一、O-RAN簡介

如今，全球蜂窩數據使用量持續增長，因此，電信系統必須隨之進行革新，才能滿足這一需求量。雖然5G標準能夠滿足更高的蜂窩吞吐量需求，且有望實現各種新的應用場景，但如果網絡沒有進行相應的改進，許多擬定的5G應用只能是紙上談兵。以超可靠低延遲通信(URLLC)應用場景為例，由于這種應用場景對網絡延遲要求很高，而如果網絡不進行優化，URLLC應用就不可能實現。未來的網絡需要變得更加靈活，并且能夠充分利用人工智能等新技術。網絡運營商正在轉向軟件定義的網絡，以便能夠定制和管理其部署的網絡。移動網絡運營商還需要實現設備互操作，或者能夠自由選擇不同供應商提供的網絡設備組件。總體而言，無論是無線電接入網(RAN)，還是電信系統硬件，都有很大的改進空間。3GPP R15中確定了三種不同的gNodeB功能：中央單元(CU)、分布式單元(DU)和無線電單元(RU)。這三個組件有多種配置方式，最好根據各自的網絡來確定最佳配置方案。如果gNodeB組件均來自同一個供應商，那么可以在這些組件之間選擇專用的接口。O-RAN聯盟（即O-RAN）致力于推動5G RAN實現前所未有的開放性。O-RAN聯盟章程介紹了如何通過開放的CU、DU和RU接口來實現白盒化的網絡，而不是整個系統的功能完全由供應商定義，從而提高RAN的靈活度，為網絡運營商提供更多選擇。而且，這種方法可以給傳統上不提供網絡硬件的中小企業帶來全新的機會，鼓勵他們創新發展。創新技術越多，選擇越多，意味著部署新網絡的成本也就有可能降低。O-RAN還希望將深度學習技術集成到每個RAN架構中，從而提高通信系統的智能化水平。O-RAN的參考架構（如圖1所示）說明了如何構建與O-RAN兼容的RAN。

圖1.O-RAN聯盟參考架構

二、如何切分RAN

O-RAN提出的概念以及架構均基于RAN切分這一概念。就功能而言，RAN有8種切分方式，每種方式分別對不同的協議層進行切分，這樣協議棧的不同部分就可以在不同的硬件上進行處理。圖2總結了這八種選項。

圖2.RAN切分選項

O-RAN建議使用選項7-2。如圖2所示，此選項將物理層(PHY)切分為高低層。如果使用選項7-2，在上行鏈路(UL)，CP去除、快速傅立葉變換(FFT)、數字波束成形（如果適用）和預過濾（僅適用于PRACH（物理隨機接入信道））功能在RU中執行，而物理層的其余處理均在DU中進行。在下行鏈路(DL)，逆FFT(iFFT)、CP添加、預編碼功能和數字波束形成（如果適用）在RU中進行，而PHY的其余處理均在DU中進行。

選項8切分方式沿用了2G、3G和4G使用的通用公共無線電接口(CPRI)。而使用7-2切分方式，可減少DU和RU之間的流量。O-RAN指定了一個7-2切分的版本。下面的圖3解釋了7-2切分選項，以及協議棧的其他部分如何在CU和DU之間實現切分。7.2x切分既可以將該技術快速推向市場，又可以控制部署成本，在兩者之間實現了最佳平衡。這種方式可以減少關于切分細節的混淆，同時進一步減少流量，并改善質量。一些5G系統使用演進的CPRI，也就是eCPRI作為DU-RU接口。eCPRI可針對特定供應商對物理層進行高低層切分。因此，通過支持多種切分，可優化流量或靈活性，從而適應由于獨特天線物理環境形成的不同部署環境。這樣能夠針對不同運營商的特定連接進行成本優化。

圖3.選項7-2的CU、DU和RU協議層切分

對于新的5G RAN架構（稱為NR-RAN），3GPP已定義了全新的F1接口并對其進行了標準化，用于CU和DU之間的通信。CU和DU之間的物理切分稱為高層切分(HLS)。DU和RU之間的低層接口則稱為低層切分(LLS)，但3GPP尚未對其進行定義。CU和DU的關系，以及二者與RU的關系有多種配置方式。圖4顯示了不同的NR-RAN配置。請注意，F1接口具有容遲特點，而DU-RU接口需要低延遲傳輸。因而在創建低延遲接口時會面臨著諸多挑戰，所以在本文的后半部分，我們將詳細介紹了中央RAN的低層切分應用場景。

圖4. 靈活的5G RAN功能單元位置

DU和RU之間的接口也稱為前傳（fronthaul，FH）接口。前傳接口是要求最苛刻的系統接口之一，對延遲非常敏感。如果DU和RU由同一制造商提供，則大多數系統可將CPRI或eCPRI（僅限5G）用作前傳接口。盡管設計CPRI的初衷是用作開放接口，但實際上，為了配合自身的硬件，每個供應商的實現方式都略有不同，因此實現多廠商互操作絕非易事，甚至根本不切實際。雖然不鼓勵采用開放式白盒硬件架構，但DU和RU之間的緊密同步卻可以更輕松地實現。如果DU和RU由同一供應商提供，二者在發送時間和接收時間方面將是匹配的（唯一的變化就是DU和RU之間的距離）。

在O-RAN的兩個目標中，其中一個是建立更開放的生態系統，這就需要定義一個新的前傳接口。在七個O-RAN工作組中，工作組4 (WG4)就是專門負責定義此接口。該工作組稱為開放式前傳接口工作組，其目標是“提供真正開放的前傳接口，以實現多廠商DU-RRU互操作。” 圖5顯示了建議的DU-RU接口如何在不同平面上交換信息。雖然這七種不同的流量（再加上額外的管理(M)平面流量）看似非常復雜，但從更高的層面來看，四個平面（控制、用戶、同步和管理）其實只使用了三種數據類型（IQ數據、定時和同步數據、命令和控制信息）。

圖5.低層前傳數據流

由于CPRI基于選項8切分方式，因此在IQ數據傳輸、打包和解壓縮的方式上，前傳接口與CPRI截然不同。選項8可以在RF層上切分網絡，因此IQ樣本未經過任何PHY處理(FFT/iFFT)。隨著4G后期和5G早期階段網絡的演變，大規模多輸入多輸出(MIMO)中使用的天線越來越多，采樣率（每個天線多個樣本）也不斷提高，為了減少流經接口的數據流量，eCPRI便應運而生。由于系統數據量超出了物理連接的承受范圍，而如果要實現能夠容納該數據量的連接，成本又過于高昂，因此，為了減少通過該接口的數據量，eCPRI將PHY的一部分數據移到RU上處理并添加了壓縮算法。但是，具體要將PHY的哪些部分移動到RU中，并沒有任何特定的切分標準，各個供應商的做法都有所不同。對于某些供應商而言，這可能是一項競爭優勢，并且這種方法可能有助于運營商降低鏈路成本。由于部分低層PHY功能在RU中執行，因此DU需要告知RU如何執行這些功能。因此，eCPRI的命令和控制接口也與O-RAN的前傳接口完全不同。但是供應商各自不同的切分方式將導致服務提供商繼續依賴于供應商。O-RAN的開放式前傳接口旨在通過使用7-2x切分，對需要移動到RU中的物理層部分建立相應的標準，以便集成不同供應商提供的硬件。

三、互操作性測試(IOT)

在努力完善前傳接口的同時，WG4還必須考慮如何對接口進行測試。如果系統包含不同硬件供應商提供的DU和RU，就要求系統集成商和供應商要具有適當的DU和RU接口驗證能力。此類測試通常稱為互操作性測試。O-RAN正在研究如何測試與O-RAN兼容的系統。圖6所示的O-RAN簡圖顯示了使用O-RAN-CU(O-CU)和UE對O-RAN-DU (O-DU)和O-RAN-RU (O-RU)進行測試的系統配置，該配置可以用于實驗室仿真，也可以商用。其中有一個測試點用于測試CU和DU之間的接口，還有一個測試點測試RU RF輸入/輸出，但是待測設備(DUT)卻是DU和RU的組合。這時如果使用主動激勵，不會對DU和RU之間的前傳接口進行測試，該測試僅在被動監測時才可能進行。O-RAN當前正在研究如何測試前傳接口。

圖6.O-RAN測試設置，主動（左）和被動（右）

前傳接口可以執行兩種主動測試：協議測試和參數測試。O-RAN已經證明，在進行測試用例驗證和故障分析時，需要進行協議測試。在開發過程中，必須擁有能夠對設計進行驗證的測試工具，這樣才能確保正確連接其他兼容O-RAN的設備。在設計完成且DU和RU進入驗證和生產階段后，就需要進行參數測試，以確保每個單元均按預期運行。

對于RU測試系統，CU和DU之間的E1接口無需進行測試。RU測試系統必須能夠模擬CU和DU的功能，并且能夠監測前傳接口。根據所需的測試級別，可以將測試UE或UE仿真器添加到系統，來搭建完整的端到端(E2E)測試系統。NI可提供基于其軟件無線電(SDR)和FPGA硬件的5G NR IP。下面的圖7中展示了一個E2E測試系統示例。

圖7.E2E DU-RU測試系統示例

四、結論

O-RAN制定了三個愿景：

（1）打造更加智能的RAN網絡，通過網元虛擬化，最大程度提高效率

（2）推動硬件白盒化，實現多廠商網絡解決方案

（3） 網絡組件接口標準化

O-RAN實施這些關鍵舉措的目的是推動網絡發展，從而更好地適應未來需求，并整合5G有望實現的新功能和應用場景，例如URLLC。由于DU-RU通信要求低延遲傳輸，使得前傳接口的定義尤其具有挑戰性。O-RAN工作組4在此方面不斷取得進展，而且多家公司已開始構建與O-RAN兼容的RU，用于連接到其他與O-RAN兼容的硬件。隨著這項新技術的上市，無論是在設計和驗證階段還是生產測試過程中，驗證和測試DU-RU接口的能力都至關重要。NI提供了IOT測試硬件和軟件，可幫助企業更快速將與O-RAN兼容的新RU推向市場。目前尚不清楚O-RAN能否在5G網絡中得到廣泛采納和使用；但是目前該聯盟正在積極定義新接口，并努力尋求各種方法，通過多廠商硬件解決方案來建設新網絡，從而優化并推動網絡的發展。