OpenRAN 6G网络：架构、用例和开放问题

英文标题： Open RAN for 6G Networks: Architecture, Use Cases and Open Issues

作者信息

• Bharat Agarwal：2016年毕业于Galgotias University，获得电气与电子工程学士学位；2023年在爱尔兰都柏林城市大学获得电子工程博士学位。2018年至2019年在印度理工学院德里分校担任研究助理。2023年起在德国德累斯顿的Vodafone Tech Innovation Center担任6G技术专家。研究方向包括异构网络、流量优化、6G、5G、LTE、凸优化和Open-RAN。

• Ralf Irmer：IEEE高级会员，2005年加入Vodafone Group Research and Development，负责无线接入创新，并启动了Vodafone集团的第一个5G项目。2015年加入德国Vodafone GmbH，担任Vodafone Tech Innovation Center负责人，专注于6G技术。目前是Vodafone德国的首席创新架构师，领导5G/6G和技术创新工作。

• David Lister：Vodafone集团高级研发经理，负责Vodafone未来颠覆性技术的研究工作。拥有30年经验，涵盖3G、4G和5G技术的引入，曾担任与频谱监管、标准开发和新产品引入相关的技术和商业职务。目前负责Vodafone集团的所有6G研究工作。

• Gabriel-Miro Muntean：IEEE会士，爱尔兰都柏林城市大学电子工程学院教授，同时也是都柏林城市大学性能工程实验室联合主任。发表了500多篇顶级国际期刊和会议论文，出版了4本书和29章书，编辑了6本书。研究方向包括多媒体和多感官媒体传输的质量、性能和节能问题，技术增强学习，以及其他数据在异构网络上的通信。

论文出处

本文已被接受在《IEEE Communications Surveys & Tutorials》上发表。这是作者的版本，尚未完全编辑，内容在最终出版前可能会有变化。引用信息：DOI 10.1109/COMST.2025.3562429。本文在创作共用4.0许可下授权，更多信息请参见 Deed - Attribution 4.0 International - Creative Commons。

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摘要

本文探讨了Open RAN架构及其在6G网络中的应用，重点关注能效和低延迟。文章总结了6G Open RAN的不同可能架构，提出了多种新颖的用例，并讨论了Open RAN在6G中面临的前景和问题。文章还提供了设计原则和复杂流程的潜在解决方案。

关键词

6G网络、人工智能/机器学习算法、Open RAN架构、低延迟、能效、数字孪生

一、引言

文章首先回顾了5G的发展历程，并展望了6G的未来。6G预计将超越5G，提供更高的数据速率、更低的延迟和更高的可靠性。6G的关键性能指标包括极低延迟通信（10微秒至100微秒）、极高峰值数据速率（至少1Tb/s）、极高移动性（≥1000公里/小时）、巨大容量（每平方公里10^7个设备）、减少能源消耗（与5G相比减少100倍）等。文章强调，6G的发展需要在软件化解决方案的基础上进行扩展，以适应未来可能出现的新技术。

二、Open RAN教程

Open RAN通过将基站功能分解为集中单元（CU）、分布式单元（DU）和远程单元（RU），并采用开放接口连接它们，从而实现多供应商构建这些实体。RAN智能控制器（RIC）是Open RAN架构中的关键组件，负责管理任务，如自组织网络和无线资源管理。Open RAN的五个重要特征包括：解耦、开放生态系统、开放接口、硬件与软件解耦以及智能管理。

三、现有调查和教程

文章对现有的Open RAN相关调查进行了总结，分析了这些调查的优势和局限性，并指出了本文的独特贡献。本文不仅总结了Open RAN在5G中的应用，还探讨了其在6G中的扩展应用，提出了一个创新的架构框架，将Open RAN与新兴6G技术（如数字孪生）集成，并展示了Open RAN在实现6G特定要求（如超低延迟和高能效）方面的潜力。

四、Open RAN分类

文章提出了一个Open RAN分类体系，涵盖了架构、技术、挑战和开放研究方向四个主要类别。在架构方面，文章详细讨论了Open RAN在能效（EE）、吞吐量（HT）和低延迟（LL）方面的关键特性。在技术方面，文章探讨了安全、数字孪生、车联网（V2X）和大规模多输入多输出（mMIMO）等技术。在挑战方面，文章讨论了复杂性管理、标准遵循、供应商独立性维持和过度创新等问题。在开放研究方向方面，文章提出了AI在Open RAN安全中的应用、持续集成和持续部署（CI/CD）在Open RAN中的应用、xApps/rApps/dApps的作用、3GPP和非3GPP共存以及量子计算在Open RAN中的应用等方向。

五、Open RAN架构实现能效（EE）

文章详细讨论了Open RAN架构在实现能效方面的关键特性，包括虚拟化和云原生架构、AI和机器学习在资源优化中的作用、动态资源扩展、能效硬件的使用以及功率放大器优化。文章指出，通过这些技术，Open RAN可以在不牺牲性能、可扩展性或灵活性的前提下，显著降低能源消耗，满足6G的能效目标。

六、Open RAN架构实现低延迟（LL）

文章探讨了Open RAN架构在实现低延迟方面的多种策略，包括边缘计算集成、CU和DU的分离、功能分解、实时编排和优化、网络切片以及与低延迟技术的互操作性。文章强调，通过这些策略，Open RAN可以有效地满足6G网络对低延迟的要求，支持实时通信、自动驾驶和沉浸式应用等先进用例。

七、Open RAN应用中间件连续体中的创新技术丰富路径

文章讨论了Open RAN在安全、数字孪生、V2X和mMIMO等技术中的应用，并回顾了相关研究。在安全方面，文章讨论了Open RAN面临的挑战，如多供应商环境和开放接口带来的攻击面增加，并提出了基于AI的威胁检测和响应机制。在数字孪生方面，文章提出了一个Open RAN架构，用于创建网络的虚拟副本，以优化网络性能和管理。在V2X方面，文章探讨了Open RAN如何支持V2X通信，包括车辆到车辆（V2V）、车辆到基础设施（V2I）、车辆到行人（V2P）和车辆到网络（V2N）的交互。在mMIMO方面，文章讨论了Open RAN如何支持大规模MIMO技术，以提高频谱效率和数据吞吐量。

八、Open RAN部署的挑战

文章讨论了Open RAN部署过程中面临的主要挑战，包括复杂性管理、标准遵循、供应商独立性维持和过度创新。这些挑战涉及Open RAN架构的不断演变、多供应商组件的无缝互操作性、网络性能的持续优化以及开放接口带来的安全风险。文章强调，通过行业合作、创新和持续改进，可以克服这些障碍，释放Open RAN在电信行业的潜力。

九、开放研究方向

文章提出了Open RAN的五个主要开放研究方向，包括AI在Open RAN安全中的应用、CI/CD在Open RAN设计中的应用、xApps/rApps/dApps的作用、3GPP和非3GPP共存以及量子计算在Open RAN中的应用。这些研究方向旨在解决Open RAN在6G网络中的关键问题，推动下一代无线通信系统的发展。

十、结论

文章总结了Open RAN和6G网络发展的关键教训。Open RAN的灵活性和互操作性为6G网络提供了宝贵的指导，虚拟化和云原生架构支持6G所需的超低延迟和大规模连接。AI和机器学习的集成在管理复杂网络资源、缓解安全威胁和启用智能服务中发挥着重要作用。网络切片和定制化是6G用例的关键，安全和隐私问题至关重要，标准化和生态系统合作对于推动创新和加速采用至关重要。文章强调，通过采用开放、灵活、虚拟化和智能化的原则，利益相关者可以为6G网络奠定基础，这些网络将塑造未来通信的未来。