個(gè)重要因素。天線增益被定義為在某一特定角度的輻射功率與假想的天線輻射的功率之間的比率，假想的天線在各個(gè)方向發(fā)射相同的總功率，即平均分布在整個(gè)球體上。假設(shè)假想的天線輻射的所有功率在其天線端口和自由空間之間沒有任何損失。對于天線饋電處的相同功率，定向天線在孔徑處的輻射功率將比相應(yīng)的全向天線的增益系數(shù)大。

為了能夠與傳統(tǒng)的無線電架構(gòu)（有一個(gè)遠(yuǎn)程無線電頭和一個(gè)單獨(dú)的無源天線）進(jìn)行比較，3GPP已經(jīng)定義了一個(gè)mMIMO的參考無線電架構(gòu)。這個(gè)參考架構(gòu)為傳導(dǎo)和輻射測量定義了兩個(gè)參考點(diǎn)，5 假設(shè)一個(gè)收發(fā)單元陣列連接到一個(gè)復(fù)合天線（圖6）。收發(fā)單元陣列包含發(fā)射器和接收器，產(chǎn)生調(diào)制的發(fā)射信號，并進(jìn)行接收器合并和解調(diào)。復(fù)合天線由無線電分配網(wǎng)絡(luò)和天線陣列組成，收發(fā)單元陣列和復(fù)合天線之間的界面被稱為收發(fā)陣列邊界（TAB）。3GPP定義的兩個(gè)參考點(diǎn)是傳導(dǎo)測量的TAB和輻射測量的遠(yuǎn)場區(qū)域，也被稱為空中測量。

圖6 AAS的輻射和傳導(dǎo)參考點(diǎn)。：3GPP。

發(fā)射器的射頻輸出功率限制了數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍。輸出功率通常是指所有收發(fā)器的合并功率，也就是在TAB測量的傳導(dǎo)功率。輻射功率的相應(yīng)測量被稱為有效全向輻射功率（EIRP），它包括復(fù)合天線的增益。例如，一個(gè)在TAB提供200W（53dBm）射頻功率的無線電面板，并為一個(gè)在軸向處具有25dBi增益的天線陣列提供能量，那么在軸向處測量的總功率為78dBmEIRP。

圖7 天線在0°方位角的典型波束方向圖。

根據(jù)天線陣列理論，線性陣列的遠(yuǎn)場方向圖是天線單元方向圖與陣列因子（AF）的乘積，假設(shè)所有的天線單元都是同類，指向同一方向，并以同等功率激發(fā)。AF是全向輻射器陣列的遠(yuǎn)場輻射方向圖。只要輻射單元之間不發(fā)生耦合，一個(gè)具有12行8列、單元間距為半波長（λ/2）的線性陣列將具有96的AF（即19.8dB）。單元之間的耦合會降低AF，只有通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)才能使耦合;然而，當(dāng)單元間距de小于一個(gè)波長，特別是小于λ/2時(shí)，它變得越來越困難。

旁瓣是天線陣列的另一個(gè)重要特征。旁瓣電平（SLL）是旁瓣的功率與主瓣的強(qiáng)度之比。另外，其倒數(shù)，即主瓣方向的強(qiáng)度與旁瓣電平的比值，也經(jīng)常被使用，被稱為旁瓣電平抑制（SLS）。在一個(gè)mMIMO天線中，實(shí)際的波束方向圖取決于子陣列的輻射方向圖和子陣列之間的振幅和相位關(guān)系，這是由波束賦形器產(chǎn)生的波束賦形矢量定義的。產(chǎn)生具有旁瓣電平的方向圖的波束賦形矢量通常使用不同的相位和振幅。為了獲得的輸出功率，所有的振幅都需要相同。為了比較不同的mMIMO有源天線單元（AAU）的輻射性能，在波束賦形矢量中只允許有相位變化;振幅則被迫相同。為了說明這一點(diǎn)，圖7顯示了一個(gè)典型的波束方向圖，其SLL小于-16dB。

O-RAN mMIMO架構(gòu)

mMIMO AAU中的RU可以按其功能分開（圖8）。有些只需要，而其他的，如收發(fā)器，則需要多次使用。每個(gè)收發(fā)器為一個(gè)輻射板子陣列的單一極化服務(wù)。在只使用的功能中，有連接O-RU和O-DU的前傳接口、波束賦形器、時(shí)鐘同步、管理和控制。

圖8 一個(gè)mMIMOAAU的典型RU結(jié)構(gòu)。

前傳網(wǎng)絡(luò)使用以太網(wǎng)接口，分為C、U、S和M面。M面的解釋器和管理器連接到O-RU控制器，該控制器設(shè)置并監(jiān)督該裝置的整體健康狀況。O-RU控制器測量功耗、溫度、輸出功率以及接收（Rx）和發(fā)射（Tx）的相對振幅和相位精度，以便讓DU利用信道互換。它承載了多個(gè)事件計(jì)數(shù)器，并通過M平面向O-DU或直接向管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、警告和錯(cuò)誤。O-RAN聯(lián)盟已將其標(biāo)準(zhǔn)化為服務(wù)管理和協(xié)調(diào)框架。遵循IEEE1588 PTP協(xié)議的S面數(shù)據(jù)包被獨(dú)立解釋。PTP信息用于將O-RU的時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)同步。如前所述，內(nèi)置的GPS接收器可作為替代時(shí)鐘使用。

圖9 數(shù)字收發(fā)器的組成元素。

波束賦形器連接到NTx個(gè)發(fā)射器和NRx個(gè)接收器。如果NTx=NRx=N，也就是通常的情況，則稱波束賦形器連接到N個(gè)收發(fā)器，所有收發(fā)器都是相同的。每個(gè)收發(fā)器由數(shù)字收發(fā)器和一個(gè)模擬前端組成。對于每一層，波束賦形器對每個(gè)子載波（SC）進(jìn)行兩次矩陣乘法。在發(fā)射過程中，每個(gè)無線電層所包含的資源塊矢量與Tx波束賦形矩陣相乘，得到每個(gè)收發(fā)器的SC矢量。同樣，在接收過程中，從每個(gè)收發(fā)器收到的每個(gè)SC矢量都要乘以Rx波束賦形器，以產(chǎn)生所有層的SC矢量。圖9顯示了每個(gè)數(shù)字收發(fā)器的功能，它包含低PHY和數(shù)字前端。數(shù)字前端包括前端功能，如數(shù)字域的濾波、增益設(shè)置和線性化，低PHY解決時(shí)頻轉(zhuǎn)換和OFDM信號生成。

在下行方向，來自波束賦形器的含有頻域數(shù)據(jù)的SC在iFFT內(nèi)被轉(zhuǎn)換到時(shí)域。OFDM信號通過添加CP形成，并傳遞到數(shù)字前端進(jìn)行數(shù)字上變頻，包括濾波、基帶信號的頻移和數(shù)模轉(zhuǎn)換。對于下行鏈路，數(shù)字前端包括波峰因子降低，它降低了OFDM信號的峰均比，以及數(shù)字預(yù)失真（DPD），它使功率放大器線性化。來自模擬前端的上行信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，并以數(shù)字方式下變頻為基帶。對于下變頻的信號，CP被去除，信號通過FFT被轉(zhuǎn)換到頻域。然后，OFDM符號被傳遞給Rx波束賦形器。低PHY還包含物理隨機(jī)接入信道（PRACH）和SRS過濾的特殊功能。PRACH和SRS信號被傳遞到前傳接口，O-DU對SRS和PRACH數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

模擬前端（AFE）連接到輻射面板，包含模擬元件，如功率放大器、濾波器、驅(qū)動器和平衡器，并可能包含開關(guān)和環(huán)行器。模擬前端放大了進(jìn)出天線的Tx和Rx信號。它必須為Rx和Tx路徑提供足夠的動態(tài)范圍，隔離路徑并管理由功率放大器引入的任何噪聲。輻射板的設(shè)計(jì)是為了給mMIMO系統(tǒng)和水平及垂直導(dǎo)向提供所需的增益。

小結(jié)

本文提供了關(guān)于O-RAN架構(gòu)的教程，以及規(guī)范RU、DU和CU之間接口的方法，以實(shí)現(xiàn)互操作性，并為新進(jìn)入者和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新提供環(huán)境。mMIMO是RAN的一種實(shí)現(xiàn)方式，以提高高移動流量地區(qū)的數(shù)據(jù)容量。本文還討論了符合O-RAN標(biāo)準(zhǔn)的mMIMO RAN的功能架構(gòu)。