作者：是德科技 FPGA 首席研發工程師Ajay Kumar

  ICC訊 由移動網絡運營商（MNO）主導的開放式無線接入網（O-RAN）聯盟，一直是推動 5G 無線接入網（RAN）演進的核心力量。其目的是引導行業朝著更加開放、可互操作、虛擬化和智能化的架構發展。此篇是德科技文章概述了將 O-RAN 無線測試從芯片設計階段推進到準備就緒及安全、智能部署所需的關鍵驗證步驟，重點闡述了硅前和硅后驗證、多輸入多輸出（MIMO）/大規模多輸入多輸出（mMIMO）性能驗證、能效測量、安全測試和無線電管理方面的需求和挑戰。首先，本文將簡要回顧RAN 的發展歷史、演進和架構。

  在過去，RAN 的部署主要依賴于由少數供應商提供的專有硬件，導致其成本高昂且靈活性有限。O-RAN 通過解耦 RAN架構并引入標準化接口以實現互操作性和虛擬化，從而有效應對這些挑戰。這種開放架構提高了靈活性，并賦予了企業搭配使用不同供應商解決方案的能力，從而降低成本并推動創新。

  此外，人工智能（AI）和機器學習（ML）領域的最新進展進一步提升了O-RAN的智能化水平。此舉將帶來更多創新成果，進一步提升能效、增強安全性、網絡優化和運維等。

  O-RAN 架構的核心組件

  圖 1 列出了 O-RAN 架構的核心組件，包括：

  O-RAN 無線電單元（O-RU）：執行模擬/射頻發射器和接收器功能，并處理較低部分物理層的任務，如快速傅里葉變換 （FFT） / 逆快速傅里葉變換（IFFT）、波束賦形、預編碼、循環前綴插入/移除和壓縮/解壓縮。

  O-RAN 分布式單元（O-DU）：用于基帶處理、調度、無線鏈路控制、媒體接入控制和處理較高部分物理層的任務。

  O-RAN 中央單元（O-CU）：集中式虛擬單元，用于分組數據匯聚協議層。

  O-RAN 智能控制器（O-RIC）：處理接近實時和非實時的服務，收集網絡信息，并利用人工智能和機器學習技術執行必要的優化任務。

  服務管理和編排系統（SMO）：集中管理和協調包括兩個 RIC 在內的 RAN。

圖 1：O-RAN架構及用戶設備和核心網

  無線電單元（RU）是一個關鍵的前傳組件，為用戶設備提供無線連接。它可以與 O-RAN 的其他組件通信，負責在核心網與用戶設備之間雙向傳輸信息。O-RAN 聯盟 7.2x 分割選項在 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、延遲時限和組件復雜性之間取得平衡。此舉通過在無線電設備的數字部分增加信號處理功能，深刻影響了無線電單元的整體 O-RU架構。

  在產品開發周期中，設計團隊通過模塊級仿真來驗證其功能。然而在系統層面，仿真的復雜度和運行時間都會大幅增加。因此，在流片前的關鍵階段，啟動硅前測試至關重要。

  硅前驗證：在流片前鑄就信心基石

  硅前驗證指在制造芯片之前對設計進行仿真，以更真實地反映實際場景中的性能表現。這一步驟有助于在產品開發的早期識別設計缺陷，從而在合理的時間周期內實現測試目標。然而，要確定特定功能所需的測試用例，就必須全面了解測試規范。這些測試規范涵蓋了控制、用戶、同步和管理（CUSM）平面協議的各種測試。

  由于涉及大量參數，創建符合 5G 標準的測試矢量是一項復雜的任務。  更為棘手的是，這些測試刺激信號需要以同步方式從 DU 上的以太網接口、非標準化時域 IQ 接口或射頻接口發送，以完成完整的無線測試。

圖 2：O-RU ASIC 測試協議棧

  為實現硅前測試目標，必須預先驗證測試套件，以避免耗費時間調試測試用例本身。測試設置的可觀察性對早期發現和解決問題有關鍵意義，能有效防止潛在缺陷被遺留到最終的設計。圖 2 展示了用于 ASIC 仿真的 O-RU 測試協議棧和控制器測試設置。

  硅后驗證：銜接量產的關鍵環節

  驗證互操作性的測試方法可以將各組件作為一個 gNB進行整體測試，這種方法基本保持不變；而一致性測試仍在不斷演進，以確保每個組件都符合 O-RAN 聯盟制定的規范。

  為了在快節奏的設計周期中保持精進勢頭，需要從硅前驗證順利過渡到硅后驗證。因此，必須采用統一的工作流程和工具進行信號生成和分析，以實現測試套件的重復使用。

圖 3：O-RU 測試和驗證示意圖和流程

  在硅后測試階段，測試訪問控制主要限于 O-RU 的 O-RAN 和射頻端口。如圖 3 所示，要測試 O-RU，需要具備：一個 O-DU 仿真器，用于發送和接收 O-RAN 端口上的 CUSM 平面信息；一個矢量信號分析儀，用于接收 O-RU 發送的下行射頻信號；一個信號發生器，用于向 O-RU 發送上行信號；非傳導測試可能還需要其他設備。所有這些測試設置組件都需要進行時鐘對齊，并滿足嚴格的前傳測試定時要求。

  MIMO 和大規模 MIMO ：實現預期性能

  MIMO 和 mMIMO 技術使用多天線系統（mMIMO 系統通常使用 16 根或更多天線），在同一頻段上同時為多個用戶提供服務，從而提高頻譜效率和吞吐量。采用mMIMO技術時，需要應用先進的波束賦形技術將無線電信號精確地轉向用戶，以提高信號質量并減少干擾。然而，隨著系統復雜性的增加，性能驗證也變得非常復雜、耗時和昂貴。

  要測試大規模多輸入多輸出無線電單元，需要具備：O-DU 模擬器，配備通過以太網接口生產、播放、捕獲和測量 O-RAN 流量的工具；多射頻收發器，用于在不同方向上產生帶有噪聲和干擾的波束，并同時接收信號。測試裝置不僅需要測量上行和下行鏈路方向的所有波束和信號，還需要能夠精確定位波束賦形問題。圖 4 顯示了帶幅度和相位權重的下行鏈路波束賦形示例，以及相應的波束模式和 EVM 數據。

圖 4：帶幅度和相位加權的下行鏈路波束賦形以及相應的波束模式和 EVM 數據

  提高能效，實現可持續發展

  隨著無線連接呈指數級增長，為了降低運營成本、實現可持續發展目標和減少對環境的影響，提高能源效率已成為運營商的首要任務。許多研究表明，大部分能源消耗發生在無線接入網絡（RAN）領域，因此 O-RAN 社區正在努力實現節能模式的標準化，目的是在不降低服務質量（QoS）的情況下降低功耗。

  O-RU 是接入網中功耗最高的組件。不過，可以通過多種手段實現節能，例如可變時鐘、動態功率放大器偏置、小區和載波關閉、射頻信道重新配置、睡眠模式、間斷收發等。隨著 RAN 的分解，需要明確各組件特性，以全面了解系統和網絡層面的權衡。圖 5 對比展示了啟用和未啟用微睡眠模式時，O-RU 站點在 24 小時內的功耗以及潛在的節能效果。

圖 5：O-RU 站點在 24 小時內的功耗

  安全測試：確保不間斷的無線連接

  在分散的多供應商 O-RAN 環境中，單個組件、接口、網絡功能和數據的安全風險會增加。O-RAN 威脅建模和風險評估規范列出了包括O-RU在內的各要素（包括 O-RU）面臨的 160 多種不同威脅。

  需要對每個元件、協議和接口進行漏洞掃描，在模擬真實威脅場景下進行壓力測試，并檢查模擬攻擊下的性能。確保部署有效的風險緩解策略同樣重要。因此，自動安全測試至關重要，不僅要符合安全標準，還要確保無線連接有保障，并符合 O-RAN 零信任原則。

  利用 RIC 進行無線電管理，提高運營效率

  服務管理和編排系統（SMO）這一層負責協調網絡資源，而 RIC 則在優化無線接入網絡性能方面發揮著關鍵作用。非實時 RIC 使用 rApps ，基于AI/ML 驅動，對時間敏感度較低的操作進行長期優化。而近實時 RIC 則部署了 xApps，以進行十毫秒到一秒的實時網絡調整。

  這些控制器通過波束管理和無線電資源管理等高級功能，共同提高了網絡利用率和運行效率。為確保性能可靠，必須實施開環和閉環策略，并對其進行嚴格測試，以實現持續優化。

  結語

  對O-RAN 無線電單元執行從芯片驗證到智能網絡測試的過程非常復雜，但對于充分發揮開放式智能網絡的潛力至關重要。為了適應不斷迭代加速的設計周期并確保符合 O-RAN 前傳標準，必須配備規劃完善的測試設置、強大的工具、預先驗證的測試用例和自動測試套件，以實現各階段的平穩過渡。

  關于是德科技

  是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創新者，助力他們將改變世界的技術帶入生活。作為一家標準普爾 500 指數公司，我們提供先進的設計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產品生命周期中更快地完成開發和部署，同時控制好風險。我們的客戶遍及全球通信、工業自動化、航空航天與國防、汽車、半導體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創新，創造一個安全互聯的世界。了解更多信息，請訪問是德科技官網 www.keysight.com/。