O-RAN：致力于ICDT融合打造開放與智能的無線接入網(wǎng)

中國移動研究院|崔春風 段然 王桂珍

在“無線互聯(lián)網(wǎng)”流量持續(xù)快速增長而收入增長放緩、語音收入下降的背景下，運營商必須依托5G應對不斷增長的流量需求和不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務，同時針對多樣化的垂直行業(yè)帶來的“藍海市場”拓展盈利能力。因此業(yè)界達成了共識，定義了5G三大應用場景：增強移動寬帶通信（eMBB）、低延遲高可靠通信（uRLLC）和海量物聯(lián)網(wǎng)通信（mMTC）。

5G需求決定無線網(wǎng)演進方向

為應對這些新的需求，業(yè)界已經(jīng)做出了一些嘗試。網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）、基于服務的核心網(wǎng)架構（SBA）、網(wǎng)絡切片等都是為了能夠快速應對多樣化需求而做出的通信網(wǎng)形態(tài)改變。這些改變無一不體現(xiàn)了中國移動提出的開放、靈活、低成本、ICDT融合發(fā)展等理念。

5G核心網(wǎng)的變革已經(jīng)悄然發(fā)生，而在無線接入網(wǎng)領域，5G無線接入網(wǎng)具有業(yè)務多、帶寬大、頻段高等特點，勢必引起單站覆蓋變小、設備復雜度增加、建網(wǎng)規(guī)模增大，導致網(wǎng)絡成本巨大、投資回報風險增大。結合無線網(wǎng)這些具體的特征和需求，無線接入網(wǎng)領域勢必需要引入新的IT、CT、DT融合的研發(fā)和設計思路，這與通信產(chǎn)業(yè)的宏觀演進趨勢一脈相承。

基于此，中國移動聯(lián)合AT&T等運營商整合C-RAN聯(lián)盟和xRAN論壇，主導創(chuàng)建O-RAN產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，提出了“開放”和“智能”兩大核心愿景，這符合通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，也是運營商主導的又一次網(wǎng)絡變革。中國移動希望利用大數(shù)據(jù)、機器學習和人工智能技術建設開放智慧無線網(wǎng)絡，同步結合開放標準、白盒硬件和開源軟件來降低無線網(wǎng)絡成本。

O-RAN的核心特征

O-RAN致力于推動無線接入網(wǎng)由傳統(tǒng)模式向更開放、更智能的方向演進，核心特點包括4個方面。

一是接口開放。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的接口大多是廠家私有實現(xiàn)的封閉接口，如RAN BBU和RRU之間接口、BBU與OMC之間的接口均不開放。接口開放的目標是讓原來不開放的無線網(wǎng)接口標準化、開放化，通過各類接口開放，繁榮產(chǎn)業(yè)生態(tài)。同時，鼓勵業(yè)務創(chuàng)新，降低成本。

二是軟件開源。傳統(tǒng)無線設備由設備廠家單獨封閉開發(fā)，周期長、成本高。軟件開源的目標是讓無線網(wǎng)絡通用及基礎軟件開源化，如底層操作系統(tǒng)及協(xié)議棧軟件等的開源，通過更多企業(yè)共同研發(fā)，共享開源代碼，降低研發(fā)成本，加快研發(fā)進度?；陂_源軟件，各個產(chǎn)業(yè)合作伙伴聚焦在體現(xiàn)自身能力與價值的核心算法及差異化功能的研發(fā)上，既降低行業(yè)整體研發(fā)成本，又體現(xiàn)每個單位的差異化價值，實現(xiàn)共贏。

三是硬件白盒。傳統(tǒng)無線設備的研發(fā)門檻較高，不利于引入更多的中小型創(chuàng)新公司，不利于促進產(chǎn)業(yè)競爭和創(chuàng)新。硬件白盒的思路是通過“公版”的開放設備參考設計，形成規(guī)模效應，降低全產(chǎn)業(yè)鏈成本，同時降低研發(fā)難度和研發(fā)成本，吸引更多中小企業(yè)進入到電信行業(yè)，促進競爭，鼓勵創(chuàng)新。

四是智慧開放運營。目標是通過引入無線大數(shù)據(jù)、人工智能技術以及無線能力開放平臺，賦予無線網(wǎng)絡一定的智能，利用大數(shù)據(jù)和AI能力可以靈活高效地支持復雜多樣的垂直行業(yè)業(yè)務及切片需求，在復雜組網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)高效自動化的網(wǎng)絡管理和頻譜資源的高效利用，在降低現(xiàn)有無線資源管理及調(diào)度算法復雜度的同時提升無線網(wǎng)絡的性能和降低無線網(wǎng)絡的能耗。

通過開放、開源及白盒，可以給中小企業(yè)帶來全新的機會，鼓勵創(chuàng)新發(fā)展，從而帶動產(chǎn)業(yè)鏈的進一步繁榮與壯大；利用智能技術，也可以進一步提升無線網(wǎng)絡的智慧化水平，實現(xiàn)智慧運營，支持靈活切片，提升網(wǎng)絡性能，降低運維成本。

O-RAN架構與功能組件劃分

O-RAN參考架構的設計原則建立在無線網(wǎng)CU/DU架構和功能虛擬化的基礎之上，引入開放接口和開放硬件參考設計，同時利用人工智能優(yōu)化無線控制流程。O-RAN從整體邏輯上劃分了4個功能組件，如圖1所示。

圖1 O-RAN的邏輯架構

無線網(wǎng)智能控制器非實時層

在O-RAN整體架構中，引入了無線網(wǎng)智能控制器組件。這一組件的核心是利用人工智能技術針對無線資源的使用和分配進行推理、判斷和決策，特別是利用預測能力增強資源分配的合理性。而根據(jù)處理時延的特性，可將RIC劃分為非實時無線智能控制器（Non-RT RIC）和近實時無線智能控制器（near-RT RIC）。Non-RT RIC具有微服務和策略管理、無線網(wǎng)絡分析和AI模型的訓練等功能。訓練后的AI模型通過A1接口分發(fā)給near-RT RIC進行在線推理和執(zhí)行。

A1接口用于完成Non-RT RIC嵌入網(wǎng)管功能中，而near-RT RIC嵌入無線網(wǎng)元eNB/gNB中。由于人工智能的引入，網(wǎng)管與無線網(wǎng)元間的管理接口A1超出傳統(tǒng)網(wǎng)管的FCAPS功能擴展了基站運行策略的下發(fā)以及AI機器學習模型的下發(fā)等新的數(shù)據(jù)信息。

無線網(wǎng)智能控制器近實時層

O-RAN架構中的近實時無線網(wǎng)絡智能控制器組件嵌入到CU內(nèi)運行，可理解為嵌入人工智能技術的下一代RRM（RRC層的無線資源管理功能）增強功能實體。near-RT RIC的功能可以是全部或者部分RRM的功能，完全兼容傳統(tǒng)的RRM功能，例如基于用戶級的載波負載均衡判斷、無線承載管理、干擾監(jiān)測以及移動性管理等?？紤]CU內(nèi)的RRM是跨多個DU的控制節(jié)點，在無線資源管理能力上又具有全局性的資源管理特點，結合人工智能/機器學習技術后，可以利用人工智能的業(yè)務或者資源預測能力提升多站無線資源管理的效率。near-RT RIC同時又是一個開放、頑健、安全、能力可拓展的算法實時運行平臺，接納第三方提供的人工智能執(zhí)行模型或微服務。這為運營商引入第三方定制化的功能邏輯提供了基礎平臺，成為未來無線網(wǎng)具備定制化、滿足各類差異化需求的關鍵。

E2接口是介于near-RT RIC與CU/DU協(xié)議棧軟件之間的標準接口。類比于傳統(tǒng)設備的RRM與RRC之間的接口，near-RT RIC不僅通過E2接口收集無線網(wǎng)各功能實體的測量信息，也通過這一接口下發(fā)控制命令字給基站，最終實現(xiàn)對基站行為的控制。在開放的軟件架構下，通過E2接口的標準化，可實現(xiàn)near-RT RIC功能軟件獨立于傳統(tǒng)基站軟件版本的迭代演進能力，縮短軟件功能的上市時間。

多制式CU協(xié)議棧軟件和云平臺

多制式的CU協(xié)議棧軟件功能不僅包括4G、5G協(xié)議棧，也包括其他協(xié)議處理功能。協(xié)議棧軟件功能層需要接收并執(zhí)行near-RT RIC生成的控制命令字（如針對某個UE的切換命令）。而CU所部署的云平臺提供了CU協(xié)議棧軟件以及near-RT RIC功能組件的運行環(huán)境，具有安全隔離、統(tǒng)一加速器資源封裝等能力。CU協(xié)議棧軟件輔以統(tǒng)一的云平臺能力，是無線網(wǎng)智能化的基礎。

F1/W1/E1/X2/Xn接口是圍繞CU協(xié)議棧相關的3GPP標準接口，需要進一步增強異廠商間的互通能力。

DU和RRU功能實體

DU和RRU包括實時的層2功能、基帶信號處理、無線射頻處理等功能，這部分功能主要由專有的CT硬件實現(xiàn)。針對這部分的研究聚焦在白盒參考設計、統(tǒng)一硬件的器件選型等方面。

在前傳接口方面，DU與RRU間的前傳接口方案需要進一步規(guī)范化，包括DU與RRU間功能的重構、前傳擴展單元的設計以及接口流程的標準化等方面，最終確保異廠商間的互通。

O-RAN聯(lián)盟設立8個工作組

O-RAN聯(lián)盟截至2018年12月初步設置了8個工作組，圍繞著O-RAN的整體架構開展相關研究。

工作組1負責應用需求定義、場景分析、O-RAN整體架構的制定和協(xié)調(diào)各個工作組的相關工作；工作組2負責無線網(wǎng)絡智能控制器非實時功能設計以及A1接口標準的研究工作；工作組3負責無線網(wǎng)絡智能控制器近實時功能設計以及E2接口標準的研究工作；工作組4負責前傳接口（eCPRI/NGFI）的標準化制定；工作組5負責圍繞CU相關3GPP協(xié)議接口的標準化增強，實現(xiàn)異廠商互通；工作組6負責無線云平臺的增強研究，增強MANO和NFVI的能力擴展研究，并促進開源社區(qū)的相關實現(xiàn)；工作組7負責白盒硬件的參考設計研發(fā)，統(tǒng)一硬件選型的規(guī)格；工作組8負責探索成立O-RAN開源社區(qū)，推進CU/DU協(xié)議棧軟件和無線網(wǎng)智能控制器的開源實現(xiàn)，降低行業(yè)的研發(fā)成本。

考慮到無線網(wǎng)絡復雜度和實時性要求，O-RAN將采取階段式推進方式，總體預期將會有兩個階段。第一個階段是在2020年前實現(xiàn)接口標準化、白盒小站商用、非實時智能管控商用和集中控制部分協(xié)議棧軟件開源；第二個階段是在2020年后逐步實現(xiàn)智能控制器和智能網(wǎng)管商用、探索宏站白盒化方案及應用、完成基站開源協(xié)議棧軟件完整版本。

O-RAN聯(lián)盟現(xiàn)狀

2018年2月27日，中國移動聯(lián)合美國AT&T、德國電信、日本NTT docomo、法國Orange等4家國際運營商在世界移動通信大會上共同發(fā)布成立O-RAN聯(lián)盟的宣言。2018年6月27日，O-RAN聯(lián)盟在上海正式成立。

O-RAN是在德國注冊的非營利獨立法人社團。O-RAN組織架構如圖2所示，最高決策機構為董事會，根據(jù)O-RAN章程規(guī)定，董事會由各運營商CTO級別的領導擔任，如AT&T的董事會成員即為其CTO Andrew Fuetsch。此外，董事會內(nèi)部設立執(zhí)行委員會（Executive Committee，EC），由5家發(fā)起單位（AT&T、中國移動、德國電信、NTT docomo和法國電信）組成，該執(zhí)行委員會負責商討O-RAN聯(lián)盟的各類重要事務，同時向董事會提供建議、安排董事會會議等。在執(zhí)行委員會下設立技術管理委員會（Technical Steering Committee，TSC），負責O-RAN各項技術相關的討論和研究，如O-RAN技術架構、用例和需求等。

自O-RAN聯(lián)盟正式成立以來，O-RAN的影響力迅速擴大，得到眾多設備商和運營商的認可，截至2018年12月，章程里規(guī)定的由運營商構成的15個董事會席位已經(jīng)全部確定，包括中國移動、中國電信、NTT docomo、韓國電信、SK電信、新加坡電信、Reliance、Bharti Airtel、德國電信、法國電信、意大利電信、西班牙電信、AT&T、Verizon和Telstra。

此外，隨著O-RAN聯(lián)盟的注冊完成以及IPR的確定，O-RAN聯(lián)盟開始接納會員申請。當前，共有約81家公司表示感興趣，其中既包括愛立信、諾基亞、中興、大唐、高通、英特爾等著名廠商，也包括很多中小型、創(chuàng)新型企業(yè)。除運營商外，37家公司已經(jīng)提交申請表，26家公司正式被批準成為O-RAN成員。

圖2 O-RAN聯(lián)盟工作組

通信產(chǎn)業(yè)的機遇

O-RAN聯(lián)盟所提出的開放、開源、白盒和智能等理念，有望使原來研發(fā)封閉、網(wǎng)絡成本最高的無線網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)更加開放，運營更加智慧高效，并向合作伙伴開放更多的無線能力，從而使未來5G網(wǎng)絡成本更低、體驗更佳、業(yè)務更豐富。但與此同時，O-RAN全新的網(wǎng)絡架構也給產(chǎn)業(yè)和運營商帶來了新的挑戰(zhàn)。

一是宏站白盒化難度很高。主要是因為大規(guī)模天線陣處理復雜度對設計要求極高，軟硬件耦合度也很高，短期內(nèi)難以推出高性能白盒宏基站方案產(chǎn)品。因此，O-RAN白盒將從小基站切入。

二是開源與白盒既是挑戰(zhàn)也是機遇。IT與CT的融合趨勢已被廣泛認可，開源與白盒已在IT領域中廣泛應用，并在業(yè)務網(wǎng)、核心網(wǎng)中展開商用。但傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的設備由于處理復雜度、功耗、體積、承重、散熱等因素，都是采用硬件黑盒及軟件閉源的方式實現(xiàn)。面向5G，將開源與白盒的優(yōu)勢如何引入無線網(wǎng)絡需要業(yè)界逐步探索。同時開源和白盒給眾多中小型創(chuàng)新企業(yè)提供了新的市場機遇。

三是運營商需要大力加強自主研發(fā)、集成和運營能力。O-RAN新模式有望為運營商帶來更智慧的網(wǎng)絡，也需要運營商有更強的研發(fā)與集成能力，能自主研發(fā)部分核心控制和管理模塊，提升網(wǎng)絡自主掌控和運營能力，并具備多廠家產(chǎn)品集成能力。