基于5G小基站的無線接入網開放架構及分析

劉洋 楊濤 劉海濤 楊峰義

【摘? 要】

無線接入網開放分為架構開放和能力開放，為應對5G高頻段部署帶來的室內覆蓋及高成本問題，基于開放架構的5G有源小基站值得深入研究，同時基于開放架構有助于實現(xiàn)無線接入網的能力開放。首先介紹了符合開放架構的5G擴展型小基站的基本架構，然后分別從公眾網絡和虛擬專網兩方面論述了5G擴展型小基站的兩個不同應用場景，最后給出了面向室內場景建立統(tǒng)一計算環(huán)境的架構及展望。

【關鍵詞】 5G;小基站;室內覆蓋;無線接入網能力開放

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.012? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0054-05

引用格式：劉洋，楊濤，劉海濤，等. 基于5G小基站的無線接入網開放架構及分析[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 54-58.

Open Architecture and Analysis of Radio Access Network Based on 5G Small Base Stations

LIU Yang， YANG Tao， LIU Haitao， YANG Fengyi

（China Telecom Research Institute 5G R&D Center， Beijing 102209， China）

[Abstract]

The openness of radio access network is divided into open architecture and open capabilities. In order to cope with indoor coverage and high cost caused by 5G high-frequency deployment， 5G active small base stations based on the open architecture are worthy of in-depth research. At the same time， the open architecture helps to open the capabilities of the radio access network. Firstly， this paper introduces the basic architecture of 5G extended small base stations with open architecture， and then two different application scenarios of 5G extended small base stations are discussed in terms of public and private networks， respectively. Finally， the architecture and outlook of establishing a unified computing environment are given for indoor scenarios.

[Key words] 5G; small base station; indoor coverage; RAN capability openness

0? ?引言

5G的高頻段、大帶寬特點使網絡對無線流量的支持快速增長，同時給運營商網絡部署帶來了挑戰(zhàn)。根據5G三大業(yè)務場景需求，增強型移動寬帶、超高可靠低時延通信和大規(guī)模機器類通信中預計將有70%以上的業(yè)務需求來自于室內[1]。其典型業(yè)務，如高清視頻、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、遠程醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網、室內導航及客流分析等，都對室內覆蓋網絡指標提出了更高的要求。4G時代很多室內業(yè)務由室外宏基站承載，而對于5G，因為采用較高頻段部署，室外宏基站覆蓋室內有較大難度，同等覆蓋的室外基站建設成本遠高于4G;同時，4G傳統(tǒng)的無源分布式天線系統(tǒng)只支持2.7 GHz以下頻段，系統(tǒng)改造實施難、成本高，難以滿足5G要求[2-3]。運營商在選擇室分方案時主要會考慮性能、成本、節(jié)能等方面[4]，在此背景下5G有源小基站迎來了發(fā)展機遇。

有源小基站具有低功耗、部署方便、低時延的優(yōu)勢，還可承擔起5G時代智能家居/辦公的中樞功能，不僅能與宏基站搭配部署掃除覆蓋盲區(qū)，還能夠實現(xiàn)數字化的5G室內覆蓋，滿足服務的多樣化需求[5-6]。目前，許多電信設備廠商已發(fā)布了基于有源小基站的5G室內覆蓋解決方案，例如LampSite、室內QCell以及室內點系統(tǒng)等方案[7]。

1? ? 開放架構的5G擴展型小基站

1.1? 開放架構的5G小基站

近期，以O-RAN（Open-Radio Access Network，開放無線接入網）聯(lián)盟及TIP（Telecom Infra Project，電信基礎設施項目）等為代表的倡導接入網開放的聯(lián)盟組織，陸續(xù)發(fā)布有關接入網開放設備的標準推動及試商用信息。其中，O-RAN聯(lián)盟的目標是實現(xiàn)無線接入網的接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化和網絡智能化，以降低接入網成本、推動無線接入網架構開放與智能為出發(fā)點。2019年初，日本樂天移動首批4G基站開通，計劃以全IT化的方式建設4G/5G網絡，通過基站虛擬化、白盒化，建成端到端的云原生移動網絡。另外，在“TIP 2019峰會”上，沃達豐發(fā)布了對歐洲超過十萬個開放基站的采購指標，并要求供應商遵循O-RAN技術規(guī)范。2020年初，土耳其電信、IpT（秘魯電信運營商）等多家運營商先后宣布將采用軟硬件解耦的方式來實現(xiàn)5G網絡部署。由此可見，一種具有更大靈活性、可擴展、高效能的開放式接入網是一個日漸受認可的網絡發(fā)展方向，除此之外，5G應用的快速迭代需求成為軟硬件解耦的契機，也要求運營商用新技術、新方案增強網絡活力。

2019年O-RAN聯(lián)盟完成了應用場景分析，基于白盒硬件組WG7的研究結果[8]，國外的白盒硬件應用場景包括室外宏基站及室內覆蓋，而國內運營商對于白盒硬件的研究聚焦在室內小基站領域[9]，即5G擴展型小基站。這一方面是因為在5G時代，室內有源小基站預期將得到廣泛應用，將會帶來無線網絡建設的顯著成本壓力;另一方面，小基站部署具有覆蓋半徑短、場景簡單的特點，一定程度上降低了對于通信設備的性能指標要求，硬件同質化帶來的通信性能指標的趨同性就不是主要矛盾了[10]。

5G擴展型小基站的基站形態(tài)包括基帶處理單元（BBU， Baseband Unit）、交換機（HUB）及射頻處理單元（RRU， Remote Radio Unit）的三級架構，如圖1所示。其中，HUB連接BBU和RRU，對于下行鏈路，它將數據廣播到所有RRU;對于上行鏈路，它根據小區(qū)集合組合來自RRU的所有上行鏈路數據，BBU與HUB之間及HUB與RRU之間通過前傳接口連接，根據不同的基帶功能切分點，前傳接口分為Option 7-2/Option 8/Option 6等方式。其中，基于Option7-2切分的前傳接口已經在O-RAN中有完整的規(guī)范定義，但為了降低RRU的成本，基于Option 8切分的前傳接口常用于5G擴展型小基站。

1.2? BBU功能及實現(xiàn)

對于5G擴展型小基站，BBU實現(xiàn)基帶處理，具體包括實現(xiàn)無線接入網層1/層2/層3的協(xié)議棧功能、同步及前傳等?？紤]硬件實現(xiàn)從通用到專用的發(fā)展過程，協(xié)議?？梢酝ㄟ^全通用處理器/通用處理器+加速卡/基帶專用芯片等三種方式實現(xiàn)。目前階段較為常見的實現(xiàn)方式是將處理實時性要求較高的信道編解碼和前傳采用FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）/ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）來實現(xiàn)，而層2/層3協(xié)議?；谕ㄓ锰幚砥鱔86/ARM（Advanced RISC Machine，進階精簡指令集機器）架構的服務器來實現(xiàn)。這樣不僅可以平衡基帶設備整體成本，還有助于與其他網絡虛擬化功能共平臺部署，比如無線智能控制器（RIC， RAN Intelligent Controller）、移動邊緣計算（MEC， Mobile Edge Computing）等。

基于通用服務器的基帶處理，引入了軟硬件解耦，使硬件更通用化，實現(xiàn)更高效的資源管理方案和更靈活的網絡架構，有利于運營商提供靈活、快速的業(yè)務應用。

1.3? HUB及RRU的功能及實現(xiàn)

5G擴展型小基站的中間設備HUB負責數據分發(fā)與合并，例如可以通過不同前傳接口切分點Option 7-2/Option 8和eCPRI（evolved Common Public Radio Interface，演進通用公共無線電接口）/CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）前傳協(xié)議接收BBU發(fā)來的信號，將信號放大和轉發(fā)后，再通過基于Option 8的前傳接口將數據送入RRU。HUB可以基于FPGA/ASIC來實現(xiàn)，其功能可包括信號同步、壓縮/解壓縮以及前傳接口轉換等。RRU來實現(xiàn)射頻收發(fā)功能，由FPGA模塊（實現(xiàn)前傳、時間同步等）、電源模塊、收發(fā)信機模塊、功放以及濾波器組成，其中FPGA部分可以由ASIC來替換。

不同的實現(xiàn)方式是靈活性與成本、功耗的折中，隨著設備成熟度的提升，HUB及RRU將逐漸采用芯片方式實現(xiàn)，以達到低成本與低功耗的目的。

2? ? 5G擴展型小基站不同應用場景

2.1? 低成本方案應用于公眾網絡

公眾網絡的主要需求是在滿足性能和覆蓋等無線網絡指標基礎上盡量實現(xiàn)成本最優(yōu)化，這種應用場景對于5G擴展型小基站的應用要求與傳統(tǒng)設備的需求方向一致，性能、成本、功耗、體積和可靠性是主要指標需求。針對公網室內覆蓋部署，為了能替換傳統(tǒng)無源室分方案，降低設備成本，基于軟硬件解耦的5G擴展型小基站的基帶硬件可考慮采用低規(guī)格、定制化的單機版服務器，軟件基于非虛擬化的物理機運行，可以兼顧性能和成本。

2.2? 基帶虛擬化有助于垂直行業(yè)應用的靈活部署

面向5G垂直行業(yè)應用，可以采用虛擬專網的形式進行網絡部署。5G擴展型小基站可以采用云化、虛擬化技術，實現(xiàn)無線網絡資源的池化共享，可以支持與MEC/UPF（User Plane Function，用戶面功能）的共平臺部署，滿足5G多種室內業(yè)務的靈活需求，滿足多種業(yè)務對于無線底層基礎資源的彈性伸縮需求，實現(xiàn)池化增益。

同時，虛擬化小基站能夠很好地實現(xiàn)軟硬件解耦，使得5G多類業(yè)務場景不依賴底層硬件驅動，進行快速部署。對于以下兩種基帶實現(xiàn)方式，均可以考慮BBU與MEC的共平臺部署。

（1）基于通用服務器和FPGA架構的共平臺部署方案（如圖2）

如前所述，相比于通用處理器，F(xiàn)PGA有高運算能力、低功耗等特點，適合卸載部分基帶物理層密集型運算，降低處理器負荷，提升BBU設備的性能功耗比。所以，將部分BBU協(xié)議棧軟件，例如調制解調、預編碼、層映射等功能運行在通用處理器上，將物理層的信道編解碼、FFT/IFFT以及前傳等功能卸載到FPGA加速器上。

此種基于通用服務器和FPGA混合架構的擴展型小基站，因為BBU主要功能由通用處理器實現(xiàn)，可較為便捷地與RIC/MEC/第三方APP共平臺。通過與MEC共平臺部署后，可以分攤服務器硬件和機房設施投入，還可以應對垂直行業(yè)的多樣化需求。

（2）基于基帶專用芯片的共平臺部署方案

若將基帶物理層處理全部封裝在ASIC芯片中，可以通過采用Option 6切分方式的前傳接口將BBU與RRU連接，其中BBU實現(xiàn)基帶層2/層3協(xié)議棧功能，RRU遠端單元不僅實現(xiàn)射頻處理，同時還集成了物理層芯片。

這種實現(xiàn)方式中的BBU可采用較低規(guī)格的X86/ARM架構的服務器實現(xiàn)高層協(xié)議棧，降低BBU成本及功耗。此時，因為BBU仍采用通用處理器實現(xiàn)，所以能夠與RIC/MEC/第三方APP共平臺部署，如圖3所示：

MEC與BBU共平臺部署，可以降低單獨部署B(yǎng)BU/MEC的成本，充分利用此系統(tǒng)的硬件資源池，使資源利用率最大化，同時可以實現(xiàn)無線接入網的數據信息與MEC平臺間的共享，也有利于更好地利用MEC平臺來優(yōu)化接入網系統(tǒng)的資源分配及智能管理。

同時，MEC與BBU共平臺部署可以利用下沉內容和應用、邊緣網絡業(yè)務處理能力、低時延的體驗以及高精度室內定位等優(yōu)勢，很好地服務于網絡與商業(yè)綜合體在業(yè)務創(chuàng)新、運營創(chuàng)新升級方面的需求?；贛EC平臺，在接近用戶處提供本地化、低時延和高帶寬的業(yè)務，同時提供開放的API（Application Programming Interface，應用程序接口），讓豐富的第三方應用和內容進入管道，來滿足室內用戶的多元化業(yè)務需求，實現(xiàn)網絡管道增值。

3? ?面向室內場景建立統(tǒng)一計算環(huán)境

3.1? 無線接入網能力開放

總體而言，無線接入網開放包括接入網的架構開放及接入網的能力開放，如果能夠利用無線接入網的開放數據推進本地化業(yè)務應用，結合邊緣計算平臺打造更貼近垂直行業(yè)需求的、可以快速迭代業(yè)務應用的網絡環(huán)境，即得以實現(xiàn)無線接入網的能力開放。上一章節(jié)中面向5G小基站討論了開放式的接入網架構，基于此開放架構，例如BBU與MEC共平臺的部署方式，有利于實現(xiàn)接入網的能力開放，在此基礎上，能力開放還進一步需要定義相應的標準化的上層接口。

面向5G室內覆蓋的接入網能力開放，需要滿足室內垂直行業(yè)應用的本地化需求，解決本地化密集通信和本地數據隱私問題。例如工廠園區(qū)，MEC平臺應用可以與BBU和下沉的UPF融合共存在同一個平臺，直接獲取接入網數據信息。這種方式能夠靈活響應新業(yè)務和垂直行業(yè)的需求，提供可管可控的網絡性能，包括將通信環(huán)節(jié)減到最少，提供超低時延業(yè)務體驗，并且通過MEC和RAN的本地化交互，實現(xiàn)無線網絡能力定制，優(yōu)化業(yè)務體驗。

3.2? 統(tǒng)一計算環(huán)境的實現(xiàn)方式

O-RAN聯(lián)盟定義了開放架構的無線接入網，其中通過O-CU/O-DU區(qū)別于傳統(tǒng)CU/DU，分別表征開放架構中的集中控制單元和分布式單元，圖4給出了室內場景統(tǒng)一計算環(huán)境示意圖，其中O-CU/O-DU與MEC共平臺部署有利于實現(xiàn)接入網的能力開放。

（1）統(tǒng)一的硬件平臺

通過室內小基站有效解決5G時代室內覆蓋的高容量通信需求，基于通用服務器的基帶處理單元，實現(xiàn)了軟硬件解耦，也可以為擴展支持MEC等邊緣應用功能提供基礎，實現(xiàn)統(tǒng)一的硬件平臺。

（2）采用可編程的軟件協(xié)議棧

基于通用處理器和FPGA加速卡的硬件平臺組合，結合虛擬化接入網的軟件協(xié)議棧，實現(xiàn)了靈活可靠的無線接入解決方案。采用可編程的軟件協(xié)議棧，可以根據業(yè)務需求提取接入網數據，實現(xiàn)接入網能力開放。

（3）大數據分析及能力開放

通過RAN能力開放模塊獲取接入網開放數據，并將開放數據傳送給MEC平臺，用以開發(fā)靈活的邊緣應用，采用大數據分析及決策，不僅可以有效利用接入網開放數據實現(xiàn)垂直行業(yè)業(yè)務需求，還可以動態(tài)優(yōu)化接入網配置。另外，需要實現(xiàn)室內小基站與室外宏基站的動態(tài)切換，使用戶覆蓋范圍和容量之間實現(xiàn)最佳平衡，以最大限度地提高運營商的頻譜效率，以支持更高級別的數據使用并滿足客戶對高質量體驗不斷增長的期望。

4? ?結束語

在5G部署場景中，面向室內覆蓋的有源小基站成為重要技術方案之一。其中，5G擴展型小基站可以作為接入網開放的突破口，通過基站設備的軟硬件解耦邁向更開放和智能的網絡發(fā)展階段。本文對開放架構的5G擴展型小基站的實現(xiàn)方式進行總結與展望，不同切分方式的實現(xiàn)方案都可以通過虛擬化基帶處理功能，達到提升系統(tǒng)靈活度的目的。針對不同應用場景，開放架構的小基站有利于提供差異化的設備類型，從而實現(xiàn)個性化服務。基于無線接入網與MEC共平臺的部署方式，可以有效提供開放的接入網能力，通過豐富本地應用有助于未來網絡與應用的協(xié)同發(fā)展。

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作者簡介

劉洋（orcid.org/0000-0001-8440-1423）：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國電信研究院5G研發(fā)中心，主要從事無線網絡開放、5G室內小基站等方向的研究工作。

楊濤：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國電信研究院5G研發(fā)中心，主要研究方向為5G小基站技術方案及技術規(guī)范制定、無線網絡開放及O-RAN標準化。

劉海濤：工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國電信研究院5G研發(fā)中心，主要從事5G接入網、軟件無線電等方向的研究工作。