为什么无线通信行业需要O-RAN?

开放式无线接入网（O-RAN）实现了5G的RAN转型和虚拟化。它给网络运营商带来了重大的机遇，但也给测试工程师带来了新的挑战。在无线工程师心中，有很多关于O-RAN的问题。本文将解释为什么无线通信行业需要O-RAN，它是如何工作的以及未来有哪些挑战。

什么是O-RAN？

首先，我们来定义一下O-RAN。它本身并不是一项技术，而是由全球五家运营商牵头于2018年2月成立的联盟，希望从物理的专用硬件迁移到基于云的虚拟软件实现。通过指定离散组件和标准化接口，该联盟实现了在白盒硬件上的托管，并为运营商打开了与众多供应商合作的大门。

他们可以直接与射频合约制造商、专门从事图形处理单元（GPU）和现场可编程门阵列（FPGA）的公司，甚至虚拟云基础设施提供商合作。通过O-RAN，运营商可以混合和匹配组件，并与专家合作，创建独特的解决方案。

O-RAN联盟提供了RAN组件（包括无线单元（O-RU）、分布式单元（O-DU）和集中式单元（O-CU））之间的规范、参考架构和接口。在过去的两年里，成员数量有了很大的增长。该联盟现在包括24家移动网络运营商和148家其他贡献者，从网络设备制造商（NEM）和芯片组制造商到构建堆栈和无线电元件的公司。 你可以在该组织的网站上查看成员名单。

5G需要O-RAN

现在我们已经定义了O-RAN，让我们更深入地了解一下为什么行业需要它。答案很简单：更多的数据将随着5G而来，这将对RAN基础设施的前程部分提出重大要求。

在4G LTE中，集中式基带单元（BBU）通过通用公共无线电接口（CPRI）连接到远程无线头（RRH）。由于总带宽要求和天线数量少，BBU和RRH之间的数据速率是足够的。然而，在5G中，有更多的数据需要来回传输。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。

为解决5G前程挑战，已经出现了两种解决方案：高层分路（HLS）和低层分路（LLS）。O-RAN同时涉及HLS和LLS，而且接口是标准化的。运营商可以使用不同的厂商的CU、DU或RU。这些组件的互操作性更强，协议也有明确的定义。

不过，5G还是会推动前端的带宽爆炸。LTE信道通常只有10或20 MHz的带宽。BBU和RRH之间的CPRI意味着线路速率从600到10 Mbps不等，这取决于带宽和MIMO信道的数量。单个10-MHz带宽信道可转化为614 Mbps的线路速率，8个10-MHz信道意味着约5 Gbps，10个20-MHz信道略高于10 Gbps。CPRI可以很容易地解决这些要求，这也是为什么在LTE网络中BBU和RRH之间的这个接口很突出的原因。

5G的情况则大不相同。带宽增加到100 MHz或更多，在许多情况下，天线数量增加到8根，这意味着RU和BU之间的线路速率在28 Gbps范围内。更大的带宽，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上根本无法维持。功能分路可解决这一挑战。

功能分路如何工作

功能分割在实际中是如何解决这个问题的呢？通常情况下，基于两者之间来回传输数据包的时延要求非常低，RU和DU之间的距离约为10公里。增强型CPRI（eCPRI）接口通过将所有物理层功能转移到RU上，降低了对带宽的要求。

不过，RU的复杂性急剧增加。方案8是一种分离方案，它提供了一种替代方案，将所有物理层（PHY）功能放入DU中，只在边缘保留天线。这就像通过CPRI接口进行连接的LTE架构。

如前所述，随着5G的发展，对带宽的要求显著增加。即使是在DU和RU之间需要200或300Gb传输的名义方案也是站不住脚的。这就是方案7.2的作用。这个分路方案提供了DU和RU之间的最佳分路。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带宽所需的带宽约为20 Gb，并具有一定的MIMO功能。

从DU移动到CU通常意味着上层分割或HLS-方案2。处理器密集型功能将移至CU，而堆栈的其余部分，如媒体访问控制（MAC）和无线链路控制（RLC）层，以及高PHY，则留在DU中。你可以在控制层用DU和CU之间的接口进行分割。DU和CU之间的数据要求约为100Gb，在毫秒范围内有稍高的时延要求。CU与DU之间的距离要求约为80公里。

其他实施挑战

我们不要忘记回程接口，在非独立（NSA）部署的情况下，这是CU与4G网络的连接点，在独立（SA）实施的情况下，这是5G核心网络的连接点。 这个接口对距离的要求要高得多--大约200公里，而对时延的要求则不那么严格，只有40毫秒。

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从规范到实现和部署，互操作性将是一个重大挑战。组件不仅需要互操作，还需要符合规范。为了控制O-DUU和O-RU之间的带宽量，性能也将是一个重点领域。

目前，许多工程师都在为被测设备（DUT）而苦恼。很少有人同时精通射频和以太网，他们对规范的解释也不尽相同，从而导致不同的实现。

从事O-RU工作的工程师正在处理时序问题，并经常绕过M平面。他们还面临着O-RU和O-DU之间的时钟和同步挑战。那些专注于O-DU的工程师面临着处理瓶颈和类似于O-RU方面的时序问题，还需要确保O-DU可以托管在虚拟和物理设备上。

同时，O-CU的挑战则是围绕着可扩展性，比如每个CU可以支持多少个DU或UE，吞吐量有多大。此外，中央单元的控制和用户平面--Cu-UP和Cu-CP的分离需要通过E1接口进行协调。

虽然这些挑战可以说是早期的磨合问题，随着时间的推移会得到解决，但它们可能会带来严重的后果。如果缺少某些协议选项或不满足M面参数，DU将无法继续工作，即使它们是可选的。DU的设计也是为了配合特定的RU功能。DU通常支持一定的RU类别、波束成形模型和压缩率，如果不匹配就会停止工作。

很多方面必须在DU和RU之间保持一致，整个系统才能工作。好消息是工程师们可以获得克服这些挑战的解决方案，而且还会有更多的解决方案出现。O-RAN是复杂的，但它会一直存在。
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