5G系统中BBU与RRU之间前传接口(CPRI.)带宽详细计算.doc

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1、5G 系统中系统中 BBU 与与 RRU 之间前传接口之间前传接口(CPRI)带宽计算带宽计算 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 系统中前传系统中前传(Fronthaul)的含义及考虑因素的含义及考虑因素 (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

2、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

3、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(13 层)确定选用选项 2，底层仍需进一步讨论，

4、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 系统中前传系统中

5、前传(Fronthaul)带宽计算带宽计算 (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

6、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

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 系统中前传系统中前传(Fronthaul)带宽结论带宽结论 (R3-162102)在 RAN3 #92 会议上，Ericsson 在 R3-162422 Clarificat

8、ions 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

9、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 与与 RRU 之间之间 CPRI 接口简介接口简介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

10、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 系统中系统中 CPRI 接口带宽详细计算方法分析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

11、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 (

12、=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

13、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：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(2012-7)“中 规定，下行

14、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

15、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(

16、=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

17、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

18、 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

19、)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 新空口下新空口下 CPRI 接口带宽估算接口带宽估算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：100MHzI

20、FFT 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

21、 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 中中 BBU 与与 RRU 之间之间 CPRI 接口带宽计算接口带宽计算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

22、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.

23、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 architectureAccording 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 poss

24、ible 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

25、 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 max

26、imum required bitrate on a transmission link for one possible PHY/RF based RAN architecture splitNOTE 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。