[论文解读] From ORAN to Cell-Free RAN: Architecture, Performance Analysis, Testbeds and Trials

Yang Cao, Ziyang Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2023

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于开放无线接入网（ORAN）的无蜂窝无线接入网（CF-RAN）架构，以实现可扩展、高性能的6G无线网络。通过引入边缘数据单元（EDUs）实现分布式联合检测与预编码，该系统在使用商用现成（COTS）O-RU设备的情况下，显著提升了可扩展性和实时可行性，同时实现了高达78%的联合MMSE性能。

ABSTRACT

Open radio access network (ORAN) provides an open architecture to implement radio access network (RAN) of the fifth generation (5G) and beyond mobile communications. As a key technology for the evolution to the sixth generation (6G) systems, cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) can effectively improve the spectrum efficiency, peak rate and reliability of wireless communication systems. Starting from scalable implementation of CF-mMIMO, we study a cell-free RAN (CF-RAN) under the ORAN architecture. Through theoretical analysis and numerical simulation, we investigate the uplink and downlink spectral efficiencies of CF-mMIMO with the new architecture. We then discuss the implementation issues of CF-RAN under ORAN architecture, including time-frequency synchronization and over-the-air reciprocity calibration, low layer splitting, deployment of ORAN radio units (O-RU), artificial intelligent based user associations. Finally, we present some representative experimental results for the uplink distributed reception and downlink coherent joint transmission of CF-RAN with commercial off-the-shelf O-RUs.

研究动机与目标

• 在6G系统中，通过开放无线接入网（ORAN）架构实现可扩展的无蜂窝大规模MIMO（CF-mMIMO）部署。
• 通过引入边缘数据单元（EDUs）实现分布式联合处理，解决无蜂窝大规模MIMO中的可扩展性-性能权衡问题。
• 通过真实世界测试平台验证基于商用现成（COTS）ORAN射频单元（O-RUs）的无蜂窝RAN（CF-RAN）的可行性与性能。
• 通过动态用户中心的O-RU与EDU关联、时频同步以及空中链路互易性校准，优化系统级性能。

提出的方法

• 提出一种混合架构，将无蜂窝大规模MIMO处理分布在多个EDUs上，实现集中式性能与分布式可扩展性之间的灵活权衡。
• 在原型系统中采用改进的5G NR双符号Type 2 DMRS（24端口）以支持上行链路信道估计与用户复用。
• 在时隙内相同OFDM符号中，采用均匀功率延迟分布的维纳插值法实现精确的信道估计。
• 采用基于时分的互易性校准方法，引入5ms延迟模型，以补偿空中链路（OTA）校准中本振（LO）相位漂移的影响。
• 采用基于遗传算法的用户关联策略，实现用户设备（UE）、O-RUs与EDUs之间的优化用户中心资源分配。
• 部署一个原型系统，使用16个COTS O-RUs和12个UE在4.9GHz频段运行，上行链路与下行链路分别采用EDU-MMSE与L-MMSE接收机进行处理。

Figure 1: Uplink MRC with distributed implementation.

实验结果

研究问题

• RQ1 在ORAN架构下，如何高效地实现无蜂窝大规模MIMO的可扩展性，同时保持高谱效率？
• RQ2 在CF-RAN中，完全集中式、完全分布式与基于EDU的混合联合处理之间，性能权衡如何表现？
• RQ3 在真实CF-RAN部署中，采用5ms延迟的空中链路互易性校准对下行链路联合预编码性能有何影响？
• RQ4 何种部署策略（如交错式与簇状O-RU布局）能在CF-RAN中实现最优的谱效率？
• RQ5 使用COTS ORAN设备的实用型CF-RAN系统能否在实时、可扩展处理下实现接近最优的性能？

主要发现

• 基于EDU的CF-RAN实现了高达78%的完全集中式联合MMSE接收机的谱效率，显著优于完全分布式MRC与L-MMSE方案。
• 在使用两个EDUs且校准延迟为5ms的情况下，EDU-MMSE预编码可实现约80%的完美CSI反馈下联合MMSE性能，尽管存在相位漂移影响。
• 5ms校准延迟导致的性能损失约为10%，证明了在实际系统中实时互易性校准的可行性。
• 与簇状部署相比，采用遗传算法优化的用户关联策略在交错式O-RU部署中，上行与下行链路均表现出更高的谱效率。
• 当每个EDU的天线数量超过上行链路数据流数量时，基于EDU的联合检测带来的性能增益最为显著。
• 使用16个COTS O-RUs与12个UE的原型系统验证了基于标准ORAN接口与商用硬件的上行链路分布式接收与下行链路相干联合传输的可行性。

Figure 2: Downlink MRT with distributed implementation.