工業技術研究院 資訊與通訊研究所 方士豪 劉俊男

工業技術研究院提供5G O-RAN微基站完整解決方案

前言

工業技術研究院（簡稱工研院）於5G O-RAN基站系統已經布局多年，不僅開發5G O-RAN基站系統所需之5G O-RAN網元產品，包含中央單元Central Unit（CU）、分散單元Distributed Unit（DU）與射頻單元Radio Unit（RU），更可提供完整的5G O-RAN基站系統解決方案。工研院目前在國內5G O-RAN基站市場已成功協助國內多家網通廠與伺服器系統業者發展5G O-RAN CU／DU／RU網元模組與專網（Private Network）系統產品，含工研院技術之國內5G O-RAN基站系統產品，現階段已打入日本5G專網市場，基站網元產品也出貨國內外系統業者。現階段廠商主要的基站產品規格主要是針對低功率與FR1頻段為主要系統規格，並且以專網端對端的解決方案來進入市場。為了補足室外高覆蓋場域與未來多元化5G基站產品趨勢，工研院近幾年更持續開發高功率（10W／40W）、多天線（32T32R）、高容量（High Capacity）等特性之5G O-RAN微基站系統，除了可以符合室外大型專網的布建需求，未來更可以往高門檻公網場域（Public Network）來進行推動，初期預計以室外郊區或鄉村環境之公網場域為主要目標，希望可以藉此切入5G基站國際供應鏈。

2023 TechDay展示照片

5G O-RAN國際現況

美國政府透過政策力度加強對5G開放網路（Open RAN）的支持，以扶植更具開放創新且去中化之5G網路供應鏈，設備商攜手瞄準Open RAN商機。美、澳、日本、歐洲數國投入關鍵基礎行動基礎設備去中化發展，Open RAN也被期望可做為原華為電信設備的替代方案，並從2020年起主要電信營運商已進行Open RAN的試驗與導入。全球已有超過60家電信營運商投入於Open RAN的測試或採用。

全球主要電信營運商為了確保Open RAN符合其需求，部分業者開始組建自家開放架構生態系；或者透過系統整合商提供協助，各自整合驗證不同廠家軟體與硬體，以確保其Open RAN供應鏈的完整性，如圖1所示。

圖1 Open RAN生態系建構　（資料來源：工研院整理）

5G O-RAN開放式網路與工研院小基站

5G O-RAN開放式網路架構中，5G基站被拆分成O-CU（Central Unit，CU）、O-DU（Distributed Unit，DU）和O-RU（Radio Unit，RU）3種基站網元模組（Network Element），因此針對特定場域之5G O-RAN基站布建，將可有效提升布建彈性，廠商可根據自身的開發能量與不同應用情境，甚至終端客戶的需求，調整組合出適合不同應用的5G基站架構。5G O-RAN基站主要是基於O-RAN標準之開放與標準化的介面來設計開發，因此有利於國內硬體專長的廠商切入白牌基站電信設備市場，有效打破傳統基站業者獨大的現況，國內廠商更有機會進入5G基站市場，帶來新的商業模式（Business Model）。

5G O-RAN小基站架構（如圖2）中O-RU的軟體智財，工研院資通所已成功研發並技轉多家台灣網通廠，透過鏈結台灣網通廠優良硬體研發技術，成功開發出符合5G O-RAN架構之O-RU軟硬體整合產品（如圖3），目前已供貨至國際業者。

• 在Layer 1 O-DU部分，Layer 1實體層（Physical Layer）主要是基於Intel FlexRAN-based的解決方案，搭配工研院的軟體開發與測試驗證技術，有效讓Layer 1 O-DU產品商品化；
• Layer 2 O-DU與Layer 3 O-CU部分則採用Radisys-based的解決方案，搭配工研院的軟體開發與測試驗證技術，有效讓Layer 2 O-DU與O-CU產品商品化。

以下列出工研院5G O-RAN小基站的系統規格：

ITRI 5G FR1小基站系統規格／解決方案

• Compliant with 3GPP R15
• Sub 6GHz n78/n79, 4T4R, 100MHz BW
• ORAN 7-2x Splitting Front-haul
• Radisys-based L2/L3
• FlexRAN-based High PHY, Home-grown Low PHY
• FPGA/eASIC-based DU Hardware Accelerator
• FPGA-based Low PHY RU solution
•  Interoperability 5G SA Handsets, 5G SA CPEs from MTK and Qualcomm

圖2 5G O-RAN小基站系統

圖3 具工研院小基站技術之5G O-RAN基站網元產品

基於國內網通業者已有能力開發低頻段小型基站系統如圖4所示，本團隊則擴大產業技術範疇，朝向研發出高階的高功率微基站、多天線基站、高頻段大頻寬基站等技術邁進，厚實產品縱深能量。除了可以符合室外大型專網的布建需求，未來更可以往高門檻公網場域（Public Network）來進行推動。以下將陸續介紹工研院5G O-RAN高功率微基站與多天線微基站。

圖4 5G O-RAN基站市場趨勢

工研院5G O-RAN高功率微基站

工研院基於5G O-RAN小基站的技術基礎，持續開發適合戶外高覆蓋場域的5G O-RAN高功率微基站O-RU系統（如圖5），主要是透過提高基站之傳輸功率，讓整體基站覆蓋率隨之提升，並可有效提高基站服務範圍內使用者之訊號品質，藉此提高用戶體驗滿意度，跟傳統低功率小基站之覆蓋率相比，高功率基站可有效提升約10倍的覆蓋範圍。工研院5G O-RAN高功率基站的相關技術包含了高功率前端整合數位預失真（Digital Pre-Distortion，DPD）技術、自主40W高功率射頻前端（RF Frontend）模組、PA穩壓電路與散熱機構設計等相關技術。以下列出工研院5G O-RAN高功率O-RU系統規格：
ITRI 5G FR1高功率O-RU系統規格

• Sub 6GHz n78/n79, 4T4R, 100MHz BW
• ORAN 7-2x Splitting Front-haul
• Output Power: 5W、10W、40W
• ACLR > 45 dB, 符合3GPP性能規範
• Home-grown Low PHY Solution
• FPGA-based Low PHY RU solution

圖5 工研院高功率微基站O-RU系統

工研院5G O-RAN高功率O-RU系統目前也通過了相關的測試驗證，以下分別介紹相關測試項目。表1中呈現了O-RAN組織所定義之O-RU測試項目，測項來源主要是由O-RAN第四工作群組（Working Group 4）所定義，包含了ORAN-WG4.CONF Section 3.2.5.1.1、Section 3.2.5.1.2、Section 3.2.5.1.3、Section 3.2.3.4.1、Section 3.2.3.4.2、Section 3.3.2 等下行鏈路（Downlink，DL）與上行鏈路（Uplink，UL）之O-RU測試項目，下行鏈路與上行鏈路之測試結果範例分別呈現於圖6與圖7，從圖6中可觀察到下行訊號之QPSK星座圖可清楚被解析出來，且EVM數值也小於1％。圖7中則可觀察到上行訊號之星座圖同樣可被解析出來，且解到的傳送訊號為PN23序列，主要測試儀器則是透過圖8中的Keysight DU Emulator搭配訊號分析儀（Signal Analyzer，SA）與訊號產生器（Signal Generator，SG）來完成整體的OTIC測試項目。除了通過O-RAN組織所定義之測試項目外，工研院高功率O-RU系統也通過3GPP 38.141-1中所定義的射頻一致性測試（Radio Conformance Testing，RCT）下行鏈路與上行鏈路的測試項目（如表2）。

表1 O-RU OTIC測試項目

圖6 下行鏈路O-RU測試結果

圖7 上行鏈路O-RU測試結果

圖8 OTIC測試項目所需之測試設備

表2 3GPP 38.141 RCT測試項目

工研院5G O-RAN多天線微基站

工研院基於5G O-RAN 4T4R小基站的技術基礎，持續開發適合戶外場域布建且具高容量特性之5G O-RAN多天線微基站（如圖9），透過提高基站天線數與優化O-CU／O-DU網元模組，讓工研院微基站有能力服務更多使用者，並提高整體基地台容量與天線之等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP）。工研院5G Massive MIMIO O-RU系統架構（如圖10）所示，主要是透過兩顆FPGA來實現整體32T32R的Massive MIMIO O-RU系統，其中每顆FPGA負責控制4組4T4R 射頻收發模組（RF Transceiver）。為了提高整體基站的EIRP，多天線O-RU系統亦考慮了射頻校正機制（如圖11），主要是讓不同的路徑傳送彼此正交的訓練序列（Training Sequence），並且透過O-RU校正模式（Calibration Mode），把所有的路徑加總組合後回傳，並透過校正演算法把各路徑的響應估測出來並完成補償，讓各路徑的相位達到一致。以下列出工研院5G O-RAN多天線微基站之系統規格：

工研院5G O-RAN Massive MIMO微基站系統規格

Massive MIMO O-CU/O-DU

• MU-MIMO Group up to 4 Users/TTI
• 500Mbps per UE  Total 2 Gbps（4 UEs）
• DL/UL up to 8 Layers

Massive MIMO O-RU

• FPGA-based Low-PHY Solution
• Freq. Band : n78 or n79
• OBW: 100MHz
• 32T32R 多天線陣列
• 96 antenna elements
• Max. EIRP：64dBm

圖9 工研院5G O-RAN Massive MIMO微基站系統

圖10 工研院5G Massive MIMIO O-RU系統架構（32T32R）

圖11 Massive MIMO下行射頻校正架構

結論

綜觀目前國內5G O-RAN基站市場，現階段比較成熟的還是以低功率且FR1頻段之5G O-RAN小基站為主要系統規格，高功率且多天線之高階微基站技術，目前國內市場尚未有較成熟之技術。工研院資通所提供5G O-RAN微基站完整解決方案，包含了5G O-CU／O-DU／O-RU等網元模組技術，廠商可根據需求選擇所需之技轉技術，並提供後續技術支援，廠商可一站式購足5G基站產品相關軟硬體技術；此外，工研院可根據廠商需求，客製化5G O-CU／O-DU／O-RU網元模組軟體，以符合不同廠商之應用需求。

參考文獻

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