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无线通信行业为何需要O-RAN?O-RAN正在改变5G网络设计

电子设计 2021-03-19 14:14 次阅读

开放式无线电接入网络(O-RAN)支持RAN的转换和虚拟化,以实现5G。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,让我们定义O-RAN。它本身不是一项技术,而是由五家全球运营商于2018年2月组成的运营商领导的联盟,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,会员人数大大增加。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了。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:高级别拆分(HLS)和低级别拆分(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仍将在前途带动带宽爆炸。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通道的数量。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,这意味着RU和BU之间的线速在28 Gbps范围内。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Option 7.2的用处。此拆分选项可在DU和RU之间提供最佳的拆分。PHY分为低PHY和高PHY。低PHY留在RU中,高PHY留在DU中。结果,对于具有某些MIMO功能的100 MHz带宽,前传接口上所需的带宽约为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)) )层以及高PHY保留在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),而等待时间则不那么严格(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,互操作性将是一个巨大的挑战。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,许多工程师都在为被测设备(DUT)苦苦挣扎。熟练掌握RF和以太网的人很少,他们对规范的解释也有所不同,从而导致了不同的实现方式。

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挑战围绕可扩展性展开,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。

虽然这些挑战可以被视为可以解决的早期磨牙问题,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还设计为与特定的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,DU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协调。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。

通过收听演示O-RAN:前进的道路或访问是德科技的O-RAN解决方案页面,了解有关O-RAN挑战和解决方案的更多信息。

Jessy Cavazos是是德科技行业解决方案营销团队的成员。

编辑:hfy

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