蘇 剛

德州學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

0 引言

校園網(wǎng)是連接各種教育教學(xué)設(shè)備的最重要信息化基礎(chǔ)設(shè)施之一。5G與校園網(wǎng)是一種增強(qiáng)型的關(guān)系，5G可以與既有的校園網(wǎng)融合，支撐新型教學(xué)模型建設(shè)，促進(jìn)智能技術(shù)的發(fā)展，支撐學(xué)生的科技創(chuàng)新，助力校園物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)校園數(shù)據(jù)本地化處理。高校5G網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)在于接入網(wǎng)部署，即5G基站部署。無線接入網(wǎng)（RAN）設(shè)備的虛擬化和接口的開放化在逐漸向前推進(jìn)。O-RAN是對RAN的變革，實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，將專用硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ糜布脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)了白盒化發(fā)展。高校5G的小基站由于自身覆蓋范圍小、部署密集且靈活，是硬件白盒化的先鋒。O-RAN 5G小基站作為校園網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)的重要載體，支持開放、靈活的硬件架構(gòu)，可與校園固定網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)固移融合，與移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）等新技術(shù)融合，可以高效賦能智慧校園網(wǎng)建設(shè)。研究O-RAN技術(shù)在高校5G基站部署中的應(yīng)用，對于挖掘5G技術(shù)潛能、增進(jìn)智慧校園建設(shè)都有重要意義。

1 O-RAN技術(shù)及協(xié)議棧

早期移動(dòng)通信行業(yè)技術(shù)門檻高，通信設(shè)備研制難度大，設(shè)備商研發(fā)的通信設(shè)備大多是封閉的、對外不可見的系統(tǒng)。為了方便不同設(shè)備商之間的對接，通信行業(yè)開始推動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、技術(shù)開放，即“解耦”。通信系統(tǒng)的整體演進(jìn)是解耦，其中，核心網(wǎng)最先完成，即核心網(wǎng)虛擬化（NFV）。承載網(wǎng)也在逐漸虛擬化、解耦化，即軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。接入網(wǎng)涉及大量的天線、射頻、基帶處理等復(fù)雜功能，此類硬件專有且獨(dú)特，解耦難度最大、解耦度相對滯后，而O-RAN技術(shù)是對接入網(wǎng)解耦的開始，具有接口開放化、軟件開源化、硬件白盒化、網(wǎng)絡(luò)智能化的特點(diǎn)。

5G網(wǎng)絡(luò)頻段高、覆蓋弱，基站數(shù)量大幅度增加。O-RAN可以降低5G組網(wǎng)成本，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，打造開放、開源與智能的5G基站。同時(shí)，O-RAN技術(shù)也為運(yùn)營商降低成本、開展增值業(yè)務(wù)、實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)營維護(hù)提供重要支持。O-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 O-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

協(xié)議棧功能劃分（見圖2）是O-RAN白盒硬件的基礎(chǔ)。O-RAN硬件分為3個(gè)部分：（1）開放中心單元（O-CU），完成L3 RRC、L2 PDCP層的功能。（2）開放分布單元（O-DU），完成L2 RLC、L2 MAC層的功能，與O-CU均運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)云平臺(tái)（COTS）上，與O-CU接口為F1口，完成中傳（Middlehaul）功能。（3）開放射頻單元（O-RU），實(shí)現(xiàn)L1功能，包含射頻處理、天線單元，該單元對性能和功耗要求高，一般采用專用的軟硬件實(shí)現(xiàn)。

圖2 O-RAN協(xié)議棧

O-RAN基站有一體式和分體式兩種部署架構(gòu)。一體式架構(gòu)是將O-DU和O-RU功能部署在同一個(gè)硬件設(shè)備中，稱為gNB-DU，通過F1接口與O-CU連接。分體式架構(gòu)是將O-DU和O-RU部署在不同的硬件設(shè)備中。分體式架構(gòu)基站中O-DU和O-RU各司其職，O-DU僅處理基帶信號(hào)，可以采用通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，體積小、功耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)；O-RU處理射頻信號(hào)，可以選用專用硬件平臺(tái)。分體式架構(gòu)既能降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，又能根據(jù)應(yīng)用場景靈活部署。高校的教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、操場、餐廳等場景眾多，分體式基站是校園基站部署的首選方案?；诜煮w式小基站的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分體式小基站結(jié)構(gòu)

2 O-RAN前傳方案

相比4G，5G接入網(wǎng)從原來的BBU+RRU+饋線+天線，變成了CU+DU+AAU，5G承載網(wǎng)也隨之變化，變成了前傳、中傳、回傳3個(gè)部分。目前，關(guān)于回傳和中傳部分，三大運(yùn)營商的方案已經(jīng)成熟，并且處于商用落地階段。前傳部分的解決方案一直都在探索之中，其是最靠近5G AAU天線的傳輸環(huán)節(jié)，因O-DU與O-RU在協(xié)議棧中的分離點(diǎn)不同，分體式基站有3種前傳接口方案：nFAPI接口、eCPRI接口、CPRI接口。

高校用戶多為年輕群體，具有用戶數(shù)據(jù)量大、終端數(shù)量多等特點(diǎn)，可以選用eCPRI接口來壓縮數(shù)據(jù)，減輕前傳壓力。O-DU和O-CU可分開部署，亦可合并部署在同一個(gè)通用硬件平臺(tái)上?？紤]到校園場景的靈活多樣，為實(shí)現(xiàn)對新技術(shù)的后續(xù)兼容，使O-DU單元更靠近用戶端，將O-CU單元放置在校園中心機(jī)房；同時(shí)，考慮到O-CU和O-DU的一對多連接，故將二者分開部署，并通過前傳網(wǎng)關(guān)（FHGW）設(shè)備連接O-CU和O-DU單元。FHGW設(shè)備對eCPRI數(shù)據(jù)進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)，可以用通用路由器實(shí)現(xiàn)。

雖然前傳接口的帶寬需求沒有回傳那么高，但因?yàn)?G AAU數(shù)量龐大，導(dǎo)致5G前傳規(guī)模龐大，所以對成本非常敏感。前傳的解決方案主要包括：光纖直驅(qū)、無源WDM/WDMPON、有源設(shè)備（OTN/SPN/TSN）、微波。其中，光纖直驅(qū)方式會(huì)消耗大量的光纖資源、成本巨大，有源設(shè)備能耗嚴(yán)重；微波方案更適合位置偏遠(yuǎn)地區(qū)；結(jié)合高校校園具體實(shí)際，宜采用無源WDM方案，使用WDM波分技術(shù)，通過無源合分波，不同中心波長的光信號(hào)在同一根光纖中傳輸，達(dá)到節(jié)約光纖的目的。無源WDM傳輸方案如圖4所示。

圖4 無源WDM傳輸方式

3 中傳方案

O-CU和O-DU之間的傳輸接口稱為中傳接口。不同于4G的BBU，5G基站中CU和DU分離，其切分是根據(jù)不同協(xié)議層實(shí)時(shí)性的要求來進(jìn)行的。把原先BBU中的物理底層下沉到AAU中處理，對實(shí)時(shí)性要求高的物理高層、MAC、RLC層放在DU中處理；把對實(shí)時(shí)性要求不高的PDCP和RRC層放到CU中處理。這實(shí)現(xiàn)了基帶資源的共享，有利于無線接入的切片和云化，解決了5G復(fù)雜組網(wǎng)情況下的站點(diǎn)協(xié)同問題。O-RAN的中傳方案如圖5所示。

圖5 O-RAN的中傳方案

越來越多的5G接入網(wǎng)開始向大規(guī)模集中部署的架構(gòu)演進(jìn)，O-CU開始連接越來越多的O-DU。為降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、充分利用現(xiàn)有的校園網(wǎng)資源，中傳方案可以借助校園網(wǎng)通用的路由器或以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，路由器交換機(jī)對F1接口的數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)透明傳輸，可以降低5G傳輸建設(shè)成本，推進(jìn)校園網(wǎng)的固移融合。

4 MEC部署

隨著各種新服務(wù)類型（如AR/VR等）的出現(xiàn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸不堪重負(fù)，催生了移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）服務(wù)器的出現(xiàn)，即將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)“下沉”到更接近用戶的無線接入網(wǎng)側(cè)，從而保護(hù)本地?cái)?shù)據(jù)私密性、降低傳輸時(shí)延、減輕回傳壓力、控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，向開發(fā)者開放更多的網(wǎng)絡(luò)信息和擁塞控制功能。

因?yàn)樽陨淼目蓴U(kuò)展性強(qiáng)，O-RAN支持MEC在RAN的部署。5G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)C/U功能分離之后，U-Plane（對應(yīng)UPF）功能下移（可以下移到RAN側(cè)，也可以下移到CN的邊緣），C-Plane（對應(yīng)SMF）駐留在CN側(cè)。MEC服務(wù)器部署在UPF處，為用戶提供低時(shí)延、高帶寬服務(wù)。

MEC的部署可以加快5G行業(yè)專網(wǎng)的建設(shè)步伐。運(yùn)營商通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬專網(wǎng)，使用UPF分流實(shí)現(xiàn)本地流量卸載、邊緣數(shù)據(jù)處理，滿足客戶對數(shù)據(jù)不出場、超低時(shí)延等業(yè)務(wù)需求。目前，全球各大運(yùn)營商搭建的大部分5G專網(wǎng)都是通過切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，各運(yùn)營商均針對校園網(wǎng)絡(luò)推出了5G專網(wǎng)解決方案，以中國移動(dòng)為例，其將核心網(wǎng)UPF和MEC下沉到學(xué)校中心機(jī)房，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化處理，保障數(shù)據(jù)安全并優(yōu)化時(shí)延。

5 結(jié)束語

基于白盒化、易部署、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，O-RAN技術(shù)在高校校園網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用。O-RAN 5G小基站可充分利用校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)固移融合。為滿足校園網(wǎng)絡(luò)的差異化業(yè)務(wù)需求，O-RAN還可進(jìn)一步與MEC實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)MEC現(xiàn)場級部署，為高校專網(wǎng)方案提供支撐。O-RAN技術(shù)在高校中的應(yīng)用也可為其他垂直行業(yè)的5G基站建設(shè)提供重要參考。