ORAN专题系列-7：5G O-RAN 分体式小基站Option7硬件白盒化的参考架构

摘要： Option7的分离式部署, O-DU7的硬件白盒化, O-RU7的硬件白盒化

在一体式小基站的白盒化硬件的参考架构中，探讨了一体式和分体式的分类方法，以及5G一体式小基站硬件白盒化的参考架构。这里进一步探讨分体式小基站硬件白盒化的参考架构。

一、分体式/分离式架构的进一步分类

1. O-RAN分离式架构

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所谓分体/分离架构：是指O-RU和O-DU在物理上彼此分离，不在同一个物理实体中。

O-DU和O-RU之间的接口称为Front Haul接口。

2. High-PHY和Low-PHY不同的部署选项

O-DU和O-RU在物理上的分离，就带来一个问题：

原先需要由专用的DSP数字信号处理器处理的PHY层协议，如何处置和安排？

先再看一下协议分层：

​

硬件白盒化的终极目标是协议功能都迁移到通用的计算机上。

L2 MAC层及之上：迁移到通用平台上，已经不是大问题。除了1ms/10ms定时外，从计算机处理和计算能力、实时处理角度来看，迁移到通用平台上没有太大的难点。

RF+天线：在较长的一段时间内，还将只能运行在嵌入式专用的硬件平台，这也没有太大的争议。

这里的关键是，原先需要专用的DSP数字信号处理的L1 PHY层，如何处理？

这是通用硬件和专用硬件的边界，边界是最容易有纠结和有纠纷的地方。

为此，在5G系统中，把L1 PHY层进一步分成了High-PHY和Low-PHY。

High-PHY是指L1中，与DSP没有直接的强相关性软件实体。

Low-PHY是那些与DSP有强相关性的软件实体。

根据把High-PHY和Low-PHY部署DU或RU的方案不同，分为了4中选项：

如下称为Option6, Option7, Option8以及option7-8。

High-PHY和Low-PHY部署的方案不同，O-DU和O-RU之间的Front Haul接口协议也随之有差别，这是Front Haul比较复杂的一个最重要的原因，后续再用单独的章节讨论Front Haul接口协议的开放问题。

二、Option7部署选项

1. Option7-2的分离式扁平部署

​

在此部署中，把High-PHY部署在O-DU中，Low-PHY部署在O-RU中，这是O-RAN 5G新增加的方案。

O-RU7-2:

• Low PHY
• RF、天线。

O-DU的数字处理单元：

• MAC和LLC层、
• High-PHY
• 同步时钟（频率和相位同步）：

O-DU通过IEEE1588 client从O-CU获取时钟，同时通过IEEE1588给O-RU提供同步时钟。

虽然1588时钟同步协议是基于以太网的，但要产生MAC层调度所需要的1ms精度，10ms对齐的软件调度还需要其他层面的支持，这块是O-DU在通用硬件平台上实现的一个关键性的问题，后续再通过另外的专门的章节讨论。

2. Option7分离式分层部署

O-DU与O-RU之间可以通过FHGW相连，称为分层部署。

在广覆盖的应用领域，推荐通过FHGW（fronthaul Gateway）网关相连。

通过FHGW的多播和汇集功能，大量节省O-DU和O-RU之间的数据传输带宽。

在此方案中，O-DU和O-RU之间，虽然是以太网连接, 但网关要进行多播和汇集的是IQ数据，因此通用的以太网交换机是不合适的，eCPRI是这里的一种方案，把IO数据承载在UDP/IP/以太网之上。

这个网关，这时候，也被称为eCPRI交换机，或eCPRI Hub。

3. Option7部署下O-DU7的硬件白盒化

与Option6部署时，是完全一样的

内存接口：DDR4

PCIe: PCIe v3或更高版本，用于连接DU所需要的硬件加速器。之所以选择PCIe这个接口，这是因为PCIe是通用计算机连接即插即用模块的标准接口。

串行ATA接口：支持SATA3或更高版本，用于连接硬盘设备，存放DU的所有软件代码和大数据。

SPI接口：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。

Video接口：视频接口O-DU是可选项

USB 接口：用于连接本地的设备

Miscellaneous接口：Jtag，串口等调试口。

以太网接口：提供标准的1GbE/10GbE/25GbE/40GbE/100G的以太网口。

PCIe: PCIe是通用计算机硬件平台的标准扩展接口，在这里用于连接专用的硬件加速模块。

Timing：时钟同步接口，这个接口是，无线接入网有特殊的要求，如何在通用x86硬件平台上解决这个问题，需要专门的章节来讨论。

4. Option7部署下Front Gateway（FHGW7）的硬件白盒化：

（1）FHGW7的硬件架构图

前向和后向接口：

这两个接口，都是普通以太网接口。

数字信号处理单元：

虽然上述接口是以太网，但以太网之上承载的High-PHY与Low-PHY交换的数据格式却是5G新定义的。eCPRI就在诞生在这里。

很显然FHGW7不是普通的以太网交换机，而是专用的数字信号处理单元，需要处理上图中的eCPRI协议层和IO user data层的数据，通常需要FPGA或专用的DSP来实现。

既然eCPRI是承载在以太网, 或者说是UDP之上的，为啥不像FHGW6，直接使用普通的以太网交换或路由器，在O-DU和O-RU之间转发以MAC层或IP层数据呢？

其根本原因是，为了降低O-DU和O-RU之间的数据传输流量，FHGW7还需要支持：

• 下行：支持蜂窝小区级（Cell）的数据的广播，而不是MAC层或IP层的广播
• 上行：支持蜂窝小区级（Cell）的数据的汇集，而不是MAC层或IP层的汇集

（2）FHGW功能模块图的接口

• 数字处理单元：蜂窝小区级IQ数据的广播和汇集功能。
• POE++：power over ethernet，通过POE接口，可以给RU进行远程供电。
• DC/DC：直流电源转换。
• CLK: 本地时钟
• Memory：DDR3/4内存
• SPI: SPI flash，用于存放固件。
• Debug interface：串口、Jtag调试口。
• Ethernet: 以太网接口。

5. Option7部署下O-RU7的硬件白盒化

​

（1）O-RU7的架构图

​

• Ethernet：以太网交换控制器
• Timing Unit：定时模块，包括本地晶振、本地锁相环和定时模块的参考时钟源，通常是IEEE 1588，也可以是GPS.
• Digital Processing：数字信号处理单元
• RF Processing：模拟射频信号产后护理单元

（2）O-RU7的功能图

RU RF处理单元:

​ ​​ ​

• ANT: 天线，用于把模拟的电磁波发送到空气中。
• PA：主要功能是功率放大，一般用在发射机的最后一级，把无线高频模拟载波信号的功率放大，功率越大，发送的距离越远。
• LNA: 低噪声放大器，主要用于接收电路设计中。因为接收电路中的信噪比通常是很低的，往往信号远小于噪声，通过放大器的时候，信号和噪声一起被放大的话非常不利于后续处理，这就要求放大器能够抑制噪声。
• Transceiver ADC/DAC: 数模转换器，用于把模拟信号转换成数字信号。

数字信号处理单元：

Radio层数字信号处理单元

• CFR: 是用来降低峰均功率比。
• DPD: 是为了解决峰均功率比过大所导致的非线性问题。

L1 PHY数字信号处理单元

• Low-PHY

O-RAN FH/1588：

• 1588客户端的时钟同步（频率和相位），给O-RU提供参考时钟。

结束语：

在Option7部署下，FHGW网关是非常重要的白盒化设备。

Nokia 5G小基站系统中，ASiR-sHub2.0就实现了该网关的功能。

最后

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