O-RAN 5G小基站在工業(yè)園區(qū)網絡的應用

［蔡子華 黃勁安 林東云］

1 引言

工業(yè)互聯(lián)網是以新一代信息技術為關鍵支撐，實現(xiàn)全要素全面連接、全產業(yè)鏈深度融合的新制造體系和新產業(yè)生態(tài)，是數字化轉型的重要路徑。工業(yè)園區(qū)網絡作為企業(yè)內網和外網的紐帶，是工業(yè)互聯(lián)網網絡的重要組成部分。從功能現(xiàn)狀看，傳統(tǒng)工廠內網絡接入技術碎片化，具體包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網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標準眾多且各有不足，彼此間互聯(lián)性和兼容性差，組網維護困難，難以進行靈活部署和快速拓展。工廠外網同樣存在多接入方式，且網絡轉發(fā)以“盡力而為”方式為主，無法向大量用戶提供低時延、高可靠、高靈活的服務。5G具備大帶寬、大連接、低時延、高可靠等諸多優(yōu)勢，在柔性化生產驅動生產流無線化的趨勢下，有望收編各種相對封閉的傳統(tǒng)無線接入技術。根據3GPP的研究，按工業(yè)場景的網絡指標要求，5G預計能滿足70%以上的工控場景。且隨著5G TSN（Time Sensitive Network，時間敏感型網絡）技術的成熟，5G能夠進一步滿足有界傳輸時延等高質量實時控制要求，成為工業(yè)有線控制網絡有力的補充或替代。

5G賦能工業(yè)園區(qū)網絡的基礎在于實現(xiàn)生產全流程、無死角、相對低成本的網絡覆蓋，而基于O-RAN（Open Radio Access Network，開放無線接入網）的5G小基站兼具高容量、易部署、高性價比、開放平臺等優(yōu)勢，將在工業(yè)互聯(lián)網中得到廣泛應用。

2 O-RAN 5G小基站技術方案

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協(xié)議棧分離點的不同，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最顯著的特點是將物理層劃分為PHY-High和PHY-Low，可通過壓縮技術來降低O-DU和O-RU之間所需的前傳帶寬需求。Option7又可進一步細分為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，可進一步總結和抽象O-RAN 5G小基站的硬件架構。O-CU負責完成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算機平臺上，即COTS（Commercial Off-The-Shelf）服 務 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O-DU和O-RU的功能是否部署在同一物理硬件設備上，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分體式小基站的實現(xiàn)，其邏輯架構如圖2所示。

圖2 Option7-2分體式小基站的邏輯架構

在Option7-2架構下，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備卡的方案。O-DU和O-CU根據需要，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實現(xiàn)L1功能，采用FPGA實現(xiàn)數字下/上變頻和數字預失真等功能，采用RFIC芯片和外圍電路實現(xiàn)射頻功能。為了實現(xiàn)O-DU和O-RU之間的多對多連接，推薦引入中間節(jié)點FHGW（Fronthual Gateway）網關設備。FHGW除了在O-DU和O-RU之間進行eCPRI數據的路由和轉發(fā)外，還需要實現(xiàn)IQ數據多播和匯集，一般也可采用通用處理器或FPGA實現(xiàn)。

但考慮到現(xiàn)網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，同時實現(xiàn)O-DU的白盒化，對FHGW進行了一定調整，也即在FHGW中實現(xiàn)eCPRI接口與CPRI接口的轉換，如圖3所示。同時，如果采用Option7-2，而RU為傳統(tǒng)專用設備，還需要考慮PHYLow功能的實現(xiàn)。

圖3 FHGW的硬件架構（Option7-2→Option8）

在實際工業(yè)設計中，O-RAN 5G分布式小基站由主機、擴展單元、遠端單元三部分組成，如圖4所示。主機支持控制面和數據面的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、直連5GC核心網等功能，實際即O-CU和O-DU的合設。擴展單元與多個遠端單元星型連接，為O-RAN 5G分布式小基站主機與遠端單元提供數據匯聚和分發(fā)功能以及遠程供電，即FHGW。注意到，PHY-Low功能也部署在拓展單元上。遠端單元則完成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

3 O-RAN 5G小基站在工業(yè)園區(qū)的應用

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

5G小基站的回傳網絡建議充分利用工業(yè)PON（Passive Optical Network）網絡資源，并打通城域網與IPRAN鏈路，以降低5G傳輸建設成本，實現(xiàn)固移融合。5G小基站經OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）分流至5GC方案的具體組網架構如圖5所示。5G小基站連接ONU（Optical Network Unit，光網絡分配單元），經末端交換機進行端口匯聚接入OLT，OLT通過城域網交換機接入SR（Service Router，業(yè)務路由器），由SR實現(xiàn)5G小基站接入核心網5GC。

圖5 工業(yè)PON+5G小基站組網架構

選用工業(yè)PON網絡作為5G小基站回傳，除了盤活現(xiàn)網資源以降低建設成本的出發(fā)點外，主要還在于以下考慮。

①PON網絡的傳輸滲透能力強，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RTT（Round-Trip Time，往返時延）僅約為2 ms，可保證低時延業(yè)務交換；

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

③PON為純無源的傳播介質網絡，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小基站提供時鐘同步信號，ONU通過PON系統(tǒng)內的時鐘同步機制實現(xiàn)精確時間獲取，再作為IEEE 1588v2 master輸出時間信息給5G小基站，這樣一來，小基站側無需增加GPS模塊或空口同步芯片，可降低設備成本；

⑤ PON網絡的新建及擴容都較為簡單，可彈性滿足5G小基站回傳可能的緊急擴容需求。

圖5所示組網架構的另一特點在于UPF（User Plane Function，用戶面功能）下沉至MEC并部署在OLT上，可實現(xiàn)相關業(yè)務數據在園區(qū)內分流卸載，數據不出園區(qū)，滿足數據安全和本地數據快速處理的需求。但如果OLT覆蓋范圍的園區(qū)企業(yè)的業(yè)務差異性大，則可針對性地控制MEC的覆蓋范圍，將MEC進一步下沉至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，實現(xiàn)基站基帶與MEC一體化設計，融合無線連接、邊緣計算和應用功能，進而實現(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延業(yè)務支持和數據安全保障。

4 結束語

O-RAN 5G小基站高容量、易部署、低成本等特點，使其能夠高度契合工業(yè)園區(qū)網絡在縱深覆蓋和容量覆蓋方面的需求。同時，O-RAN 5G小基站采用開放式、云化架構設計，使其能夠以靈活的硬件架構敏捷應對現(xiàn)網環(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)網絡中具體部署時，O-RAN 5G小基站可充分利用工業(yè)PON網絡資源，經OLT分流連接至5GC，實現(xiàn)固移融合。為適配園區(qū)內企業(yè)的差異化業(yè)務需求，O-RAN還可進一步與MEC實現(xiàn)一體化設計，實現(xiàn)MEC現(xiàn)場級部署。