作者：李琳、王雷、智超、华琦、灯塔
随着移动通信技术的更新换代，接入网的演进呈现出基站一体化向分布式转变、网络功能黑盒化向开放式转变的趋势。特别是近年来在 5G 的建设中，由于 5G 频段的物理特性决定了单个基站覆盖范围有限，各国运营商都面临着高昂的基站建设成本。为了降低建设资金投入，同时防止传统电信设备提供商的市场垄断，以欧美为首的运营商近年来力推开放无线接入网，即 Open RAN (Radio Access Network)，将基站白盒化、软硬件解耦和接口开放，让更多的厂商能够参与到无线接入网建设中，通过引入市场竞争的方式降低建设成本。2020 年 11 月，美国众议院通过了《2020 年美国战略使用联合电信法案》，明确表明美国商务部将资助在 5G 建设中支持 Open RAN 的企业，大力推动 Open RAN 在美国的发展。
一、起因，无线接入网的黑盒现状
在传统的无线通讯设备行业，接入侧基本是由几家大企业垄断整个行业，以黑盒的形式绑定部署。包括已成为过去的阿尔卡特（Alcatel）、北电网路（Nortel）、西门子电信（Siemens）等，如今仍然活跃的有爱立信（Ericsson）及诺基亚（Nokia），再加上华为及中兴，网络服务以黑盒形式提供，基本无法实现各个厂商设备之间的互通。目前，华为、爱立信、诺基亚、中兴和三星五家公司共占据超过 90% 的市场份额，其中排名前三的供应商（华为、爱立信和诺基亚）则控制着80%以上市场。当网络由2G一直演进到5G，存在设备的兼容性和复杂程度不断攀升的问题。任何新兴企业想进入这个行业，不得不从零开始构建网络，成本及难度都非常高。
这些黑盒设备的硬件和软件都由各个厂家自研，内部各模块的划分和之间的接口对外不可见，其内运行的软件也是如此。运营商要购买无线接入基站系统设备就只能整套采购，一旦出了问题需要设备提供商提供运维服务。这样的合作形式导致运营商在议价谈判过程中逐步处于劣势，因为设备提供商只有那么几家，基本没有选择余地。
二、尝试，无线接入开放的历程
标准组织和运营商早在 3G 时代已经提出了解耦、接口开放的尝试：除天线外，将基站拆分为了两部分：BBU（Baseband Unit）和 RRU（Radio Remote Unit），两者中间使用通用公共无线接口（Common Public Radio Interface，CPRI）传输数据。分布式的设计理念不仅可以减短RRU和天线之间的馈线长度从而降低信号损耗和成本，还有望通过 CPRI 规范让不同厂家的 RRU 和 BBU 进行协作。
图 1. BBU 与 RRU 分离示意图
4G 无线接入网的建设延续了该分布式基站的设计理念，BBU 负责处理基带信号，RRU 为射频拉远模块，连接天线并负责信号的射频传输处理，通过光纤连接 BBU。这样拆分使得 BBU 可以集中放置，从而减少机房数量和简化外部基站职能。CPRI 是通信业界的数家厂商合作的结果，可在一个 BBU 和一个 RRU 之间使用，或用于一个 BBU 与星形结构的多个 RRU 之间，能够提高基站部署时 BBU 位置选择的灵活性。参与 CPRI 技术规范制定的有爱立信、华为、NEC、北电网络和西门子,于 2003 年 9 月 30 日发布了 CPRI 标准 1.0 版本，并在 2015 年 10 月 9 日发布最新的 7.0 版本。
图 2. CPRI 协议连接示意图
BBU 和 RRU 的分离，不仅可以通过 BBU+多通道 RRU 的方式提高组网的灵活性，还可以通过标准的 CPRI 接口连接，让运营商可以从不同厂家分别采购 BBU 和 RRU，从而解除设备与厂商之间的绑定，提升议价权，进一步降低采购成本。CPRI 接口设计的初衷是通过统一的物理连接串联 BBU 和 RRU，但是，实际部署时在物理传输之上对传输数据的管理和同步由各家厂商自定义实现，因此，造成了 RRU 和 BBU 设备仍只能选用同一厂商，没有达到 C (Common)和 P (Public)的目的，没有将无线接入侧黑盒彻底打开。
三、发展，5G 云化中的无线接入侧开放
随着 5G 技术的发展，云化、虚拟化建网的思路成为了主流，3GPP 将微服务的理念引入 5G 核心网的架构设计，更加坚定了运营商对无线接入网侧开放和云化的研究：不仅要开放 BBU 和 RRU 之间传输的接口，还要从两者内部功能的设计层面进一步明确 BBU 和 RRU 的职责。
BBU：在 5G 的设计中可以按照无线协议栈对实时性的要求进一步拆分为 CU（Centralized Unit）和 DU（Distributed Unit），分别处理协议栈中非实时和实时层的数据，从而支持 5G 大带宽、低时延和广连接的不同业务类型。在建设初期 CU 和 DU 大多为逻辑划分，物理部署时可统一称为 BBU。在开放无线接入网的趋势中，BBU 被寄希望于使用通用服务器，虚拟化的接入网功能则可以来自于不同厂商的应用软件，从而打破黑盒的专用设备，让更多厂商能够参与到无线接入网的建设。
RRU：射频拉远模块不仅仅处理数据，还要进行无线信号的发送和接收功能，依赖专用的功放、滤波器和运算加速器等组件，因此不能直接使用通用服务器，需要由专业的 RRU 厂家提供通用硬件，同时遵循同样的开放架构，并且支持虚拟化。基于此，运营商无论从哪家厂商购买 RRU，都可以运行第三方的软件实现。但是，RRU 白盒化也是开放无线接入网的一项巨大挑战，因为 RRU 的软件开发技术栈深，同时在特定需要高速处理的传输场景下定制 GPU/FGAP 的加速模块，很难做到网络功能与硬件的完全解耦，目前，并没有具备影响力的落地项目。
基于上述，理想的白盒化无线接入网将呈现如图所示的架构 。
图 3. 理想的白盒化基站接入示意图
BBU 应用使用虚拟化软件，底层使用通用硬件服务器设备，可以通过软件升级的方式进行移动通信的换代升级，从而降低上市时间；RRU 使用通用硬件，并安装无线网络功能软件实现射频相关的功能。开放无线接入网打破了传统专用设备提供专用功能的理念，即使是接入侧某一个功能的软件提供商，都可以参与到接入网的建设中，避免了厂商垄断。
综上，开放无线接入网的演进可总结为下图所示：
图 4. Open RAN 的演进路线
1）传统黑盒 RAN：RRU 和 BBU 以黑盒形式提供功能，利用 CPRI 接口连接 BBU 和 RRU，此时一般与固定厂商绑定，系统封闭，没有厂商协作和开放接口；
- 云化/虚拟化：在 5G 中，BBU 进一步拆分为 CU 和 DU，DU 可以根据实际情况部署在更靠近 RRU 的位置，CU 针对 Layer 3 网络层的非实时数据处理，可集中云化部署。针对不用应用场景的需求可灵活调整 CU 与 DU 的组网架构。实战中，CU 和 DU 目前仍以逻辑隔离为主，物理部署仍可视为同一 BBU，在建设网络时，运营商可以购买通用服务器，并以第三方软件的形式将 BBU 逻辑拆分为虚拟化 DU（vDU）/CU（vCU），实时性要求较高的 Layer1 和 Layer2 的无限栈协议由 vDU 处理，实时性要求不高的上层无线协议栈由 vCU 处理；
3）完全开放的无线接入网。遵循开放统一的接口规范（例如 O-RAN 标准），硬件设备与软件功能解耦，允许多厂商的互操作，通过统一的控制器管理网络功能的软件安装，例如 O-RU、O-CU 和 O-DU，并支持 3GPP 的标准接口接入核心网。
四、标准，Open RAN 的标准组织和历程
目前，接入网的功能开放整体架构可简述上图所示，但让众多运营商、厂商都参与到开放接入网的建设中并非易事，需要有权威的标准化联盟牵头制定标准，并组织各个厂商进行功能验证。关于 Open RAN 领域的联盟组织主要有三个：O-RAN 联盟、OpenRAN 工作组和 Open vRAN 计划。其中：
1）O-RAN 是由中国移动、美国 AT&T、德国电信、日本 NTT DoCoMo 以及法国的 Orange 这五家电信运营商于 2018 年 2 月联合创办的组织，是在无线接入网络行业中移动网络运营商、供应商以及研究与学术机构的全球社区；
2） OpenRAN 是 TIP（Telecom Infra Project）的一个工作项目组代号，自 2017 年起由英国沃达丰和英特尔共同领导，需注意与平时所说开放无线接入网 Open RAN 的区分（空格分割）。TIP 成立于 2016 年，由 Facebook 主导的一个由不同企业性质的数百家单位组成的社区，旨在在推动基础架构解决方案以促进全球连接；
3）Open vRAN 是思科于 2018 年 2 月世界移动大会上宣布成立的工作计划，旨在基于通用处理平台和分类软件组装一个开放的模块化 RAN 体系结构，以支持不同的用例。相比前两者，Open vRAN 更像是思科对外宣传的组织，同时，思科还在其余两个组织中参与建设。
目前，O-RAN 联盟和 TIP OpenRAN 工作组是 Open RAN 领域非常活跃的组织，并且都以欧美运营商和厂商为主，但两者形式风格不同，前者设立了不同的工作组，牵头设计 Open RAN 接口以及与 3GPP 5G 标准数据互通等标准方案，并推动标准落地的测试验证等工作，而后者主要以实战为主，鼓励各运营商和设备商进行 Open RAN 网络的实际落地部署，并在外场进行互操作测试。虽然行事风格有差异，但两者的共同目标都是要让更多的厂商参与到开放无线网的建设中。在 2020 年 2 月份，两者共同在欧洲成立了开放测试和集成中心（OTIC），共享资源来进行 Open RAN 的研究和推进。
五、动力，Open RAN 的动机和阻碍分析
目前，欧美运营商在 5G 建设中主推 Open RAN，日本乐天移动也建成了全球第一个开放的 4G 接入网，运营商对接入侧的开放整体持乐观态度，如下展示了运营商推动无线侧开放动机的调查结果。
图 5. 运营商推动无线侧开放的动机调查
从数据看，第一，建网开销是运营商选择 Open RAN 最重要的驱动力；第二，避免厂商垄断、增加厂商的协作和竞争、设备灵活组网等也是运营商重点考虑的因素。然而，接入侧的开放诉求由来已久，近年来在国外政策的扶持下 Open RAN 才真正开始落地，如下展示了运营商普遍认为的 Open RAN 发展阻碍。
图 6. Open RAN 发展的阻碍
从数据看，第一，性能是最大的阻碍，因为接入侧不仅靠软件实现无线协议栈，还需有针对射频信号的处理等步骤，不使用专用设备可能会严重影响网络性能。第二，互操作性、成熟度、兼容性、标准发展等阻碍也是被运营商广泛讨论的话题。
小结
回顾了开放无线接入网 Open RAN 的技术背景，虽然在 5G 建设中，许多国家都在积极拥抱无线接入侧开放的趋势，但 Open RAN 仍存在诸如性能、标准成熟度等问题尚待解决，整体发展进度仍处于较为初级的探索阶段，只有像日本乐天移动、美国 Dish 这样新晋的运营商敢于规划建设完全开放的无线接入网。总之，Open RAN 是否真的能在降低建设成本的同时保障网络的性能，仍需要时间去检验。