怎么使用MATLAB进行O-RAN小基站建模和仿真？

开放式无线接入网（Open Radio Access Network，简称 O-RAN）是一种无线接入网 (RAN)。它允许不同供应商开发的蜂窝网络设备之间进行互操作。O-RAN 旨在将传统的以单片硬件为中心的 RAN 设计转变为使用独立构建块（具有开放的标准化接口）的设计。

这样，无线网络设备提供商便可专注于提供特定的软件组件，而不是构建整个 RAN。这种组件化使无线服务提供商能够混搭从多家供应商处采购的组件，灵活构建有竞争力的小基站网络。您可以使用 MATLAB 和 5G Toolbox 为 O-RAN 一致性测试生成前传控制与用户 (CU) 面消息。



图 1.MATLAB 和 5G Toolbox 如何帮助您为 O-RAN 设计的测试生成 CU 面消息。

O-RAN 架构

图 2.传统无线接入网 (RAN) 架构与开放式无线接入网 (O-RAN) 架构之比较。

在图 2 中，左图说明了传统 RAN 如何使用单一供应商提供的基带单元 (BBU) 和无线电单元 (RU) 等模块。为了更灵活地设计无线接入网，O-RAN 联盟制定了 O-RAN 协议，允许将基带单元和无线电单元分割为三个不同的模块及其协议层，每个层均可由不同的供应商提供：

O-RU（O-RAN 无线电单元），负责处理射频和物理层下部 (Low-PHY)

O-DU（O-RAN 分布式单元），负责执行物理层上部 (High-PHY)、介质访问控制 (MAC) 和无线电链路控制 (RLC) 的任务

O-CU（O-RAN 中央单元），负责管理分组数据聚合协议 (PDCP)、服务数据适配协议 (SDAP) 和无线电资源控制 (RRC) 协议实体

在 O-RAN 环境中，O-CU 和核心网之间的接口称为回传，O-DU 和 O-CU 之间的接口称为中传，而 O-DU 和 O-RU 之间的接口称为前传。您可以使用 MATLAB 和 5G Toolbox 开发算法，以为前传和其他 O-RAN 接口生成数据，如图 2 所示。此外，还可以使用 MATLAB、Simulink 和 Wireless HDL Toolbox 来降低实现的复杂性，然后通过基于模型的设计在 FPGA 上集成、测试和验证 O-DU 和 O-RU 系统。



图 3.O-RAN 协议组件（O-RU、O-DU 和 O-CU）及其协议实体。

O-RAN 联盟选择了位于物理层下部 (Low-PHY) 和物理层上部 (High-PHY) 之间的拆分选项 7.2x。O-DU 和 O-RU 之间的开放前传接口在 7.2x 拆分处定义。

O-RAN 前传信号处理

例如，在下行链路 (DL) 处理中，操作序列可以细分为 7.2x 拆分之前的操作和之后的操作。在 7.2x 拆分的一边，功能上移到 O-DU 中的资源元素映射，如下所示：

用户位从介质访问控制 (MAC) 层接收。

这些位按照传输信道进行组织，执行 5G NR 高层信号处理操作，包括数据编码、加扰、调制、层映射、预编码和资源元素映射。

得到的 IQ 样本生成 5G NR 资源网格。

在 7.2x 拆分的另一边，以下功能出现在 O-RU 中：

预编码和数字波束成形

循环前缀正交频分复用 (CP-OFDM) 信号生成，其中包括快速傅里叶逆变换 (IFFT)，紧接着是循环前缀插入

数模转换和模拟波束成形

在指定的天线端口上以指定的射频频率进行空口模拟信号传输

开放前传接口

图 4.O-RAN 协议层次结构和 5G NR 功能拆分选项。

为了能够在开放前传的两次 7.2x 拆分之间发送信息，必须按照以下说明进行操作：在 O-DU 端，首先压缩 High-PHY 信息，然后将其封装在增强型通用公共无线电接口 (eCPRI) 数据包中，最后再将其嵌入到以太网帧中进行传输。在 O-RU 端，采集收到的以太网帧，提取 eCPRI 数据包，解压缩数据包中的数据，然后执行 Low-PHY 操作。这些步骤如图 5 所示。

之所以需要压缩，是因为开放前传的容量有限。O-RAN 联盟建议采用不同的压缩和解压缩方法来减小传输带宽。



图 5.下行链路开放前传中的信号流和信号处理步骤。

使用 MATLAB 进行 O-RAN 建模和仿真

使用 MATLAB 和 5G Toolbox，可以为 O-RAN 压缩一致性测试（点击”阅读原文“获取代码示例）生成前传控制与用户 (CU) 面消息。5G Toolbox 还可用于生成和解码这些数据包。所有属于 High-PHY 和 Low-PHY 的物理层函数均可从该工具箱中获得。 通过在 5G Toolbox 中进行开放前传建模和仿真，您可以：

应用 High-PHY 操作，然后提取 7.2x 拆分中的 IQ 数据，即来自资源网格的数据。

使用其中一种可用的压缩方法压缩数据。支持的压缩方法包括块浮点 (BFP)、块缩放和 μ 律，其定义分别见 TS O-RAN.WG4.CUS 附件 A.1.1、A.2.1 和 A.3.1。

按照 TS O-RAN.WG4.CUS 中的定义，构建 O-RAN 前传 CU 面消息，然后将消息写入 PCAP 文件。这些前传消息将从 O-RAN 分布式单元 (O-DU) 发送到 O-RAN 无线电单元 (O-RU)。

解码 O-RAN 无线电单元 (O-RU) 中的 CU 面消息。

恢复资源网格，解压缩数据，然后继续执行 Low-PHY 操作。

审核编辑：刘清