開放式無線接入網(wǎng)絡（ORAN）技術的市場規(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

3.https://www.5gtechnologyworld.com/how-virtual-primary-reference-time-clocks-improve-5g-network-timing/

4.https://www.5gtechnologyworld.com/how-ieee-1588-synchronizes-5g-open-ran/　                              

5.https://assets.ctfassets.net/wcxs9ap8i19s/NMWioyJa4hINjqrOzNZfz/918a2b5e6a4134332da26b20a680485b/EB-Timing-and-Synchronization-in-a-5G-World.pdf

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