［蔡子華 黃勁安 林東云］

1 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以新一代信息技術(shù)為關(guān)鍵支撐，實(shí)現(xiàn)全要素全面連接、全產(chǎn)業(yè)鏈深度融合的新制造體系和新產(chǎn)業(yè)生態(tài)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要路徑。工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)作為企業(yè)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的紐帶，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。從功能現(xiàn)狀看，傳統(tǒng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)碎片化，具體包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)眾多且各有不足，彼此間互聯(lián)性和兼容性差，組網(wǎng)維護(hù)困難，難以進(jìn)行靈活部署和快速拓展。工廠外網(wǎng)同樣存在多接入方式，且網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)以“盡力而為”方式為主，無法向大量用戶提供低時(shí)延、高可靠、高靈活的服務(wù)。5G具備大帶寬、大連接、低時(shí)延、高可靠等諸多優(yōu)勢，在柔性化生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)流無線化的趨勢下，有望收編各種相對封閉的傳統(tǒng)無線接入技術(shù)。根據(jù)3GPP的研究，按工業(yè)場景的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求，5G預(yù)計(jì)能滿足70%以上的工控場景。且隨著5G TSN（Time Sensitive Network，時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的成熟，5G能夠進(jìn)一步滿足有界傳輸時(shí)延等高質(zhì)量實(shí)時(shí)控制要求，成為工業(yè)有線控制網(wǎng)絡(luò)有力的補(bǔ)充或替代。

5G賦能工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程、無死角、相對低成本的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而基于O-RAN（Open Radio Access Network，開放無線接入網(wǎng)）的5G小基站兼具高容量、易部署、高性價(jià)比、開放平臺等優(yōu)勢，將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

2 O-RAN 5G小基站技術(shù)方案

O-RAN將基站系統(tǒng)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(jù)協(xié)議棧分離點(diǎn)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(diǎn)是將物理層劃分為PHY-High和PHY-Low，可通過壓縮技術(shù)來降低O-DU和O-RU之間所需的前傳帶寬需求。Option7又可進(jìn)一步細(xì)分為Option7-1、Option7-2和Option7-3，如圖1所示。

圖1 O-RAN 5G協(xié)議棧功能切分

基于協(xié)議棧功能劃分和接口定義，可進(jìn)一步總結(jié)和抽象O-RAN 5G小基站的硬件架構(gòu)。O-CU負(fù)責(zé)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(jì)算機(jī)平臺上，即COTS（Commercial Off-The-Shelf）服 務(wù) 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(jù)O-DU和O-RU的功能是否部署在同一物理硬件設(shè)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(shí)現(xiàn)，其邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Option7-2分體式小基站的邏輯架構(gòu)

在Option7-2架構(gòu)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(shè)備卡的方案。O-DU和O-CU根據(jù)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(shí)現(xiàn)L1功能，采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字下/上變頻和數(shù)字預(yù)失真等功能，采用RFIC芯片和外圍電路實(shí)現(xiàn)射頻功能。為了實(shí)現(xiàn)O-DU和O-RU之間的多對多連接，推薦引入中間節(jié)點(diǎn)FHGW（Fronthual Gateway）網(wǎng)關(guān)設(shè)備。FHGW除了在O-DU和O-RU之間進(jìn)行eCPRI數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)外，還需要實(shí)現(xiàn)IQ數(shù)據(jù)多播和匯集，一般也可采用通用處理器或FPGA實(shí)現(xiàn)。

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，為了最大化兼容，同時(shí)實(shí)現(xiàn)O-DU的白盒化，對FHGW進(jìn)行了一定調(diào)整，也即在FHGW中實(shí)現(xiàn)eCPRI接口與CPRI接口的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。同時(shí)，如果采用Option7-2，而RU為傳統(tǒng)專用設(shè)備，還需要考慮PHYLow功能的實(shí)現(xiàn)。

圖3 FHGW的硬件架構(gòu)（Option7-2→Option8）

在實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)中，O-RAN 5G分布式小基站由主機(jī)、擴(kuò)展單元、遠(yuǎn)端單元三部分組成，如圖4所示。主機(jī)支持控制面和數(shù)據(jù)面的L3/L2全部協(xié)議棧功能以及PHY-High功能，此外還包括操作維護(hù)、直連5GC核心網(wǎng)等功能，實(shí)際即O-CU和O-DU的合設(shè)。擴(kuò)展單元與多個(gè)遠(yuǎn)端單元星型連接，為O-RAN 5G分布式小基站主機(jī)與遠(yuǎn)端單元提供數(shù)據(jù)匯聚和分發(fā)功能以及遠(yuǎn)程供電，即FHGW。注意到，PHY-Low功能也部署在拓展單元上。遠(yuǎn)端單元?jiǎng)t完成O-RU余下的微功率射頻收發(fā)功能。

圖4 典型的5G分布式小基站邏輯功能及硬件架構(gòu)

3 O-RAN 5G小基站在工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用

O-RAN 5G小基站可靈活部署在工業(yè)園區(qū)室內(nèi)環(huán)境，滿足室內(nèi)無死角覆蓋要求。在工業(yè)園區(qū)環(huán)境下部署5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要求5G小基站滿足防水、防塵和防爆要求，同時(shí)滿足集中供電和安全防護(hù)要求。5G小基站主機(jī)與拓展單元之間采用光纖連接，拓展單元與遠(yuǎn)端單元可選光纖或CAT6A網(wǎng)線進(jìn)行連接。采用光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢是其傳輸帶寬高，拉遠(yuǎn)距離長。如拓展單元與遠(yuǎn)端單元距離較短，一般可通過復(fù)合光纜遠(yuǎn)程集中供電，但如果距離較長，則需考慮遠(yuǎn)端單元的就近取電問題。采用CAT6A超六類網(wǎng)線的優(yōu)勢是施工簡單且可支持PoE（Power Over Ethernet）供電，但其拉遠(yuǎn)距離受限。

5G小基站的回傳網(wǎng)絡(luò)建議充分利用工業(yè)PON（Passive Optical Network）網(wǎng)絡(luò)資源，并打通城域網(wǎng)與IPRAN鏈路，以降低5G傳輸建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)固移融合。5G小基站經(jīng)OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）分流至5GC方案的具體組網(wǎng)架構(gòu)如圖5所示。5G小基站連接ONU（Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)分配單元），經(jīng)末端交換機(jī)進(jìn)行端口匯聚接入OLT，OLT通過城域網(wǎng)交換機(jī)接入SR（Service Router，業(yè)務(wù)路由器），由SR實(shí)現(xiàn)5G小基站接入核心網(wǎng)5GC。

圖5 工業(yè)PON+5G小基站組網(wǎng)架構(gòu)

選用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)作為5G小基站回傳，除了盤活現(xiàn)網(wǎng)資源以降低建設(shè)成本的出發(fā)點(diǎn)外，主要還在于以下考慮。

①PON網(wǎng)絡(luò)的傳輸滲透能力強(qiáng)，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(tǒng)內(nèi)RTT（Round-Trip Time，往返時(shí)延）僅約為2 ms，可保證低時(shí)延業(yè)務(wù)交換；

② PON具備P2MP（Point to Multiple Point，點(diǎn)對多點(diǎn)）通信的優(yōu)勢，僅利用無源分光器實(shí)現(xiàn)光功率的分配；

③PON為純無源的傳播介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，能夠完全避免電磁波、雷電等環(huán)境因素的影響，適合在工業(yè)園區(qū)相對惡劣的環(huán)境下使用；

④ 可基于PON為5G小基站提供時(shí)鐘同步信號，ONU通過PON系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間獲取，再作為IEEE 1588v2 master輸出時(shí)間信息給5G小基站，這樣一來，小基站側(cè)無需增加GPS模塊或空口同步芯片，可降低設(shè)備成本；

⑤ PON網(wǎng)絡(luò)的新建及擴(kuò)容都較為簡單，可彈性滿足5G小基站回傳可能的緊急擴(kuò)容需求。

圖5所示組網(wǎng)架構(gòu)的另一特點(diǎn)在于UPF（User Plane Function，用戶面功能）下沉至MEC并部署在OLT上，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在園區(qū)內(nèi)分流卸載，數(shù)據(jù)不出園區(qū)，滿足數(shù)據(jù)安全和本地?cái)?shù)據(jù)快速處理的需求。但如果OLT覆蓋范圍的園區(qū)企業(yè)的業(yè)務(wù)差異性大，則可針對性地控制MEC的覆蓋范圍，將MEC進(jìn)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(shí)現(xiàn)基站基帶與MEC一體化設(shè)計(jì)，融合無線連接、邊緣計(jì)算和應(yīng)用功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MEC現(xiàn)場級方案部署，靈活敏捷地為工業(yè)園區(qū)企業(yè)的差異化需求提供更好的低時(shí)延業(yè)務(wù)支持和數(shù)據(jù)安全保障。

4 結(jié)束語

O-RAN 5G小基站高容量、易部署、低成本等特點(diǎn)，使其能夠高度契合工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)在縱深覆蓋和容量覆蓋方面的需求。同時(shí)，O-RAN 5G小基站采用開放式、云化架構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠以靈活的硬件架構(gòu)敏捷應(yīng)對現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境的制約，并與其他信息化體系深度融合。在工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中具體部署時(shí)，O-RAN 5G小基站可充分利用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)資源，經(jīng)OLT分流連接至5GC，實(shí)現(xiàn)固移融合。為適配園區(qū)內(nèi)企業(yè)的差異化業(yè)務(wù)需求，O-RAN還可進(jìn)一步與MEC實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)MEC現(xiàn)場級部署。