O-RAN 5G小基站在工業園區網絡的應用

［蔡子華 黃勁安 林東云］

1 引言

工業互聯網是以新一代信息技術為關鍵支撐，實現全要素全面連接、全產業鏈深度融合的新制造體系和新產業生態，是數字化轉型的重要路徑。工業園區網絡作為企業內網和外網的紐帶，是工業互聯網網絡的重要組成部分。從功能現狀看，傳統工廠內網絡接入技術碎片化，具體包括現場總線、工業以太網等有線接入方式以及WiFi、WIA（Wireless Networks for Industrial Automation）、WirelessHART、ISA100.11a等無線接入方式。多接入方式涉及的技術標準眾多且各有不足，彼此間互聯性和兼容性差，組網維護困難，難以進行靈活部署和快速拓展。工廠外網同樣存在多接入方式，且網絡轉發以“盡力而為”方式為主，無法向大量用戶提供低時延、高可靠、高靈活的服務。5G具備大帶寬、大連接、低時延、高可靠等諸多優勢，在柔性化生產驅動生產流無線化的趨勢下，有望收編各種相對封閉的傳統無線接入技術。根據3GPP的研究，按工業場景的網絡指標要求，5G預計能滿足70%以上的工控場景。且隨著5G TSN（Time Sensitive Network，時間敏感型網絡）技術的成熟，5G能夠進一步滿足有界傳輸時延等高質量實時控制要求，成為工業有線控制網絡有力的補充或替代。

5G賦能工業園區網絡的基礎在于實現生產全流程、無死角、相對低成本的網絡覆蓋，而基于O-RAN（Open Radio Access Network，開放無線接入網）的5G小基站兼具高容量、易部署、高性價比、開放平臺等優勢，將在工業互聯網中得到廣泛應用。

2 O-RAN 5G小基站技術方案

O-RAN將基站系統劃分為O-CU（O-RAN控制單元）、O-DU（O-RAN分布單元）和O-RU（O-RAN射頻單元）。其中，O-CU和O-DU之間的高層分離接口沿用了3GPP F1接口，O-DU與O-RU之間的底層分離接口根據協議棧分離點的不同，存在多種劃分方案，包括Option6（即nFAPI接口）、Option7（即eCPRI接口）和Option8（即CPRI接口）。其中，Option7最顯著的特點是將物理層劃分為PHY-High和PHY-Low，可通過壓縮技術來降低O-DU和O-RU之間所需的前傳帶寬需求。Option7又可進一步細分為Option7-1、Option7-2和Option7-3，如圖1所示。

圖1 O-RAN 5G協議棧功能切分

基于協議棧功能劃分和接口定義，可進一步總結和抽象O-RAN 5G小基站的硬件架構。O-CU負責完成L3 RRC功能和L2 PDCP功能，O-DU主要完成L2的RLC和MAC功能，二者均可考慮部署在通用的計算機平臺上，即COTS（Commercial Off-The-Shelf）服 務 器。O-RU完成射頻部分及天線的功能，出于性能和功耗的考慮，一般部署在專用的軟硬件平臺上。根據O-DU和O-RU的功能是否部署在同一物理硬件設備上，可將O-RAN 5G小基站分為一體式小基站和分體式小基站兩大類。以下主要討論基于Option7-2分體式小基站的實現，其邏輯架構如圖2所示。

圖2 Option7-2分體式小基站的邏輯架構

在Option7-2架構下，O-CU一般采用通用處理器，外接可選的專用加速卡。O-DU則采用通用處理器及專用設備卡的方案。O-DU和O-CU根據需要，既可以部署在相同的通用硬件平臺上，也可以分離。O-RU采用DSP實現L1功能，采用FPGA實現數字下/上變頻和數字預失真等功能，采用RFIC芯片和外圍電路實現射頻功能。為了實現O-DU和O-RU之間的多對多連接，推薦引入中間節點FHGW（Fronthual Gateway）網關設備。FHGW除了在O-DU和O-RU之間進行eCPRI數據的路由和轉發外，還需要實現IQ數據多播和匯集，一般也可采用通用處理器或FPGA實現。

但考慮到現網中存在大量部署的專用的基于CPRI接口的RU，為了最大化兼容，同時實現O-DU的白盒化，對FHGW進行了一定調整，也即在FHGW中實現eCPRI接口與CPRI接口的轉換，如圖3所示。同時，如果采用Option7-2，而RU為傳統專用設備，還需要考慮PHYLow功能的實現。

圖3 FHGW的硬件架構（Option7-2→Option8）

在實際工業設計中，O-RAN 5G分布式小基站由主機、擴展單元、遠端單元三部分組成，如圖4所示。主機支持控制面和數據面的L3/L2全部協議棧功能以及PHY-High功能，此外還包括操作維護、直連5GC核心網等功能，實際即O-CU和O-DU的合設。擴展單元與多個遠端單元星型連接，為O-RAN 5G分布式小基站主機與遠端單元提供數據匯聚和分發功能以及遠程供電，即FHGW。注意到，PHY-Low功能也部署在拓展單元上。遠端單元則完成O-RU余下的微功率射頻收發功能。

圖4 典型的5G分布式小基站邏輯功能及硬件架構

3 O-RAN 5G小基站在工業園區的應用

O-RAN 5G小基站可靈活部署在工業園區室內環境，滿足室內無死角覆蓋要求。在工業園區環境下部署5G網絡時，要求5G小基站滿足防水、防塵和防爆要求，同時滿足集中供電和安全防護要求。5G小基站主機與拓展單元之間采用光纖連接，拓展單元與遠端單元可選光纖或CAT6A網線進行連接。采用光纖傳輸的優勢是其傳輸帶寬高，拉遠距離長。如拓展單元與遠端單元距離較短，一般可通過復合光纜遠程集中供電，但如果距離較長，則需考慮遠端單元的就近取電問題。采用CAT6A超六類網線的優勢是施工簡單且可支持PoE（Power Over Ethernet）供電，但其拉遠距離受限。

5G小基站的回傳網絡建議充分利用工業PON（Passive Optical Network）網絡資源，并打通城域網與IPRAN鏈路，以降低5G傳輸建設成本，實現固移融合。5G小基站經OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）分流至5GC方案的具體組網架構如圖5所示。5G小基站連接ONU（Optical Network Unit，光網絡分配單元），經末端交換機進行端口匯聚接入OLT，OLT通過城域網交換機接入SR（Service Router，業務路由器），由SR實現5G小基站接入核心網5GC。

圖5 工業PON+5G小基站組網架構

選用工業PON網絡作為5G小基站回傳，除了盤活現網資源以降低建設成本的出發點外，主要還在于以下考慮。

①PON網絡的傳輸滲透能力強，在大分光比的情況下仍可保證高帶寬的傳輸速率，可基本滿足5G小基站的回傳帶寬需求，并且系統內RTT（Round-Trip Time，往返時延）僅約為2 ms，可保證低時延業務交換；

② PON具備P2MP（Point to Multiple Point，點對多點）通信的優勢，僅利用無源分光器實現光功率的分配；

③PON為純無源的傳播介質網絡，能夠完全避免電磁波、雷電等環境因素的影響，適合在工業園區相對惡劣的環境下使用；

④ 可基于PON為5G小基站提供時鐘同步信號，ONU通過PON系統內的時鐘同步機制實現精確時間獲取，再作為IEEE 1588v2 master輸出時間信息給5G小基站，這樣一來，小基站側無需增加GPS模塊或空口同步芯片，可降低設備成本；

⑤ PON網絡的新建及擴容都較為簡單，可彈性滿足5G小基站回傳可能的緊急擴容需求。

圖5所示組網架構的另一特點在于UPF（User Plane Function，用戶面功能）下沉至MEC并部署在OLT上，可實現相關業務數據在園區內分流卸載，數據不出園區，滿足數據安全和本地數據快速處理的需求。但如果OLT覆蓋范圍的園區企業的業務差異性大，則可針對性地控制MEC的覆蓋范圍，將MEC進一步下沉至5G小基站上。由于O-RAN 5G小基站采用開放平臺，天然支持軟硬件解耦，可基于O-RAN 5G白盒化小基站平臺，實現基站基帶與MEC一體化設計，融合無線連接、邊緣計算和應用功能，進而實現MEC現場級方案部署，靈活敏捷地為工業園區企業的差異化需求提供更好的低時延業務支持和數據安全保障。

4 結束語

O-RAN 5G小基站高容量、易部署、低成本等特點，使其能夠高度契合工業園區網絡在縱深覆蓋和容量覆蓋方面的需求。同時，O-RAN 5G小基站采用開放式、云化架構設計，使其能夠以靈活的硬件架構敏捷應對現網環境的制約，并與其他信息化體系深度融合。在工業園區網絡中具體部署時，O-RAN 5G小基站可充分利用工業PON網絡資源，經OLT分流連接至5GC，實現固移融合。為適配園區內企業的差異化業務需求，O-RAN還可進一步與MEC實現一體化設計，實現MEC現場級部署。