开放式RAN系统架构和mMIMO

(本文原载于《微波杂志》22年1/2月号)

开放式无线接入网络(O-RAN)正在改变移动网络。O-RAN是指将传统的RAN系统分解为无线电单元(RU)、分布式单元(DU)和集中式单元(CU)组件及其硬件和软件平台。1 O-RAN通过让更多的制造商参与到RAN基础设施的开发中来促进创新,如果新进入者能够提供竞争优势,他们就能够参与竞争并活跃市场。理想情况下,O-RAN标准将创建一个广泛的RAN供应商生态系统,运营商可以从不同的供应商那里挑选组件,而不是被束缚在一家公司。硬件和软件的分解使虚拟化成为可能,这意味着网络功能的很大一部分变得虚拟化,可以在商用现成的硬件或通用处理器上运行。虚拟化还实现了“云化”,即许多功能由多个服务器托管,通常捆绑在一个或多个数据中心。

图1 CU和DU之间的功能划分。

O-RAN网络要成功和被接受,接口的标准化和证明互操作性是成功的关键。3GPP已经研究了CU和DU之间不同的功能划分方案(图1)。2 O-RAN联盟选择了3GPP划分方案2作为CU和DU之间的接口,划分方案7作为DU到RU的接口。分组数据收敛协议(PDCP)层的集中化使得用户面的流量负荷得以扩展。O-RAN联盟选择了划分方案2-2,使U平面与其他平面分离,同时有一个集中的无线电资源控制器和无线电资源管理器。对于DU和RU之间的接口,O-RAN联盟选择了物理层内(PHY)的划分,即在低PHY和高PHY之间。

图2 网络功能划分为CU、DU和RU。

图2显示了CU、DU和RU的高级功能区分。RU和DU之间的链路被称为前传,CU和DU之间的链路被称为中传。由于系统内有各种控制回路,可以容忍不同的延迟。最关键的接口是前传,它通常可以容忍高达160微秒的延迟。如果使用点对点连接来连接RU和DU,可以支持RU和DU之间高达30公里的距离。

由于本文的重点是RU,所以更多的是讨论O-RAN的前传接口和相应的架构划分。在选择前传接口时,必须考虑以下几个方面:

传输带宽——参照图1,所需的数据速率从右边(PHY和RF之间的划分方案8接口)向左边减少。所选择的划分方式在灵活性和算法差异性之间提供了一个很好的折中,对数据速率的要求不高。

架构划分——划分必须反映O-RAN架构的意图:供应商中立的硬件和软件。无线电的性能不仅由无线电硬件定义,也由信号的处理方式定义。为了被市场接受,O-RAN系统必须提供与传统单一供应商系统相当的性能。架构上的划分使创新和激励差异化,如果可能的话,不应规定某些处理算法或排除其他处理技术。O-RAN联盟已经选择了一种接口,定义了具有明确定义和可理解的处理功能的无线电硬件,由DU及其软件严格控制。

互操作性——不同供应商系统之间的互操作性是O-RAN被市场采纳的关键。因此,架构划分必须提供一个任何实施者都容易理解的接口,清楚地描述,没有解释的余地,并对互操作性进行严格的测试。

图3 O-RAN架构。来源:O-RAN前传工作组。

O-RAN联盟已经定义了一个被称为7.2x划分的接口。3 在7.2x划分中,O-RAN前传接口位于DU中的资源元素映射和RU中的时频转换之间,即下行链路中的反FFT(iFFT)和循环前缀(CP)添加以及上行链路中的CP去除和FFT计算(图3)。图中的虚线处理块并非对所有RU类别都是强制性的。某些RU类别的预编码可以在RU内完成,在这种情况下,DU中的预编码被绕过了。对于mMIMO无线电,该接口预见了在RU侧的数字波束赋形。数字波束赋形对于传统无线电来说是省略的,因为传统无线电通常只有少量的收发器。此外,O-RAN联盟还区分了A类和B类O-RU。B类架构支持O-RU中的MIMO预编码;A类不支持。B类O-RU提供对调制压缩的支持,这是一种通过将调制功能转移到O-RU来减少前传带宽的技术。

除了由所谓的前传接口的U平面处理的用户流量外,O-RAN还定义了其他三个平面:处理管理控制数据的M平面、处理近实时控制数据的C平面和处理同步(频率和时间)的S平面。M平面主要用于配置RU,读出状态信息,处理错误和报警。4 它完全基于NETCONF协议,这是一个基于XML的协议,用于设置和查询网络设备的操作。它使用YANG作为其数据建模语言。

典型的配置数据包括:

  • 设置载波(如中心频率、带宽和功率)。
  • 映射天线层
  • 完全重设RU的软件
  • 更新O-RU软件,因为M平面支持下载整个软件映像。
  • 可以查询的有关O-RU状态和一般信息的典型参数有:

  • 天线辐射板的物理结构
  • 时钟同步状态
  • 前传网络接口版本以及支持的C面和U面部分类型和扩展的相关信息
  • 启动状态
  • O-RU警报和性能计数器,如收到的数据包数量和按时、延迟或损坏的U-平面数据包的数量。
  • 辐射板被建模为一个平均分布和独立控制的辐射元件的矩形阵列。这些信息对O-DU计算用于形成所需波束的波束赋形权重很有用。波束赋形权重决定了波束的方向和形状。特别是在mMIMO系统中,一组不同的波束赋形权重通常用于每个时间传输间隔;然而,变化的频率可以达到每个OFDM符号。

    如前所述,O-RAN联盟支持硬件和软件分离。因此,它定义了由O-DU指导的无线电(O-RU),信道估计、权重计算和近实时用户调度的算法都在这里。与提供波束赋形权重相关的流量可能是巨大的,可能与用户平面流量是同一数量级。因此,在O-RAN标准中定义了减少流量的不同手段。

    为了使蜂窝网络正常工作,无线电单元的同步精度必须达到频率上的±25ppb和时间上的±1.5µs。O-RAN标准定义了几种使RU与网络同步的方法,其中最主要的同步方法是IEEE 1588协议,也被称为精确时间协议(PTP)。PTP是基于测量IP数据包的到达时间的。然而,由于IP流量可能受到抖动的影响,需要相对较长的观察时间来实现所需的频率精度。因此,O-RAN提供了利用SyncE的选项,它使用线速将时钟从源头(如O-DU或交换机)传送到O-RU。IEEE 1588还定义了内置在交换机和路由器中的硬件功能,可以根据这些网络功能引入的延迟来调整时间戳。由于并非所有的网元都配备了这样的功能,因此可能难以估计延迟。

    在某些情况下,网络引入的数据包延迟抖动可能是不可容忍的。O-RAN提供了另一种方法,使用GPS来同步O-RU。在这种情况下,O-RU有一个内置的GPS接收器,使O-RU与精确的GPS时间同步(图4)。一个站点的多个RU从一个共同的有源天线接收GPS信号,而每个O-RU都有一个GPS接收器。O-RU与一个O-DU相连,该O-DU可能位于现场或30公里以外,例如在一个数据中心,O-DU通过网络从外部时间服务器接收其时间同步。另外,它也可以配备自己的GPS接收器。作为GPS的替代方案或作为GPS同步失败情况下的后备方案,O-DU可以向O-RU提供频率和时间同步。

    图4 在RU中使用GPS的系统。

    图5 典型的mMIMO天线:全阵列(a)和子阵列(b)

    在某些情况下,交叉许可协议允许运营商使用另一个运营商的频谱来提供联合服务。这被称为多运营商RAN(MORAN)。从O-RU的角度来看,存在两种基本的共享架构。如果每个运营商都使用自己的O-DU,那么O-RU必须作为两个独立的RU到DU。如果不是,只有O-RU和O-DU在运营商之间共享。MORAN对RU是透明的。这样的架构带来了一些限制,如时分双工(TDD)下行和上行传输周期在两个运营商的网络上保持一致,必须小心处理以避免冲突。

    mMIMO的无线电架构

    O-RAN前传接口既支持传统的无线电,有两个或四个收发器,也支持mMIMO无线电。MIMO是一种通过使用空间域来增加移动网络容量的手段,其中的“多输入、多输出”指的是无线电信道。由多个发射器发送的信号由多个接收器接收。假设传播条件允许,先进的信道编码方法和信号处理算法能够将发射信号与接收信号分开。当在给定频率和时间下发射的单天线终端(即用户数)的数量远远小于接收的基站天线数量时,就适用于mMIMO。TDD、参考序列和从终端到基站的反馈有助于将同样的原则应用于下行链路。

    一般来说,假设传播特性支持用户区分,mMIMO系统中的收发器越多,在同一信道上就可以为更多的用户服务。3GPP标准最多可提供256个收发器。然而,由于成本和功耗随着收发器数量的增加而增加,一个mMIMO基站的实际配置范围在16个发射器和16个接收器(16T16R)和64个发射器和64个接收器(64T64R)之间。

    mMIMO系统中的天线被安排在一个阵列中,其中每个天线可能由一个子阵列的天线单元组成。图5显示了64T64R阵列的典型安排,一个12×8的天线阵列(图5a)包括32个极化子阵列。每个子阵列由六个天线单元组成,其中三个天线单元以负极化辐射,用“np”表示,其他三个天线单元以正极化辐射,用“pp”表示(图5b)。

    对于传统的无源基站天线,天线增益是一个重要因素。天线增益被定义为在某一特定角度的最大辐射功率与假想的天线辐射的功率之间的比率,假想的天线在各个方向发射相同的总功率,即平均分布在整个球体上。假设假想的天线辐射的所有功率在其天线端口和自由空间之间没有任何损失。对于天线馈电处的相同功率,定向天线在孔径处的辐射功率将比相应的全向天线的增益系数大。

    为了能够与传统的无线电架构(有一个远程无线电头和一个单独的无源天线)进行比较,3GPP已经定义了一个mMIMO的参考无线电架构。这个参考架构为传导和辐射测量定义了两个参考点,5 假设一个收发单元阵列连接到一个复合天线(图6)。收发单元阵列包含发射器和接收器,产生调制的发射信号,并进行接收器合并和解调。复合天线由无线电分配网络和天线阵列组成,收发单元阵列和复合天线之间的界面被称为收发阵列边界(TAB)。3GPP定义的两个参考点是传导测量的TAB和辐射测量的远场区域,也被称为空中测量。

    图6 AAS的辐射和传导参考点。来源:3GPP。

    发射器的射频输出功率限制了数据速率和覆盖范围。输出功率通常是指所有收发器的合并功率,也就是在TAB测量的传导功率。辐射功率的相应测量被称为有效全向辐射功率(EIRP),它包括复合天线的增益。例如,一个在TAB提供200W(53dBm)射频功率的无线电面板,并为一个在轴向处具有25dBi增益的天线阵列提供能量,那么在轴向处测量的总功率为78dBmEIRP。

    图7 天线在0°方位角的典型波束方向图。

    根据天线阵列理论,线性阵列的远场方向图是天线单元方向图与阵列因子(AF)的乘积,假设所有的天线单元都是同类,指向同一方向,并以同等功率激发。AF是全向辐射器阵列的远场辐射方向图。只要辐射单元之间不发生耦合,一个具有12行8列、单元间距为半波长(λ/2)的线性阵列将具有96的AF(即19.8dB)。单元之间的耦合会降低AF,只有通过适当的设计才能使耦合最小;然而,当单元间距de小于一个波长,特别是小于λ/2时,它变得越来越困难。

    旁瓣是天线阵列的另一个重要特征。旁瓣电平(SLL)是旁瓣的最大功率与主瓣的强度之比。另外,其倒数,即主瓣方向的强度与最大旁瓣电平的比值,也经常被使用,被称为旁瓣电平抑制(SLS)。在一个mMIMO天线中,实际的波束方向图取决于子阵列的辐射方向图和子阵列之间的振幅和相位关系,这是由波束赋形器产生的波束赋形矢量定义的。产生具有最低旁瓣电平的方向图的波束赋形矢量通常使用不同的相位和振幅。为了获得最大的输出功率,所有的振幅都需要相同。为了比较不同的mMIMO有源天线单元(AAU)的辐射性能,在波束赋形矢量中只允许有相位变化;振幅则被迫相同。为了说明这一点,图7显示了一个典型的波束方向图,其SLL小于-16dB。

    O-RAN mMIMO架构

    mMIMO AAU中的RU可以按其功能分开(图8)。有些只需要一次,而其他的,如收发器,则需要多次使用。每个收发器为一个辐射板子阵列的单一极化服务。在只使用一次的功能中,有连接O-RU和O-DU的前传接口、波束赋形器、时钟同步、管理和控制。

    图8 一个mMIMOAAU的典型RU结构。

    前传网络使用以太网接口,分为C、U、S和M面。M面的解释器和管理器连接到O-RU控制器,该控制器设置并监督该装置的整体健康状况。O-RU控制器测量功耗、温度、输出功率以及接收(Rx)和发射(Tx)的相对振幅和相位精度,以便让DU利用信道互换。它承载了多个事件计数器,并通过M平面向O-DU或直接向管理系统报告统计数据、警告和错误。O-RAN联盟已将其标准化为服务管理和协调框架。遵循IEEE1588 PTP协议的S面数据包被独立解释。PTP信息用于将O-RU的时钟与网络同步。如前所述,内置的GPS接收器可作为替代时钟使用。

    图9 数字收发器的组成元素。

    波束赋形器连接到NTx个发射器和NRx个接收器。如果NTx=NRx=N,也就是通常的情况,则称波束赋形器连接到N个收发器,所有收发器都是相同的。每个收发器由数字收发器和一个模拟前端组成。对于每一层,波束赋形器对每个子载波(SC)进行两次矩阵乘法。在发射过程中,每个无线电层所包含的资源块矢量与Tx波束赋形矩阵相乘,得到每个收发器的SC矢量。同样,在接收过程中,从每个收发器收到的每个SC矢量都要乘以Rx波束赋形器,以产生所有层的SC矢量。图9显示了每个数字收发器的功能,它包含低PHY和数字前端。数字前端包括前端功能,如数字域的滤波、增益设置和线性化,低PHY解决时频转换和OFDM信号生成。

    在下行方向,来自波束赋形器的含有频域数据的SC在iFFT内被转换到时域。OFDM信号通过添加CP形成,并传递到数字前端进行数字上变频,包括滤波、基带信号的频移和数模转换。对于下行链路,数字前端包括波峰因子降低,它降低了OFDM信号的峰均比,以及数字预失真(DPD),它使功率放大器线性化。来自模拟前端的上行信号通过模数转换器被转换到数字域,并以数字方式下变频为基带。对于下变频的信号,CP被去除,信号通过FFT被转换到频域。然后,OFDM符号被传递给Rx波束赋形器。低PHY还包含物理随机接入信道(PRACH)和SRS过滤的特殊功能。PRACH和SRS信号被传递到前传接口,O-DU对SRS和PRACH数据进行后处理。

    模拟前端(AFE)连接到辐射面板,包含模拟元件,如功率放大器、滤波器、驱动器和平衡器,并可能包含开关和环行器。模拟前端放大了进出天线的Tx和Rx信号。它必须为Rx和Tx路径提供足够的动态范围,隔离路径并管理由功率放大器引入的任何噪声。辐射板的设计是为了给mMIMO系统和水平及垂直导向提供所需的增益。

    小结

    本文提供了关于O-RAN架构的教程,以及规范RU、DU和CU之间接口的方法,以实现互操作性,并为新进入者和网络创新提供环境。mMIMO是RAN的一种实现方式,以提高高移动流量地区的数据容量。本文还讨论了符合O-RAN标准的mMIMO RAN的功能架构。

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