基于O-RAN技術的高校5G基站部署研究

蘇 剛

德州學院物理與電子信息學院

0 引言

校園網是連接各種教育教學設備的最重要信息化基礎設施之一。5G與校園網是一種增強型的關系，5G可以與既有的校園網融合，支撐新型教學模型建設，促進智能技術的發展，支撐學生的科技創新，助力校園物聯網，實現校園數據本地化處理。高校5G網絡重點在于接入網部署，即5G基站部署。無線接入網（RAN）設備的虛擬化和接口的開放化在逐漸向前推進。O-RAN是對RAN的變革，實現了軟硬件解耦，將專用硬件平臺轉變為通用硬件平臺，實現了白盒化發展。高校5G的小基站由于自身覆蓋范圍小、部署密集且靈活，是硬件白盒化的先鋒。O-RAN 5G小基站作為校園網5G網絡的重要載體，支持開放、靈活的硬件架構，可與校園固定網絡實現固移融合，與移動邊緣計算（MEC）等新技術融合，可以高效賦能智慧校園網建設。研究O-RAN技術在高校5G基站部署中的應用，對于挖掘5G技術潛能、增進智慧校園建設都有重要意義。

1 O-RAN技術及協議棧

早期移動通信行業技術門檻高，通信設備研制難度大，設備商研發的通信設備大多是封閉的、對外不可見的系統。為了方便不同設備商之間的對接，通信行業開始推動通信標準統一、技術開放，即“解耦”。通信系統的整體演進是解耦，其中，核心網最先完成，即核心網虛擬化（NFV）。承載網也在逐漸虛擬化、解耦化，即軟件定義網絡（SDN）。接入網涉及大量的天線、射頻、基帶處理等復雜功能，此類硬件專有且獨特，解耦難度最大、解耦度相對滯后，而O-RAN技術是對接入網解耦的開始，具有接口開放化、軟件開源化、硬件白盒化、網絡智能化的特點。

5G網絡頻段高、覆蓋弱，基站數量大幅度增加。O-RAN可以降低5G組網成本，實現靈活組網，打造開放、開源與智能的5G基站。同時，O-RAN技術也為運營商降低成本、開展增值業務、實現智能化運營維護提供重要支持。O-RAN網絡架構如圖1所示。

圖1 O-RAN網絡架構

協議棧功能劃分（見圖2）是O-RAN白盒硬件的基礎。O-RAN硬件分為3個部分：（1）開放中心單元（O-CU），完成L3 RRC、L2 PDCP層的功能。（2）開放分布單元（O-DU），完成L2 RLC、L2 MAC層的功能，與O-CU均運行在通用計算機云平臺（COTS）上，與O-CU接口為F1口，完成中傳（Middlehaul）功能。（3）開放射頻單元（O-RU），實現L1功能，包含射頻處理、天線單元，該單元對性能和功耗要求高，一般采用專用的軟硬件實現。

圖2 O-RAN協議棧

O-RAN基站有一體式和分體式兩種部署架構。一體式架構是將O-DU和O-RU功能部署在同一個硬件設備中，稱為gNB-DU，通過F1接口與O-CU連接。分體式架構是將O-DU和O-RU部署在不同的硬件設備中。分體式架構基站中O-DU和O-RU各司其職，O-DU僅處理基帶信號，可以采用通用硬件平臺實現，體積小、功耗低、擴展性強；O-RU處理射頻信號，可以選用專用硬件平臺。分體式架構既能降低網絡建設成本，又能根據應用場景靈活部署。高校的教學樓、實驗樓、操場、餐廳等場景眾多，分體式基站是校園基站部署的首選方案。基于分體式小基站的實現結構如圖3所示。

圖3 分體式小基站結構

2 O-RAN前傳方案

相比4G，5G接入網從原來的BBU+RRU+饋線+天線，變成了CU+DU+AAU，5G承載網也隨之變化，變成了前傳、中傳、回傳3個部分。目前，關于回傳和中傳部分，三大運營商的方案已經成熟，并且處于商用落地階段。前傳部分的解決方案一直都在探索之中，其是最靠近5G AAU天線的傳輸環節，因O-DU與O-RU在協議棧中的分離點不同，分體式基站有3種前傳接口方案：nFAPI接口、eCPRI接口、CPRI接口。

高校用戶多為年輕群體，具有用戶數據量大、終端數量多等特點，可以選用eCPRI接口來壓縮數據，減輕前傳壓力。O-DU和O-CU可分開部署，亦可合并部署在同一個通用硬件平臺上。考慮到校園場景的靈活多樣，為實現對新技術的后續兼容，使O-DU單元更靠近用戶端，將O-CU單元放置在校園中心機房；同時，考慮到O-CU和O-DU的一對多連接，故將二者分開部署，并通過前傳網關（FHGW）設備連接O-CU和O-DU單元。FHGW設備對eCPRI數據進行路由和轉發，可以用通用路由器實現。

雖然前傳接口的帶寬需求沒有回傳那么高，但因為5G AAU數量龐大，導致5G前傳規模龐大，所以對成本非常敏感。前傳的解決方案主要包括：光纖直驅、無源WDM/WDMPON、有源設備（OTN/SPN/TSN）、微波。其中，光纖直驅方式會消耗大量的光纖資源、成本巨大，有源設備能耗嚴重；微波方案更適合位置偏遠地區；結合高校校園具體實際，宜采用無源WDM方案，使用WDM波分技術，通過無源合分波，不同中心波長的光信號在同一根光纖中傳輸，達到節約光纖的目的。無源WDM傳輸方案如圖4所示。

圖4 無源WDM傳輸方式

3 中傳方案

O-CU和O-DU之間的傳輸接口稱為中傳接口。不同于4G的BBU，5G基站中CU和DU分離，其切分是根據不同協議層實時性的要求來進行的。把原先BBU中的物理底層下沉到AAU中處理，對實時性要求高的物理高層、MAC、RLC層放在DU中處理；把對實時性要求不高的PDCP和RRC層放到CU中處理。這實現了基帶資源的共享，有利于無線接入的切片和云化，解決了5G復雜組網情況下的站點協同問題。O-RAN的中傳方案如圖5所示。

圖5 O-RAN的中傳方案

越來越多的5G接入網開始向大規模集中部署的架構演進，O-CU開始連接越來越多的O-DU。為降低網絡建設成本、充分利用現有的校園網資源，中傳方案可以借助校園網通用的路由器或以太網交換機實現，路由器交換機對F1接口的數據包實現透明傳輸，可以降低5G傳輸建設成本，推進校園網的固移融合。

4 MEC部署

隨著各種新服務類型（如AR/VR等）的出現，傳統網絡結構逐漸不堪重負，催生了移動邊緣計算（MEC）服務器的出現，即將網絡業務“下沉”到更接近用戶的無線接入網側，從而保護本地數據私密性、降低傳輸時延、減輕回傳壓力、控制網絡擁塞，向開發者開放更多的網絡信息和擁塞控制功能。

因為自身的可擴展性強，O-RAN支持MEC在RAN的部署。5G網絡核心網C/U功能分離之后，U-Plane（對應UPF）功能下移（可以下移到RAN側，也可以下移到CN的邊緣），C-Plane（對應SMF）駐留在CN側。MEC服務器部署在UPF處，為用戶提供低時延、高帶寬服務。

MEC的部署可以加快5G行業專網的建設步伐。運營商通過網絡切片技術實現虛擬專網，使用UPF分流實現本地流量卸載、邊緣數據處理，滿足客戶對數據不出場、超低時延等業務需求。目前，全球各大運營商搭建的大部分5G專網都是通過切片技術實現的，各運營商均針對校園網絡推出了5G專網解決方案，以中國移動為例，其將核心網UPF和MEC下沉到學校中心機房，實現數據本地化處理，保障數據安全并優化時延。

5 結束語

基于白盒化、易部署、可擴展性強等優點，O-RAN技術在高校校園網建設中發揮了巨大作用。O-RAN 5G小基站可充分利用校園網網絡資源，實現固移融合。為滿足校園網絡的差異化業務需求，O-RAN還可進一步與MEC實現一體化設計，實現MEC現場級部署，為高校專網方案提供支撐。O-RAN技術在高校中的應用也可為其他垂直行業的5G基站建設提供重要參考。