O-RAN 5G 白盒化小基站硬件架构的研究*

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，江苏 南京 210037）

0 引言

5G 通信技术已成为国家核心竞争力的体现之一，而5G 的核心技术则体现在5G 无线接入网。传统的封闭的无线接入网走向开放是大势所趋，从4G 时代的V-RAN 到5G 时代的Cloud RAN，RAN设备的虚拟化和接口的开放化，在逐渐向前推进。由运营商、设备制造商、标准化组织、芯片供应商、软件供应商组成的O-RAN 联盟，成立于5G 之初，在5G 标准化的基础之上提出更进一步的开放目标：网络智能化、硬件白盒化、软件开源化，以此打破传统的、封闭的无线接入网的构架，降低RAN 的部署成本，提升RAN 的敏捷性和加速网络创新。

硬件白盒化对无线接入网是一种变革，通过这种变革，实现软件与硬件的彻底分离，实现无线接入网由专用硬件平台向通用硬件平台的转变，实现封闭向彻底开放的转变。相对于宏基站，小基站由于其自身覆盖范围小、适合高密度部署、部署场景灵活等特点，成为硬件白盒化的先锋，O-RAN 5G白盒化小基站硬件参考架构为白盒化小基站的实现提供了指导。

1 O-RAN 的协议分层与功能切分

协议栈功能的划分是O-RAN白盒硬件的基础，图1 是典型的O-RAN 5G 协议栈功能切分。O-CU完成L2 PDCP、L3 RRC 层的功能，运行在通用的计算机云平台之上。O-DU 完成L2 RLC、L2 MAC层的功能，运行在通用的计算机云平台之上。O-DU与O-CU 之间的接口，为F1 接口。O-RU 完成RF、天线的功能，运行在专用的软硬件平台上。在4G LTE 系统中，L1 PHY 的全部功能由基带处理单元BBU 上的、专用数字处理器DSP 完成，BBU 与RU 之间通过标准的CPRI 总线相连。在5G NR 系统中，依然保留了这样的系统架构，DU 和RU 之间依然保留了CPRI 连接，L1 PHY 的功能由DU 来承担。在5G NR 系统中，对L1 PHY 进行了进一步的功能切分，分为L1-High 与L1 PHY-Low，并定义相关的接口标准：L1-High 与L1 PHY-Low 接口为eCPRI；L1-High 与L2 接口为nFAPI。O-RAN 5G 白盒化小基站的部署形态和系统架构，正是基于这些新定义的接口。O-RAN 白盒化的硬件架构，就是对不同厂家的5G RAN 设备的硬件设计进行总结和抽象，找出功能上的共性，然后加以标准和开放。

图1 O-RAN 协议栈以及功能切分

2 5G O-RAN 白盒化小基站的形态

O-RAN 5G 白盒化小基站的部署形态有2 个大类，4 种选项。

O-DU 和O-RU 的功能部署在同一个专用的物理硬件设备gNB-DU中，为一体式。gNB-DU与O-CU之间采用标准的F1 接口。DU 和RU 的功能部署在不同的专用的物理硬件中，称为分体式。

根据O-DU 与O-RU 在协议栈中分离点的不同，分体式小基站又有几种选项：Option6：通过nFAPI接口来分离O-DU 和O-RU 的功能；Option7：通过eCPRI 接口来分离O-DU 和O-RU 的功能；Option8：通过CPRI 接口来分离O-DU 和O-RU 的功能。

2.1 一体式O-RAN 白盒化小基站

（1）逻辑功能架构，如图2 所示。

图2 一体式小基站gNB-DU 逻辑功能架构

在此架构中，O-DU 与O-RU 的功能集成在同一个专用的硬件实体gNB-DU 中，为一体式5G白盒小基站，它通过以太网，使用F1 接口，实现gNB-DU 与O-CU 的互联互通。

（2）分层部署架构，如图3 所示。

在实际物理部署中，一个O-CU 通常会连接多个gNB-DU。

在此部署中，中间的节点为通用的IP 路由器或以太网交换机，只对IP 层数据进行路由与传输，不对F1 接口的数据包进行解析。O-CU 与gNBDU，通过5G 标准的F1 接口进行通信。

（3）O-CU 白盒硬件架构，如图4 所示。

O-CU 的白盒化硬件采用通用的计算机平台，外接可选的专用加速卡。

数字处理单元：通用处理器，处理RAN PDPC层、RRC 层协议。

加速卡：可选的数据加解密硬件加速卡，采用标准的PCIe接口，支持在通用的服务器上即插即用。

硬件接口：1G/10G/100G 以太网接口。

（4）交换机和路由器白盒硬件架构。

在此部署中，此节点为通用的交换机和路由器。因此其不在O-RAN 硬件白盒化的范围内。

（5）gNB DU 白盒化硬件架构，如图5 所示。

图3 一体式小基站gNB-DU 分层部署架构

图4 O-CU 白盒化硬件架构

图5 一体式小基站gNB-DU 白盒化硬件架构

RF 射频处理单元：通常由RFIC 芯片加外围硬件电路实现:

天线：用于收、发电磁波信号。

功放PA：功率放大器，用于发送电路中，把高频调制后的信号进行功率放大，便于远距离传输。

功放LNA:低噪声放大器，用于接收电路中，能够抑制噪声，放大接收到的电信号。

ADC/DAC:数模转换和模数转换，实现模拟信号与数字信号的相互转换。

数字处理单元：包括RU 的数字信号处理和DU 的数字信号处理:

Radio CFR:波峰系数消除,可用于缩小一个传输信号的动态范围，通常由FPGA 来实现。

Radio DPD:通过减少功率放大器在其非线性区运行时产生的失真，提高功率放大器的效率，通常由FPGA 实现。

Radio DDC：数字下变频，把数字中频信号变换到数字低频的基带信号，通常由FPGA 实现。

Radio DUC：数字上变频，把数字低频的基带信号变换到中频数字信号，通常由FPGA 实现。

L1 PHY： 物理层功能，包括PHY_Low 和PHY_High 的功能，通常在DSP 上实现。

L2 MAC/LLC：L2 的功能。通常在通用处理器上实现。

时钟单元：提供O-DU 和O-RU 的同步时钟，包括频率、相位同步、帧同步。主要的同步时钟源有GPS、IEEE1588、同步以太网。

以太网接口模块：提供对外通信的接口。

2.2 分体式选项6 白盒化小基站

（1）逻辑功能架构，如图6 所示。

分体式选项6白盒化小基站中，O-DU6和O-RU6是分离的。O-DU 与O-CU 可以部署在相同的通用硬件平台上，也可以部署在不同的通用硬件平台上。物理层（包括PHY_High 与PHY_Low)功能全部下沉到O-RU6中，与射频部分部署在同一个专用硬件设备中。O-DU6与O-RU6接口采用L2 与L1 之间的nFAPI 接口。

（2）分层部署架构，如图7 所示。

在广覆盖的应用领域，通过通用的交换机或路由器等传输设备，实现O-DU6与O-RU6之间多对多的连接。

（3）O-DU6白盒化硬件架构，如图8 所示。

图6 选项6 逻辑功能架构

图7 选项6 分层部署架构

图8 O-DU6 白盒化硬件架构

O-DU6采用通用的硬件平台+专用设备卡的方案:

数字处理单元：为通用处理器。

USB：用于连接本地的USB 设备。

内存通道：连接DDRAM。

VGA：连接显示设备。

SPI：用于连接Flash 这样的存储设备，存放固件firmware 和不易丢失的数据。

SATA：用于连接通用硬盘设备。

SMBus：电源管理总线连接电源模块。

RS232 串口：连接串口设备。

以太网：提供标准的1G/10G/100G 等以太网口

PCIe:通用计算机连接即插即用模块的标准接口。O-DU 的加速卡就是通过该接口与主机相连。

加速卡：用于提升IPSEC 数据加解密处理的性能。

Timing：时钟同步接口，用来为O-RU 提供时钟同步。

nFAPI 接口处理单元：5G L1 与L2 的接口，也是O-DU6与O-RU6的分离点。

（4）O-RU6白盒化硬件架构，如图9 所示。

图9 O-RU6 白盒化硬件结构

O-RU6采用的是专用的硬件平台。该硬件架构与一体化小基站的硬件架构基本相同，不同的是用nFAPI 接口取代了F1 接口，用nFAPI 处理单元取代了L2 LLC 与MAC 的功能。

（1）交换机与路由器白盒化硬件架构。

在此选项部署中，采用的是通用的交换机和路由器，因此其不在O-RAN 硬件白盒化的范围内。

2.3 分体式选项7-2 白盒化小基站

（1）逻辑功能架构，如图10 所示。

图10 选项7-2 逻辑功能架构

分体式选项7-2 白盒化小基站中，O-DU7-2和O-RU7-2是分离的。O-DU7-2与O-CU7-2可以部署在相同的通用硬件平台上，也可以部署在不同的通用硬件平台上。物理层PHY_High 与PHY_Low 分别部署在O-DU7-2与O-RU7-2中，O-RU7-2采用专用射频硬件。O-DU7-2与O-RU7-2的接口采用5G 新定义的eCPRI 接口。

在所有的部署选项中，该选项是首选。

（2）分层部署架构，如图11 所示。

在广覆盖的应用领域，推荐通过FHGW（FrontHual）网关设备，实现O-DU7-2与O-RU7-2之间多对多的连接。虽然FHGW 网关设备采用通用的以太网接口，但它并非是通用的以太网交换机或路由器，FHGW 网关设备处理eCPRI 协议，实现IQ 数据的多播、汇集、路由功能，在单频网SFN的部署情形下，节省O-DU7-2和O-RU7-2之间的数据传输带宽，极大地提升了系统的性能。

图11 选项7-2 分层部署架构

（3）O-DU7-2白盒化硬件架构，如图12 所示。

O-DU7-2采用通用的硬件平台+专用设备卡的方案，其硬件架构与O-DU6白盒化硬件架构大体相同，不同的是需要实现PHY_High 的功能，其功能可以在通用处理器上实现，也可以由DSP 加速卡实现。

（4）O-RU7-2白盒化硬件架构，如图13 所示。

O-RU7-2采用的是专用的硬件平台。该硬件架构与O-RU6 硬件架构基本相同，不同的是用eCPRI 接口取代了nFAPI 接口，PHY_High 的功能从O-RU7-2上移到O-DU7-2中。

（5）FHGW 网关白盒化硬件架构，如图14 所示。

图12 O-DU7-2 白盒化硬件架构

图13 O-RU7-2 白盒化硬件架构

图14 FHGW7-2 白盒化硬件架构

该网关除在O-DU7-2与O-RU7-2之间进行eCPRI 数据的路由和转发外，还实现两个重要的功能：IQ 数据多播：把IQ 数据在同频网小区的eCPRI 接口进行多播。

IQ 数据汇集：对同频网小区的eCPRI 接口的数据进行汇集，汇集后传递给O-DU7-2。这进一步节省了O-DU7-2与FHGW7-2网关之间的带宽。

2.4 分体式选项8 白盒化小基站

如图15 所示，分体式选项8 白盒化小基站中，O-DU8和O-RU8是分离的。O-DU8与O-CU 可以部署在相同的通用硬件平台上，也可以部署在不同的通用硬件平台上。物理层PHY_High 与PHY_Low都部署在O-DU8中。O-RU8采用专用的射频硬件。O-DU8与O-RU8之间是CPRI 接口，这是3G/4G时代的产物，用于基带处理单元BBU 与无线单元RU8之间进行连接与通信。这样的接口，在DU8和RU8侧都需要专用的CPRI 控制器，这给O-DU8和O-RU8，特别是O-DU8的白盒化和通用化带来了极大的障碍。虽然“传统”5G 还有这样的部署，但在“云”5G 部署中已经被eCPRI 替代，O-RAN 强烈推荐不使用此模式。

图15 选项8 逻辑功能架构

2.5 分体式选项7-2 转选项8 5G 白盒化小基站

（1）逻辑功能架构。

虽然单纯的选项8 的部署方式不被推荐，但考虑到现网中存在大量部署的专用的基于CPRI 接口的RU，同时考虑到O-DU 的白盒化和通用的需求，提出了一种折中、优化方案：选项7-2 和选项8 混合部署方案。

（2）分层混合部署架构，如图16 所示。

图16 分层混合部署架构

在混合部署方案中，通过FHGW 网关实现eCPRI 接口与CPRI 接口的转换。FHGW 网关设备与O-DU 的接口是eCPRI 接口，与O-RU 的接口是CPRI 接口。该网关除了实现选项7-2 中IQ 数据的多播、汇集、路由功能，还需要在eCPRI 接口与CPRI 接口之间进行转换。

（3）O-RU8白盒化硬件架构，如图17 所示。

O-RU8采用专用的硬件平台。该硬件架构与O-RU7-2硬件架构基本相同，不同的是用CPRI 接口取代了eCPRI 接口，PHY-Low 的功能搬移到FHGW网关中。

（4）FHGW7-2转选项8 网关白盒化硬件架构，如图18 所示。

图17 O-RU8 白盒化硬件架构

图18 FHGW7-2 转8 网关白盒化硬件架构

该网关采用专用硬件平台，除了实现IQ 数据的多播、汇集、路由功能外，还需实现eCPRI 与CPRI 的转换。

eCPRI 控制器：实现与O-DU7-2的连接。

CPRI 控制器：实现与O-RU8的连接。

3 O-RAN 白盒化硬件发展可能的五个阶段

现有的RAN 无线接入网还是一个开放与壁垒共存的生态环境，每个独立的网元之间的接口是规范的、开放的，但网元内部的实现是厂家特有、封闭的，特别是前向的接口，因此，O-RAN 硬件白盒化的发展不会一蹴而就，预计会经历如下五个阶段：

第一个阶段：基于通用的计算机硬件和软件云平台部署物理层协议之上的网络功能。

直接利用现存的、通用的计算硬件平台部署O-RAN 的部分网络功能。这个阶段，基本已经实现如O-CU 网元和RIC 网元都部署云上。

第二个阶段：基于通用硬件的通用接口+专用功能的加速卡部署物理层的网络功能。

目前，通用平台的CPU 的处理能力很难胜任由专用平台上DSP/FPGA 实现的5G 物理层的功能。一种切实可行的方案是在通用的硬件平台上增加一个增强功能的加速卡，完成5G 物理层的网络功能。该接口卡采用标准的PCIe 接口，以支持在通用计算机硬件即插即用。

第三个阶段：对专用硬件内部的软硬件架构进行模块化和标准化。

对一时无法通用化的专有的软硬件平台的内部架构进行总结、抽象，模块化，并在行业内加以规范化和标准化。O-DU,O-RU 的硬件白盒化主要处于这个阶段。

第四个阶段：专用硬件设备子部件的通用化。

基于第三阶段开放和标准化基础之上，引入更多专业的供应商参与到各个标准化的子模块的设计和开发上，包括原先体现大型通信设备厂家技术能力的关键部件。通过充分的竞争，使得关键的核心硬件部件逐渐模块化和通用化，使得能够提供专用基站硬件的5G设备厂家的门槛得到进一步的降低。

第五个阶段：专用硬件设备演变成通用硬件。

到了这个阶段，RAN 系统内所有逻辑网元,特别是O-RU 的功能部件都是通用的，标准化接口的硬件资源可以用轻松的、即插即用的方式进行集成，组装成一个可以满足某种需求的硬件平台。这个过程就像专用计算机变成通用计算机的过程。

4 结语

传统的无线接入网由封闭走向开放是一个渐进的过程，O-RAN 白盒化基站是一场无线接入网络的变革,其不同选项的白盒化硬件架构的实施也将会分步进行，且需要运营商、传统设备商、标准化组织、芯片提供商以及新加入的设备商共同的参与和推动，这对推动5G 技术成为全社会各行各业的高速无线通信基础设施起着关键性的作用。