【導讀】開放式無線接入網(wǎng)絡(ORAN)技術(shù)的市場規(guī)模及其在實施5G服務中的作用呈現(xiàn)出快速增長的潛力。各大移動網(wǎng)絡運營商(MNO)都在尋求更低的成本、更高的靈活性以及避免供應商鎖定的能力。這些優(yōu)勢可通過采用多家供應商的可互操作技術(shù)來實現(xiàn)。運營商也可以從實時性能中受益。
開放式無線接入網(wǎng)絡(ORAN)技術(shù)的市場規(guī)模及其在實施5G服務中的作用呈現(xiàn)出快速增長的潛力。各大移動網(wǎng)絡運營商(MNO)都在尋求更低的成本、更高的靈活性以及避免供應商鎖定的能力。這些優(yōu)勢可通過采用多家供應商的可互操作技術(shù)來實現(xiàn)。運營商也可以從實時性能中受益。
ORAN代表著無線接入網(wǎng)絡(RAN)演進的最新進展,RAN始于1979年1G的推出。2G于1991年推出,3G于2001年推出。4G長期演進(LTE)服務于2009年首次面世,并引入了分組交換。在其部署過程中,開始使用多輸入多輸出(MIMO)天線陣列,運行在供應商專有軟件之上的集中式(或云)cRAN使得基帶單元(BBU)能夠劃分為分布式單元(DU)與集中式單元(CU),兩者之間為中傳。
5G新無線電(NR)于2018年推出,并引入了虛擬化RAN(vRAN)作為實施的一種手段,BBU(或CU和DU)功能在運行于服務器上的軟件中實現(xiàn)。例如,負載平衡、資源管理、路由器和防火墻現(xiàn)在都可以在網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)下運行。但是,無線電單元(RU)、CU和DU的軟件是專有的。ORAN旨在通過讓運營商訪問基于開源軟件的vRAN來植入5G1,從而消除障礙。
圖1說明了O-RAN聯(lián)盟(由超過300家移動運營商、供應商、研究機構(gòu)和學術(shù)機構(gòu)組成的社區(qū))的目標,即擁有開放的RU、CU和DU(每個首字母縮寫前都帶有O-)并通過公共無線電接口(CPRI)進行前傳。
圖1:在O-RAN下,我們可以有效地在商用服務器硬件上運行模塊化基站軟件協(xié)議棧。MNO可以搭配混用來自不同供應商的O-RU、O-DU和O-CU
5G支持的實時傳輸速度最高可達20 Gbps,而4G在靜態(tài)點之間的傳輸速度為1 Gbps,在一個或兩個移動點之間的傳輸速度僅為100 Mbps。此外,5G的延遲降低到只有1 ms。
ORAN的另一個關鍵組成部分是RAN智能控制器(RIC),它既可以是近實時的也可以是非實時的,兩種選項都負責控制和優(yōu)化ORAN元素。圖2顯示了O-RAN軟件社區(qū)(SC),它遵循由O-RAN聯(lián)盟定義的架構(gòu)。
圖2:O-RAN SC架構(gòu)及其近實時RAN智能控制器
同步
ORAN實現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)之一是確保各種ORAN元素之間保持同步,尤其是因為需要嚴格提高同步性能,即要求授時精度達到僅±130 ns。
RU交換機與DU保持同步對于ORAN有效運行至關重要。同步可以避免數(shù)據(jù)包丟失,最大程度地減少網(wǎng)絡中斷,并有助于保持盡可能低的功耗。此外,同步還可幫助MNO履行其頻率許可所有權(quán)責任。
5G與前幾代的另一個關鍵區(qū)別在于從頻分雙工(FDD)切換到時分雙工(TDD)——這樣可以同時使用兩個接近的頻率分別進行上行傳輸和下行傳輸。TDD在同一頻率上使用不同的時隙傳輸上行信號和下行信號,從而更好地利用RAN RF頻譜提供增強的移動寬帶(eMBB),例如可以根據(jù)需要調(diào)整上行時間與下行時間的比例。
此外,TDD還提高了與MIMO波束賦形和C波段頻譜(3.7 GHz至3.98 GHz)的兼容性,運營商將使用這些頻譜在大大小小的市政區(qū)域部署5G。為了避免發(fā)生小區(qū)內(nèi)干擾和小區(qū)間干擾,上行傳輸與下行傳輸之間有一段保護周期。即便如此,為了保證運行效率(降低錯誤率)和補償任何頻率或相位偏移2,仍然需要緊密同步。
精確授時
所有新無線電部署都必須將相位對齊精度保持在基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)協(xié)調(diào)世界時(UTC)的授時源的±1.5 ms以內(nèi)3。在創(chuàng)建端到端實時連接時,還必須遵循多項行業(yè)標準以及行業(yè)機構(gòu)提供的建議。
為了在整個網(wǎng)絡中進行高精度時間分配,O-RAN聯(lián)盟的O-RAN架構(gòu)中需要采用由IEEE 1588-2019規(guī)定的精確時間協(xié)議(PTP)。該協(xié)議中有一個最高級時鐘(或PTP主時鐘),網(wǎng)絡中的其他PTP時鐘使用PTP消息與之同步。同步在路徑延時等問題中起作用,上述標準中規(guī)定了時間邊界時鐘(T-BC)和時間透明時鐘(T-TSC)功能來抵消上下行之間的不對稱問題以及數(shù)據(jù)包延時變化(PDV)。
此外,ITU-T(國際電信聯(lián)盟的其中一個部門)也針對TDD提供了建議。例如,ITU-T G.8272/Y.1367規(guī)定了適用于分組網(wǎng)絡中的時間、相位和頻率同步的主參考時間時鐘(pRTC)的要求,ITU-T G.8273.2推薦了用于網(wǎng)絡全授時支持(FTS)的電信邊界時鐘和電信時間輔助時鐘的授時特性。
在整個網(wǎng)絡中,各時鐘之間采用鏈式結(jié)構(gòu),時間信號由邊界時鐘清理以濾除噪聲。但是,設備將需要滿足由ITU-T G.8273.24定義的四個性能類別之一,范圍從A類到D類。其中,C類和D類對精度的要求最高。例如,D類T-BC時鐘產(chǎn)生的時間誤差必須小于5 ns5。除了GNSS/UTC和PTP之外,5G部署還使用同步以太網(wǎng)(SyncE)。這三者相結(jié)合,可以通過網(wǎng)絡保證時間、相位和頻率的精度。
ORAN需要現(xiàn)成的平臺
ORAN為MNO提供了訪問非專有解決方案的途徑。在硬件方面,可以使用商用半導體器件和平臺來滿足網(wǎng)絡中的端到端授時要求。
例如,符合IEEE 1588的最高級時鐘搭配PTP和SyncE功能,可以滿足PRTC A類、B類和增強型PRTC(ePRTC)規(guī)范,以及多域邊界時鐘的C類和D類規(guī)范。這種多功能性是MNO實現(xiàn)同步授時解決方案的關鍵特性。
在DU、CU和RU設備中,可以部署振蕩器、可編程鎖相環(huán)(PLL)IC、緩沖器和抖動衰減器等網(wǎng)絡同步硬件。此外,現(xiàn)在已經(jīng)有專用的單芯片網(wǎng)絡同步解決方案。在這方面,Microchip是首家將自研ZL3073x/63x/64x平臺(圖3)推向市場的公司。這項技術(shù)將DPLL、低輸出抖動合成器、IEEE 1588-2008精密時間協(xié)議棧和同步算法軟件模塊結(jié)合在一起。
圖3:Microchip的ZL3073x/63x/64x單芯片網(wǎng)絡同步平臺
5G ORAN中關于授時的另一個關鍵考慮因素是對溫度的穩(wěn)定性。溫度補償型振蕩器、PLL和芯片級原子鐘(CSAC)已在軍事和工業(yè)應用等惡劣環(huán)境中完成部署并得到驗證,適用于RU、CU和DU硬件。
總而言之,在5G中采用TDD帶來了巨大的好處,但在同步方面會面臨諸多挑戰(zhàn)。值得慶幸的是,在ORAN下,MNO及其系統(tǒng)提供商可以借助半導體和相關平臺來構(gòu)建端到端RAN,避免受到專有解決方案的束縛。
參考資料
1.https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/radio-access-network-RAN
2.https://www.viavisolutions.com/en-uk/what-5g-timing-and-synchronization
4.https://www.5gtechnologyworld.com/how-ieee-1588-synchronizes-5g-open-ran/
(來源:Microchip Technology Inc.,作者:顧問級市場分析經(jīng)理 Thomas Gleiter)
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