作者：是德科技 FPGA 首席研发工程师Ajay Kumar
由移动网络运营商（MNO）主导的开放式无线接入网（O-RAN）联盟，一直是推动 5G 无线接入网（RAN）演进的核心力量。其目的是引导行业朝着更加开放、可互操作、虚拟化和智能化的架构发展。此篇是德科技文章概述了将 O-RAN 无线测试从芯片设计阶段推进到准备就绪及安全、智能部署所需的关键验证步骤，重点阐述了硅前和硅后验证、多输入多输出（MIMO）/大规模多输入多输出（mMIMO）性能验证、能效测量、安全测试和无线电管理方面的需求和挑战。首先，本文将简要回顾RAN 的发展历史、演进和架构。
在过去，RAN 的部署主要依赖于由少数供应商提供的专有硬件，导致其成本高昂且灵活性有限。O-RAN 通过解耦 RAN架构并引入标准化接口以实现互操作性和虚拟化，从而有效应对这些挑战。这种开放架构提高了灵活性，并赋予了企业搭配使用不同供应商解决方案的能力，从而降低成本并推动创新。
此外，人工智能（AI）和机器学习（ML）领域的最新进展进一步提升了O-RAN的智能化水平。此举将带来更多创新成果，进一步提升能效、增强安全性、网络优化和运维等。
O-RAN 架构的核心组件
图 1 列出了 O-RAN 架构的核心组件，包括：
·O-RAN 无线电单元（O-RU）：执行模拟/射频发射器和接收器功能，并处理较低部分物理层的任务，如快速傅里叶变换 （FFT） / 逆快速傅里叶变换（IFFT）、波束赋形、预编码、循环前缀插入/移除和压缩/解压缩。
·O-RAN 分布式单元（O-DU）：用于基带处理、调度、无线链路控制、媒体接入控制和处理较高部分物理层的任务。
·O-RAN 中央单元（O-CU）：集中式虚拟单元，用于分组数据汇聚协议层。
·O-RAN 智能控制器（O-RIC）：处理接近实时和非实时的服务，收集网络信息，并利用人工智能和机器学习技术执行必要的优化任务。
·服务管理和编排系统（SMO）：集中管理和协调包括两个 RIC 在内的 RAN。
图 1：O-RAN架构及用户设备和核心网
无线电单元（RU）是一个关键的前传组件，为用户设备提供无线连接。它可以与 O-RAN 的其他组件通信，负责在核心网与用户设备之间双向传输信息。O-RAN 联盟 7.2x 分割选项在 O-RU 和 O-DU 之间重新分配物理层功能，以便在前端带宽要求、延迟时限和组件复杂性之间取得平衡。此举通过在无线电设备的数字部分增加信号处理功能，深刻影响了无线电单元的整体 O-RU架构。
在产品开发周期中，设计团队通过模块级仿真来验证其功能。然而在系统层面，仿真的复杂度和运行时间都会大幅增加。因此，在流片前的关键阶段，启动硅前测试至关重要。
硅前验证：在流片前铸就信心基石
硅前验证指在制造芯片之前对设计进行仿真，以更真实地反映实际场景中的性能表现。这一步骤有助于在产品开发的早期识别设计缺陷，从而在合理的时间周期内实现测试目标。然而，要确定特定功能所需的测试用例，就必须全面了解测试规范。这些测试规范涵盖了控制、用户、同步和管理（CUSM）平面协议的各种测试。
由于涉及大量参数，创建符合 5G 标准的测试矢量是一项复杂的任务。 更为棘手的是，这些测试刺激信号需要以同步方式从 DU 上的以太网接口、非标准化时域 IQ 接口或射频接口发送，以完成完整的无线测试。
图 2：O-RU ASIC 测试协议栈
为实现硅前测试目标，必须预先验证测试套件，以避免耗费时间调试测试用例本身。测试设置的可观察性对早期发现和解决问题有关键意义，能有效防止潜在缺陷被遗留到最终的设计。图 2 展示了用于 ASIC 仿真的 O-RU 测试协议栈和控制器测试设置。
硅后验证：衔接量产的关键环节
验证互操作性的测试方法可以将各组件作为一个 gNB进行整体测试，这种方法基本保持不变；而一致性测试仍在不断演进，以确保每个组件都符合 O-RAN 联盟制定的规范。
为了在快节奏的设计周期中保持精进势头，需要从硅前验证顺利过渡到硅后验证。因此，必须采用统一的工作流程和工具进行信号生成和分析，以实现测试套件的重复使用。
图 3：O-RU 测试和验证示意图和流程
在硅后测试阶段，测试访问控制主要限于 O-RU 的 O-RAN 和射频端口。如图 3 所示，要测试 O-RU，需要具备：一个 O-DU 仿真器，用于发送和接收 O-RAN 端口上的 CUSM 平面信息；一个矢量信号分析仪，用于接收 O-RU 发送的下行射频信号；一个信号发生器，用于向 O-RU 发送上行信号；非传导测试可能还需要其他设备。所有这些测试设置组件都需要进行时钟对齐，并满足严格的前传测试定时要求。
MIMO 和大规模 MIMO ：实现预期性能
MIMO 和 mMIMO 技术使用多天线系统（mMIMO 系统通常使用 16 根或更多天线），在同一频段上同时为多个用户提供服务，从而提高频谱效率和吞吐量。采用mMIMO技术时，需要应用先进的波束赋形技术将无线电信号精确地转向用户，以提高信号质量并减少干扰。然而，随着系统复杂性的增加，性能验证也变得非常复杂、耗时和昂贵。
要测试大规模多输入多输出无线电单元，需要具备：O-DU 模拟器，配备通过以太网接口生产、播放、捕获和测量 O-RAN 流量的工具；多射频收发器，用于在不同方向上产生带有噪声和干扰的波束，并同时接收信号。测试装置不仅需要测量上行和下行链路方向的所有波束和信号，还需要能够精确定位波束赋形问题。图 4 显示了带幅度和相位权重的下行链路波束赋形示例，以及相应的波束模式和 EVM 数据。
图 4：带幅度和相位加权的下行链路波束赋形以及相应的波束模式和 EVM 数据
提高能效，实现可持续发展
随着无线连接呈指数级增长，为了降低运营成本、实现可持续发展目标和减少对环境的影响，提高能源效率已成为运营商的首要任务。许多研究表明，大部分能源消耗发生在无线接入网络（RAN）领域，因此 O-RAN 社区正在努力实现节能模式的标准化，目的是在不降低服务质量（QoS）的情况下降低功耗。
O-RU 是接入网中功耗最高的组件。不过，可以通过多种手段实现节能，例如可变时钟、动态功率放大器偏置、小区和载波关闭、射频信道重新配置、睡眠模式、间断收发等。随着 RAN 的分解，需要明确各组件特性，以全面了解系统和网络层面的权衡。图 5 对比展示了启用和未启用微睡眠模式时，O-RU 站点在 24 小时内的功耗以及潜在的节能效果。
图 5：O-RU 站点在 24 小时内的功耗
安全测试：确保不间断的无线连接
在分散的多供应商 O-RAN 环境中，单个组件、接口、网络功能和数据的安全风险会增加。O-RAN 威胁建模和风险评估规范列出了包括O-RU在内的各要素（包括 O-RU）面临的 160 多种不同威胁。
需要对每个元件、协议和接口进行漏洞扫描，在模拟真实威胁场景下进行压力测试，并检查模拟攻击下的性能。确保部署有效的风险缓解策略同样重要。因此，自动安全测试至关重要，不仅要符合安全标准，还要确保无线连接有保障，并符合 O-RAN 零信任原则。
利用 RIC 进行无线电管理，提高运营效率
服务管理和编排系统（SMO）这一层负责协调网络资源，而 RIC 则在优化无线接入网络性能方面发挥着关键作用。非实时 RIC 使用 rApps ，基于AI/ML 驱动，对时间敏感度较低的操作进行长期优化。而近实时 RIC 则部署了 xApps，以进行十毫秒到一秒的实时网络调整。
这些控制器通过波束管理和无线电资源管理等高级功能，共同提高了网络利用率和运行效率。为确保性能可靠，必须实施开环和闭环策略，并对其进行严格测试，以实现持续优化。
结语
对O-RAN 无线电单元执行从芯片验证到智能网络测试的过程非常复杂，但对于充分发挥开放式智能网络的潜力至关重要。为了适应不断迭代加速的设计周期并确保符合 O-RAN 前传标准，必须配备规划完善的测试设置、强大的工具、预先验证的测试用例和自动测试套件，以实现各阶段的平稳过渡。
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