文章目录
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- Abstract
- Introduction
- [AvailableCell-Free Network Testbeds](#AvailableCell-Free Network Testbeds)
- Contributions
- [System Model](#System Model)
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- [CU 和 DU](#CU 和 DU)
- RIC
- [智能 CF 天线关联 xApp](#智能 CF 天线关联 xApp)
- RU
- CoreNetwork
- UE
- [Testbed Demonstration](#Testbed Demonstration)
Abstract
去蜂窝多输入多输出 (CF-MIMO) 系统通过使用分布式接入点 (APs) 来提高频谱效率和能量效率，从而在相当于多个传统小区的区域内提供可靠的服务。
本文介绍了一种利用基于开放无线接入网 (open radio access network，O-RAN) 架构的测试床的新型 CF-MIMO 网络设计与实现，旨在增强易受干扰（interference-prone）用户的性能。所提出的原型基于开源软件组件开发，且与许多其他原型不同，我们的测试床（testbed）能够为商用 5G 用户设备 (UE) 提供服务。
无线接入网智能控制器 (RAN intelligent controller，RIC) 允许去蜂窝 (CF) 网络接入嵌入式人工智能，并从 O-RAN 带来的网络优化技术中受益。该测试床包含一个智能天线关联 xApp，它根据实时关键性能测量值为每个 UE 确定服务的天线组。本文演示了 CF 网络和 xApp 的部署与运行，并讨论了 CF 网络如何从 O-RAN 架构中受益。
- E2 是智能控制器与基站单元之间的控制与数据采集接口。
- BH 是连接基站系统与核心网的传输链路（回传）。
Introduction
无线通信技术的快速演进需要创新的方法来满足对吞吐量、覆盖范围和用户体验日益增长的需求。传统的蜂窝网络通常难以给小区边缘用户或易受干扰用户提供足够的服务，这主要是由于来自相邻基站 (BSs) 的衰减和干扰。为了应对这些挑战，去蜂窝多输入多输出 (CF-MIMO) 网络的概念作为一种有前景的解决方案应运而生 [1]。
CF-MIMO 技术通过消除小区边界并实现接入点 (APs) 的协作网络来共同服务所有用户设备 (UE)，从而提供了不同于传统蜂窝网络的范式转变。这种方法提供了宏分集，增强了覆盖范围和吞吐量，特别是对于易受干扰的用户。在 CF-MIMO 网络中，大量分布式 AP（每个可能配备多根天线）通过前传网络连接到中央处理单元 (CPU)，从而实现相干传输和接收。CPU 以分布式 MIMO 方式运行系统，显著改善了用户的信噪比 (SNR) 和信号干扰噪声比 (SINR)，无论其位置如何。
CF-MIMO 系统实现的最新进展已经证明了其在集中式和分布式架构中的潜力。与标准分布式方法相比，集中式架构利用最小均方误差 (MMSE) 或迫零 (ZF) 合并等先进技术，最大化了频谱效率并减少了前传信令，而分布式架构则根据接入点协作情况为超密集网络提供了灵活性 [2]。
向 6G 的演进需要在网络容量、频谱效率、能耗和可靠性方面取得显著改进 [3]。鉴于 CF-MIMO 对易受干扰用户的独特优势，它被认为是 6G 的一种有前景的架构 [4]。开放无线接入网 (O-RAN) 作为未来移动网络的另一项赋能技术，提供了允许由多供应商进行网络部署的开放接口 [5]。O-RAN 还将 RAN 分解为射频单元 (RU)、分布单元 (DU) 和集中单元 (CU)。当多个 RU 连接到同一个 DU 时，DU 自然成为 CF 架构的 CPU，这允许 UE 同时由来自不同供应商的 RU 提供服务。RIC [6] 及其托管的可定制 RICapps （customizable RICapps）实现了基于人工智能 (AI) 的优化，包括能效、流量导向和动态切片。
网络还可以从 CF 架构特有的优化方法中受益，例如服务天线组关联、导频分配、UE 功率控制、UE 预编码/合并技术、回传/前传优化以及 DU/CPU 位置优化。
AvailableCell-Free Network Testbeds
CF 和 O-RAN 架构的互惠互利和互补特性促使我们开发一个原型来评估这种混合方法。根据现有信息，只有部分现有的 CF 测试床引入了兼容 O-RAN 的前传。作为 AI 主要推动者的 RIC 和 E2 接口尚未实现。本节回顾了对 CF-MIMO 系统的开发和理解做出贡献的关键工作。
文献 [7] 中的工作介绍了结合动态时分双工 (TDD) 的 CF-MIMO 实现，使用了 OpenAirInterface (OAI) 5G 协议栈。动态 TDD 允许小区根据流量需求调度上行链路 (UL) 和下行链路 (DL) 时隙，已被集成到 CF-MIMO 中以减轻交叉链路干扰。该测试床将所有无线电设备（RU 和 UE）同步到同一参考源，并演示了具有固定调制编码方案 (MCS) 的 5G 物理层 (PHY)。
文献 [8] 的作者演示了一个支持视频流传输的分布式 CF-MIMO 测试床。该测试床使用分布式计算而无需 CPU，从而降低了前传容量需求。该测试床由 10 个 AP 和 4 个 UE（均由软件定义无线电 (SDR) 实现）组成，每个设备配有一根天线。该测试床利用 Labview 5G PHY 协议栈，演示了多用户 (MU)-MIMO，其中 UE 在同一资源上由多个 RU 提供服务。
这项工作已进一步扩展，以促进适用于工业物联网应用的基于 5G/6G 的专用网络 [9]。该工作提出了一种新型正交频分复用 (OFDM) 预编码算法，允许以用户为中心的集群中的 AP 在最大化容量的同时，最小化对相邻 UE 的干扰。
文献 [10] 中的工作提出了全频谱 CF-RAN（full-spectrum CF-RAN）。关键创新包括可扩展的 CF-MIMO 架构和使用商用无线电设备的具有 64 个分布式天线的 CF-MIMO 测试床。该测试床利用精确时间协议 (precision time protocol，PTP) 同步所有无线电设备，并演示了具有自适应 MCS（Adaptive Modulation and Coding Scheme） 和定制 48 端口解调参考信号 (DMRS) 信号的 5G MU-MIMO PHY。
"5G MU-MIMO PHY" 指的是 "支持多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术的 5G 物理层（Physical Layer）"。
文献 [11] 的作者研究了 CF-MIMO 系统中的下行链路相干多用户传输，重点关注空口 (OTA) 互易性校准和相位同步。开发了一个包含四个远程射频单元 (RRUs) 和 4 个 UE 的测试床来评估这种方法。与文献 [10] 中的工作类似，所有无线电设备（RRU 和 UE）都使用 PTP 进行同步。
在文献 [12] 中，作者提出了一种基于云的 CF 分布式大规模 MIMO 系统。该系统解决了同步、校准以及使用 128 128 MIMO 设置的实时处理方面的挑战。该测试床演示了具有高频谱效率和吞吐量的 5G PHY。
Contributions
通过对已实现的 CF-MIMO 原型的回顾，很明显，重点一直在于新颖的低技术就绪水平 (technology readiness level，TRL) 物理层 (PHY) 技术。表 1 提供了这些工作的简要总结，强调了它们解决的领域和有待研究的关键空白。
随着开源 O-RAN 软件的最新发展，我们发现了构建具有混合 CF 和 O-RAN 架构的中等 TRL 测试床（mid-TRL testbed）的机会，以演示结合这两种 6G 赋能技术的优势。我们的工作旨在开发一种智能 5G 专网，以服务商用现货 (COTS) UE，同时解决表 1 中确定的空白。我们的贡献主要体现在三个方面。
完全兼容 O-RAN 的 5G 软件栈： 与主要仅包含 PHY 的其他 CF-MIMO 原型不同，我们的测试床包含服务 COTS UE 所需的所有软件组件，例如完整的 5G RAN 协议栈（full 5G RAN stack）、独立组网 (SA) 5G 核心网（standalone (SA)
5G core）以及带有板载 xApp 的 RIC。
RAN 被设计为可随 RU 数量扩展，并支持上行链路 (UL) 的 MU-MIMO。据我们所知，我们尚未注意到任何可以通过 MU-MIMO 为 COTS 5G UE 提供服务的 CF-MIMO 原型。我们的测试床也是 O-RAN 架构上 CF-MIMO 的首次实现。
嵌入在 RIC 的智能： 基于 O-RAN 架构设计，我们的测试床自然继承了来自 RIC 的 AI 驱动的网络优化，这是任何现有 CF-MIMO 原型所不具备的。许多现有的 O-RAN 优化方法可以直接应用，例如开启/关闭 RU 以实现节能以及用于流量导向的主动 UE 切换（proactive UE handover for traffic steering）。针对 CF 架构的新颖优化也可以被开发出来，例如 UE 服务天线组关联（稍后将演示）、UE 功率控制以及 DU/CPU 位置优化。
"Proactive UE handover for traffic steering" 的意思是：
网络不仅仅是根据信号强弱来决定用户连哪个基站，而是利用智能算法（比如 AI/ML）来预测网络状态和用户行为。即便用户的信号质量不需要切换，网络也会主动强制用户进行切换，目的是为了均衡负载，优化整个网络的性能
介质访问控制 (MAC) 调度器： MAC 调度器是现有 CF-MIMO 原型中的另一个关键空白，这对于服务 COTS UE 至关重要。UE 发送具有不同模式的调度请求 (Scheduleing requests，SRs)，调度器需要从资源网格中分配适当的资源，而不是像现有原型中常用的那样，在同一组物理资源块 (PRBs) 上进行连续传输。我们测试床的调度器允许单用户 (SU)/MU-MIMO 共存，并为 PHY 提供用于解码 UE 信号的相应信息。
System Model
该测试床完全基于开源组件构建（代码库可按需提供）。该测试床旨在在上行链路 (UL) 场景中验证 CF 架构，因为在服务商用现货 (COTS) UE（通常不支持超过 4 根天线）时，与下行链路 (DL) 相比，上行链路受到的限制（针对 RAN 修改）相对较少。图 1 展示了测试床的架构。
为什么上行链路（UL）相对容易？
- 手机很"傻"： 手机只需要像往常一样发射信号（比如发出 SRS 参考信号）即可，它不需要知道对面是有 1 个基站还是 100 个分布式天线在听。
- 基站很"聪明"： 信号发出来后，作者可以在**基站侧（RAN）**进行修改。
- 作者拥有基站的源代码。
- 他们可以让分布在不同位置的 8 个、16 个甚至更多天线同时接收这个手机的信号。
- 然后把这些信号汇聚到 CPU 里，用他们自己写的算法进行合并处理。
CU 和 DU
这些组件兼容 O-RAN，并基于 srsRAN 24.04 版本构建 (ttps://github.com/srsran/srsRAN_Project)。我们对 DU 进行了重大修改，以实现 MU-MIMO 和定制的 E2 功能，从而支持 CF 架构。针对 MAC 调度器、上层 PHY 和 E2 代理的详细修改将在后文描述。修改后的 DU 支持可扩展的 UL 天线数量，而 DL 天线的最大数量保持原样 (4)。托管所有软件组件的平台是一台 Dell PowerEdge R7525 服务器 (64 核)。
RIC
该测试床包含一个来自 O-RAN 软件社区 (OSC - https://github.com/srsran/oran-sc-ric) 的容器化近实时 (Near-RT) RIC（dockerized near real-time）。这是由 srsRAN 团队提供的原始 OSC Near-RT RIC Release I 的轻量级版本。
FlexRIC (https://gitlab.eurecom.fr/mosaic5g/flexric) 也部分在该测试床上运行。然而，E2 服务模型 (E2 service model，E2SM)-关键性能测量 (key performance measurement，KPM) 并不支持所有的 RIC 报告样式，这是 O-RAN 供应商（O-RAN vendors）之间典型的互操作性（interoperability）问题。
"我们试图用 FlexRIC 这个控制器来管理 srsRAN 基站，但遇到点麻烦。因为这两个开源项目对 E2SM-KPM 标准的实现程度不一样（有的支持这种报告格式，有的不支持），导致它们没法完美配合。这是搞 O-RAN 开发时经常会遇到的兼容性头疼问题。"
智能 CF 天线关联 xApp
该 xApp 是在 OSC RIC 内部开发的。该 xApp 使用 E2SM-KPM 收集标准化和定制的 KPM，并使用 E2SM-RAN 控制 (E2SM-RC) 来控制参与上行链路 (UL) 的天线组。我们预训练了一个深度 Q 网络 (DQN) 模型，该模型根据 KPM 确定天线关联。关于此 xApp 的更多细节将在下文中提供。
RU
我们使用 National Instruments 通用软件无线电外设 (USRP) X310 作为切分选项 8 (split 8) 的 RU。每个 RU 配备 2T2R 天线。所有 USRP 都通过 Octoclock 分发的公共 10 MHz 和 1 PPS 信号进行同步。
这种同步方法限制了 RU 之间的部署距离（由于同轴电缆中的衰减），更实用的替代方案是 N3xx/N4xx 无线电设备，它们可以通过光纤前传使用 PTP 进行同步。该测试床包含 4 个 RU，构成了一个 4T8R CF-MIMO 网络。如果有更多的 RU 可用，UL 天线的数量可以进一步增加。
CoreNetwork
我们使用 Open5GS，这是一个符合 3GPP Release 17 标准的 5G SA 核心网。
在你的这篇论文提到的测试床中，软件栈是这样分工的：
- srsRAN (基站侧): 负责无线电。它控制 USRP 发射和接收波形，处理物理层信号。
- Open5GS (网络侧): 负责业务逻辑。srsRAN 处理完信号后，会把数据包通过网线传给 Open5GS。
Open5GS 具体干了这几件事：
- 鉴权： 当那台小米 12 手机开机时，Open5GS 会检查 SIM 卡（Sysmocom 卡）里的密钥，确认"这是自己人"，允许入网。
- 分发 IP： 它给手机分配一个 IP 地址（比如 10.45.0.2），让手机能像电脑一样上网。
- 连网： 当手机刷视频时，流量是从 手机 -> USRP -> srsRAN -> Open5GS -> 互联网 这样走的。Open5GS 充当了路由器的角色。
UE
与许多其他 CF-MIMO 测试床不同，我们的测试床支持商用现货 (COTS) 5G 手机。测试过的手机包括：Xiaomi 12、Xiaomi 11 Lite 5G NE、Xiaomi Redmi Note 10 5G、Google Pixel 6 和 OnePlus Nord 5G。测试用的 SIM 卡来自 Sysmocom。