解決ORAN基礎(chǔ)設(shè)施中面臨的網(wǎng)絡(luò)同步挑戰(zhàn)

開放式無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（ORAN）技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模及其在實(shí)施5G服務(wù)中的作用呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的潛力。各大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MNO）都在尋求更低的成本、更高的靈活性以及避免供應(yīng)商鎖定的能力。這些優(yōu)勢(shì)可通過采用多家供應(yīng)商的可互操作技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)營(yíng)商也可以從實(shí)時(shí)性能中受益。

ORAN代表著無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）演進(jìn)的最新進(jìn)展，RAN始于1979年1G的推出。2G于1991年推出，3G于2001年推出。4G長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）服務(wù)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(yùn)行在供應(yīng)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(wú)線電（NR）于2018年推出，并引入了虛擬化RAN（vRAN）作為實(shí)施的一種手段，BBU（或CU和DU）功能在運(yùn)行于服務(wù)器上的軟件中實(shí)現(xiàn)。例如，負(fù)載平衡、資源管理、路由器和防火墻現(xiàn)在都可以在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）下運(yùn)行。但是，無(wú)線電單元（RU）、CU和DU的軟件是專有的。ORAN旨在通過讓運(yùn)營(yíng)商訪問基于開源軟件的vRAN來(lái)植入5G1，從而消除障礙。

圖1說(shuō)明了O-RAN聯(lián)盟（由超過300家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)組成的社區(qū)）的目標(biāo)，即擁有開放的RU、CU和DU（每個(gè)首字母縮寫前都帶有O-）并通過公共無(wú)線電接口（CPRI）進(jìn)行前傳。

圖1 在O-RAN下，我們可以有效地在商用服務(wù)器硬件上運(yùn)行模塊化基站軟件協(xié)議棧。MNO可以搭配混用來(lái)自不同供應(yīng)商的O-RU、O-DU和O-CU

5G支持的實(shí)時(shí)傳輸速度最高可達(dá)20 Gbps，而4G在靜態(tài)點(diǎn)之間的傳輸速度為1 Gbps，在一個(gè)或兩個(gè)移動(dòng)點(diǎn)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(gè)關(guān)鍵組成部分是RAN智能控制器（RIC），它既可以是近實(shí)時(shí)的也可以是非實(shí)時(shí)的，兩種選項(xiàng)都負(fù)責(zé)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(shí)時(shí)RAN智能控制器

同步

ORAN實(shí)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?yàn)樾枰獓?yán)格提高同步性能，即要求授時(shí)精度達(dá)到僅±130 ns。

RU交換機(jī)與DU保持同步對(duì)于ORAN有效運(yùn)行至關(guān)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(luò)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(zé)任。

5G與前幾代的另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別在于從頻分雙工（FDD）切換到時(shí)分雙工（TDD）——這樣可以同時(shí)使用兩個(gè)接近的頻率分別進(jìn)行上行傳輸和下行傳輸。TDD在同一頻率上使用不同的時(shí)隙傳輸上行信號(hào)和下行信號(hào)，從而更好地利用RAN RF頻譜提供增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶（eMBB），例如可以根據(jù)需要調(diào)整上行時(shí)間與下行時(shí)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(yùn)營(yíng)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(hù)周期。即便如此，為了保證運(yùn)行效率（降低錯(cuò)誤率）和補(bǔ)償任何頻率或相位偏移2，仍然需要緊密同步。

精確授時(shí)

所有新無(wú)線電部署都必須將相位對(duì)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(shí)（UTC）的授時(shí)源的±1.5 ms以內(nèi)3。在創(chuàng)建端到端實(shí)時(shí)連接時(shí)，還必須遵循多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)機(jī)構(gòu)提供的建議。

為了在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高精度時(shí)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(shí)間協(xié)議（PTP）。該協(xié)議中有一個(gè)最高級(jí)時(shí)鐘（或PTP主時(shí)鐘），網(wǎng)絡(luò)中的其他PTP時(shí)鐘使用PTP消息與之同步。同步在路徑延時(shí)等問題中起作用，上述標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了時(shí)間邊界時(shí)鐘（T-BC）和時(shí)間透明時(shí)鐘（T-TSC）功能來(lái)抵消上下行之間的不對(duì)稱問題以及數(shù)據(jù)包延時(shí)變化（PDV）。

此外，ITU-T（國(guó)際電信聯(lián)盟的其中一個(gè)部門）也針對(duì)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(luò)中的時(shí)間、相位和頻率同步的主參考時(shí)間時(shí)鐘（pRTC）的要求，ITU-T G.8273.2推薦了用于網(wǎng)絡(luò)全授時(shí)支持（FTS）的電信邊界時(shí)鐘和電信時(shí)間輔助時(shí)鐘的授時(shí)特性。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，各時(shí)鐘之間采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，時(shí)間信號(hào)由邊界時(shí)鐘清理以濾除噪聲。但是，設(shè)備將需要滿足由ITU-T G.8273.24定義的四個(gè)性能類別之一，范圍從A類到D類。其中，C類和D類對(duì)精度的要求最高。例如，D類T-BC時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)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(luò)保證時(shí)間、相位和頻率的精度。

ORAN需要現(xiàn)成的平臺(tái)

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(dǎo)體器件和平臺(tái)來(lái)滿足網(wǎng)絡(luò)中的端到端授時(shí)要求。

例如，符合IEEE 1588的最高級(jí)時(shí)鐘搭配PTP和SyncE功能，可以滿足PRTC A類、B類和增強(qiáng)型PRTC（ePRTC）規(guī)范，以及多域邊界時(shí)鐘的C類和D類規(guī)范。這種多功能性是MNO實(shí)現(xiàn)同步授時(shí)解決方案的關(guān)鍵特性。

在DU、CU和RU設(shè)備中，可以部署振蕩器、可編程鎖相環(huán)（PLL）IC、緩沖器和抖動(dòng)衰減器等網(wǎng)絡(luò)同步硬件。此外，現(xiàn)在已經(jīng)有專用的單芯片網(wǎng)絡(luò)同步解決方案。在這方面，Microchip是首家將自研ZL3073x/63x/64x平臺(tái)（圖3）推向市場(chǎng)的公司。這項(xiàng)技術(shù)將DPLL、低輸出抖動(dòng)合成器、IEEE 1588-2008精密時(shí)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(luò)同步平臺(tái)

5G ORAN中關(guān)于授時(shí)的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是對(duì)溫度的穩(wěn)定性。溫度補(bǔ)償型振蕩器、PLL和芯片級(jí)原子鐘（CSAC）已在軍事和工業(yè)應(yīng)用等惡劣環(huán)境中完成部署并得到驗(yàn)證，適用于RU、CU和DU硬件。

總而言之，在5G中采用TDD帶來(lái)了巨大的好處，但在同步方面會(huì)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(dǎo)體和相關(guān)平臺(tái)來(lái)構(gòu)建端到端RAN，避免受到專有解決方案的束縛。