一、O-RAN简介

如今，全球蜂窝数据使用量持续增长，因此，电信系统必须随之进行革新，才能满足这一需求量。虽然5G标准能够满足更高的蜂窝吞吐量需求，且有望实现各种新的应用场景，但如果网络没有进行相应的改进，许多拟定的5G应用只能是纸上谈兵。以超可靠低延迟通信(URLLC)应用场景为例，由于这种应用场景对网络延迟要求很高，而如果网络不进行优化，URLLC应用就不可能实现。未来的网络需要变得更加灵活，并且能够充分利用人工智能等新技术。网络运营商正在转向软件定义的网络，以便能够定制和管理其部署的网络。移动网络运营商还需要实现设备互操作，或者能够自由选择不同供应商提供的网络设备组件。总体而言，无论是无线电接入网(RAN)，还是电信系统硬件，都有很大的改进空间。3GPP R15中确定了三种不同的gNodeB功能：中央单元(CU)、分布式单元(DU)和无线电单元(RU)。这三个组件有多种配置方式，最好根据各自的网络来确定最佳配置方案。如果gNodeB组件均来自同一个供应商，那么可以在这些组件之间选择专用的接口。O-RAN联盟（即O-RAN）致力于推动5G RAN实现前所未有的开放性。O-RAN联盟章程介绍了如何通过开放的CU、DU和RU接口来实现白盒化的网络，而不是整个系统的功能完全由供应商定义，从而提高RAN的灵活度，为网络运营商提供更多选择。而且，这种方法可以给传统上不提供网络硬件的中小企业带来全新的机会，鼓励他们创新发展。创新技术越多，选择越多，意味着部署新网络的成本也就有可能降低。O-RAN还希望将深度学习技术集成到每个RAN架构中，从而提高通信系统的智能化水平。O-RAN的参考架构（如图1所示）说明了如何构建与O-RAN兼容的RAN。

图1.O-RAN联盟参考架构

二、如何切分RAN

O-RAN提出的概念以及架构均基于RAN切分这一概念。就功能而言，RAN有8种切分方式，每种方式分别对不同的协议层进行切分，这样协议栈的不同部分就可以在不同的硬件上进行处理。图2总结了这八种选项。

图2.RAN切分选项

O-RAN建议使用选项7-2。如图2所示，此选项将物理层(PHY)切分为高低层。如果使用选项7-2，在上行链路(UL)，CP去除、快速傅立叶变换(FFT)、数字波束成形（如果适用）和预过滤（仅适用于PRACH（物理随机接入信道））功能在RU中执行，而物理层的其余处理均在DU中进行。在下行链路(DL)，逆FFT(iFFT)、CP添加、预编码功能和数字波束形成（如果适用）在RU中进行，而PHY的其余处理均在DU中进行。

选项8切分方式沿用了2G、3G和4G使用的通用公共无线电接口(CPRI)。而使用7-2切分方式，可减少DU和RU之间的流量。O-RAN指定了一个7-2切分的版本。下面的图3解释了7-2切分选项，以及协议栈的其他部分如何在CU和DU之间实现切分。7.2x切分既可以将该技术快速推向市场，又可以控制部署成本，在两者之间实现了最佳平衡。这种方式可以减少关于切分细节的混淆，同时进一步减少流量，并改善质量。一些5G系统使用演进的CPRI，也就是eCPRI作为DU-RU接口。eCPRI可针对特定供应商对物理层进行高低层切分。因此，通过支持多种切分，可优化流量或灵活性，从而适应由于独特天线物理环境形成的不同部署环境。这样能够针对不同运营商的特定连接进行成本优化。

图3.选项7-2的CU、DU和RU协议层切分

对于新的5G RAN架构（称为NR-RAN），3GPP已定义了全新的F1接口并对其进行了标准化，用于CU和DU之间的通信。CU和DU之间的物理切分称为高层切分(HLS)。DU和RU之间的低层接口则称为低层切分(LLS)，但3GPP尚未对其进行定义。CU和DU的关系，以及二者与RU的关系有多种配置方式。图4显示了不同的NR-RAN配置。请注意，F1接口具有容迟特点，而DU-RU接口需要低延迟传输。因而在创建低延迟接口时会面临着诸多挑战，所以在本文的后半部分，我们将详细介绍了中央RAN的低层切分应用场景。

图4. 灵活的5G RAN功能单元位置

DU和RU之间的接口也称为前传（fronthaul，FH）接口。前传接口是要求最苛刻的系统接口之一，对延迟非常敏感。如果DU和RU由同一制造商提供，则大多数系统可将CPRI或eCPRI（仅限5G）用作前传接口。尽管设计CPRI的初衷是用作开放接口，但实际上，为了配合自身的硬件，每个供应商的实现方式都略有不同，因此实现多厂商互操作绝非易事，甚至根本不切实际。虽然不鼓励采用开放式白盒硬件架构，但DU和RU之间的紧密同步却可以更轻松地实现。如果DU和RU由同一供应商提供，二者在发送时间和接收时间方面将是匹配的（唯一的变化就是DU和RU之间的距离）。

在O-RAN的两个目标中，其中一个是建立更开放的生态系统，这就需要定义一个新的前传接口。在七个O-RAN工作组中，工作组4 (WG4)就是专门负责定义此接口。该工作组称为开放式前传接口工作组，其目标是“提供真正开放的前传接口，以实现多厂商DU-RRU互操作。” 图5显示了建议的DU-RU接口如何在不同平面上交换信息。虽然这七种不同的流量（再加上额外的管理(M)平面流量）看似非常复杂，但从更高的层面来看，四个平面（控制、用户、同步和管理）其实只使用了三种数据类型（IQ数据、定时和同步数据、命令和控制信息）。

图5.低层前传数据流

由于CPRI基于选项8切分方式，因此在IQ数据传输、打包和解压缩的方式上，前传接口与CPRI截然不同。选项8可以在RF层上切分网络，因此IQ样本未经过任何PHY处理(FFT/iFFT)。随着4G后期和5G早期阶段网络的演变，大规模多输入多输出(MIMO)中使用的天线越来越多，采样率（每个天线多个样本）也不断提高，为了减少流经接口的数据流量，eCPRI便应运而生。由于系统数据量超出了物理连接的承受范围，而如果要实现能够容纳该数据量的连接，成本又过于高昂，因此，为了减少通过该接口的数据量，eCPRI将PHY的一部分数据移到RU上处理并添加了压缩算法。但是，具体要将PHY的哪些部分移动到RU中，并没有任何特定的切分标准，各个供应商的做法都有所不同。对于某些供应商而言，这可能是一项竞争优势，并且这种方法可能有助于运营商降低链路成本。由于部分低层PHY功能在RU中执行，因此DU需要告知RU如何执行这些功能。因此，eCPRI的命令和控制接口也与O-RAN的前传接口完全不同。但是供应商各自不同的切分方式将导致服务提供商继续依赖于供应商。O-RAN的开放式前传接口旨在通过使用7-2x切分，对需要移动到RU中的物理层部分建立相应的标准，以便集成不同供应商提供的硬件。

三、互操作性测试(IOT)

在努力完善前传接口的同时，WG4还必须考虑如何对接口进行测试。如果系统包含不同硬件供应商提供的DU和RU，就要求系统集成商和供应商要具有适当的DU和RU接口验证能力。此类测试通常称为互操作性测试。O-RAN正在研究如何测试与O-RAN兼容的系统。图6所示的O-RAN简图显示了使用O-RAN-CU(O-CU)和UE对O-RAN-DU (O-DU)和O-RAN-RU (O-RU)进行测试的系统配置，该配置可以用于实验室仿真，也可以商用。其中有一个测试点用于测试CU和DU之间的接口，还有一个测试点测试RU RF输入/输出，但是待测设备(DUT)却是DU和RU的组合。这时如果使用主动激励，不会对DU和RU之间的前传接口进行测试，该测试仅在被动监测时才可能进行。O-RAN当前正在研究如何测试前传接口。

图6.O-RAN测试设置，主动（左）和被动（右）

前传接口可以执行两种主动测试：协议测试和参数测试。O-RAN已经证明，在进行测试用例验证和故障分析时，需要进行协议测试。在开发过程中，必须拥有能够对设计进行验证的测试工具，这样才能确保正确连接其他兼容O-RAN的设备。在设计完成且DU和RU进入验证和生产阶段后，就需要进行参数测试，以确保每个单元均按预期运行。

对于RU测试系统，CU和DU之间的E1接口无需进行测试。RU测试系统必须能够模拟CU和DU的功能，并且能够监测前传接口。根据所需的测试级别，可以将测试UE或UE仿真器添加到系统，来搭建完整的端到端(E2E)测试系统。NI可提供基于其软件无线电(SDR)和FPGA硬件的5G NR IP。下面的图7中展示了一个E2E测试系统示例。

图7.E2E DU-RU测试系统示例

四、结论

O-RAN制定了三个愿景：

（1）打造更加智能的RAN网络，通过网元虚拟化，最大程度提高效率

（2）推动硬件白盒化，实现多厂商网络解决方案

（3） 网络组件接口标准化

O-RAN实施这些关键举措的目的是推动网络发展，从而更好地适应未来需求，并整合5G有望实现的新功能和应用场景，例如URLLC。由于DU-RU通信要求低延迟传输，使得前传接口的定义尤其具有挑战性。O-RAN工作组4在此方面不断取得进展，而且多家公司已开始构建与O-RAN兼容的RU，用于连接到其他与O-RAN兼容的硬件。随着这项新技术的上市，无论是在设计和验证阶段还是生产测试过程中，验证和测试DU-RU接口的能力都至关重要。NI提供了IOT测试硬件和软件，可帮助企业更快速将与O-RAN兼容的新RU推向市场。目前尚不清楚O-RAN能否在5G网络中得到广泛采纳和使用；但是目前该联盟正在积极定义新接口，并努力寻求各种方法，通过多厂商硬件解决方案来建设新网络，从而优化并推动网络的发展。