O-RAN 5G 白盒化小基站硬件架構(gòu)的研究*

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210037）

0 引言

5G 通信技術(shù)已成為國家核心競爭力的體現(xiàn)之一，而5G 的核心技術(shù)則體現(xiàn)在5G 無線接入網(wǎng)。傳統(tǒng)的封閉的無線接入網(wǎng)走向開放是大勢所趨，從4G 時代的V-RAN 到5G 時代的Cloud RAN，RAN設(shè)備的虛擬化和接口的開放化，在逐漸向前推進。由運營商、設(shè)備制造商、標準化組織、芯片供應商、軟件供應商組成的O-RAN 聯(lián)盟，成立于5G 之初，在5G 標準化的基礎(chǔ)之上提出更進一步的開放目標：網(wǎng)絡智能化、硬件白盒化、軟件開源化，以此打破傳統(tǒng)的、封閉的無線接入網(wǎng)的構(gòu)架，降低RAN 的部署成本，提升RAN 的敏捷性和加速網(wǎng)絡創(chuàng)新。

硬件白盒化對無線接入網(wǎng)是一種變革，通過這種變革，實現(xiàn)軟件與硬件的徹底分離，實現(xiàn)無線接入網(wǎng)由專用硬件平臺向通用硬件平臺的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)封閉向徹底開放的轉(zhuǎn)變。相對于宏基站，小基站由于其自身覆蓋范圍小、適合高密度部署、部署場景靈活等特點，成為硬件白盒化的先鋒，O-RAN 5G白盒化小基站硬件參考架構(gòu)為白盒化小基站的實現(xiàn)提供了指導。

1 O-RAN 的協(xié)議分層與功能切分

協(xié)議棧功能的劃分是O-RAN白盒硬件的基礎(chǔ)，圖1 是典型的O-RAN 5G 協(xié)議棧功能切分。O-CU完成L2 PDCP、L3 RRC 層的功能，運行在通用的計算機云平臺之上。O-DU 完成L2 RLC、L2 MAC層的功能，運行在通用的計算機云平臺之上。O-DU與O-CU 之間的接口，為F1 接口。O-RU 完成RF、天線的功能，運行在專用的軟硬件平臺上。在4G LTE 系統(tǒng)中，L1 PHY 的全部功能由基帶處理單元BBU 上的、專用數(shù)字處理器DSP 完成，BBU 與RU 之間通過標準的CPRI 總線相連。在5G NR 系統(tǒng)中，依然保留了這樣的系統(tǒng)架構(gòu)，DU 和RU 之間依然保留了CPRI 連接，L1 PHY 的功能由DU 來承擔。在5G NR 系統(tǒng)中，對L1 PHY 進行了進一步的功能切分，分為L1-High 與L1 PHY-Low，并定義相關(guān)的接口標準：L1-High 與L1 PHY-Low 接口為eCPRI；L1-High 與L2 接口為nFAPI。O-RAN 5G 白盒化小基站的部署形態(tài)和系統(tǒng)架構(gòu)，正是基于這些新定義的接口。O-RAN 白盒化的硬件架構(gòu)，就是對不同廠家的5G RAN 設(shè)備的硬件設(shè)計進行總結(jié)和抽象，找出功能上的共性，然后加以標準和開放。

圖1 O-RAN 協(xié)議棧以及功能切分

2 5G O-RAN 白盒化小基站的形態(tài)

O-RAN 5G 白盒化小基站的部署形態(tài)有2 個大類，4 種選項。

O-DU 和O-RU 的功能部署在同一個專用的物理硬件設(shè)備gNB-DU中，為一體式。gNB-DU與O-CU之間采用標準的F1 接口。DU 和RU 的功能部署在不同的專用的物理硬件中，稱為分體式。

根據(jù)O-DU 與O-RU 在協(xié)議棧中分離點的不同，分體式小基站又有幾種選項：Option6：通過nFAPI接口來分離O-DU 和O-RU 的功能；Option7：通過eCPRI 接口來分離O-DU 和O-RU 的功能；Option8：通過CPRI 接口來分離O-DU 和O-RU 的功能。

2.1 一體式O-RAN 白盒化小基站

（1）邏輯功能架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 一體式小基站gNB-DU 邏輯功能架構(gòu)

在此架構(gòu)中，O-DU 與O-RU 的功能集成在同一個專用的硬件實體gNB-DU 中，為一體式5G白盒小基站，它通過以太網(wǎng)，使用F1 接口，實現(xiàn)gNB-DU 與O-CU 的互聯(lián)互通。

（2）分層部署架構(gòu)，如圖3 所示。

在實際物理部署中，一個O-CU 通常會連接多個gNB-DU。

在此部署中，中間的節(jié)點為通用的IP 路由器或以太網(wǎng)交換機，只對IP 層數(shù)據(jù)進行路由與傳輸，不對F1 接口的數(shù)據(jù)包進行解析。O-CU 與gNBDU，通過5G 標準的F1 接口進行通信。

（3）O-CU 白盒硬件架構(gòu)，如圖4 所示。

O-CU 的白盒化硬件采用通用的計算機平臺，外接可選的專用加速卡。

數(shù)字處理單元：通用處理器，處理RAN PDPC層、RRC 層協(xié)議。

加速卡：可選的數(shù)據(jù)加解密硬件加速卡，采用標準的PCIe接口，支持在通用的服務器上即插即用。

硬件接口：1G/10G/100G 以太網(wǎng)接口。

（4）交換機和路由器白盒硬件架構(gòu)。

在此部署中，此節(jié)點為通用的交換機和路由器。因此其不在O-RAN 硬件白盒化的范圍內(nèi)。

（5）gNB DU 白盒化硬件架構(gòu)，如圖5 所示。

圖3 一體式小基站gNB-DU 分層部署架構(gòu)

圖4 O-CU 白盒化硬件架構(gòu)

圖5 一體式小基站gNB-DU 白盒化硬件架構(gòu)

RF 射頻處理單元：通常由RFIC 芯片加外圍硬件電路實現(xiàn):

天線：用于收、發(fā)電磁波信號。

功放PA：功率放大器，用于發(fā)送電路中，把高頻調(diào)制后的信號進行功率放大，便于遠距離傳輸。

功放LNA:低噪聲放大器，用于接收電路中，能夠抑制噪聲，放大接收到的電信號。

ADC/DAC:數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換。

數(shù)字處理單元：包括RU 的數(shù)字信號處理和DU 的數(shù)字信號處理:

Radio CFR:波峰系數(shù)消除,可用于縮小一個傳輸信號的動態(tài)范圍，通常由FPGA 來實現(xiàn)。

Radio DPD:通過減少功率放大器在其非線性區(qū)運行時產(chǎn)生的失真，提高功率放大器的效率，通常由FPGA 實現(xiàn)。

Radio DDC：數(shù)字下變頻，把數(shù)字中頻信號變換到數(shù)字低頻的基帶信號，通常由FPGA 實現(xiàn)。

Radio DUC：數(shù)字上變頻，把數(shù)字低頻的基帶信號變換到中頻數(shù)字信號，通常由FPGA 實現(xiàn)。

L1 PHY： 物理層功能，包括PHY_Low 和PHY_High 的功能，通常在DSP 上實現(xiàn)。

L2 MAC/LLC：L2 的功能。通常在通用處理器上實現(xiàn)。

時鐘單元：提供O-DU 和O-RU 的同步時鐘，包括頻率、相位同步、幀同步。主要的同步時鐘源有GPS、IEEE1588、同步以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)接口模塊：提供對外通信的接口。

2.2 分體式選項6 白盒化小基站

（1）邏輯功能架構(gòu)，如圖6 所示。

分體式選項6白盒化小基站中，O-DU6和O-RU6是分離的。O-DU 與O-CU 可以部署在相同的通用硬件平臺上，也可以部署在不同的通用硬件平臺上。物理層（包括PHY_High 與PHY_Low)功能全部下沉到O-RU6中，與射頻部分部署在同一個專用硬件設(shè)備中。O-DU6與O-RU6接口采用L2 與L1 之間的nFAPI 接口。

（2）分層部署架構(gòu)，如圖7 所示。

在廣覆蓋的應用領(lǐng)域，通過通用的交換機或路由器等傳輸設(shè)備，實現(xiàn)O-DU6與O-RU6之間多對多的連接。

（3）O-DU6白盒化硬件架構(gòu)，如圖8 所示。

圖6 選項6 邏輯功能架構(gòu)

圖7 選項6 分層部署架構(gòu)

圖8 O-DU6 白盒化硬件架構(gòu)

O-DU6采用通用的硬件平臺+專用設(shè)備卡的方案:

數(shù)字處理單元：為通用處理器。

USB：用于連接本地的USB 設(shè)備。

內(nèi)存通道：連接DDRAM。

VGA：連接顯示設(shè)備。

SPI：用于連接Flash 這樣的存儲設(shè)備，存放固件firmware 和不易丟失的數(shù)據(jù)。

SATA：用于連接通用硬盤設(shè)備。

SMBus：電源管理總線連接電源模塊。

RS232 串口：連接串口設(shè)備。

以太網(wǎng)：提供標準的1G/10G/100G 等以太網(wǎng)口

PCIe:通用計算機連接即插即用模塊的標準接口。O-DU 的加速卡就是通過該接口與主機相連。

加速卡：用于提升IPSEC 數(shù)據(jù)加解密處理的性能。

Timing：時鐘同步接口，用來為O-RU 提供時鐘同步。

nFAPI 接口處理單元：5G L1 與L2 的接口，也是O-DU6與O-RU6的分離點。

（4）O-RU6白盒化硬件架構(gòu)，如圖9 所示。

圖9 O-RU6 白盒化硬件結(jié)構(gòu)

O-RU6采用的是專用的硬件平臺。該硬件架構(gòu)與一體化小基站的硬件架構(gòu)基本相同，不同的是用nFAPI 接口取代了F1 接口，用nFAPI 處理單元取代了L2 LLC 與MAC 的功能。

（1）交換機與路由器白盒化硬件架構(gòu)。

在此選項部署中，采用的是通用的交換機和路由器，因此其不在O-RAN 硬件白盒化的范圍內(nèi)。

2.3 分體式選項7-2 白盒化小基站

（1）邏輯功能架構(gòu)，如圖10 所示。

圖10 選項7-2 邏輯功能架構(gòu)

分體式選項7-2 白盒化小基站中，O-DU7-2和O-RU7-2是分離的。O-DU7-2與O-CU7-2可以部署在相同的通用硬件平臺上，也可以部署在不同的通用硬件平臺上。物理層PHY_High 與PHY_Low 分別部署在O-DU7-2與O-RU7-2中，O-RU7-2采用專用射頻硬件。O-DU7-2與O-RU7-2的接口采用5G 新定義的eCPRI 接口。

在所有的部署選項中，該選項是首選。

（2）分層部署架構(gòu)，如圖11 所示。

在廣覆蓋的應用領(lǐng)域，推薦通過FHGW（FrontHual）網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)O-DU7-2與O-RU7-2之間多對多的連接。雖然FHGW 網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用通用的以太網(wǎng)接口，但它并非是通用的以太網(wǎng)交換機或路由器，F(xiàn)HGW 網(wǎng)關(guān)設(shè)備處理eCPRI 協(xié)議，實現(xiàn)IQ 數(shù)據(jù)的多播、匯集、路由功能，在單頻網(wǎng)SFN的部署情形下，節(jié)省O-DU7-2和O-RU7-2之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，極大地提升了系統(tǒng)的性能。

圖11 選項7-2 分層部署架構(gòu)

（3）O-DU7-2白盒化硬件架構(gòu)，如圖12 所示。

O-DU7-2采用通用的硬件平臺+專用設(shè)備卡的方案，其硬件架構(gòu)與O-DU6白盒化硬件架構(gòu)大體相同，不同的是需要實現(xiàn)PHY_High 的功能，其功能可以在通用處理器上實現(xiàn)，也可以由DSP 加速卡實現(xiàn)。

（4）O-RU7-2白盒化硬件架構(gòu)，如圖13 所示。

O-RU7-2采用的是專用的硬件平臺。該硬件架構(gòu)與O-RU6 硬件架構(gòu)基本相同，不同的是用eCPRI 接口取代了nFAPI 接口，PHY_High 的功能從O-RU7-2上移到O-DU7-2中。

（5）FHGW 網(wǎng)關(guān)白盒化硬件架構(gòu)，如圖14 所示。

圖12 O-DU7-2 白盒化硬件架構(gòu)

圖13 O-RU7-2 白盒化硬件架構(gòu)

圖14 FHGW7-2 白盒化硬件架構(gòu)

該網(wǎng)關(guān)除在O-DU7-2與O-RU7-2之間進行eCPRI 數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)外，還實現(xiàn)兩個重要的功能：IQ 數(shù)據(jù)多播：把IQ 數(shù)據(jù)在同頻網(wǎng)小區(qū)的eCPRI 接口進行多播。

IQ 數(shù)據(jù)匯集：對同頻網(wǎng)小區(qū)的eCPRI 接口的數(shù)據(jù)進行匯集，匯集后傳遞給O-DU7-2。這進一步節(jié)省了O-DU7-2與FHGW7-2網(wǎng)關(guān)之間的帶寬。

2.4 分體式選項8 白盒化小基站

如圖15 所示，分體式選項8 白盒化小基站中，O-DU8和O-RU8是分離的。O-DU8與O-CU 可以部署在相同的通用硬件平臺上，也可以部署在不同的通用硬件平臺上。物理層PHY_High 與PHY_Low都部署在O-DU8中。O-RU8采用專用的射頻硬件。O-DU8與O-RU8之間是CPRI 接口，這是3G/4G時代的產(chǎn)物，用于基帶處理單元BBU 與無線單元RU8之間進行連接與通信。這樣的接口，在DU8和RU8側(cè)都需要專用的CPRI 控制器，這給O-DU8和O-RU8，特別是O-DU8的白盒化和通用化帶來了極大的障礙。雖然“傳統(tǒng)”5G 還有這樣的部署，但在“云”5G 部署中已經(jīng)被eCPRI 替代，O-RAN 強烈推薦不使用此模式。

圖15 選項8 邏輯功能架構(gòu)

2.5 分體式選項7-2 轉(zhuǎn)選項8 5G 白盒化小基站

（1）邏輯功能架構(gòu)。

雖然單純的選項8 的部署方式不被推薦，但考慮到現(xiàn)網(wǎng)中存在大量部署的專用的基于CPRI 接口的RU，同時考慮到O-DU 的白盒化和通用的需求，提出了一種折中、優(yōu)化方案：選項7-2 和選項8 混合部署方案。

（2）分層混合部署架構(gòu)，如圖16 所示。

圖16 分層混合部署架構(gòu)

在混合部署方案中，通過FHGW 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)eCPRI 接口與CPRI 接口的轉(zhuǎn)換。FHGW 網(wǎng)關(guān)設(shè)備與O-DU 的接口是eCPRI 接口，與O-RU 的接口是CPRI 接口。該網(wǎng)關(guān)除了實現(xiàn)選項7-2 中IQ 數(shù)據(jù)的多播、匯集、路由功能，還需要在eCPRI 接口與CPRI 接口之間進行轉(zhuǎn)換。

（3）O-RU8白盒化硬件架構(gòu)，如圖17 所示。

O-RU8采用專用的硬件平臺。該硬件架構(gòu)與O-RU7-2硬件架構(gòu)基本相同，不同的是用CPRI 接口取代了eCPRI 接口，PHY-Low 的功能搬移到FHGW網(wǎng)關(guān)中。

（4）FHGW7-2轉(zhuǎn)選項8 網(wǎng)關(guān)白盒化硬件架構(gòu)，如圖18 所示。

圖17 O-RU8 白盒化硬件架構(gòu)

圖18 FHGW7-2 轉(zhuǎn)8 網(wǎng)關(guān)白盒化硬件架構(gòu)

該網(wǎng)關(guān)采用專用硬件平臺，除了實現(xiàn)IQ 數(shù)據(jù)的多播、匯集、路由功能外，還需實現(xiàn)eCPRI 與CPRI 的轉(zhuǎn)換。

eCPRI 控制器：實現(xiàn)與O-DU7-2的連接。

CPRI 控制器：實現(xiàn)與O-RU8的連接。

3 O-RAN 白盒化硬件發(fā)展可能的五個階段

現(xiàn)有的RAN 無線接入網(wǎng)還是一個開放與壁壘共存的生態(tài)環(huán)境，每個獨立的網(wǎng)元之間的接口是規(guī)范的、開放的，但網(wǎng)元內(nèi)部的實現(xiàn)是廠家特有、封閉的，特別是前向的接口，因此，O-RAN 硬件白盒化的發(fā)展不會一蹴而就，預計會經(jīng)歷如下五個階段：

第一個階段：基于通用的計算機硬件和軟件云平臺部署物理層協(xié)議之上的網(wǎng)絡功能。

直接利用現(xiàn)存的、通用的計算硬件平臺部署O-RAN 的部分網(wǎng)絡功能。這個階段，基本已經(jīng)實現(xiàn)如O-CU 網(wǎng)元和RIC 網(wǎng)元都部署云上。

第二個階段：基于通用硬件的通用接口+專用功能的加速卡部署物理層的網(wǎng)絡功能。

目前，通用平臺的CPU 的處理能力很難勝任由專用平臺上DSP/FPGA 實現(xiàn)的5G 物理層的功能。一種切實可行的方案是在通用的硬件平臺上增加一個增強功能的加速卡，完成5G 物理層的網(wǎng)絡功能。該接口卡采用標準的PCIe 接口，以支持在通用計算機硬件即插即用。

第三個階段：對專用硬件內(nèi)部的軟硬件架構(gòu)進行模塊化和標準化。

對一時無法通用化的專有的軟硬件平臺的內(nèi)部架構(gòu)進行總結(jié)、抽象，模塊化，并在行業(yè)內(nèi)加以規(guī)范化和標準化。O-DU,O-RU 的硬件白盒化主要處于這個階段。

第四個階段：專用硬件設(shè)備子部件的通用化。

基于第三階段開放和標準化基礎(chǔ)之上，引入更多專業(yè)的供應商參與到各個標準化的子模塊的設(shè)計和開發(fā)上，包括原先體現(xiàn)大型通信設(shè)備廠家技術(shù)能力的關(guān)鍵部件。通過充分的競爭，使得關(guān)鍵的核心硬件部件逐漸模塊化和通用化，使得能夠提供專用基站硬件的5G設(shè)備廠家的門檻得到進一步的降低。

第五個階段：專用硬件設(shè)備演變成通用硬件。

到了這個階段，RAN 系統(tǒng)內(nèi)所有邏輯網(wǎng)元,特別是O-RU 的功能部件都是通用的，標準化接口的硬件資源可以用輕松的、即插即用的方式進行集成，組裝成一個可以滿足某種需求的硬件平臺。這個過程就像專用計算機變成通用計算機的過程。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)由封閉走向開放是一個漸進的過程，O-RAN 白盒化基站是一場無線接入網(wǎng)絡的變革,其不同選項的白盒化硬件架構(gòu)的實施也將會分步進行，且需要運營商、傳統(tǒng)設(shè)備商、標準化組織、芯片提供商以及新加入的設(shè)備商共同的參與和推動，這對推動5G 技術(shù)成為全社會各行各業(yè)的高速無線通信基礎(chǔ)設(shè)施起著關(guān)鍵性的作用。