怎么使用MATLAB進行O-RAN小基站建模和仿真？

開放式無線接入網(wǎng)（Open Radio Access Network，簡稱 O-RAN）是一種無線接入網(wǎng) (RAN)。它允許不同供應(yīng)商開發(fā)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進行互操作。O-RAN 旨在將傳統(tǒng)的以單片硬件為中心的 RAN 設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂锚毩?gòu)建塊（具有開放的標(biāo)準化接口）的設(shè)計。

這樣，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商便可專注于提供特定的軟件組件，而不是構(gòu)建整個 RAN。這種組件化使無線服務(wù)提供商能夠混搭從多家供應(yīng)商處采購的組件，靈活構(gòu)建有競爭力的小基站網(wǎng)絡(luò)。您可以使用 MATLAB 和 5G Toolbox 為 O-RAN 一致性測試生成前傳控制與用戶 (CU) 面消息。



圖 1.MATLAB 和 5G Toolbox 如何幫助您為 O-RAN 設(shè)計的測試生成 CU 面消息。

O-RAN 架構(gòu)

圖 2.傳統(tǒng)無線接入網(wǎng) (RAN) 架構(gòu)與開放式無線接入網(wǎng) (O-RAN) 架構(gòu)之比較。

在圖 2 中，左圖說明了傳統(tǒng) RAN 如何使用單一供應(yīng)商提供的基帶單元 (BBU) 和無線電單元 (RU) 等模塊。為了更靈活地設(shè)計無線接入網(wǎng)，O-RAN 聯(lián)盟制定了 O-RAN 協(xié)議，允許將基帶單元和無線電單元分割為三個不同的模塊及其協(xié)議層，每個層均可由不同的供應(yīng)商提供：

O-RU（O-RAN 無線電單元），負責(zé)處理射頻和物理層下部 (Low-PHY)

O-DU（O-RAN 分布式單元），負責(zé)執(zhí)行物理層上部 (High-PHY)、介質(zhì)訪問控制 (MAC) 和無線電鏈路控制 (RLC) 的任務(wù)

O-CU（O-RAN 中央單元），負責(zé)管理分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議 (PDCP)、服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議 (SDAP) 和無線電資源控制 (RRC) 協(xié)議實體

在 O-RAN 環(huán)境中，O-CU 和核心網(wǎng)之間的接口稱為回傳，O-DU 和 O-CU 之間的接口稱為中傳，而 O-DU 和 O-RU 之間的接口稱為前傳。您可以使用 MATLAB 和 5G Toolbox 開發(fā)算法，以為前傳和其他 O-RAN 接口生成數(shù)據(jù)，如圖 2 所示。此外，還可以使用 MATLAB、Simulink 和 Wireless HDL Toolbox 來降低實現(xiàn)的復(fù)雜性，然后通過基于模型的設(shè)計在 FPGA 上集成、測試和驗證 O-DU 和 O-RU 系統(tǒng)。



圖 3.O-RAN 協(xié)議組件（O-RU、O-DU 和 O-CU）及其協(xié)議實體。

O-RAN 聯(lián)盟選擇了位于物理層下部 (Low-PHY) 和物理層上部 (High-PHY) 之間的拆分選項 7.2x。O-DU 和 O-RU 之間的開放前傳接口在 7.2x 拆分處定義。

O-RAN 前傳信號處理

例如，在下行鏈路 (DL) 處理中，操作序列可以細分為 7.2x 拆分之前的操作和之后的操作。在 7.2x 拆分的一邊，功能上移到 O-DU 中的資源元素映射，如下所示：

用戶位從介質(zhì)訪問控制 (MAC) 層接收。

這些位按照傳輸信道進行組織，執(zhí)行 5G NR 高層信號處理操作，包括數(shù)據(jù)編碼、加擾、調(diào)制、層映射、預(yù)編碼和資源元素映射。

得到的 IQ 樣本生成 5G NR 資源網(wǎng)格。

在 7.2x 拆分的另一邊，以下功能出現(xiàn)在 O-RU 中：

預(yù)編碼和數(shù)字波束成形

循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用 (CP-OFDM) 信號生成，其中包括快速傅里葉逆變換 (IFFT)，緊接著是循環(huán)前綴插入

數(shù)模轉(zhuǎn)換和模擬波束成形

在指定的天線端口上以指定的射頻頻率進行空口模擬信號傳輸

開放前傳接口

圖 4.O-RAN 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)和 5G NR 功能拆分選項。

為了能夠在開放前傳的兩次 7.2x 拆分之間發(fā)送信息，必須按照以下說明進行操作：在 O-DU 端，首先壓縮 High-PHY 信息，然后將其封裝在增強型通用公共無線電接口 (eCPRI) 數(shù)據(jù)包中，最后再將其嵌入到以太網(wǎng)幀中進行傳輸。在 O-RU 端，采集收到的以太網(wǎng)幀，提取 eCPRI 數(shù)據(jù)包，解壓縮數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行 Low-PHY 操作。這些步驟如圖 5 所示。

之所以需要壓縮，是因為開放前傳的容量有限。O-RAN 聯(lián)盟建議采用不同的壓縮和解壓縮方法來減小傳輸帶寬。



圖 5.下行鏈路開放前傳中的信號流和信號處理步驟。

使用 MATLAB 進行 O-RAN 建模和仿真

使用 MATLAB 和 5G Toolbox，可以為 O-RAN 壓縮一致性測試（點擊”閱讀原文“獲取代碼示例）生成前傳控制與用戶 (CU) 面消息。5G Toolbox 還可用于生成和解碼這些數(shù)據(jù)包。所有屬于 High-PHY 和 Low-PHY 的物理層函數(shù)均可從該工具箱中獲得。 通過在 5G Toolbox 中進行開放前傳建模和仿真，您可以：

應(yīng)用 High-PHY 操作，然后提取 7.2x 拆分中的 IQ 數(shù)據(jù)，即來自資源網(wǎng)格的數(shù)據(jù)。

使用其中一種可用的壓縮方法壓縮數(shù)據(jù)。支持的壓縮方法包括塊浮點 (BFP)、塊縮放和 μ 律，其定義分別見 TS O-RAN.WG4.CUS 附件 A.1.1、A.2.1 和 A.3.1。

按照 TS O-RAN.WG4.CUS 中的定義，構(gòu)建 O-RAN 前傳 CU 面消息，然后將消息寫入 PCAP 文件。這些前傳消息將從 O-RAN 分布式單元 (O-DU) 發(fā)送到 O-RAN 無線電單元 (O-RU)。

解碼 O-RAN 無線電單元 (O-RU) 中的 CU 面消息。

恢復(fù)資源網(wǎng)格，解壓縮數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)執(zhí)行 Low-PHY 操作。

審核編輯：劉清