用于 5G 测试和测量的 SDR方案

SDR 可应用于整个 5G 测试链，并用于延迟 T&M、信号传播测量、O-RAN 测试平台和 NFV 测试。

下一场技术革命正在敲门，5G NR 和物联网推动海量设备互联，实现超低延迟、安全通信、云和边缘计算，以及为工业和农艺应用部署分布式低功耗设备在偏远地区。为 5G NR 供电的新设备的快速发展对测试设备提出了很高的需求，这对于验证新技术的可靠性、性能和成本效益至关重要。这就是软件定义无线电 (SDR) 可以发挥作用的地方。

在本文中，我们将讨论 SDR 如何使 5G 测试和测量 (T&M) 在每个开发方面受益，包括天线设计、信号处理算法、传播研究、信道估计技术和延迟评估。多输入多输出 (MIMO) 高性能 SDR 还可以在多个通道中实现 T&M，同时在多个方面评估系统性能，具有并行处理和独立通道配置。最后，我们讨论了 SDR 与开放无线电接入网络 (O-RAN) 上的测试协议的兼容性，这是一种日益重要的网络架构，可为未来大规模设备连接所需的大量不同无线电协议、频率调整和带宽要求提供互操作性。

5G网络

随着无线用户设备 (UE) 数量的指数级增长，尤其是可穿戴设备、物联网和工业 4.0 的出现，确保网络基础设施能够管理高水平的数据吞吐量和高所有连接的 UE 所需的速度。为了解决这个问题，5G网络的开发考虑了三种服务：超可靠低延迟通信(URLLC)、海量机器类通信(mMTC)和增强型移动宽带(eMBB)，每一种都有优势和挑战。

5G 网络的工作频段不是恒定的，通常会随着与基站的接近程度和应用所需的数据速率而变化。通常，5G 网络被划分为多个小区站点，通过将服务靠近提供的区域来促进更高频率的使用。覆盖区域非常依赖于频率，因此 5G 的更高频率需要更多的小型蜂窝构成无线接入网络 (RAN)，每个小区都通过回程链路连接到网络核心。为了自适应地提高信号强度和通信质量，波束控制和波束成形是 5G 中常用的技术，它们使用天线阵列与 MIMO 无线电设备相结合来控制这些小区内的波束方向和分布。

5G 基础设施的 RAN 由多个基站组成，每个基站覆盖一小块服务区域。基站的分布使得覆盖区域变得连续，在非常大的区域内提供稳定的服务。远程基站，也称为远程无线电单元 (RRU)，通过前传连接到基带单元 (BBU)，而 RAN 通过回程连接连接到骨干网(也称为 5G 核心)。从这个意义上说，5G 核心是网络的中心部分，为可靠服务提供大部分基本架构功能，包括身份验证、授权、移动性和连接性以及策略管理。

另一方面，前传将 BBU 与 RRU 连接起来，而 RRU 又通过无线电波连接到 UE。前传可以是有线的也可以是无线的，通常使用高速光链路(增强型通用公共无线电接口，或 eCPRI)。构成 5G 网络物理层的每个 RRU、BBU 和天线都处理 UE 和 5G 核心之间的所有无线通信。

由于核心软件化程度高，5G功能独立于物理基础设施，大大提高了部署速度、设计灵活性和互操作性。基于服务的架构 (SBA) 是 5G 中的一种新范式，它实现了完全基于云的核心功能，使用应用程序编程接口 (API) 在网络功能 (NF) 之间交换服务。不难看出，RAN 包含各种各样的设备、协议和功能，在部署之前必须对其进行详尽的测试，以避免危及整个数据流。因此，为T&M行业提供灵活、可升级的设备以跟上RRU、BBU和天线的不断演进至关重要。

用于 5G 测量的 SDR 用例

5G 网络的主要问题之一是延迟。为了启用最雄心勃勃的网络应用程序，例如物联网和触觉互联网，将端到端延迟保持在 1 毫秒以下至关重要。因此，延迟 T&M 非常重要且设计具有挑战性，因为 T&M 系统本身必须是快速的。里科-马丁内斯等人。提出了一种新的 T&M 系统来测量混合光无线链路中的实时延迟。他们使用 SDR 平台与 GNU 无线电相结合来探测信号链每个步骤的延迟，包括编码/解码和调制/解调之前和之后。

他们使用 SDR 作为测试设置的发送器和接收器。发射器用于调制光信号，然后使用光电二极管将其转换为电域，并通过喇叭天线进行发射和接收。这个概念证明提供了优于 PING 的性能，在 GNU 中具有用户友好的界面。

5G 的另一个挑战是信号传播，因为与其他频段相比，毫米波面临不利条件。因此，信号传播的 T&M 对天线至关重要。通过使用带有 Tx 和 Rx 天线的 SDR 设置，可以轻松实施信号传播研究来评估性能指标，例如路径损耗、延迟、多径衰落、吸收、反射、到达角和多普勒频移。

此外，高性能 SDR 的 MIMO 特性支持开发用于波束成形和波束控制的测试平台，从而改善信号传播。例如，马里尼奥等人。图2提出了一种使用 SDR 来协调 MIMO 信号的 28 GHz 波束成形架构。结果表明，SDR 的使用提供了调整无线电参数所需的灵活性和多功能性，并为各种应用(包括雷达、eMBB 和卫星通信)实现所需的性能。

O-RAN 是业界最突出的 5G RAN 架构之一，它基于基础单元和云原生基础设施的分解。由于其在行业中的重要性，因此对 O-RAN 的 T&M 解决方案的开发提出了很高的要求。

Upadhyaya 等人提出了一个使用 SDR 的 O-RAN 测试平台。该平台使用开源 5G 系统，能够使用标准接口与近实时 RAN 智能控制器 (near-RT RIC) 进行通信，这是 O-RAN 控制和测试的基础。他们还实施了 srsRAN，这是一个用于 4G 和 5G 部署的开源免费软件套件，与商用现货 (COTS) SDR 完全兼容。通过开发该平台，他们表明可以仅使用 COTS 设备和免费软件为研究应用构建 O-RAN 测试平台，这可以显着促进该领域的未来发展。

网络功能虚拟化 (NFV) 是 5G 网络中的一个基本概念。它将服务功能与物理基础设施分离，从而实现更快的部署和资源分配。特别是在 cloud-RAN (C-RAN) 概念中，NFV 是在 C-RAN 云上创建虚拟基站的基础。3集中式 BBU 中网络功能的虚拟化为 RRU 中的 SDR 实施创造了完美的环境，因此 C-RAN 基础设施高度依赖它们。

因此，SDR 可用于开发 C-RAN 的测试平台，从而实现 NFV 的测试和测量。显示了 Mufutau 等人4提出的设置，该设置开发了一个基于 OpenAirInterface (OAI) 的 C-RAN 平台来测试移动前传解决方案。实现了基于 OAI 的 eNB、演进分组核心 (EPC) 和 UE，以使用通用 x86 计算硬件模拟 LTE。两个 SDR 为 OAI-UE 和 OAI-eNB 执行无线电接口。该实验设置允许生成移动流量数据和端到端蜂窝网络的表征。开发的 C-RAN 测试台支持多项 T&M 验证，包括空中信号捕获和表征以及 TCP 上行链路/下行链路流量。

结论

随着世界通过 5G 技术变得越来越互联，新的 T&M 解决方案是必不可少的，以跟上该领域的不断发展。很明显，传统无线电技术中基于硬件的方法无法提供解决集成 5G NR 新技术所需的灵活性和可升级性，尤其是由于网络功能的高度软件化。

另一方面，SDR 引入的新无线电范式更有可能在 5G 世界中蓬勃发展。通过将 DSP 功能从硬件解耦到软件，包括调制/解调、上变频/下变频和数据打包，现成的 SDR 几乎可以兼容任何无线电系统。

在 T&M 环境中，SDR 可应用于整个测试链，执行波形生成、频谱分析、功率计量、信道仿真以及用于波束控制和波束成形的 MIMO 协议。因为它只需要一些额外的组件来完成某些任务，SDR 可以显着减少 T&M 所需的设备数量。文献展示了 SDR 在延迟 T&M、信号传播测量、O-RAN 测试平台和 NFV 测试中的应用。