SDR 可應(yīng)用于整個(gè) 5G 測(cè)試鏈，并用于延遲 T&M、信號(hào)傳播測(cè)量、O-RAN 測(cè)試平臺(tái)和 NFV 測(cè)試。

下一場(chǎng)技術(shù)革命正在敲門，5G NR 和物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)海量設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超低延遲、安全通信、云和邊緣計(jì)算，以及為工業(yè)和農(nóng)藝應(yīng)用部署分布式低功耗設(shè)備在偏遠(yuǎn)地區(qū)。為 5G NR 供電的新設(shè)備的快速發(fā)展對(duì)測(cè)試設(shè)備提出了很高的需求，這對(duì)于驗(yàn)證新技術(shù)的可靠性、性能和成本效益至關(guān)重要。這就是軟件定義無(wú)線電 (SDR) 可以發(fā)揮作用的地方。

在本文中，我們將討論 SDR 如何使 5G 測(cè)試和測(cè)量 (T&M) 在每個(gè)開(kāi)發(fā)方面受益，包括天線設(shè)計(jì)、信號(hào)處理算法、傳播研究、信道估計(jì)技術(shù)和延遲評(píng)估。多輸入多輸出 (MIMO) 高性能 SDR 還可以在多個(gè)通道中實(shí)現(xiàn) T&M，同時(shí)在多個(gè)方面評(píng)估系統(tǒng)性能，具有并行處理和獨(dú)立通道配置。最后，我們討論了 SDR 與開(kāi)放無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò) (O-RAN) 上的測(cè)試協(xié)議的兼容性，這是一種日益重要的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可為未來(lái)大規(guī)模設(shè)備連接所需的大量不同無(wú)線電協(xié)議、頻率調(diào)整和帶寬要求提供互操作性。

5G網(wǎng)絡(luò)

隨著無(wú)線用戶設(shè)備 (UE) 數(shù)量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，尤其是可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 的出現(xiàn)，確保網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施能夠管理高水平的數(shù)據(jù)吞吐量和高所有連接的 UE 所需的速度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，5G網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)考慮了三種服務(wù)：超可靠低延遲通信(URLLC)、海量機(jī)器類通信(mMTC)和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)，每一種都有優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

5G 網(wǎng)絡(luò)的工作頻段不是恒定的，通常會(huì)隨著與基站的接近程度和應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率而變化。通常，5G 網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)小區(qū)站點(diǎn)，通過(guò)將服務(wù)靠近提供的區(qū)域來(lái)促進(jìn)更高頻率的使用。覆蓋區(qū)域非常依賴于頻率，因此 5G 的更高頻率需要更多的小型蜂窩構(gòu)成無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò) (RAN)，每個(gè)小區(qū)都通過(guò)回程鏈路連接到網(wǎng)絡(luò)核心。為了自適應(yīng)地提高信號(hào)強(qiáng)度和通信質(zhì)量，波束控制和波束成形是 5G 中常用的技術(shù)，它們使用天線陣列與 MIMO 無(wú)線電設(shè)備相結(jié)合來(lái)控制這些小區(qū)內(nèi)的波束方向和分布。

5G 基礎(chǔ)設(shè)施的 RAN 由多個(gè)基站組成，每個(gè)基站覆蓋一小塊服務(wù)區(qū)域?；镜姆植际沟酶采w區(qū)域變得連續(xù)，在非常大的區(qū)域內(nèi)提供穩(wěn)定的服務(wù)。遠(yuǎn)程基站，也稱為遠(yuǎn)程無(wú)線電單元 (RRU)，通過(guò)前傳連接到基帶單元 (BBU)，而 RAN 通過(guò)回程連接連接到骨干網(wǎng)(也稱為 5G 核心)。從這個(gè)意義上說(shuō)，5G 核心是網(wǎng)絡(luò)的中心部分，為可靠服務(wù)提供大部分基本架構(gòu)功能，包括身份驗(yàn)證、授權(quán)、移動(dòng)性和連接性以及策略管理。

另一方面，前傳將 BBU 與 RRU 連接起來(lái)，而 RRU 又通過(guò)無(wú)線電波連接到 UE。前傳可以是有線的也可以是無(wú)線的，通常使用高速光鏈路(增強(qiáng)型通用公共無(wú)線電接口，或 eCPRI)。構(gòu)成 5G 網(wǎng)絡(luò)物理層的每個(gè) RRU、BBU 和天線都處理 UE 和 5G 核心之間的所有無(wú)線通信。

由于核心軟件化程度高，5G功能獨(dú)立于物理基礎(chǔ)設(shè)施，大大提高了部署速度、設(shè)計(jì)靈活性和互操作性?；诜?wù)的架構(gòu) (SBA) 是 5G 中的一種新范式，它實(shí)現(xiàn)了完全基于云的核心功能，使用應(yīng)用程序編程接口 (API) 在網(wǎng)絡(luò)功能 (NF) 之間交換服務(wù)。不難看出，RAN 包含各種各樣的設(shè)備、協(xié)議和功能，在部署之前必須對(duì)其進(jìn)行詳盡的測(cè)試，以避免危及整個(gè)數(shù)據(jù)流。因此，為T&M行業(yè)提供靈活、可升級(jí)的設(shè)備以跟上RRU、BBU和天線的不斷演進(jìn)至關(guān)重要。

用于 5G 測(cè)量的 SDR 用例

5G 網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題之一是延遲。為了啟用最雄心勃勃的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，例如物聯(lián)網(wǎng)和觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)，將端到端延遲保持在 1 毫秒以下至關(guān)重要。因此，延遲 T&M 非常重要且設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)?T&M 系統(tǒng)本身必須是快速的。里科-馬丁內(nèi)斯等人。提出了一種新的 T&M 系統(tǒng)來(lái)測(cè)量混合光無(wú)線鏈路中的實(shí)時(shí)延遲。他們使用 SDR 平臺(tái)與 GNU 無(wú)線電相結(jié)合來(lái)探測(cè)信號(hào)鏈每個(gè)步驟的延遲，包括編碼/解碼和調(diào)制/解調(diào)之前和之后。

他們使用 SDR 作為測(cè)試設(shè)置的發(fā)送器和接收器。發(fā)射器用于調(diào)制光信號(hào)，然后使用光電二極管將其轉(zhuǎn)換為電域，并通過(guò)喇叭天線進(jìn)行發(fā)射和接收。這個(gè)概念證明提供了優(yōu)于 PING 的性能，在 GNU 中具有用戶友好的界面。

5G 的另一個(gè)挑戰(zhàn)是信號(hào)傳播，因?yàn)榕c其他頻段相比，毫米波面臨不利條件。因此，信號(hào)傳播的 T&M 對(duì)天線至關(guān)重要。通過(guò)使用帶有 Tx 和 Rx 天線的 SDR 設(shè)置，可以輕松實(shí)施信號(hào)傳播研究來(lái)評(píng)估性能指標(biāo)，例如路徑損耗、延遲、多徑衰落、吸收、反射、到達(dá)角和多普勒頻移。

此外，高性能 SDR 的 MIMO 特性支持開(kāi)發(fā)用于波束成形和波束控制的測(cè)試平臺(tái)，從而改善信號(hào)傳播。例如，馬里尼奧等人。圖2提出了一種使用 SDR 來(lái)協(xié)調(diào) MIMO 信號(hào)的 28 GHz 波束成形架構(gòu)。結(jié)果表明，SDR 的使用提供了調(diào)整無(wú)線電參數(shù)所需的靈活性和多功能性，并為各種應(yīng)用(包括雷達(dá)、eMBB 和衛(wèi)星通信)實(shí)現(xiàn)所需的性能。

O-RAN 是業(yè)界最突出的 5G RAN 架構(gòu)之一，它基于基礎(chǔ)單元和云原生基礎(chǔ)設(shè)施的分解。由于其在行業(yè)中的重要性，因此對(duì) O-RAN 的 T&M 解決方案的開(kāi)發(fā)提出了很高的要求。

Upadhyaya 等人提出了一個(gè)使用 SDR 的 O-RAN 測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)使用開(kāi)源 5G 系統(tǒng)，能夠使用標(biāo)準(zhǔn)接口與近實(shí)時(shí) RAN 智能控制器 (near-RT RIC) 進(jìn)行通信，這是 O-RAN 控制和測(cè)試的基礎(chǔ)。他們還實(shí)施了 srsRAN，這是一個(gè)用于 4G 和 5G 部署的開(kāi)源免費(fèi)軟件套件，與商用現(xiàn)貨 (COTS) SDR 完全兼容。通過(guò)開(kāi)發(fā)該平臺(tái)，他們表明可以僅使用 COTS 設(shè)備和免費(fèi)軟件為研究應(yīng)用構(gòu)建 O-RAN 測(cè)試平臺(tái)，這可以顯著促進(jìn)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV) 是 5G 網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基本概念。它將服務(wù)功能與物理基礎(chǔ)設(shè)施分離，從而實(shí)現(xiàn)更快的部署和資源分配。特別是在 cloud-RAN (C-RAN) 概念中，NFV 是在 C-RAN 云上創(chuàng)建虛擬基站的基礎(chǔ)。3集中式 BBU 中網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化為 RRU 中的 SDR 實(shí)施創(chuàng)造了完美的環(huán)境，因此 C-RAN 基礎(chǔ)設(shè)施高度依賴它們。

因此，SDR 可用于開(kāi)發(fā) C-RAN 的測(cè)試平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn) NFV 的測(cè)試和測(cè)量。顯示了 Mufutau 等人4提出的設(shè)置，該設(shè)置開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于 OpenAirInterface (OAI) 的 C-RAN 平臺(tái)來(lái)測(cè)試移動(dòng)前傳解決方案。實(shí)現(xiàn)了基于 OAI 的 eNB、演進(jìn)分組核心 (EPC) 和 UE，以使用通用 x86 計(jì)算硬件模擬 LTE。兩個(gè) SDR 為 OAI-UE 和 OAI-eNB 執(zhí)行無(wú)線電接口。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置允許生成移動(dòng)流量數(shù)據(jù)和端到端蜂窩網(wǎng)絡(luò)的表征。開(kāi)發(fā)的 C-RAN 測(cè)試臺(tái)支持多項(xiàng) T&M 驗(yàn)證，包括空中信號(hào)捕獲和表征以及 TCP 上行鏈路/下行鏈路流量。

結(jié)論

隨著世界通過(guò) 5G 技術(shù)變得越來(lái)越互聯(lián)，新的 T&M 解決方案是必不可少的，以跟上該領(lǐng)域的不斷發(fā)展。很明顯，傳統(tǒng)無(wú)線電技術(shù)中基于硬件的方法無(wú)法提供解決集成 5G NR 新技術(shù)所需的靈活性和可升級(jí)性，尤其是由于網(wǎng)絡(luò)功能的高度軟件化。

另一方面，SDR 引入的新無(wú)線電范式更有可能在 5G 世界中蓬勃發(fā)展。通過(guò)將 DSP 功能從硬件解耦到軟件，包括調(diào)制/解調(diào)、上變頻/下變頻和數(shù)據(jù)打包，現(xiàn)成的 SDR 幾乎可以兼容任何無(wú)線電系統(tǒng)。

在 T&M 環(huán)境中，SDR 可應(yīng)用于整個(gè)測(cè)試鏈，執(zhí)行波形生成、頻譜分析、功率計(jì)量、信道仿真以及用于波束控制和波束成形的 MIMO 協(xié)議。因?yàn)樗恍枰恍╊~外的組件來(lái)完成某些任務(wù)，SDR 可以顯著減少 T&M 所需的設(shè)備數(shù)量。文獻(xiàn)展示了 SDR 在延遲 T&M、信號(hào)傳播測(cè)量、O-RAN 測(cè)試平臺(tái)和 NFV 測(cè)試中的應(yīng)用。