O-RAN 5G小基站在工业园区网络的应用

［蔡子华 黄劲安 林东云］

1 引言

工业互联网是以新一代信息技术为关键支撑，实现全要素全面连接、全产业链深度融合的新制造体系和新产业生态，是数字化转型的重要路径。工业园区网络作为企业内网和外网的纽带，是工业互联网网络的重要组成部分。从功能现状看，传统工厂内网络接入技术碎片化，具体包括现场总线、工业以太网等有线接入方式以及WiFi、WIA（Wireless Networks for Industrial Automation）、WirelessHART、ISA100.11a等无线接入方式。多接入方式涉及的技术标准众多且各有不足，彼此间互联性和兼容性差，组网维护困难，难以进行灵活部署和快速拓展。工厂外网同样存在多接入方式，且网络转发以“尽力而为”方式为主，无法向大量用户提供低时延、高可靠、高灵活的服务。5G具备大带宽、大连接、低时延、高可靠等诸多优势，在柔性化生产驱动生产流无线化的趋势下，有望收编各种相对封闭的传统无线接入技术。根据3GPP的研究，按工业场景的网络指标要求，5G预计能满足70%以上的工控场景。且随着5G TSN（Time Sensitive Network，时间敏感型网络）技术的成熟，5G能够进一步满足有界传输时延等高质量实时控制要求，成为工业有线控制网络有力的补充或替代。

5G赋能工业园区网络的基础在于实现生产全流程、无死角、相对低成本的网络覆盖，而基于O-RAN（Open Radio Access Network，开放无线接入网）的5G小基站兼具高容量、易部署、高性价比、开放平台等优势，将在工业互联网中得到广泛应用。

2 O-RAN 5G小基站技术方案

O-RAN将基站系统划分为O-CU（O-RAN控制单元）、O-DU（O-RAN分布单元）和O-RU（O-RAN射频单元）。其中，O-CU和O-DU之间的高层分离接口沿用了3GPP F1接口，O-DU与O-RU之间的底层分离接口根据协议栈分离点的不同，存在多种划分方案，包括Option6（即nFAPI接口）、Option7（即eCPRI接口）和Option8（即CPRI接口）。其中，Option7最显著的特点是将物理层划分为PHY-High和PHY-Low，可通过压缩技术来降低O-DU和O-RU之间所需的前传带宽需求。Option7又可进一步细分为Option7-1、Option7-2和Option7-3，如图1所示。

图1 O-RAN 5G协议栈功能切分

基于协议栈功能划分和接口定义，可进一步总结和抽象O-RAN 5G小基站的硬件架构。O-CU负责完成L3 RRC功能和L2 PDCP功能，O-DU主要完成L2的RLC和MAC功能，二者均可考虑部署在通用的计算机平台上，即COTS（Commercial Off-The-Shelf）服 务 器。O-RU完成射频部分及天线的功能，出于性能和功耗的考虑，一般部署在专用的软硬件平台上。根据O-DU和O-RU的功能是否部署在同一物理硬件设备上，可将O-RAN 5G小基站分为一体式小基站和分体式小基站两大类。以下主要讨论基于Option7-2分体式小基站的实现，其逻辑架构如图2所示。

图2 Option7-2分体式小基站的逻辑架构

在Option7-2架构下，O-CU一般采用通用处理器，外接可选的专用加速卡。O-DU则采用通用处理器及专用设备卡的方案。O-DU和O-CU根据需要，既可以部署在相同的通用硬件平台上，也可以分离。O-RU采用DSP实现L1功能，采用FPGA实现数字下/上变频和数字预失真等功能，采用RFIC芯片和外围电路实现射频功能。为了实现O-DU和O-RU之间的多对多连接，推荐引入中间节点FHGW（Fronthual Gateway）网关设备。FHGW除了在O-DU和O-RU之间进行eCPRI数据的路由和转发外，还需要实现IQ数据多播和汇集，一般也可采用通用处理器或FPGA实现。

但考虑到现网中存在大量部署的专用的基于CPRI接口的RU，为了最大化兼容，同时实现O-DU的白盒化，对FHGW进行了一定调整，也即在FHGW中实现eCPRI接口与CPRI接口的转换，如图3所示。同时，如果采用Option7-2，而RU为传统专用设备，还需要考虑PHYLow功能的实现。

图3 FHGW的硬件架构（Option7-2→Option8）

在实际工业设计中，O-RAN 5G分布式小基站由主机、扩展单元、远端单元三部分组成，如图4所示。主机支持控制面和数据面的L3/L2全部协议栈功能以及PHY-High功能，此外还包括操作维护、直连5GC核心网等功能，实际即O-CU和O-DU的合设。扩展单元与多个远端单元星型连接，为O-RAN 5G分布式小基站主机与远端单元提供数据汇聚和分发功能以及远程供电，即FHGW。注意到，PHY-Low功能也部署在拓展单元上。远端单元则完成O-RU余下的微功率射频收发功能。

图4 典型的5G分布式小基站逻辑功能及硬件架构

3 O-RAN 5G小基站在工业园区的应用

O-RAN 5G小基站可灵活部署在工业园区室内环境，满足室内无死角覆盖要求。在工业园区环境下部署5G网络时，要求5G小基站满足防水、防尘和防爆要求，同时满足集中供电和安全防护要求。5G小基站主机与拓展单元之间采用光纤连接，拓展单元与远端单元可选光纤或CAT6A网线进行连接。采用光纤传输的优势是其传输带宽高，拉远距离长。如拓展单元与远端单元距离较短，一般可通过复合光缆远程集中供电，但如果距离较长，则需考虑远端单元的就近取电问题。采用CAT6A超六类网线的优势是施工简单且可支持PoE（Power Over Ethernet）供电，但其拉远距离受限。

5G小基站的回传网络建议充分利用工业PON（Passive Optical Network）网络资源，并打通城域网与IPRAN链路，以降低5G传输建设成本，实现固移融合。5G小基站经OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）分流至5GC方案的具体组网架构如图5所示。5G小基站连接ONU（Optical Network Unit，光网络分配单元），经末端交换机进行端口汇聚接入OLT，OLT通过城域网交换机接入SR（Service Router，业务路由器），由SR实现5G小基站接入核心网5GC。

图5 工业PON+5G小基站组网架构

选用工业PON网络作为5G小基站回传，除了盘活现网资源以降低建设成本的出发点外，主要还在于以下考虑。

①PON网络的传输渗透能力强，在大分光比的情况下仍可保证高带宽的传输速率，可基本满足5G小基站的回传带宽需求，并且系统内RTT（Round-Trip Time，往返时延）仅约为2 ms，可保证低时延业务交换；

② PON具备P2MP（Point to Multiple Point，点对多点）通信的优势，仅利用无源分光器实现光功率的分配；

③PON为纯无源的传播介质网络，能够完全避免电磁波、雷电等环境因素的影响，适合在工业园区相对恶劣的环境下使用；

④ 可基于PON为5G小基站提供时钟同步信号，ONU通过PON系统内的时钟同步机制实现精确时间获取，再作为IEEE 1588v2 master输出时间信息给5G小基站，这样一来，小基站侧无需增加GPS模块或空口同步芯片，可降低设备成本；

⑤ PON网络的新建及扩容都较为简单，可弹性满足5G小基站回传可能的紧急扩容需求。

图5所示组网架构的另一特点在于UPF（User Plane Function，用户面功能）下沉至MEC并部署在OLT上，可实现相关业务数据在园区内分流卸载，数据不出园区，满足数据安全和本地数据快速处理的需求。但如果OLT覆盖范围的园区企业的业务差异性大，则可针对性地控制MEC的覆盖范围，将MEC进一步下沉至5G小基站上。由于O-RAN 5G小基站采用开放平台，天然支持软硬件解耦，可基于O-RAN 5G白盒化小基站平台，实现基站基带与MEC一体化设计，融合无线连接、边缘计算和应用功能，进而实现MEC现场级方案部署，灵活敏捷地为工业园区企业的差异化需求提供更好的低时延业务支持和数据安全保障。

4 结束语

O-RAN 5G小基站高容量、易部署、低成本等特点，使其能够高度契合工业园区网络在纵深覆盖和容量覆盖方面的需求。同时，O-RAN 5G小基站采用开放式、云化架构设计，使其能够以灵活的硬件架构敏捷应对现网环境的制约，并与其他信息化体系深度融合。在工业园区网络中具体部署时，O-RAN 5G小基站可充分利用工业PON网络资源，经OLT分流连接至5GC，实现固移融合。为适配园区内企业的差异化业务需求，O-RAN还可进一步与MEC实现一体化设计，实现MEC现场级部署。