5G系统中BBU与RRU之间前传接口带宽计算之欧阳引擎创编.docx
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5G系统中BBU与RRU之间前传接口带宽计算之欧阳引擎创编
5G系统中BBU与RRU之间前传接□(CPRI)带宽计算
欧阳引擎(2021.01.01)
发布时间:
2017-08-2210:
22:
57
来源:
5G通信技术
标签:
5G资源复用
15G系统中前传(Fronthaul)的含义及考虑因素(R3-160754)
在RAN3#9Ibis会议的R3-160754:
Fronthauling:
MotivationsandConstraints中,MitsubishiElectric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CAPEXo具体体现在以下几个方廁:
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□的底层网络。
"Tronthaulingisameanenabl迅gtosplitRANfimctionsandlocatethempartlyinaCentralOfficeandpartlydistributethem.Itincludestheinterfacesbetweencentralanddistributedfunctions,andtheunderlyingnetworkthattransportstheinterfaces.^
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□o
举例来说,目前LTE系统中,2x2MIMO,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MIM0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nxlOO倍,合导致CPRI链路的带宽需求高达250Gbpso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。
25G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%14.4Mbps/10MHz/天线端□”的基本结论,并在此基础上对不同天线端□和带宽进行了佶算分析。
具体说明如下。
R3-160986中提到,如果在BBU与RRH之间进行切分,则其接口上传送的杲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□下,§10MHz就需要614.4Mbps的传输资源。
当频率带宽和天线端□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antennaelements,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15o
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□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xFFT数目X2(I/Q支路),1ms
上行:
接□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xFFT数目X2(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□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
35G系统中前传(Fronthaul)带宽结论(R3-162102)
在RAN3#92会议上,Ericsson在R3-162422Clarificationsonfronthaulbitraterequirements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:
Thecalculationismadeforsamplingfrequencyof30.72MegaSamplepersecondforeach20MHzandforaBitWidthequalto30o(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TR38801-060中体现了出来。
TR38801-060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。
4TR3&801(V14.0.0)中结论
在RAN3#9Ibis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TR38801-060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TR38801-060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。
5BBU与RRU之间CPRI接□简介
BBU与RRU之间采用CPRI接□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RRUO
BBU进行基带信号处理,并形成I/Q数据流,经CPRI接□传送出去。
RRU将CPRI接□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。
6LTE系统中CPRI接□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□带宽计算公式
接□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30o
假设LTE载波带宽为20MHz,采用2天线,贝U:
・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(CPRII/Q采样位宽,各15比特)
每AxC上I/Q采样数据流:
921.6Mbps(=30bits*30.72MHz)
添加控制字(WO):
983.04Mbps(=16/15*921.6Mbps)
添加8B/10B线路编码的开销:
1.2288Gbps(=983.04*10/8)
2x2MIMO:
2.4576Gbps(=2x1.2288Gbps)
8x8MIMO:
9.8304Gbps(=8x1.2288Gbps)
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样值交织在一起开彳成单个wordo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□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□的影射遵循以下规则:
上行I/Q采样宽度:
4〜20bits,常用值为12,15和16。
下行I/Q采样宽度:
8〜20bits,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-RRUIR接□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)。
6.3CPRI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l/(15KHz)o2048个IFFT采样点落入一个符号内(即l/(15KHz)),故采样频率相当于15KHz*2048=30.72MHzo
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=l/fc=l/3.84MHz=260.41667nso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"Q数据。
每个word中8个比特。
根据单个word±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120bito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(=l/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”、T”数量保持基本一致,连续的T"或“(T不超过5位,即每5个连续的T或©后必须插入一位©或T,从而保证信号DC平衡,也就杲说,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。
6.5CPRI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921.6Mbps,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□(即2x2MIMO模式)时,贝懦要2.4576Gbps的CPRI带宽。
-基带带宽:
20MHz
每AxC上I/Q采样数据流:
921.6Mbps(=30bits*30.72MHz)
添加控制字(WO):
983.04Mbps(=16/15*921.6Mbps)
添加8B/10B线路编码的开销:
1.2288Gbps(=983.04*10/8)
2x2MIMO:
2.4576Gbps(=2x1.2288Gbps)
8x8MIMO:
9.8304Gbps(=8x1.2288Gbps)
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□下,每10MHz就需要614.4Mbps的传输资源二
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
□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13/10/8o
上述计算结果中,LTE20MHz下,2天线端□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。
75G新空□下CPRI接□带宽佶算
5G系统新空□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□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:
3686.4Mbps(=30bits*122.88MHz)
添加控制字(WO):
3932.16Mbps(=16/15*3686.4Mbps)
添加8B/10B线路编码的开销:
4915.2Mbps(=3932.16Mbps*10/8)
64TRXMIMO:
314.57Gbps(=64x4915.2Mbps)
采用5G新空□参数计算,100MHz下,单天线端□所需CPRI带宽为4.9GbpsoLTE系统中,10MHz下,单天线端□所需CPRI带宽为614.4Mbpso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320Gbpso
8TR38.801中BBU与RRU之间CPRI接□带宽计算
TR38.801提供了不同天线端□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□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□结果进行验证。
采用LTE计算结果估算,则10MHz下单天线端□需求614Mbps的CPRI带宽,则2端口10MHz约需lGbps,2端口20MHz约需2Gbps,依次类推,粗略估算。
根据5G新空□计算验证上述结果,100MHz单天线端□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:
11.1.4.2TransportnetworkrequirementsforanexampleNewRANarchitecture
AccordingtoTR38.913[5],theNRshallsupportupto1GHzsystembandwidth,andupto256antennas・AcalculationrelativetooneofseveralpossibletransportdeploymentsappliedtoapossibleRANarchitectureexampleshowsthattransmissionbetweenbasebandpartandradiofrequencypartrequiresatheoreticalmaximumbitrateoverthetransportnetworkofabout614.4Mbpsper10MHzmobilesystembandwidthperantennaport・
Whenthesystembandwidthisincreasingaswellasthenumberofantennaports,therequiredbitrateislinearlyincreasing・Anexamplewithroundednumbersisshowninthefollowingtable.NotethatthefiguresinTable6.1.2.2.2-1areamaximisationoftheneededbandwidthpernumberofantennaportsandfrequencybandwidth・
Table6」.2.4.2-1ExamplesofmaximumrequiredbitrateonatransmissionlinkforonepossiblePHY/RFbasedRANarchitecturesplit
NOTE1:
Peakbitraterequirementonatransmissionlink=NumberofBSantennaelements*Samplingfrequency(proportionaltoSystembandwidth)*bitwidth(persample)+overhead.Thecalculationismadeforsamplingfrequencyof30.72MegaSamplepersecondforeach20MHzandforaBitWidthequalto30.
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□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。
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- 系统 BBU RRU 之间 接口 带宽 计算 欧阳 引擎 创编