5G系统中BBU与RRU之间前传接口(CPRI)带宽计算

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 split 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.”

 

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(1~3层)确定选用选项2，底层仍需进一步讨论，但是物理层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 (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，如下表所示。

 

RAN架构PHY/RF分离的最大传输带宽需求举例

 

     

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。

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 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 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：

 

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(REC)即指BBU，左侧无线设备(RE)相当于RRU。

 

 

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 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。

 

6.1       CPRI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

-        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：1.2288Gbps   (=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。

 

6.2       CPRI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：

 

上行I/Q采样宽度：4~20 bits，常用值为12，15和16。

下行I/Q采样宽度：8~20 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(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)。

 

 

6.3       CPRI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/Q数据。

 

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。

 

 

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：

 

 

6.4       CPRI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。

                                                                             

6.5     CPRI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，对应CPRI速率选项2，亦即每个AxC可以影射到CPRI选项2模式下进行传送。而采用2天线端口(即2x2 MIMO模式)时，则需要2.4576Gbps的CPRI带宽。

 

-        基带带宽： 20MHz

每AxC上I/Q采样数据流： 921.6Mbps  (=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：1.2288Gbps  (=983.04*10/8)

2x2 MIMO：2.4576Gbps  (= 2 x 1.2288Gbps)

8x8 MIMO：9.8304Gbps   (= 8 x 1.2288Gbps)

 

如果考虑10MHz带宽，则CPRI速率需求降低一半，对应TR38.801的结论：

 

“每个天线端口下，每10MHz就需要614.4Mbps的传输资源”。

 

另外，不同采样位宽条件下，各个CPRI选项下所能承载的天线端口x载波(AxC)的数目有所不同。比如，CPRI选项7速率为9830.4Mbps，9/12/15比特采样位宽下，对应的AxC分别为13/10/8。

 

上述计算结果中，LTE 20MHz下，2天线端口对应的CPRI带宽为2457.6Mbps，对应选项3，亦即2个AxC可以影射到此模式中。

 

 

7 5G 新空口下CPRI接口带宽估算

 

5G系统新空口中，采用新的无线参数集。2017年3月中国移动在巴塞罗那通信展上发布的样机规范中，对5G新空口的参数规定如下：

 

      

采用与LTE类似的计算方法，计算5G系统CPRI带宽如下：

 

基带带宽：100MHz

IFFT点数： 4096

子载波间隔：30KHz

基带I/Q采样率：122.88MHz  (=4096 * 30KHz)

采样位宽：15bit     (I和Q样点)

每AxC上I/Q采样数据流：3686.4 Mbps  (=30bits*122.88MHz)

添加控制字(W0)：3932.16Mbps  (= 16/15*3686.4Mbps)

添加8B/10B线路编码的开销：4915.2Mbps (= 3932.16Mbps*10/8)

 

64TRX MIMO：314.57Gbps   (= 64 x 4915.2Mbps)

 

采用5G新空口参数计算，100MHz下，单天线端口所需CPRI带宽为4.9Gbps。LTE系统中，10MHz下，单天线端口所需CPRI带宽为614.4Mbps。进行对比可知，5G系统频带宽度为LTE系统的10倍，但是5G所需的CPRI带宽却只有LTE系统的8倍。这和5G系统中采用新的载波间隔和IFFT点数都有关系。

 

更为重要的是，5G系统中采用64TRX，其CPRI速率要求更高，如100MHz下约需320Gbps。

 

8 TR38.801中BBU与RRU之间CPRI接口带宽计算

 

TR38.801提供了不同天线端口和带宽下的CPRI最大带宽信息，如下表所示。

 

 

可以根据TR38.801中提供的结果“每个天线端口下，每10MHz就需要614.4Mbps的传输资源”进行验证，也可以采用5G新空口结果进行验证。

 

采用LTE计算结果估算，则10MHz下单天线端口需求614Mbps的CPRI带宽，则2端口10MHz约需1Gbps，2端口20MHz约需2Gbps，依次类推，粗略估算。

 

根据5G新空口计算验证上述结果，100MHz单天线端口下对应4915.2Mbps，则对应结果的准确信息如下，接近但绝不超过TR38.801中表格中所提供的最大值。

 

 

上表希望理解正确，如有错误，还请大家多加指正，多谢。

  

附录：

 

TR38.801(V14.0.0)中BBU与RRU之间传输带宽需求的描述：

 

11.1.4.2 Transport network requirements for an example New RAN architecture

 

According to TR 38.913 [5], the NR shall support up to 1GHz system bandwidth, and up to 256 antennas. A calculation relative to one of several possible transport deployments applied to a possible RAN architecture example shows that transmission between base band part and radio frequency part requires a theoretical maximum bit rate over the transport network of about 614.4Mbps per 10MHz mobile system bandwidth per antenna port.

 

When the system bandwidth is increasing as well as the number of antenna ports, the required bit rate is linearly increasing. An example with rounded numbers is shown in the following table. Note that the figures in Table 6.1.2.2.2-1 are a maximisation of the needed bandwidth per number of antenna ports and frequency bandwidth.

 

Table 6.1.2.4.2-1 Examplesof maximum required bitrate on a transmission link for one possible PHY/RF based RAN architecture split

 

 

 

NOTE 1:  Peak bit rate requirement on a transmission link = Number of BS antenna elements *Sampling frequency (proportional to System bandwidth) * bit width (per sample)+ overhead. 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.

 

后续会借助3GPP会议提案继续分析CU/DU其他切分方式下不同接口上的带宽需求，请继续关注。

 

 

另，本文参考了一些公开资料，部分图形直接采用了Anritsu文档中的内容(题名如下)，特此致谢。