适合下一代蜂窝网络的优化芯片解决方案

5G开放式RAN小基站将如何提高安全性和灵活性，加快新一代网络技术的部署

作者：张炜博士，比科奇微电子（杭州）有限公司业务拓展总监

随着5G时代的到来，网络正朝着开放化的方向发展演化。移动网络运营商（MNO）和通信服务提供商（CSP）正在寻求能减少成本和加快部署的解决方案，以满足未来几年苛刻的网络覆盖和容量目标。这使得蜂窝设备供应商在提供4G、5G、双模、宏基站以及室内外小基站等设备时在成本和性能的平衡上面临巨大挑战。因此，设备供应商转向芯片厂商，寻求具有实现灵活度、低成本、低功耗，并可以支持例如开放式接入网络（RAN）和行业标准接口的芯片解决方案。

5G RAN和分布式网络

在过去的3-4年里，开放式无线接入网络因能为蜂窝网络供应链提供多样化的解决方案，允许新厂商与日趋集中的现有头部厂家展开竞争，从而成为行业组织和政府部门广泛讨论的一个热门话题。运营商的成本压力、对网络安全的需求以及对设备供应商多元化的期望促使设备商去寻求既能满足严格要求又能获得最佳实践的方案。

除了3GPP定义的核心网络和RAN设备之间的接口，以及小基站论坛（Small Cell Forum，SCF）定义的MAC和PHY之间的FAPI接口外，O-RAN联盟等运营商领导的组织也一直在为分布式网络的开放式前传接口标准进行开发和集成工作。这种RAN的拆分架构包括中央单元（CU）、分布式单元（DU）和无线单元（RU），使得来自多个供应商的RAN设备能够互联互通，通过引入行业竞争来降低成本。这种架构还提供了额外的网络扩展能力以满足运营商提高容量和覆盖范围的需求。

分布式网络（Disaggregated networks）是在LTE（4G）时代提出的一个概念，它使用云化的RAN来作为网络的一种拆分方式，并且现在变得逐渐盛行起来，其中一些RAN处理可以卸载到现成的商用（Commercial off-the-shelf，COTS）服务器或基于X86处理器的服务器上，然后通过标准化接口连接到低成本的无线单元。在超低成本的无线单元和基带单元（BBU）之间会使用CPRI接口；但是CPRI接口存在较多私有内容，需要对这部分进行标准化以实现设备供应商的多样化。

采用前传或回传基础设施架构的另一个因素是，在这种架构下企业专网发展和全新的部署网络都可受益于核心网络、基带和无线设备之间的光纤投资。这样可以在DU和RU之间实现高传输带宽和低延迟的前传连接，允许在DU中进行更多的RAN处理，并使RU变得更简单。对于前传基础设施是“非理想”的铜缆情况，较好的部署方式是使用完全集成的RAN，或是赋予无线单元更多的处理能力的拆分形式为split 2或split 6的架构。

在不同的应用场景中，与RAN架构和规范一起发挥作用的还有各种部署用例，包括：
•        提供广域网络覆盖的大型室外基站：往往采用具有多达64根天线的大规模多路输入多路输出（mMIMO）模式，以提供高能效的定向波束。
•        低频段的室外微蜂窝基站：提供最高可达4T4R或8T8R的覆盖能力，并对能效有较高要求的解决方案。
•        室内企业级应用的无线单元：发射功率会因为需要以太网供电（PoE），以及安装在墙壁或天花板使用时仅能用散热器来散热而受到严格限制。
•        中立网络服务提供商的无线单元：采用多载波解决方案，带宽需要比100MHz FR1宽2-3倍。
•        服务于多样化频谱的解决方案：由于全球5G NR的频谱多样性比LTE更显著，因此对信道频段、带宽和载波聚合有非常多的挑战，这导致众多客户特制的射频前端设计和灵活的基带解决方案，并且客户寻求芯片厂商提供支持这类解决方案的芯片设计。
•        低时迟应用：诸如视频点播等需要边缘服务器来实现最高的性能和效率。
•        双模5G/LTE无线单元、非独立接入（Non-Standalone Access，NSA）和支持频谱重耕的应用：要求在同一个无线单元内同时支持5G和LTE，或能通过软件升级进行灵活切换，以最大限度降低运营商的物料清单（BOM）成本。

5G带来挑战，开放性的RAN提供解决方案

全新的5G网络给设备商带来了无数挑战：一，由于环境保护政策的限制和用电成本的经济性考虑，运营商必须确保所部署的5G基础设施是低功耗的、能满足可持续性目标的解决方案，这对5G的实施和成功部署至关重要。此外，无线单元需要在没有主动散热的情况下运行，并且在许多情况下需要在PoE供电功率限制范围内运行。二，由3GPP、O-RAN联盟和SCF定义的下一代开放接口，例如O-RAN联盟的开放前传，正在进一步优化和发展标准过程中。现有成熟且经过优化的系统级芯片（SoC）即使包括了eCPRI等接口，也需要具备扩展性支持实现进一步演进的标准。三，运营商、私有网络服务商和中立第三方网络提供商等不同类型客户的需求，需要灵活的RAN来满足多样化的频谱要求和载波带宽，但现有的第一代解决方案不太理想，根源在于此类方案通常基于昂贵且耗电的服务器、加速卡和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）实现。

虽然Open RAN等5G标准不是万能的解决方案，但它们可以（也确实）解决了其中一些挑战，并为5G设备商和运营商提供了一条更快、更具成本效益的设备/服务的上市路径。运营商正在以更低的物料（BOM）成本为目标，希望通过优化的芯片解决方案来实现批量部署。在Open RAN等生态系统中，设备商的多元化将促进竞争，从而降低成本。诸如比科奇等芯片供应商已经形成了高性能基带SoC产品和以降低系统功耗的产品路线图。硬化的基带/RFIC中的数字预失真（Digital Pre-Distortion，DPD）算法有助于提高射频功率效率。设备商、运营商以及诸如O-RAN联盟和电信基础设施项目（TIP）等组织都设立了开放性RAN实验室，正在不断测试开放性RAN接口的互操作性。

结论

未来的网络必须以开放、灵活、优化和可互操作的芯片为基础，并由业内一流设备商来组成的多样化生态系统。为了竞争，作为挑战者的开放性RAN设备商需要获得支持Open RAN等5G标准的芯片，并且他们可以在公开市场上购买到这些芯片，以便与传统供应商竞争。PC802是业界首款专为5G NR/LTE小基站的分布式和一体化RAN架构而设计的PHY SoC；凭借PC802 SoC，比科奇通过赋能设备制造商中的新加入者和挑战者企业，使其能够在开放性RAN设备市场上竞争，也为Open RAN等新的5G标准的发展做出贡献。