下一代前傳接口用于5G C-RAN的FH解決方案 | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之八

第 2 章 5G 系統的雲無線接入網絡

2.3 C-RAN基礎知識

2.4 下一代前傳接口用于5G C-RAN的FH解決方案

包括 CPRI 壓縮和 WDM 傳輸技術在内的幾種解決方案已經有解決 C-RAN FH 問題 思想。實質上，所有這些解決方案的想法是“容納”FH 而不改變 FH 接口本身。應該意 識到，FH 挑戰的根本原因在于 FH 接口本身。以 CPRI 為例，CPRI 規範定義了幾類線路 速率。對于頻率為 20MHz 和 8 個天線的時分（TD，Time Division）LTE 載波，CPRI 速 率可能高達 9.8 Gbit/s[7]。盡管移動業務是動态變化的，但是速率是恒定的，這将導緻低 的傳輸效率。此外，現有的 CPRI 接口還具有其他缺點，如低可擴充性和靈活性，這些缺 點阻礙了 C-RAN 的大規模部署。是以，參考文獻[4, 8, 9]的作者提出重新定義 CPRI 并提 出了一個稱為下一代前傳接口的新概念。NGFI 具有以下所需特征[4, 8]：

• 其資料速率将取決于流量，是以，支援統計複用；
• BBU 和 RRH 之間的映射将是一對多和靈活的；
• 它将獨立于天線數量；
• 它将是基于分組的，即 FH 資料可以通過分組交換網絡進行分組和傳輸。

實作 NGFI 的關鍵是重新配置設定 BBU 和 RRU 之間的功能布局。傳統上，在 BBU 側處 理包括實體層（PHY，Physical layer）、媒體通路控制（MAC，Medium Access Control） 和分組資料融合協定（PDCP，Packet Data Convergence Protocol）在内的所有基帶功能， 而 RRU 主要處理與無線有關的功能。在 CPRI 中發送的信号是高帶寬 I/Q 采樣信号。從 有效資訊的角度來看，可以在基帶協定棧（例如 MAC 和 PHY）之間傳送任何資料。功 能分割的基本思想是将部分基帶功能轉移到 RRU，以減少帶寬而不會丢失任何資訊。

在這個主題上有一些相關的研究。為了實作 NGFI，功能分割必須通過将天線相關功 能（下行天線映射、快速傅裡葉變換、信道估計、均衡等）移動到 RRH 來實作帶寬與天 線的去耦。已經表明，無論使用多少個天線，LTE 載波的 FH 帶寬可以降低到 100 Mbit/s的量級[10]。此外，UE 處理功能應該與小區處理功能分離的想法已經被提出。以這種方式， FH 帶寬将被降低并且依賴負載。負載相關功能為 C-RAN 部署的 FH 傳輸網絡設計提供 了利用統計複用增益的機會。通過統計複用，可以大大減少 C-RAN 中多個 FH 鍊路傳輸 所需的帶寬，進而降低成本。

支援協同技術是功能分割設計的另一個關鍵因素。協調多點（CoMP，Coordinated Multipoint）已被視為 4G 和 5G 中減輕幹擾的關鍵技術之一。CoMP 可以分為兩類：MAC 層協調和實體層協調。例如，協同排程（CS，Collaborative Scheduling）是 MAC 層協調 機制之一。聯合接收（JR，Joint Reception）和聯合傳輸（JT，Joint Transmission）是實體 層協調技術。在參考文獻[11]中發現，随着天線數量的增加，JR/JT 的性能增益明顯下降。 此外，在參考文獻[8]中，從現場試驗資料發現，MAC 級協作技術可以帶來相當大的性能 提升、複雜性更低、實施更簡單、限制更少。基于這些觀察，建議 NGFI 的功能分割不必 支援 PHY 層協調技術。通過支援 MAC 層協調技術，可以獲得相當大的性能提升。

功能分割隻是 NGFI 的第一步。當涉及 C-RAN 的 FH 網絡時，與原來的 WDM 和其 他現有的 FH 解決方案相比，發生了根本性的變化。基于分組的特征，分組交換網絡将被 用于傳輸 NGFI 分組。由于以太網具有廣泛性、低成本、高靈活性和可擴充性等特征，建 議把以太網作為 NGFI FH 的解決方案。而這将帶來幾個益處，首先，以太網接口是标準 IT 伺服器上常見的接口，以太網的使用使得 C-RAN 虛拟化變得更加容易且需要更少的 花費；其次，以太網可充分利用 NGFI 的動态特性實作統計複用；後，靈活的路由功能 也可以用于實作 BBU 池和 RRH 之間的多條路徑[8]。

使用以太網作為 FH 解決方案的主要挑戰在于 NGFI 接口施加的高時序和同步要求。 雖然目前還沒有确定 NGFI，但 NGFI 可能會保留 CPRI 的一些要求，例如同步要求。CPRI 鍊路的允許射頻誤差為 2 ppb（10−9），定時對準誤差不得超過 65 ns，以支援 MIMO 和傳 輸分集[12]。為了滿足時序要求，BBU 和 RRU 必須完全同步，是以需要非常精确的時鐘 配置設定機制。潛在的解決方案可能包括全球定位系統（GPS，Global Positioning System）、 IEEE 1588 和同步以太網（Sync-E，Synchronous Ethernet）的任何組合。後，需要定義 建立 FH 流量傳輸路徑的多協定标簽交換（MPLS，Multiprotocol Label Switching）和分組 傳輸網絡（PTN，Packet Transport Network）等以太網之類的傳輸協定。

NGFI 的概念驗證發展

為了給行業提供可擴充的平台，用于探索創新的功能設計和評估問題，這些新興的5G 标準網絡技術将蓬勃發展，基于标準的賽靈思評估闆，稱為 CPRI 網關的 NGFI 概念 驗證（PoC，Proof-of-Concept）設計平台被開發并将在本節中介紹。

1．設計原理

CPRI 網關旨在與現有網絡拓撲結合使用，并具有解決這些拓撲未來發展的靈活性問 題的能力。首先，将 CPRI 鍊路保留到已安裝的基站的現有 RRU 中，并且将這些大量的 無線頭聚合到與基站相連的單個以太網鍊路中，在該鍊路中有 CPRI 網關。

在下行鍊路情況下，CPRI 網關從基站接收分組，每個分組包含連接配接到 CPRI 鍊路的 一個或多個天線的資料。網關對資料分組進行解析，确定哪個天線是 I/Q 資料的目的地， 并将 CPRI 側的緩沖區填充到 CPRI 鍊路上正在使用的 CPRI 幀映射的正确位置。在上行 鍊路方向上，I/Q 采樣被組合到每個天線以太網幀，并且當每個幀達到限定長度時，将被 立即傳送回基站進一步處理。在這種配置中，基站中的下行鍊路幀出口的定時必須提前 到在網關中任何給定的 I/Q 采樣準備就緒的點，以便在無線幀定時中正确點處發送到射頻 頭。網關被設計為在内部具有一些緩沖，以顧及到通過以太網接口的那些資料分組的分 組延遲的不确定性。

除了将以太網幀中的 I/Q 樣本重新格式化為 CPRI 有效載荷或者将 CPRI 有效載荷格 式化為以太網幀中的 I/Q 樣本，網關還需要重新建立網關中 CPRI 主機的 10ms 無線選通 和時鐘頻率參考。在設計的初始階段，這是使用評估闆的外部輸入完成的。

2．系統描述

圖 2.1 顯示了在賽靈思 ZC706 評估闆上實作的目前 CPRI 網關的一個配置。在整個設 計中，AXI4-Stream 接口用于互連資料路徑，AXI4 Lite 接口用于通過 ARM 處理器進行 控制。平台的主要功能塊如圖 2.1 所示。

• 資料分組解析器和解複用器。該子產品是下行鍊路以太網分組流在 MAC / PHY 對 之後到達的第一個子產品。該子產品檢查每個幀的特定報頭，将其表示為 I/Q 采樣包。如果數 據分組與報頭比對，則将其發送到資料路徑的其餘部分。否則，将其轉發到 ARM 處理器 進行進一步的控制平面處理。
• 以太網到 CPRI（E2C，Ethernet to CPRI）分組處理器。該子產品包含單個資料緩沖 區，每個 CPRI 一個接口。進一步檢查每個報頭以确定該分組所屬的天線及相對于無線定 時的資料定時，然後，将資料寫入緩沖區以便緩沖區采用 CPRI 接口的正确采樣順序。 當網關中的幀定時電路确定需要發送 CPRI 幀時，它将跨越異步先入先出（FIFO， First-In-First-Out）緩沖區移動到 CPRI 映射器。
• CPRI 映射器。從以太網到 CPRI 分組處理器的樣本是 15+15bit 寬。CPRI 映射器采用 15 位采樣，并将其封裝到 CPRI 核心要求的連續 32bit 寬資料總線中。

• CPRI 解映射器。這對映射器執行相反的功能，因為它将連續的 32 位總線解壓縮 到 15 位 I/Q 采樣中。然後，CPRI 解映射器将每個天線的樣本寫入單獨的異步 FIFO 緩沖 區，以将它們移回以太網時鐘域和 CPRI 到以太網（C2E，CPRI-to-Ethernet）分組處理器。
• CPRI 到以太網資料分組處理器。這将每個天線的采樣收集到每個天線以太網數 據分組中。一旦以太網資料分組完成，它将在 FIFO 緩沖區中排隊，以在以太網鍊路上發 送到伺服器。
• 分組多路複用器。這是一個簡單的優先級仲裁器，以合并 I/Q 資料路徑和 ARM 處理器的以太網流。資料路徑具有優先級，以避免資料分組處理器中的緩沖區溢出。
• 頻閃發生。該子產品使用闆載或非闆載源的時間和頻率參考為 CPRI核心建立 10 ms 的無線幀邊界。此外，它還提供發送資料路徑上的控制信号，以觸發資料通道中的資料 傳輸，這樣正常操作中的異步 FIFO 和資料緩沖區不會為空。

3．平台的潛力

随着從 CPRI 到以太網和從以太網到 CPRI 的資料路徑轉換的完成，目前，CPRI 網關設計的工作主要集中在兩個不同的領域：頻率和時間同步以及第一層實體層解除安裝。對 于頻率和時間同步，可以使用同步以太網技術來從基站向網關提供頻率同步，并且可以 使用 IEEE 1588（精确時間協定）來向網關提供時間同步。然後，可以使用許多技術來獲 取這些源，并且在傳統的基于 CPRI 的系統中重新生成 CPRI 主端口，提供給射頻拉遠頭的 組合頻率和時間參考。CPRI 網關平台可用于在實驗室環境中對這些技術進行實驗，還可以 評估維持 RF 級别需要的運作品質所需的時間和頻率同步的品質，以維持網絡通路性能。

對于第 1 層實體解除安裝，第 1 層 LTE 堆棧的要素與天線基礎設施有效關聯，而不是用 戶流量。随着基帶處理的其餘部分在雲中變得更加虛拟化，将一些第 1 層處理轉移到 CPRI 網關并離開基站是有意義的。初始工作将移動 FFT/IFFT 塊到網關中，以便通過以 太網鍊路傳輸 OFDM 符号而不是通過 I/Q 采樣來提高效率。此外，我們可以通過第二層 處理将 LTE 實體棧的內建擴充到邊界。然而，将該處理過程移出基站也将給自身帶來挑 戰，例如，需要關注混合 ARQ 重傳機制。此時，平台可以用來評估堆棧潛在拆分點的權衡。根據底層矽技術，分割可以是靜态或動态的。

2.5 虛拟化C-RAN的概念證明驗證