探讨5G实现Open RAN架构的优势、原理、结构组件及重要性

传统上，蜂窝无线接入网（RAN）使用的专有网络设备来自少数的网络设备制造商，但随着无线通信行业的发展，这种模式已不能很好地满足需求，反而使移动网络运营商（MNO）被“锁定”在专有RAN上，处处受到限制。

后来，软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的兴起为网络核心带来了更大的灵活性和更高的成本效率。然而，RAN仍然是单一供应商系统。

近年来，全球移动网络运营商一直在推动5G采用Open RAN架构（也称为O-RAN）。Open RAN架构有望在促进创新的同时使5G网络更加灵活，但也带来了额外的技术复杂性和测试要求。

本文探讨了5G实现Open RAN架构的优势、原理、结构组件以及对Open RAN组件进行一致性和互操作性测试的重要性。

O-RAN联盟

O-RAN联盟由25个MNO和近200个来自无线领域的贡献组织组成，自2018年成立以来，一直在开发开放的、智能的、虚拟化和可互操作的RAN规范。

电信基础设施项目（TIP）是一个独立的联盟，由来自基础设施设备领域的数百名成员组成，该项目负责维护一个Open RAN项目，以定义和构建基于通用硬件中立的硬件和软件定义技术的2G、3G和4G运行解决方案。今年早些时候，TIP还发起了Open RAN政策联盟，这是TIP旗下一个独立的小组，致力于促进政策以加速和刺激Open RAN技术的采用和创新。

2020年2月，O-RAN联盟和TIP宣布了一项合作协议，以联合开发可互操作的Open RAN技术，包括信息共享、参考规范以及开展联合测试和集成工作。

O-RAN联盟为5G定义了O-RAN体系架构，并定义了一个5G RAN架构，该架构将RAN分为几个部分，分别称为O-RAN无线电单元（O-RU）、分发单元（O-DU）和集中式单元（O-CU）。开放的、可互操作的标准定义了这些单元之间的接口，这些标准使移动网络运营商首次能够混合和匹配来自多个不同供应商的RAN组件。O-RAN联盟已经创建了30多个规范，其中许多规范定义了单元之间的接口。

互操作接口是Open RAN的核心原则

互操作接口使较小的供应商可以快速引入自己的服务，还使移动网络运营商可以采用多供应商进行部署，并允许其自定义网络以满足自己的需求。移动网络运营商可以选择他们想要在其网络中使用的产品和技术，而不考虑供应商。因此，移动网络运营商将有机会构建更稳健且更具成本效益的网络。

通过为MNO创建一个更具竞争力的供应商生态系统，使较小的供应商能够快速推出服务，还将提高成本效率，从而降低5G网络部署的成本。之前被“锁定”在专有RAN中的运营商谈判能力有限，而开放的环境使竞争更加公平，刺激市场竞争并降低成本。

创新是Open RAN的另一个重要优势。开放接口的发展刺激了创新，让更小、更灵活的竞争对手可以开发和部署突破性技术，这不仅创造了更多创新的潜力，也加快了突破性技术发展的速度，因为小公司往往比大公司行动得更快。

一个值得注意的例子是fronthaul——C-RAN（Cloud-RAN）架构的传输网络，该网络将蜂窝站点上的RRH与一定距离外的集中式基带控制器的基带单元（BBU）连接起来。在O-RAN联盟参考体系结构中，IEEE无线电以太网（RoE）和开放增强公共无线电接口（eCPRI）协议可以在O-RAN fronthaul规范接口之上使用，以替代带宽密集型和专有的CPRI。

通过使用以太网，运营商可以采用虚拟化技术，使用现成的网络设备在物理节点之间切换前端传输，虚拟化的网络元素允许更多的定制。

下图显示了无线协议栈的各层以及4G LTE RAN和5G Open RAN的主要架构组件。由于所需的总带宽和所涉及的天线较少，因此BBU和RRH之间的CPRI数据速率足以满足LTE的需求。在5G中，大规模的多输入/多输出（MIMO）、更高的数据速率和天线数量的增加意味着在接口上来回传递的数据更多。另外，请注意，LTE RAN的主要组件BBU和RRH在O-RAN架构中被O-CU、O-DU和O-RU取代，如下所述。

4G LTE RAN与5G O-RAN的主要组件显示，BBU被O-RU、O-DU和O-CU取代，这在网络架构中提供了更大的灵活性

Open RAN体系架构

如上文所述， Open RAN体系架构的一个核心原则是开放性，特别是以开放的、可互操作的接口的形式，使MNO能够构建具有多家供应商技术的RAN。O-RAN联盟还致力于在适当的时候整合开源技术，并最大限度地利用现成的通用硬件和商用芯片，同时尽量减少专有硬件的使用。

如O-RAN联盟所述，Open RAN的第二个核心原则是整合更高的智能。网络日益复杂，需要将人工智能（AI）和深度学习相结合，才能创建自动驾驶网络。通过将AI嵌入RAN体系结构，MNO可以越来越多地实现网络功能的自动化，并将运营成本降至最低。人工智能还通过动态资源分配、流量控制和虚拟化帮助MNO提高网络效率。

用于5G O-RAN的三个主要组件是O-CU、O-DU和O-RU。

O-CU负责协议的分组数据汇聚协议（PDCP）层。

O-DU负责所有基带处理、调度、无线电链路控制（RLC）、媒体访问控制（MAC）和物理层（PHY）的上部。

O-RU是负责底层物理层处理的组件，包括无线电发送器和接收器的模拟组件。

其中。O-CU和O-DU这两个组件可以虚拟化。O-CU是RAN的组件，它始终是集中化和虚拟化的，通常运行在基于x86的计算机上。O-DU通常是一个虚拟化组件，O-DU的虚拟化需要以FPGA或GPU形式提供一些硬件加速帮助。目前，O-RU虚拟化的前景还很遥远，但是O-RAN联盟的一个工作组正在计划使用现成的组件实施白盒无线电。白盒可以在没有专有技术或组件的情况下构建O-RU。

互操作性测试要求

尽管Open RAN为MNO提供了许多好处，但要使其正常工作意味着必须采用严格的测试要求。Open RAN和分布式RAN要求单独测试RAN的每个组件是否符合标准，并测试组件的组合是否有互操作性。

为什么要同时测试一致性和互操作性？在O-RAN时代，必须确定组件是否独立地符合相应的标准，以及它们是否作为一个单元一起工作。跳过一致性测试步骤，仅执行互操作性测试，就像飞机制造商使用未经测试的零件制造飞机，然后只检查它能否飞行。

通常首先要进行一致性测试，以确保所有组件都符合单元之间的接口规格。单独测试每个组件都需要模拟周围网络的测试设备，以确保该组件符合接口协议的所有功能。

独立地进行组件一致性测试有几个好处。一方面，一致性测试允许进行负面测试以检查组件对无效输入的响应，单独的互操作性测试无法提供这一功能。另外，一致性测试还使测试工程师能够执行互操作性测试期间无法控制的协议功能。

O-RAN联盟开放前传接口工作组制定的一致性测试规范包含多个部分，其中包含许多测试类别，可测试几乎所有的5G O-RAN元素。

5G O-RAN的互操作性测试类似于4G RAN的互操作性测试。但是，5G O-RAN的一致性测试有很大不同，需要更多的设备。下图显示了O-RAN一致性测试规范中的测试设备无线电。

对O-RAN一致性规范进行测试需要为Open RAN 5G网络的每个部分配备仿真器

Open RAN发展势头强劲，在提高效率、降低成本和增加创新方面带来了显着的好处。然而，测试和验证多供应商的Open RAN并非易事。