基于O-RAN技术的高校5G基站部署研究

苏 刚

德州学院物理与电子信息学院

0 引言

校园网是连接各种教育教学设备的最重要信息化基础设施之一。5G与校园网是一种增强型的关系，5G可以与既有的校园网融合，支撑新型教学模型建设，促进智能技术的发展，支撑学生的科技创新，助力校园物联网，实现校园数据本地化处理。高校5G网络重点在于接入网部署，即5G基站部署。无线接入网（RAN）设备的虚拟化和接口的开放化在逐渐向前推进。O-RAN是对RAN的变革，实现了软硬件解耦，将专用硬件平台转变为通用硬件平台，实现了白盒化发展。高校5G的小基站由于自身覆盖范围小、部署密集且灵活，是硬件白盒化的先锋。O-RAN 5G小基站作为校园网5G网络的重要载体，支持开放、灵活的硬件架构，可与校园固定网络实现固移融合，与移动边缘计算（MEC）等新技术融合，可以高效赋能智慧校园网建设。研究O-RAN技术在高校5G基站部署中的应用，对于挖掘5G技术潜能、增进智慧校园建设都有重要意义。

1 O-RAN技术及协议栈

早期移动通信行业技术门槛高，通信设备研制难度大，设备商研发的通信设备大多是封闭的、对外不可见的系统。为了方便不同设备商之间的对接，通信行业开始推动通信标准统一、技术开放，即“解耦”。通信系统的整体演进是解耦，其中，核心网最先完成，即核心网虚拟化（NFV）。承载网也在逐渐虚拟化、解耦化，即软件定义网络（SDN）。接入网涉及大量的天线、射频、基带处理等复杂功能，此类硬件专有且独特，解耦难度最大、解耦度相对滞后，而O-RAN技术是对接入网解耦的开始，具有接口开放化、软件开源化、硬件白盒化、网络智能化的特点。

5G网络频段高、覆盖弱，基站数量大幅度增加。O-RAN可以降低5G组网成本，实现灵活组网，打造开放、开源与智能的5G基站。同时，O-RAN技术也为运营商降低成本、开展增值业务、实现智能化运营维护提供重要支持。O-RAN网络架构如图1所示。

图1 O-RAN网络架构

协议栈功能划分（见图2）是O-RAN白盒硬件的基础。O-RAN硬件分为3个部分：（1）开放中心单元（O-CU），完成L3 RRC、L2 PDCP层的功能。（2）开放分布单元（O-DU），完成L2 RLC、L2 MAC层的功能，与O-CU均运行在通用计算机云平台（COTS）上，与O-CU接口为F1口，完成中传（Middlehaul）功能。（3）开放射频单元（O-RU），实现L1功能，包含射频处理、天线单元，该单元对性能和功耗要求高，一般采用专用的软硬件实现。

图2 O-RAN协议栈

O-RAN基站有一体式和分体式两种部署架构。一体式架构是将O-DU和O-RU功能部署在同一个硬件设备中，称为gNB-DU，通过F1接口与O-CU连接。分体式架构是将O-DU和O-RU部署在不同的硬件设备中。分体式架构基站中O-DU和O-RU各司其职，O-DU仅处理基带信号，可以采用通用硬件平台实现，体积小、功耗低、扩展性强；O-RU处理射频信号，可以选用专用硬件平台。分体式架构既能降低网络建设成本，又能根据应用场景灵活部署。高校的教学楼、实验楼、操场、餐厅等场景众多，分体式基站是校园基站部署的首选方案。基于分体式小基站的实现结构如图3所示。

图3 分体式小基站结构

2 O-RAN前传方案

相比4G，5G接入网从原来的BBU+RRU+馈线+天线，变成了CU+DU+AAU，5G承载网也随之变化，变成了前传、中传、回传3个部分。目前，关于回传和中传部分，三大运营商的方案已经成熟，并且处于商用落地阶段。前传部分的解决方案一直都在探索之中，其是最靠近5G AAU天线的传输环节，因O-DU与O-RU在协议栈中的分离点不同，分体式基站有3种前传接口方案：nFAPI接口、eCPRI接口、CPRI接口。

高校用户多为年轻群体，具有用户数据量大、终端数量多等特点，可以选用eCPRI接口来压缩数据，减轻前传压力。O-DU和O-CU可分开部署，亦可合并部署在同一个通用硬件平台上。考虑到校园场景的灵活多样，为实现对新技术的后续兼容，使O-DU单元更靠近用户端，将O-CU单元放置在校园中心机房；同时，考虑到O-CU和O-DU的一对多连接，故将二者分开部署，并通过前传网关（FHGW）设备连接O-CU和O-DU单元。FHGW设备对eCPRI数据进行路由和转发，可以用通用路由器实现。

虽然前传接口的带宽需求没有回传那么高，但因为5G AAU数量庞大，导致5G前传规模庞大，所以对成本非常敏感。前传的解决方案主要包括：光纤直驱、无源WDM/WDMPON、有源设备（OTN/SPN/TSN）、微波。其中，光纤直驱方式会消耗大量的光纤资源、成本巨大，有源设备能耗严重；微波方案更适合位置偏远地区；结合高校校园具体实际，宜采用无源WDM方案，使用WDM波分技术，通过无源合分波，不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输，达到节约光纤的目的。无源WDM传输方案如图4所示。

图4 无源WDM传输方式

3 中传方案

O-CU和O-DU之间的传输接口称为中传接口。不同于4G的BBU，5G基站中CU和DU分离，其切分是根据不同协议层实时性的要求来进行的。把原先BBU中的物理底层下沉到AAU中处理，对实时性要求高的物理高层、MAC、RLC层放在DU中处理；把对实时性要求不高的PDCP和RRC层放到CU中处理。这实现了基带资源的共享，有利于无线接入的切片和云化，解决了5G复杂组网情况下的站点协同问题。O-RAN的中传方案如图5所示。

图5 O-RAN的中传方案

越来越多的5G接入网开始向大规模集中部署的架构演进，O-CU开始连接越来越多的O-DU。为降低网络建设成本、充分利用现有的校园网资源，中传方案可以借助校园网通用的路由器或以太网交换机实现，路由器交换机对F1接口的数据包实现透明传输，可以降低5G传输建设成本，推进校园网的固移融合。

4 MEC部署

随着各种新服务类型（如AR/VR等）的出现，传统网络结构逐渐不堪重负，催生了移动边缘计算（MEC）服务器的出现，即将网络业务“下沉”到更接近用户的无线接入网侧，从而保护本地数据私密性、降低传输时延、减轻回传压力、控制网络拥塞，向开发者开放更多的网络信息和拥塞控制功能。

因为自身的可扩展性强，O-RAN支持MEC在RAN的部署。5G网络核心网C/U功能分离之后，U-Plane（对应UPF）功能下移（可以下移到RAN侧，也可以下移到CN的边缘），C-Plane（对应SMF）驻留在CN侧。MEC服务器部署在UPF处，为用户提供低时延、高带宽服务。

MEC的部署可以加快5G行业专网的建设步伐。运营商通过网络切片技术实现虚拟专网，使用UPF分流实现本地流量卸载、边缘数据处理，满足客户对数据不出场、超低时延等业务需求。目前，全球各大运营商搭建的大部分5G专网都是通过切片技术实现的，各运营商均针对校园网络推出了5G专网解决方案，以中国移动为例，其将核心网UPF和MEC下沉到学校中心机房，实现数据本地化处理，保障数据安全并优化时延。

5 结束语

基于白盒化、易部署、可扩展性强等优点，O-RAN技术在高校校园网建设中发挥了巨大作用。O-RAN 5G小基站可充分利用校园网网络资源，实现固移融合。为满足校园网络的差异化业务需求，O-RAN还可进一步与MEC实现一体化设计，实现MEC现场级部署，为高校专网方案提供支撑。O-RAN技术在高校中的应用也可为其他垂直行业的5G基站建设提供重要参考。