作者：是德科技 FPGA 首席研發(fā)工程師Ajay Kumar

由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MNO）主導(dǎo)的開(kāi)放式無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（O-RAN）聯(lián)盟，一直是推動(dòng) 5G 無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(wú)線(xiàn)測(cè)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(cè)量、安全測(cè)試和無(wú)線(xiàn)電管理方面的需求和挑戰(zhàn)。首先，本文將簡(jiǎn)要回顧RAN 的發(fā)展歷史、演進(jìn)和架構(gòu)。

在過(guò)去，RAN 的部署主要依賴(lài)于由少數(shù)供應(yīng)商提供的專(zhuān)有硬件，導(dǎo)致其成本高昂且靈活性有限。O-RAN 通過(guò)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(duì)這些挑戰(zhàn)。這種開(kāi)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(lái)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(hù)設(shè)備和核心網(wǎng)

無(wú)線(xiàn)電單元（RU）是一個(gè)關(guān)鍵的前傳組件，為用戶(hù)設(shè)備提供無(wú)線(xiàn)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(hù)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(guò)在無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的數(shù)字部分增加信號(hào)處理功能，深刻影響了無(wú)線(xiàn)電單元的整體 O-RU架構(gòu)。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)模塊級(jí)仿真來(lái)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(huì)大幅增加。因此，在流片前的關(guān)鍵階段，啟動(dòng)硅前測(cè)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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，以更真實(shí)地反映實(shí)際場(chǎng)景中的性能表現(xiàn)。這一步驟有助于在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期識(shí)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(cè)試目標(biāo)。然而，要確定特定功能所需的測(cè)試用例，就必須全面了解測(cè)試規(guī)范。這些測(cè)試規(guī)范涵蓋了控制、用戶(hù)、同步和管理（CUSM）平面協(xié)議的各種測(cè)試。

由于涉及大量參數(shù)，創(chuàng)建符合 5G 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試矢量是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。 更為棘手的是，這些測(cè)試刺激信號(hào)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(wú)線(xiàn)測(cè)試。

圖 2：O-RU ASIC 測(cè)試協(xié)議棧

為實(shí)現(xiàn)硅前測(cè)試目標(biāo)，必須預(yù)先驗(yàn)證測(cè)試套件，以避免耗費(fèi)時(shí)間調(diào)試測(cè)試用例本身。測(cè)試設(shè)置的可觀(guān)察性對(duì)早期發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)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(cè)試協(xié)議棧和控制器測(cè)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(cè)試方法可以將各組件作為一個(gè) gNB進(jìn)行整體測(cè)試，這種方法基本保持不變；而一致性測(cè)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(shì)頭，需要從硅前驗(yàn)證順利過(guò)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(hào)生成和分析，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試套件的重復(fù)使用。

圖 3：O-RU 測(cè)試和驗(yàn)證示意圖和流程

在硅后測(cè)試階段，測(cè)試訪(fǎng)問(wèn)控制主要限于 O-RU 的 O-RAN 和射頻端口。如圖 3 所示，要測(cè)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(hào)分析儀，用于接收 O-RU 發(fā)送的下行射頻信號(hào)；一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，用于向 O-RU 發(fā)送上行信號(hào)；非傳導(dǎo)測(cè)試可能還需要其他設(shè)備。所有這些測(cè)試設(shè)置組件都需要進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)齊，并滿(mǎn)足嚴(yán)格的前傳測(cè)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(xiàn)系統(tǒng)（mMIMO 系統(tǒng)通常使用 16 根或更多天線(xiàn)），在同一頻段上同時(shí)為多個(gè)用戶(hù)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(wú)線(xiàn)電信號(hào)精確地轉(zhuǎn)向用戶(hù)，以提高信號(hào)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(cè)試大規(guī)模多輸入多輸出無(wú)線(xiàn)電單元，需要具備：O-DU 模擬器，配備通過(guò)以太網(wǎng)接口生產(chǎn)、播放、捕獲和測(cè)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(hào)。測(cè)試裝置不僅需要測(cè)量上行和下行鏈路方向的所有波束和信號(hào)，還需要能夠精確定位波束賦形問(wèn)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(wú)線(xiàn)連接呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，為了降低運(yùn)營(yíng)成本、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和減少對(duì)環(huán)境的影響，提高能源效率已成為運(yùn)營(yíng)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(wú)線(xiàn)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(guò)，可以通過(guò)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(duì)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(cè)試：確保不間斷的無(wú)線(xiàn)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(huì)增加。O-RAN 威脅建模和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(duì)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(chǎng)景下進(jìn)行壓力測(cè)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(cè)試至關(guān)重要，不僅要符合安全標(biāo)準(zhǔn)，還要確保無(wú)線(xiàn)連接有保障，并符合 O-RAN 零信任原則。

利用 RIC 進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電管理，提高運(yùn)營(yíng)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(wú)線(xiàn)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(duì)時(shí)間敏感度較低的操作進(jìn)行長(zhǎng)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(guò)波束管理和無(wú)線(xiàn)電資源管理等高級(jí)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(kāi)環(huán)和閉環(huán)策略，并對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)O-RAN 無(wú)線(xiàn)電單元執(zhí)行從芯片驗(yàn)證到智能網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的過(guò)程非常復(fù)雜，但對(duì)于充分發(fā)揮開(kāi)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(cè)試設(shè)置、強(qiáng)大的工具、預(yù)先驗(yàn)證的測(cè)試用例和自動(dòng)測(cè)試套件，以實(shí)現(xiàn)各階段的平穩(wěn)過(guò)渡。