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1、学 海 无 涯,5G 系统中 BBU 与 RRU 之间前传接口(CPRI)带宽计算,1,发布时间：2017-08-22 10:22:57 来源：5G 通信技术 标签：5G 资源复用 1 5G 系统中前传(Fronthaul)的含义及考虑因素 (R3-160754),在RAN3 #91bis 会议的 R3-160754：Fronthauling: Motivations and Constraints 中， Mitsubishi Electric 分析了Fronthauling 的基本概念，对其动因和局限进行了简单分析。,5G 系统中采用C-RAN 架构，它可以通过网络功能虚拟化实现硬件资源的共
2、用和扩展。C- RAN 下，小区间的移动性多在 CU 内部完成，而不再需要通过外部接口。如果传输网提 供路由和复用特性，则 BBU 和RRU 之间不再是 1 对 1 的关系了，它们之间可以动态影 射，实现资源的动态复用。,C-RAN 下，通过CU/DU 功能切分，实现BBU 资源的集中化，可以降低OPEX 和 CAPEX。具体体现在以下几个方面：,降低站址需求 降低安全风险 共享机房资源(空调/电源),Mitsubishi 认为Fronthualing 包括 CU 与 DU 之间的接口，以及支撑该接口的底层网络。,“Fronthauling is a mean enabling to spli
3、t RAN functions and locate them partly in a Central Office and partly distribute them. It includes the interfaces between central and distributed functions, and the underlying network that transports the interfaces.”,2,学 海 无 涯,需要说明的是，早期规范讨论过程中，CU/DU 切分考虑高层和底层等多种选项。目前高 层(13 层)确定选用选项 2，底层仍需进一步讨论，但是物理层
4、 BBU 与RRU 之间的带宽 资源需求最大，因此Fronthaul 多集中在分析BBU 与RRU 之间的传统的 CPRI 接口。,举例来说，目前LTE 系统中，2x2 MIMO，20MHz 小区带宽，峰值速率 170Mbps，所需 的CPRI 带宽约为 2.5Gbps。随着载波数和MIMO 流数的增加，CPRI 带宽资源也几乎成倍 增长。,5G 系统中，峰值速率增加n x100 倍，会导致CPRI 链路的带宽需求高达 250Gbps。虽然 可以采用传输压缩，但是毋庸置疑的是，C-RAN 模式下RAN 功能切分对接入网带宽资源 的要求相当高。,2 5G 系统中前传(Fronthaul)带宽计算
5、 (R3-160986/ R3-161012),在RAN3 #91bis 会议上，Mitsubishi 在 R3-160754 及其修改稿 R3-160986 中，对前传提供 了明确的计算方法，提出了“614.4Mbps/10MHz/天线端口”的基本结论，并在此基础上对 不同天线端口和带宽进行了估算分析。具体说明如下。,R3-160986 中提到，如果在 BBU 与RRH 之间进行切分，则其接口上传送的是I/Q 信号。 5G 系统中如果也采用同样的切分方式，则计算表明，每个天线端口下，每 10MHz 就需要 614.4Mbps 的传输资源。当频率带宽和天线端口都增加时，所需的传输带宽线形增加，
6、如 下表所示。,RAN 架构PHY/RF 分离的最大传输带宽需求举例,学 海 无 涯,R3-160986 附录 A 中提供了计算方法，整理如下：,天线阵子数 (编者注：原文是antenna elements，如上图所示) CPRI 采样比特宽度：按 15 比特考虑。 每个子帧中的OFDM 符号数：20MHz 下为 14，如果考虑 CP，则为 15。,3,4,学 海 无 涯 FFT 数目：2048 (原文注：每个子帧中的OFDM 符号数和FFT 数目的乘积与系统带宽成 比例) 。 同时考虑I/Q 支路时，传输带宽需乘以 2。,传输带宽计算方法：,下行： 接口带宽峰值比特率 = 基站天线阵子数 x
7、 比特宽度 x 每个子帧中的OFDM 符号数 x FFT 数目 X 2(I/Q 支路) 1ms,上行： 接口带宽峰值比特率 = 基站天线阵子数 x 比特宽度 x 每个子帧中的OFDM 符号数 x FFT 数目 X 2(I/Q 支路) 1ms,在后续 R3-161012 修改稿中，在表格下方明确标注了计算方法：,接口带宽峰值比特率 = 基站天线阵子数 x 采样频率(与系统带宽成比例) x 比特宽度(每个 采样) + 开销,3 5G 系统中前传(Fronthaul)带宽结论 (R3-162102),在RAN3 #92 会议上，Ericsson 在 R3-162422 Clarifications
8、on fronthaul bit rate requirements 中提议，传输部分强调为最大理论值，且建议明确增加采样率等备注信息，即：,5,学 海 无 涯 The calculation is made for sampling frequency of 30.72 Mega Sample per second for each 20MHz and for a Bit Width equal to 30。(译文：计算基于 20MHz，每秒 30.72M 的采用频 率，比特宽度为 30),此建议被采纳并在TR 38801-060 中体现了出来。,TR 38801-060 中，表格题目和文字
9、描述都有部分变化。值得注意的是，此版定型后一直 没再变过。,具体描述请参见本文最后的附录部分。,4 TR38.801(V14.0.0)中结论,在RAN3 #91bis 的 Mitsuibishi 提案讨论和修改的基础上，结合RAN3 #92 上Ericsson 的提 议，记录在TR 38801-060 中，并一直沿用至今。,亦即对于 BBU 与RRU 之间的传输带宽需求，自TR 38801-060 定型后，一直就没再变 过。,具体描述请参见本文最后的附录部分。,5 BBU 与 RRU 之间 CPRI 接口简介,BBU 与 RRU 之间采用CPRI 接口传输基带信号。上图中，右侧无线设备控制器(
10、REC)即 指 BBU，左侧无线设备(RE)相当于 RRU。,学 海 无 涯,BBU 进行基带信号处理，并形成I/Q 数据流,经CPRI 接口传送出去。,RRU 将 CPRI 接口上传送的I/Q 数据接收下来，并转变成模拟信号，经由天线发射出去。,6,学 海 无 涯,6 LTE 系统中 CPRI 接口带宽详细计算方法分析,结合 R3-160986 以及TR38.801 中信息，对LTE 系统CPRI 带宽计算举例如下。,6.1CPRI 接口带宽计算公式,接口带宽峰值比特率 = 基站天线阵子数 x 采样频率(与系统带宽成比例) x 比特宽度(每个 采样) + 开销,TR38.801 中表格下标注
11、的计算条件为：基于 20MHz，每秒 30.72M 的采用频率，比特宽 度为 30。,假设LTE 载波带宽为 20MHz，采用 2 天线，则：,基带带宽：20MHz IFFT 点数：2048 子载波间隔：15KHz,7,8,学 海 无 涯 -基带I/Q 采样率：30.72MHz (=2048 * 15KHz) -采样位宽：30bit (CPRI I/Q 采样位宽，各 15 比特),每AxC 上I/Q 采样数据流：921.6 Mbps (=30 bits*30.72MHz) 添加控制字(W0)：983.04Mbps (=16/15*921.6Mbps) 添加 8B/10B 线路编码的开销：1.2
12、288Gbps (=983.04*10/8) 2x2 MIMO： 2.4576Gbps (= 2 x 1.2288Gbps) 8x8 MIMO：9.8304Gbps (= 8 x 1.2288Gbps),简单说明如下。,6.2CPRI 接口I/Q 采样位宽,CPRI 链路采用复数方式传送AxC 的数字化的 RF 信号，每个样值都采用I/Q 向量来表 示。CPRI 规范中，主要处理这种信号格式。I/Q 样值交织在一起形成单个word。这些 word 一起组成满足采样率和比特宽度需求的信号。,根据空口需求和上下行特性，CPRI 可以采用不同的比特宽度。下行方向上，比特宽度为 8 到 20 比特，为
13、了获取较高的采样速率，上行比特宽度为 4 到 20 比特。另外，I/Q 采样 值较小时，也可以采用信号扩展或者采用预留比特填充的方式来对空闲位进行填充，以获 取较大的比特宽度。对于上下行采用不同比特宽度时，这种处理方法比较有用，但在 CPRI 上进行影射时，通常上下行都会采用相同的采样宽度。,简单来讲，I/Q 信号到CPRI 接口的影射遵循以下规则：,学 海 无 涯 上行I/Q 采样宽度：420 bits，常用值为 12，15 和 16。 下行I/Q 采样宽度：820 bits，常用值为 12，15 和 16。,不过通常上下行都采用 15 比特的采样宽度。如华为BBU-RRU IR 接口说明书
14、(2012-7)中 规定，下行I/Q 位宽为 15bit，其中业务有效I/Q 数据位宽占高 13bit，低 2bit 无效。上行 I/Q 位宽为 15bit，无DAGC(DAGC 即数字自动增益控制)。,6.3CPRI 帧结构和帧长度,LTE 系统中，子载波间隔为 15KHz，其符号长度与子载波间隔成反比，为 1/(15KHz)。 2048 个IFFT 采样点落入一个符号内(即 1/(15KHz)，故采样频率相当于 15KHz * 2048 = 30.72MHz。,CPRI 链路上传送多个基带I/Q 数据流，每个I/Q 数据流对应一个载波和一个天线。AxC 是指一个天线上所传送的单个载波的I/
15、Q 数据。,9,学 海 无 涯 CPRI 基本帧长度Tc=1/fc=1/3.84MHz= 260.41667ns。一个基本帧包含 16 个word。其中第 一个word 为控制word，其余 15 个 word 为用户面I/Q 数据。每个word 中 8 个比特。,根据单个word 上影射的比特长度，CPRI 可分为不同类型，对应不同的有效载荷。比如， 每个word 中影射 8 比特时，有效载荷为 120bit。同理，每个word 中影射 16/32/64 比特 时，则有效载荷分别对应 240/480/960 比特。它们分别对应CPRI 选项 1/2/3/5，如下图所 示。,10,学 海 无
16、涯,CPRI 基本帧长度为 260.41667ns(=1/3.84MHz)，故上述不同有效载荷下，对应的速率分别 计算如下：,6.4CPRI 线路编码,CPRI 线路编码可以采用 8B/10B 或者 64B/66B 两种方式。,8B/10B 编码表示将 8 比特的码字影射到 10 比特的符号上，64B/66B 同理。 8B/10B 编码的特性之一是保证DC 平衡，采用 8B/10B 编码方式，可使得发送的“0”、“1” 数量保持基本一致，连续的“1”或“0”不超过 5 位，即每 5 个连续的“1”或“0”后必须插入一 位“0”或“1”，从而保证信号DC 平衡，也就是说，在链路超时时不致发生 DC 失调。通过 8B/10B 编码，可以保证传输的数据串在接收端能够被正确复原。,11,12,学 海 无 涯 6.5CPRI 带宽计算总结,根据上述分析和计算结果可知，LTE 带宽为 20MHz 时，采用 15bit 的I/Q 采样位宽每AxC 上I/Q 采样数据流为 921.6 Mbps，添加控制字后为 983.04Mbps，采用 8b/10b 编码后为 1.2288Gbps
