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0 引言

5G 通信技術(shù)已成為國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)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(shì)所趨，從4G 時(shí)代的V-RAN 到5G 時(shí)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(jìn)。由運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商、標(biāo)準(zhǔn)化組織、芯片供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商組成的O-RAN 聯(lián)盟，成立于5G 之初，在5G 標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)之上提出更進(jìn)一步的開放目標(biāo)：網(wǎng)絡(luò)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(luò)創(chuàng)新。

硬件白盒化對(duì)無線接入網(wǎng)是一種變革，通過這種變革，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的徹底分離，實(shí)現(xiàn)無線接入網(wǎng)由專用硬件平臺(tái)向通用硬件平臺(tái)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)封閉向徹底開放的轉(zhuǎn)變。相對(duì)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(chǎng)景靈活等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)提供了指導(dǎo)。

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(yùn)行在通用的計(jì)算機(jī)云平臺(tái)之上。O-DU 完成L2 RLC、L2 MAC層的功能，運(yùn)行在通用的計(jì)算機(jī)云平臺(tái)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(yùn)行在專用的軟硬件平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)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(dān)。在5G NR 系統(tǒng)中，對(duì)L1 PHY 進(jìn)行了進(jìn)一步的功能切分，分為L(zhǎng)1-High 與L1 PHY-Low，并定義相關(guān)的接口標(biāo)準(zhǔn)：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(duì)不同廠家的5G RAN 設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和抽象，找出功能上的共性，然后加以標(biāo)準(zhǔn)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(gè)大類，4 種選項(xiàng)。

O-DU 和O-RU 的功能部署在同一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的不同，分體式小基站又有幾種選項(xiàng)：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(gè)專用的硬件實(shí)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(shí)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(shí)際物理部署中，一個(gè)O-CU 通常會(huì)連接多個(gè)gNB-DU。

在此部署中，中間的節(jié)點(diǎn)為通用的IP 路由器或以太網(wǎng)交換機(jī)，只對(duì)IP 層數(shù)據(jù)進(jìn)行路由與傳輸，不對(duì)F1 接口的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。O-CU 與gNBDU，通過5G 標(biāo)準(zhǔn)的F1 接口進(jìn)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(jì)算機(jī)平臺(tái)，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(biāo)準(zhǔn)的PCIe接口，支持在通用的服務(wù)器上即插即用。

硬件接口：1G/10G/100G 以太網(wǎng)接口。

（4）交換機(jī)和路由器白盒硬件架構(gòu)。

在此部署中，此節(jié)點(diǎn)為通用的交換機(jī)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(shí)現(xiàn):

天線：用于收、發(fā)電磁波信號(hào)。

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(hào)進(jìn)行功率放大，便于遠(yuǎn)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(hào)。

ADC/DAC:數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

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

Radio CFR:波峰系數(shù)消除,可用于縮小一個(gè)傳輸信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，通常由FPGA 來實(shí)現(xiàn)。

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

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

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

L2 MAC/LLC：L2 的功能。通常在通用處理器上實(shí)現(xiàn)。

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

以太網(wǎng)接口模塊：提供對(duì)外通信的接口。

2.2 分體式選項(xiàng)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(xiàng)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(tái)上，也可以部署在不同的通用硬件平臺(tái)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(gè)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(yīng)用領(lǐng)域，通過通用的交換機(jī)或路由器等傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)O-DU6與O-RU6之間多對(duì)多的連接。

（3）O-DU6白盒化硬件架構(gòu)，如圖8 所示。

圖6 選項(xiàng)6 邏輯功能架構(gòu)

圖7 選項(xiàng)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(tái)+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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的1G/10G/100G 等以太網(wǎng)口

PCIe:通用計(jì)算機(jī)連接即插即用模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口。O-DU 的加速卡就是通過該接口與主機(jī)相連。

加速卡：用于提升IPSEC 數(shù)據(jù)加解密處理的性能。

Timing：時(shí)鐘同步接口，用來為O-RU 提供時(shí)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(diǎn)。

（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(tái)。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(jī)與路由器白盒化硬件架構(gòu)。

在此選項(xiàng)部署中，采用的是通用的交換機(jī)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(xiàng)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(xiàng)7-2 邏輯功能架構(gòu)

分體式選項(xiàng)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(tái)上，也可以部署在不同的通用硬件平臺(tái)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(xiàng)中，該選項(xiàng)是首選。

（2）分層部署架構(gòu)，如圖11 所示。

在廣覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域，推薦通過FHGW（FrontHual）網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)O-DU7-2與O-RU7-2之間多對(duì)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(jī)或路由器，F(xiàn)HGW 網(wǎng)關(guān)設(shè)備處理eCPRI 協(xié)議，實(shí)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(xiàng)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(tái)+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(shí)現(xiàn)PHY_High 的功能，其功能可以在通用處理器上實(shí)現(xiàn)，也可以由DSP 加速卡實(shí)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(tái)。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(jìn)行eCPRI 數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)外，還實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(jìn)行多播。

IQ 數(shù)據(jù)匯集：對(duì)同頻網(wǎng)小區(qū)的eCPRI 接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，匯集后傳遞給O-DU7-2。這進(jìn)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(xiàng)8 白盒化小基站

如圖15 所示，分體式選項(xiàng)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(tái)上，也可以部署在不同的通用硬件平臺(tái)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(shí)代的產(chǎn)物，用于基帶處理單元BBU 與無線單元RU8之間進(jìn)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(qiáng)烈推薦不使用此模式。

圖15 選項(xiàng)8 邏輯功能架構(gòu)

2.5 分體式選項(xiàng)7-2 轉(zhuǎn)選項(xiàng)8 5G 白盒化小基站

（1）邏輯功能架構(gòu)。

雖然單純的選項(xiàng)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(shí)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(xiàng)7-2 和選項(xiàng)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(shí)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(shí)現(xiàn)選項(xiàng)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(jìn)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(tái)。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(xiàng)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(tái)，除了實(shí)現(xiàn)IQ 數(shù)據(jù)的多播、匯集、路由功能外，還需實(shí)現(xiàn)eCPRI 與CPRI 的轉(zhuǎn)換。

eCPRI 控制器：實(shí)現(xiàn)與O-DU7-2的連接。

CPRI 控制器：實(shí)現(xiàn)與O-RU8的連接。

3 O-RAN 白盒化硬件發(fā)展可能的五個(gè)階段

現(xiàn)有的RAN 無線接入網(wǎng)還是一個(gè)開放與壁壘共存的生態(tài)環(huán)境，每個(gè)獨(dú)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(shí)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(huì)一蹴而就，預(yù)計(jì)會(huì)經(jīng)歷如下五個(gè)階段：

第一個(gè)階段：基于通用的計(jì)算機(jī)硬件和軟件云平臺(tái)部署物理層協(xié)議之上的網(wǎng)絡(luò)功能。

直接利用現(xiàn)存的、通用的計(jì)算硬件平臺(tái)部署O-RAN 的部分網(wǎng)絡(luò)功能。這個(gè)階段，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)如O-CU 網(wǎng)元和RIC 網(wǎng)元都部署云上。

第二個(gè)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(luò)功能。

目前，通用平臺(tái)的CPU 的處理能力很難勝任由專用平臺(tái)上DSP/FPGA 實(shí)現(xiàn)的5G 物理層的功能。一種切實(shí)可行的方案是在通用的硬件平臺(tái)上增加一個(gè)增強(qiáng)功能的加速卡，完成5G 物理層的網(wǎng)絡(luò)功能。該接口卡采用標(biāo)準(zhǔn)的PCIe 接口，以支持在通用計(jì)算機(jī)硬件即插即用。

第三個(gè)階段：對(duì)專用硬件內(nèi)部的軟硬件架構(gòu)進(jìn)行模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。

對(duì)一時(shí)無法通用化的專有的軟硬件平臺(tái)的內(nèi)部架構(gòu)進(jìn)行總結(jié)、抽象，模塊化，并在行業(yè)內(nèi)加以規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。O-DU,O-RU 的硬件白盒化主要處于這個(gè)階段。

第四個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)之上，引入更多專業(yè)的供應(yīng)商參與到各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的子模塊的設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)，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(jìn)一步的降低。

第五個(gè)階段：專用硬件設(shè)備演變成通用硬件。

到了這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化接口的硬件資源可以用輕松的、即插即用的方式進(jìn)行集成，組裝成一個(gè)可以滿足某種需求的硬件平臺(tái)。這個(gè)過程就像專用計(jì)算機(jī)變成通用計(jì)算機(jī)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(gè)漸進(jìn)的過程，O-RAN 白盒化基站是一場(chǎng)無線接入網(wǎng)絡(luò)的變革,其不同選項(xiàng)的白盒化硬件架構(gòu)的實(shí)施也將會(huì)分步進(jìn)行，且需要運(yùn)營(yíng)商、傳統(tǒng)設(shè)備商、標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，這對(duì)推動(dòng)5G 技術(shù)成為全社會(huì)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。