基于5G小基站的无线接入网开放架构及分析

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　　【摘  要】
　　无线接入网开放分为架构开放和能力开放，为应对5G高频段部署带来的室内覆盖及高成本问题，基于开放架构的5G有源小基站值得深入研究，同时基于开放架构有助于实现无线接入网的能力开放。首先介绍了符合开放架构的5G扩展型小基站的基本架构，然后分别从公众网络和虚拟专网两方面论述了5G扩展型小基站的两个不同应用场景，最后给出了面向室内场景建立统一计算环境的架构及展望。
　　【关键词】 5G;小基站;室内覆盖;无线接入网能力开放
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.012      中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0054-05
　　引用格式：刘洋，杨涛，刘海涛，等. 基于5G小基站的无线接入网开放架构及分析[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 54-58.
　　Open Architecture and Analysis of Radio Access Network Based on 5G Small Base Stations
　　LIU Yang， YANG Tao， LIU Haitao， YANG Fengyi
　　（China Telecom Research Institute 5G R&D Center， Beijing 102209， China）
　　[Abstract]
　　The openness of radio access network is divided into open architecture and open capabilities. In order to cope with indoor coverage and high cost caused by 5G high-frequency deployment， 5G active small base stations based on the open architecture are worthy of in-depth research. At the same time， the open architecture helps to open the capabilities of the radio access network. Firstly， this paper introduces the basic architecture of 5G extended small base stations with open architecture， and then two different application scenarios of 5G extended small base stations are discussed in terms of public and private networks， respectively. Finally， the architecture and outlook of establishing a unified computing environment are given for indoor scenarios.
　　[Key words] 5G; small base station; indoor coverage; RAN capability openness
　　0   引言
　　5G的高頻段、大带宽特点使网络对无线流量的支持快速增长，同时给运营商网络部署带来了挑战。根据5G三大业务场景需求，增强型移动宽带、超高可靠低时延通信和大规模机器类通信中预计将有70%以上的业务需求来自于室内[1]。其典型业务，如高清视频、增强现实/虚拟现实、远程医疗、工业互联网、室内导航及客流分析等，都对室内覆盖网络指标提出了更高的要求。4G时代很多室内业务由室外宏基站承载，而对于5G，因为采用较高频段部署，室外宏基站覆盖室内有较大难度，同等覆盖的室外基站建设成本远高于4G;同时，4G传统的无源分布式天线系统只支持2.7 GHz以下频段，系统改造实施难、成本高，难以满足5G要求[2-3]。运营商在选择室分方案时主要会考虑性能、成本、节能等方面[4]，在此背景下5G有源小基站迎来了发展机遇。
　　有源小基站具有低功耗、部署方便、低时延的优势，还可承担起5G时代智能家居/办公的中枢功能，不仅能与宏基站搭配部署扫除覆盖盲区，还能够实现数字化的5G室内覆盖，满足服务的多样化需求[5-6]。目前，许多电信设备厂商已发布了基于有源小基站的5G室内覆盖解决方案，例如LampSite、室内QCell以及室内点系统等方案[7]。
　　1    开放架构的5G扩展型小基站
　　1.1  开放架构的5G小基站
　　近期，以O-RAN（Open-Radio Access Network，开放无线接入网）联盟及TIP（Telecom Infra Project，电信基础设施项目）等为代表的倡导接入网开放的联盟组织，陆续发布有关接入网开放设备的标准推动及试商用信息。其中，O-RAN联盟的目标是实现无线接入网的接口开放化、硬件白盒化、软件开源化和网络智能化，以降低接入网成本、推动无线接入网架构开放与智能为出发点。2019年初，日本乐天移动首批4G基站开通，计划以全IT化的方式建设4G/5G网络，通过基站虚拟化、白盒化，建成端到端的云原生移动网络。另外，在“TIP 2019峰会”上，沃达丰发布了对欧洲超过十万个开放基站的采购指标，并要求供应商遵循O-RAN技术规范。2020年初，土耳其电信、IpT（秘鲁电信运营商）等多家运营商先后宣布将采用软硬件解耦的方式来实现5G网络部署。由此可见，一种具有更大灵活性、可扩展、高效能的开放式接入网是一个日渐受认可的网络发展方向，除此之外，5G应用的快速迭代需求成为软硬件解耦的契机，也要求运营商用新技术、新方案增强网络活力。 　　2019年O-RAN联盟完成了应用场景分析，基于白盒硬件组WG7的研究结果[8]，国外的白盒硬件应用场景包括室外宏基站及室内覆盖，而国内运营商对于白盒硬件的研究聚焦在室内小基站领域[9]，即5G扩展型小基站。这一方面是因为在5G时代，室内有源小基站预期将得到广泛应用，将会带来无线网络建设的显著成本压力;另一方面，小基站部署具有覆盖半径短、场景简单的特点，一定程度上降低了对于通信设备的性能指标要求，硬件同质化带来的通信性能指标的趋同性就不是主要矛盾了[10]。
　　5G扩展型小基站的基站形态包括基带处理单元（BBU， Baseband Unit）、交换机（HUB）及射频处理单元（RRU， Remote Radio Unit）的三级架构，如图1所示。其中，HUB连接BBU和RRU，对于下行链路，它将数据广播到所有RRU;对于上行链路，它根据小区集合组合来自RRU的所有上行链路数据，BBU与HUB之间及HUB与RRU之间通过前传接口连接，根据不同的基带功能切分点，前传接口分为Option 7-2/Option 8/Option 6等方式。其中，基于Option7-2切分的前传接口已经在O-RAN中有完整的规范定义，但为了降低RRU的成本，基于Option 8切分的前传接口常用于5G扩展型小基站。
　　1.2  BBU功能及实现
　　对于5G扩展型小基站，BBU实现基带处理，具体包括实现无线接入网层1/层2/层3的协议栈功能、同步及前传等。考慮硬件实现从通用到专用的发展过程，协议栈可以通过全通用处理器/通用处理器+加速卡/基带专用芯片等三种方式实现。目前阶段较为常见的实现方式是将处理实时性要求较高的信道编解码和前传采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）/ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）来实现，而层2/层3协议栈基于通用处理器X86/ARM（Advanced RISC Machine，进阶精简指令集机器）架构的服务器来实现。这样不仅可以平衡基带设备整体成本，还有助于与其他网络虚拟化功能共平台部署，比如无线智能控制器（RIC， RAN Intelligent Controller）、移动边缘计算（MEC， Mobile Edge Computing）等。
　　基于通用服务器的基带处理，引入了软硬件解耦，使硬件更通用化，实现更高效的资源管理方案和更灵活的网络架构，有利于运营商提供灵活、快速的业务应用。
　　1.3  HUB及RRU的功能及实现
　　5G扩展型小基站的中间设备HUB负责数据分发与合并，例如可以通过不同前传接口切分点Option 7-2/Option 8和eCPRI（evolved Common Public Radio Interface，演进通用公共无线电接口）/CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口）前传协议接收BBU发来的信号，将信号放大和转发后，再通过基于Option 8的前传接口将数据送入RRU。HUB可以基于FPGA/ASIC来实现，其功能可包括信号同步、压缩/解压缩以及前传接口转换等。RRU来实现射频收发功能，由FPGA模块（实现前传、时间同步等）、电源模块、收发信机模块、功放以及滤波器组成，其中FPGA部分可以由ASIC来替换。
　　不同的实现方式是灵活性与成本、功耗的折中，随着设备成熟度的提升，HUB及RRU将逐渐采用芯片方式实现，以达到低成本与低功耗的目的。
　　2    5G扩展型小基站不同应用场景
　　2.1  低成本方案应用于公众网络
　　公众网络的主要需求是在满足性能和覆盖等无线网络指标基础上尽量实现成本最优化，这种应用场景对于5G扩展型小基站的应用要求与传统设备的需求方向一致，性能、成本、功耗、体积和可靠性是主要指标需求。针对公网室内覆盖部署，为了能替换传统无源室分方案，降低设备成本，基于软硬件解耦的5G扩展型小基站的基带硬件可考虑采用低规格、定制化的单机版服务器，软件基于非虚拟化的物理机运行，可以兼顾性能和成本。
　　2.2  基带虚拟化有助于垂直行业应用的灵活部署
　　面向5G垂直行业应用，可以采用虚拟专网的形式进行网络部署。5G扩展型小基站可以采用云化、虚拟化技术，实现无线网络资源的池化共享，可以支持与MEC/UPF（User Plane Function，用户面功能）的共平台部署，满足5G多种室内业务的灵活需求，满足多种业务对于无线底层基础资源的弹性伸缩需求，实现池化增益。
　　同时，虚拟化小基站能够很好地实现软硬件解耦，使得5G多类业务场景不依赖底层硬件驱动，进行快速部署。对于以下两种基带实现方式，均可以考虑BBU与MEC的共平台部署。
　　（1）基于通用服务器和FPGA架构的共平台部署方案（如图2）
　　如前所述，相比于通用处理器，FPGA有高运算能力、低功耗等特点，适合卸载部分基带物理层密集型运算，降低处理器负荷，提升BBU设备的性能功耗比。所以，将部分BBU协议栈软件，例如调制解调、预编码、层映射等功能运行在通用处理器上，将物理层的信道编解码、FFT/IFFT以及前传等功能卸载到FPGA加速器上。
　　此种基于通用服务器和FPGA混合架构的扩展型小基站，因为BBU主要功能由通用处理器实现，可较为便捷地与RIC/MEC/第三方APP共平台。通过与MEC共平台部署后，可以分摊服务器硬件和机房设施投入，还可以应对垂直行业的多样化需求。
　　（2）基于基带专用芯片的共平台部署方案
　　若将基带物理层处理全部封装在ASIC芯片中，可以通过采用Option 6切分方式的前传接口将BBU与RRU连接，其中BBU实现基带层2/层3协议栈功能，RRU远端单元不仅实现射频处理，同时还集成了物理层芯片。 　　这种实现方式中的BBU可采用较低规格的X86/ARM架构的服务器实现高层协议栈，降低BBU成本及功耗。此时，因为BBU仍采用通用处理器实现，所以能够与RIC/MEC/第三方APP共平台部署，如图3所示：
　　MEC与BBU共平台部署，可以降低单独部署BBU/MEC的成本，充分利用此系统的硬件资源池，使资源利用率最大化，同时可以实现无线接入网的数据信息与MEC平台间的共享，也有利于更好地利用MEC平台来优化接入网系统的资源分配及智能管理。
　　同时，MEC与BBU共平台部署可以利用下沉内容和应用、边缘网络业务处理能力、低时延的体验以及高精度室内定位等优势，很好地服务于网络与商业综合体在业务创新、运营创新升级方面的需求。基于MEC平台，在接近用户处提供本地化、低时延和高带宽的业务，同时提供开放的API（Application Programming Interface，应用程序接口），让丰富的第三方应用和内容进入管道，来满足室内用户的多元化业务需求，实现网络管道增值。
　　3   面向室内场景建立统一计算环境
　　3.1  无线接入网能力开放
　　总体而言，无线接入网开放包括接入网的架构开放及接入网的能力开放，如果能够利用无线接入网的开放数据推进本地化业务应用，结合边缘计算平台打造更贴近垂直行业需求的、可以快速迭代业务应用的网络环境，即得以实现无线接入网的能力开放。上一章节中面向5G小基站讨论了开放式的接入网架构，基于此开放架构，例如BBU与MEC共平台的部署方式，有利于实现接入网的能力开放，在此基础上，能力开放还进一步需要定义相应的标准化的上层接口。
　　面向5G室内覆盖的接入网能力开放，需要满足室内垂直行业应用的本地化需求，解决本地化密集通信和本地数据隐私问题。例如工厂园区，MEC平台应用可以与BBU和下沉的UPF融合共存在同一个平台，直接获取接入网数据信息。这种方式能够灵活响应新业务和垂直行业的需求，提供可管可控的网络性能，包括将通信环节减到最少，提供超低时延业务体验，并且通过MEC和RAN的本地化交互，实现无线网络能力定制，优化业务体验。
　　3.2  统一计算环境的实现方式
　　O-RAN联盟定义了开放架构的无线接入网，其中通过O-CU/O-DU区别于传统CU/DU，分别表征开放架构中的集中控制单元和分布式单元，图4给出了室内场景统一计算环境示意图，其中O-CU/O-DU与MEC共平台部署有利于实现接入网的能力开放。
　　（1）统一的硬件平台
　　通过室内小基站有效解决5G时代室内覆盖的高容量通信需求，基于通用服务器的基带处理单元，实现了软硬件解耦，也可以为扩展支持MEC等边缘应用功能提供基础，实现统一的硬件平台。
　　（2）采用可编程的软件协议栈
　　基于通用处理器和FPGA加速卡的硬件平台组合，结合虚拟化接入网的软件协议栈，实现了灵活可靠的无线接入解决方案。采用可编程的软件协议栈，可以根据业务需求提取接入网数据，实现接入网能力开放。
　　（3）大数据分析及能力开放
　　通过RAN能力开放模块获取接入网开放数据，并将开放数据传送给MEC平台，用以开发灵活的边缘应用，采用大数据分析及决策，不仅可以有效利用接入网开放数据实现垂直行业业务需求，还可以动态优化接入网配置。另外，需要实现室内小基站与室外宏基站的动态切换，使用户覆盖范围和容量之间实现最佳平衡，以最大限度地提高运营商的频谱效率，以支持更高级别的数据使用并满足客户对高质量体验不断增长的期望。
　　4   结束语
　　在5G部署场景中，面向室内覆盖的有源小基站成为重要技术方案之一。其中，5G扩展型小基站可以作为接入网开放的突破口，通过基站设备的软硬件解耦迈向更开放和智能的网络发展阶段。本文对开放架构的5G扩展型小基站的实现方式进行总结与展望，不同切分方式的实现方案都可以通过虚拟化基带处理功能，达到提升系统灵活度的目的。针对不同应用场景，开放架构的小基站有利于提供差异化的设备类型，从而实现个性化服务。基于无线接入网与MEC共平台的部署方式，可以有效提供开放的接入网能力，通過丰富本地应用有助于未来网络与应用的协同发展。
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　　[10]  刘洋，杨涛，杨峰义. 5G室内小基站：接入网开放的突破口[J]. 通信世界， 2019（17）： 31-32.★
　　作者简介
　　刘洋（orcid.org/0000-0001-8440-1423）：高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信研究院5G研发中心，主要从事无线网络开放、5G室内小基站等方向的研究工作。
　　杨涛：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信研究院5G研发中心，主要研究方向为5G小基站技术方案及技术规范制定、无线网络开放及O-RAN标准化。
　　刘海涛：工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信研究院5G研发中心，主要从事5G接入网、软件无线电等方向的研究工作。
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