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怎么使用MATLAB進行O-RAN小基站建模和仿真?

MATLAB ? 來源:MATLAB ? 2023-06-14 18:23 ? 次閱讀

開放式無線接入網(Open Radio Access Network,簡稱 O-RAN)是一種無線接入網 (RAN)。它允許不同供應商開發的蜂窩網絡設備之間進行互操作。O-RAN 旨在將傳統的以單片硬件中心的 RAN 設計轉變為使用獨立構建塊(具有開放的標準化接口)的設計。

這樣,無線網絡設備提供商便可專注于提供特定的軟件組件,而不是構建整個 RAN。這種組件化使無線服務提供商能夠混搭從多家供應商處采購的組件,靈活構建有競爭力的小基站網絡。您可以使用 MATLAB5G Toolbox 為 O-RAN 一致性測試生成前傳控制與用戶 (CU) 面消息。

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圖 1.MATLAB 和 5G Toolbox 如何幫助您為 O-RAN 設計的測試生成 CU 面消息。

O-RAN 架構

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圖 2.傳統無線接入網 (RAN) 架構與開放式無線接入網 (O-RAN) 架構之比較。

在圖 2 中,左圖說明了傳統 RAN 如何使用單一供應商提供的基帶單元 (BBU) 和無線電單元 (RU) 等模塊。為了更靈活地設計無線接入網,O-RAN 聯盟制定了 O-RAN 協議,允許將基帶單元和無線電單元分割為三個不同的模塊及其協議層,每個層均可由不同的供應商提供:

O-RU(O-RAN 無線電單元),負責處理射頻和物理層下部 (Low-PHY)

O-DU(O-RAN 分布式單元),負責執行物理層上部 (High-PHY)、介質訪問控制 (MAC) 和無線電鏈路控制 (RLC) 的任務

O-CU(O-RAN 中央單元),負責管理分組數據聚合協議 (PDCP)、服務數據適配協議 (SDAP) 和無線電資源控制 (RRC) 協議實體

在 O-RAN 環境中,O-CU 和核心網之間的接口稱為回傳,O-DU 和 O-CU 之間的接口稱為中傳,而 O-DU 和 O-RU 之間的接口稱為前傳。您可以使用 MATLAB 和 5G Toolbox 開發算法,以為前傳和其他 O-RAN 接口生成數據,如圖 2 所示。此外,還可以使用 MATLAB、Simulink 和 Wireless HDL Toolbox 來降低實現的復雜性,然后通過基于模型的設計在 FPGA 上集成、測試和驗證 O-DU 和 O-RU 系統。

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圖 3.O-RAN 協議組件(O-RU、O-DU 和 O-CU)及其協議實體。

O-RAN 聯盟選擇了位于物理層下部 (Low-PHY) 和物理層上部 (High-PHY) 之間的拆分選項 7.2x。O-DU 和 O-RU 之間的開放前傳接口在 7.2x 拆分處定義。

O-RAN 前傳信號處理

例如,在下行鏈路 (DL) 處理中,操作序列可以細分為 7.2x 拆分之前的操作和之后的操作。在 7.2x 拆分的一邊,功能上移到 O-DU 中的資源元素映射,如下所示:

用戶位從介質訪問控制 (MAC) 層接收。

這些位按照傳輸信道進行組織,執行 5G NR 高層信號處理操作,包括數據編碼、加擾、調制、層映射、預編碼和資源元素映射。

得到的 IQ 樣本生成 5G NR 資源網格。

在 7.2x 拆分的另一邊,以下功能出現在 O-RU 中:

預編碼和數字波束成形

循環前綴正交頻分復用 (CP-OFDM) 信號生成,其中包括快速傅里葉逆變換 (IFFT),緊接著是循環前綴插入

數模轉換和模擬波束成形

在指定的天線端口上以指定的射頻頻率進行空口模擬信號傳輸

開放前傳接口

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圖 4.O-RAN 協議層次結構和 5G NR 功能拆分選項。

為了能夠在開放前傳的兩次 7.2x 拆分之間發送信息,必須按照以下說明進行操作:在 O-DU 端,首先壓縮 High-PHY 信息,然后將其封裝在增強型通用公共無線電接口 (eCPRI) 數據包中,最后再將其嵌入到以太網幀中進行傳輸。在 O-RU 端,采集收到的以太網幀,提取 eCPRI 數據包,解壓縮數據包中的數據,然后執行 Low-PHY 操作。這些步驟如圖 5 所示。

之所以需要壓縮,是因為開放前傳的容量有限。O-RAN 聯盟建議采用不同的壓縮和解壓縮方法來減小傳輸帶寬。

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圖 5.下行鏈路開放前傳中的信號流和信號處理步驟。

使用 MATLAB 進行 O-RAN 建模和仿真

使用 MATLAB 和 5G Toolbox,可以為 O-RAN 壓縮一致性測試(點擊”閱讀原文“獲取代碼示例)生成前傳控制與用戶 (CU) 面消息。5G Toolbox 還可用于生成和解碼這些數據包。所有屬于 High-PHY 和 Low-PHY 的物理層函數均可從該工具箱中獲得。 通過在 5G Toolbox 中進行開放前傳建模和仿真,您可以:

應用 High-PHY 操作,然后提取 7.2x 拆分中的 IQ 數據,即來自資源網格的數據。

使用其中一種可用的壓縮方法壓縮數據。支持的壓縮方法包括塊浮點 (BFP)、塊縮放和 μ 律,其定義分別見 TS O-RAN.WG4.CUS 附件 A.1.1、A.2.1 和 A.3.1。

按照 TS O-RAN.WG4.CUS 中的定義,構建 O-RAN 前傳 CU 面消息,然后將消息寫入 PCAP 文件。這些前傳消息將從 O-RAN 分布式單元 (O-DU) 發送到 O-RAN 無線電單元 (O-RU)。

解碼 O-RAN 無線電單元 (O-RU) 中的 CU 面消息。

恢復資源網格,解壓縮數據,然后繼續執行 Low-PHY 操作。





審核編輯:劉清

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原文標題:什么是 O-RAN?使用 MATLAB 進行 O-RAN 小基站建模和仿真

文章出處:【微信號:MATLAB,微信公眾號:MATLAB】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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