從芯片到智能網(wǎng)絡(luò)，全面驗(yàn)證O-RAN無線連接

作者：是德科技 FPGA 首席研發(fā)工程師Ajay Kumar

  ICC訊 由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（MNO）主導(dǎo)的開放式無線接入網(wǎng)（O-RAN）聯(lián)盟，一直是推動(dòng) 5G 無線接入網(wǎng)（RAN）演進(jìn)的核心力量。其目的是引導(dǎo)行業(yè)朝著更加開放、可互操作、虛擬化和智能化的架構(gòu)發(fā)展。此篇是德科技文章概述了將 O-RAN 無線測試從芯片設(shè)計(jì)階段推進(jìn)到準(zhǔn)備就緒及安全、智能部署所需的關(guān)鍵驗(yàn)證步驟，重點(diǎn)闡述了硅前和硅后驗(yàn)證、多輸入多輸出（MIMO）/大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）性能驗(yàn)證、能效測量、安全測試和無線電管理方面的需求和挑戰(zhàn)。首先，本文將簡要回顧RAN 的發(fā)展歷史、演進(jìn)和架構(gòu)。

  在過去，RAN 的部署主要依賴于由少數(shù)供應(yīng)商提供的專有硬件，導(dǎo)致其成本高昂且靈活性有限。O-RAN 通過解耦 RAN架構(gòu)并引入標(biāo)準(zhǔn)化接口以實(shí)現(xiàn)互操作性和虛擬化，從而有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。這種開放架構(gòu)提高了靈活性，并賦予了企業(yè)搭配使用不同供應(yīng)商解決方案的能力，從而降低成本并推動(dòng)創(chuàng)新。

  此外，人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)一步提升了O-RAN的智能化水平。此舉將帶來更多創(chuàng)新成果，進(jìn)一步提升能效、增強(qiáng)安全性、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和運(yùn)維等。

  O-RAN 架構(gòu)的核心組件

  圖 1 列出了 O-RAN 架構(gòu)的核心組件，包括：

  O-RAN 無線電單元（O-RU）：執(zhí)行模擬/射頻發(fā)射器和接收器功能，并處理較低部分物理層的任務(wù)，如快速傅里葉變換 （FFT） / 逆快速傅里葉變換（IFFT）、波束賦形、預(yù)編碼、循環(huán)前綴插入/移除和壓縮/解壓縮。

  O-RAN 分布式單元（O-DU）：用于基帶處理、調(diào)度、無線鏈路控制、媒體接入控制和處理較高部分物理層的任務(wù)。

  O-RAN 中央單元（O-CU）：集中式虛擬單元，用于分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層。

  O-RAN 智能控制器（O-RIC）：處理接近實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的服務(wù)，收集網(wǎng)絡(luò)信息，并利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)執(zhí)行必要的優(yōu)化任務(wù)。

  服務(wù)管理和編排系統(tǒng)（SMO）：集中管理和協(xié)調(diào)包括兩個(gè) RIC 在內(nèi)的 RAN。

圖 1：O-RAN架構(gòu)及用戶設(shè)備和核心網(wǎng)

  無線電單元（RU）是一個(gè)關(guān)鍵的前傳組件，為用戶設(shè)備提供無線連接。它可以與 O-RAN 的其他組件通信，負(fù)責(zé)在核心網(wǎng)與用戶設(shè)備之間雙向傳輸信息。O-RAN 聯(lián)盟 7.2x 分割選項(xiàng)在 O-RU 和 O-DU 之間重新分配物理層功能，以便在前端帶寬要求、延遲時(shí)限和組件復(fù)雜性之間取得平衡。此舉通過在無線電設(shè)備的數(shù)字部分增加信號處理功能，深刻影響了無線電單元的整體 O-RU架構(gòu)。

  在產(chǎn)品開發(fā)周期中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過模塊級仿真來驗(yàn)證其功能。然而在系統(tǒng)層面，仿真的復(fù)雜度和運(yùn)行時(shí)間都會大幅增加。因此，在流片前的關(guān)鍵階段，啟動(dòng)硅前測試至關(guān)重要。

  硅前驗(yàn)證：在流片前鑄就信心基石

  硅前驗(yàn)證指在制造芯片之前對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，以更真實(shí)地反映實(shí)際場景中的性能表現(xiàn)。這一步驟有助于在產(chǎn)品開發(fā)的早期識別設(shè)計(jì)缺陷，從而在合理的時(shí)間周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)測試目標(biāo)。然而，要確定特定功能所需的測試用例，就必須全面了解測試規(guī)范。這些測試規(guī)范涵蓋了控制、用戶、同步和管理（CUSM）平面協(xié)議的各種測試。

  由于涉及大量參數(shù)，創(chuàng)建符合 5G 標(biāo)準(zhǔn)的測試矢量是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。  更為棘手的是，這些測試刺激信號需要以同步方式從 DU 上的以太網(wǎng)接口、非標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)域 IQ 接口或射頻接口發(fā)送，以完成完整的無線測試。

圖 2：O-RU ASIC 測試協(xié)議棧

  為實(shí)現(xiàn)硅前測試目標(biāo)，必須預(yù)先驗(yàn)證測試套件，以避免耗費(fèi)時(shí)間調(diào)試測試用例本身。測試設(shè)置的可觀察性對早期發(fā)現(xiàn)和解決問題有關(guān)鍵意義，能有效防止?jié)撛谌毕荼贿z留到最終的設(shè)計(jì)。圖 2 展示了用于 ASIC 仿真的 O-RU 測試協(xié)議棧和控制器測試設(shè)置。

  硅后驗(yàn)證：銜接量產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

  驗(yàn)證互操作性的測試方法可以將各組件作為一個(gè) gNB進(jìn)行整體測試，這種方法基本保持不變；而一致性測試仍在不斷演進(jìn)，以確保每個(gè)組件都符合 O-RAN 聯(lián)盟制定的規(guī)范。

  為了在快節(jié)奏的設(shè)計(jì)周期中保持精進(jìn)勢頭，需要從硅前驗(yàn)證順利過渡到硅后驗(yàn)證。因此，必須采用統(tǒng)一的工作流程和工具進(jìn)行信號生成和分析，以實(shí)現(xiàn)測試套件的重復(fù)使用。

圖 3：O-RU 測試和驗(yàn)證示意圖和流程

  在硅后測試階段，測試訪問控制主要限于 O-RU 的 O-RAN 和射頻端口。如圖 3 所示，要測試 O-RU，需要具備：一個(gè) O-DU 仿真器，用于發(fā)送和接收 O-RAN 端口上的 CUSM 平面信息；一個(gè)矢量信號分析儀，用于接收 O-RU 發(fā)送的下行射頻信號；一個(gè)信號發(fā)生器，用于向 O-RU 發(fā)送上行信號；非傳導(dǎo)測試可能還需要其他設(shè)備。所有這些測試設(shè)置組件都需要進(jìn)行時(shí)鐘對齊，并滿足嚴(yán)格的前傳測試定時(shí)要求。

  MIMO 和大規(guī)模 MIMO ：實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能

  MIMO 和 mMIMO 技術(shù)使用多天線系統(tǒng)（mMIMO 系統(tǒng)通常使用 16 根或更多天線），在同一頻段上同時(shí)為多個(gè)用戶提供服務(wù)，從而提高頻譜效率和吞吐量。采用mMIMO技術(shù)時(shí)，需要應(yīng)用先進(jìn)的波束賦形技術(shù)將無線電信號精確地轉(zhuǎn)向用戶，以提高信號質(zhì)量并減少干擾。然而，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，性能驗(yàn)證也變得非常復(fù)雜、耗時(shí)和昂貴。

  要測試大規(guī)模多輸入多輸出無線電單元，需要具備：O-DU 模擬器，配備通過以太網(wǎng)接口生產(chǎn)、播放、捕獲和測量 O-RAN 流量的工具；多射頻收發(fā)器，用于在不同方向上產(chǎn)生帶有噪聲和干擾的波束，并同時(shí)接收信號。測試裝置不僅需要測量上行和下行鏈路方向的所有波束和信號，還需要能夠精確定位波束賦形問題。圖 4 顯示了帶幅度和相位權(quán)重的下行鏈路波束賦形示例，以及相應(yīng)的波束模式和 EVM 數(shù)據(jù)。

圖 4：帶幅度和相位加權(quán)的下行鏈路波束賦形以及相應(yīng)的波束模式和 EVM 數(shù)據(jù)

  提高能效，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

  隨著無線連接呈指數(shù)級增長，為了降低運(yùn)營成本、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和減少對環(huán)境的影響，提高能源效率已成為運(yùn)營商的首要任務(wù)。許多研究表明，大部分能源消耗發(fā)生在無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）領(lǐng)域，因此 O-RAN 社區(qū)正在努力實(shí)現(xiàn)節(jié)能模式的標(biāo)準(zhǔn)化，目的是在不降低服務(wù)質(zhì)量（QoS）的情況下降低功耗。

  O-RU 是接入網(wǎng)中功耗最高的組件。不過，可以通過多種手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能，例如可變時(shí)鐘、動(dòng)態(tài)功率放大器偏置、小區(qū)和載波關(guān)閉、射頻信道重新配置、睡眠模式、間斷收發(fā)等。隨著 RAN 的分解，需要明確各組件特性，以全面了解系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面的權(quán)衡。圖 5 對比展示了啟用和未啟用微睡眠模式時(shí)，O-RU 站點(diǎn)在 24 小時(shí)內(nèi)的功耗以及潛在的節(jié)能效果。

圖 5：O-RU 站點(diǎn)在 24 小時(shí)內(nèi)的功耗

  安全測試：確保不間斷的無線連接

  在分散的多供應(yīng)商 O-RAN 環(huán)境中，單個(gè)組件、接口、網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn)會增加。O-RAN 威脅建模和風(fēng)險(xiǎn)評估規(guī)范列出了包括O-RU在內(nèi)的各要素（包括 O-RU）面臨的 160 多種不同威脅。

  需要對每個(gè)元件、協(xié)議和接口進(jìn)行漏洞掃描，在模擬真實(shí)威脅場景下進(jìn)行壓力測試，并檢查模擬攻擊下的性能。確保部署有效的風(fēng)險(xiǎn)緩解策略同樣重要。因此，自動(dòng)安全測試至關(guān)重要，不僅要符合安全標(biāo)準(zhǔn)，還要確保無線連接有保障，并符合 O-RAN 零信任原則。

  利用 RIC 進(jìn)行無線電管理，提高運(yùn)營效率

  服務(wù)管理和編排系統(tǒng)（SMO）這一層負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源，而 RIC 則在優(yōu)化無線接入網(wǎng)絡(luò)性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。非實(shí)時(shí) RIC 使用 rApps ，基于AI/ML 驅(qū)動(dòng)，對時(shí)間敏感度較低的操作進(jìn)行長期優(yōu)化。而近實(shí)時(shí) RIC 則部署了 xApps，以進(jìn)行十毫秒到一秒的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。

  這些控制器通過波束管理和無線電資源管理等高級功能，共同提高了網(wǎng)絡(luò)利用率和運(yùn)行效率。為確保性能可靠，必須實(shí)施開環(huán)和閉環(huán)策略，并對其進(jìn)行嚴(yán)格測試，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化。

  結(jié)語

  對O-RAN 無線電單元執(zhí)行從芯片驗(yàn)證到智能網(wǎng)絡(luò)測試的過程非常復(fù)雜，但對于充分發(fā)揮開放式智能網(wǎng)絡(luò)的潛力至關(guān)重要。為了適應(yīng)不斷迭代加速的設(shè)計(jì)周期并確保符合 O-RAN 前傳標(biāo)準(zhǔn)，必須配備規(guī)劃完善的測試設(shè)置、強(qiáng)大的工具、預(yù)先驗(yàn)證的測試用例和自動(dòng)測試套件，以實(shí)現(xiàn)各階段的平穩(wěn)過渡。

  關(guān)于是德科技

  是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時(shí)控制好風(fēng)險(xiǎn)。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。了解更多信息，請?jiān)L問是德科技官網(wǎng) www.keysight.com/。