5G开放前传接口技术ORAN应用研究.docx
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5G开放前传接口技术ORAN应用研究
5G开放前传接口技术O-RAN应用研究
摘要:
开放前传接口技术基于LLS接口功能划分选项option7-2x,当前数字室分系统前传接口采用传统的option8划分方式,两者存在差异,需要对其融合进行研究。
首先介绍了前传接口的几种划分选项和选用的接口协议,然后分析了5G数字室分系统在开放前传接口架构下将会遇到的问题,最后提出了5G数字室分系统引入开放前传接口的几种模式,并比较了这几种模式的优缺点。
引言
随着移动网络的发展、软件驱动、基站硬件白盒化、接口开放的要求驱使无线接入网络朝着更加开放与智能的方向演进,而基站与射频间前传接口的开放是其中一个重要的目标。
基站与射频间前传接口的标准化与开放化使得异厂商设备互联互操作成为可能,有利于无线接入网的灵活部署,有利于创造有竞争力、有活力的产业生态系统。
3GPP定义了底层分离接口的物理层内功能划分,O-RAN联盟WG4定义了基于物理层内划分的开放前传接口技术,本文将探讨开放前传接口技术、不同的底层切分方式对前传接口的影响以及如何在5G数字化室分系统中引入开放前传接口技术。
01
前传接口架构
根据O-RAN联盟对无线接入网的划分,基站系统可以分为O-RAN控制单元(O-CU)、O-RAN分布单元(O-DU)和O-RAN射频单元(O-RU)。
O-CU与O-DU间的接口称为高层分离接口,即HLS接口,例如3GPPF1接口。
O-DU与O-RU间的接口称为底层分离接口,即LLS接口,例如O-RANWG4开放前传工作组定义的管理面接口、控制面用户面同步面接口。
本文所指前传接口是指O-DU与O-RU间的接口,即LLS接口,分为管理面接口LLS-M,控制面用户面同步面接口LLS-CUS,另外,网管系统(例如NMS)也有可能通过前传接口连接管理O-RU,如图1所示。
图1 开放前传接口架构
02
前传接口功能划分
3GPP定义了CU和DU间不同方式的协议栈功能划分,与LLS有关的划分选项包括option6、option7和option8。
其中的option7是物理层内切分,又可细分为option7-1、option7-2x和option7-3等。
LLS接口功能划分选项如图2所示。
图2 LLS接口功能划分选项
对物理层进行切分的一个主要目的是为了降低O-DU与O-RU间前传接口的带宽要求。
在传统的划分方式option8中,物理层全部位于O-DU,O-RU的实现则相对简单,这种方式对前传接口带宽要求在与LLS有关的几种方式中是最高的。
而option7通过对物理层内部做新的划分,物理层分为PHY-high和PHY-low分别位于O-DU和O-RU,这样O-RU的实现会变得复杂些,但降低了前传接口带宽的要求。
即不同的物理层切分方式对前传接口带宽有不同的要求,物理层切分越靠近MAC层对前传接口带宽的要求越低,物理层越靠近RF对前传接口带宽的要求越高。
由于5G对大带宽、多天线的需求,同时考虑到O-RU应尽量简单和降低前传接口带宽要求这两个互相竞争的因素,option7-2x被认为是当前主流的一种切分方式。
不同切分方式对前传带宽的速率要求举例如下,假设系统参数取值如表1所示,则前传带宽速率估计表2所示。
表1 系统参数取值
表1:
不同切分方式前传带宽估计
03
前传接口协议和协议转换
传统的option8架构中,前传接口采用基于时分的CPRI协议。
Option8要求整个物理层在O-DU实现,用户面的数据经过O-DU物理层的iFFT已经由频域数据转换为时域数据,所以在经由前传接口传输时这些时域的用户面数据容易被封装到基于时分的CPRI帧里进行传输。
除了用户面,CPRI协议还定义了对于控制管理面和同步面的支持,对于控制管理面,一般基于CPRI定义的FastC&M通道,采用运营商或厂家私有层三协议实现,例如IR协议,对于同步面,它是通过CPRI帧里的同步控制字段实现超帧、帧的同步。
而在option7-2x架构中,前传接口采用基于频分的eCPRI协议。
Option7-2x的物理层内切分方式要求iFFT/FFT位于O-RU,因此经由O-DU和O-RU间前传网络传输的eCPRI消息里封装的用户面数据是还未经iFFT变换的频域数据。
eCPRI协议只支持用户面数据,包括实时控制数据,而对于option7-2x的管理面,一般采用通用的传输管理层协议,例如基于TCP的NETCONF/YANG协议等,对于同步面,也是采用现存的同步面协议,例如SyncE、PTP等。
2种前传接口协议有相互转换的需求,例如当新建支持eCPRI的基站节点(eREC)时,为了重用已有的支持CPRI的RRU节点(RE),需要实现桥接eCPRI节点和CPRI节点的IWF功能;或当迁移到基于以太的前传网络,为了重用已有的CPRI基站节点(REC)和CPRIRRU节点(RE)时,需要实现桥接CPRI节点的IWF功能。
实现IWF功能的实体也可以称之为FHGW,在数字室分系统中一般推荐由HUB实现eCPRI/CPRI协议转换的IWF功能。
IWF有3种类型。
a)Type0:
eREC<->前传网络<->IWFtype0<->RE。
b)Type1:
REC<->IWFtype1<->前传网络<->IWFtype2<->RE。
c)Type2:
REC<->IWFtype1<->前传网络<->IWFtype2<->RE。
IWFtype0实际上承担了eREC和RE间用户面数据传输的代理功能,从eREC角度来说,(IWFtype0+RE)被认作为一个eRE,从RE角度来说,(eREC+IWFtype0)被认作为一个REC。
IWFtype0概念如图3所示。
图3 IWFtype0概念
IWFtype0是一种功能,IWF可以位于eREC/eRE,也可作为独立的网络节点(例如桥、路由器设备或数字室分系统中的HUB)。
当IWF位于靠近CPRIRE的节点时,边缘数据中心和远端站点的传输网络可以使用以太包交换网络。
当IWF位于边缘数据中心站点时,可以新增eREC基站而不影响现有的CPRI传输网。
IWFtype0可以有如图4所示的几种部署方式。
图4 IWFtype0部署方式
对于IWFtype1和type2,实际上是把REC发出的CPRI帧通过IWFtype1转化为eCPRI帧发给IWFtype2,然后转化为CPRI帧再发给RE。
IWFtype1和IWFtype2概念如5图所示。
图5 IWFtype1和IWFtype2概念
04
5G数字室分前传架构
5G数字化室分系统由基带单元(BBU)、远端汇聚单元(HUB)和无线射频单元(pRRU)组成,基带单元与远端汇聚单元拓扑支持星形连接、链形连接。
本章节主要研究如何在数字室分系统中引入开放前传接口。
数字室分前传架构可以有以下3种模式。
模式一:
完全option7-2x模式,即BBU<->HUB<->pRRU间全是option7-2x切分。
模式二:
Option7-2x和option8转换模式,即BBU<->HUB间是option7-2x切分,HUB<->pRRU间是option8切分。
模式三:
完全option8模式,即BBU<->HUB<->pRRU间全是option8切分。
当前LTE数字室分前传架构采用模式三:
完全option8模式,即BBU与Hub与pRRU间的连接都是基于option8划分,它的控制面用户面同步面采用CPRI协议,层三管理面一般采用基于CPRIFastC&M的运营商或厂家私有协议,例如IR协议。
5G数字室分前传架构可以采用上述3种模式中的1种。
a)从5G大带宽、多天线的需求及开放前传接口技术发展的方向来看,完全option7-2x的模式可能会逐渐成为未来发展的主流。
b) 从节省投资,分步实施,快速部署的角度来看,模式二具有现实意义。
c) 对于某些场景,例如对于带宽要求不高,人员不密集的场所,模式三也有其意义。
模式三的问题是前传接口不开放,BBU和RRU不能解耦,本节将主要探讨符合开放前传接口技术发展方向的,基于option7-2x的模式一和模式二。
按照O-RAN开放前传接口定义,基带单元(BBU)可以匹配为O-DU,而HUB和pRRU对O-RU的匹配有多种可能性。
例如,根据Low-PHY位置的不同,当Low-PHY位于无线射频单元(pRRU)时,无线射频单元是O-RU,当Low-PHY位于HUB时,HUB也可以是一种O-RU。
模式一和模式二的问题是不能完全匹配O-RAN开放前传接口架构,O-RANWG4开发前传工作组没有明确定义HUB的概念。
例如,对模式一,HUB上没有Low-PHY,不符合标准O-RU的定义,但是本文仍然可以把它认作一种O-RU;对模式二,HUB上引入option7-2x和option8转换功能,Low-PHY位于HUB,那么是把HUB单独作为O-RU,还是把(HUB+pRRU)整体当作O-RU?
下面针对不同模式分别进行分析。
4.1模式一:
完全Option7-2x模式
完全Option7-2x模式下,HUB和pRRU分别作为独立的O-RU。
HUB和pRRU各自作为NETCONF服务器,与O-DU分别建立起单独的NETCONF连接。
O-DU与pRRU间的NETCONF连接需要经由HUB中转,需要HUB支持DHCP中继功能,由O-DU上的DHCP服务器分配pRRUIP地址。
完全Option7-2x模式下,Low-PHY位于pRRU,pRRU需要执行用户面配置,HUB自身不需要用户面配置,但是HUB需要执行copy和combine相关的配置,以把用户面数据分发到pRRU(下行),或把用户面数据合并发往O-BU(上行)。
完全Option7-2x模式下,1个带8个pRRU的HUB被认作为8个代表pRRU的O-RU和1个代表HUB的O-RU,O-DU需要与它们建立起9条NETCONF连接。
图6描述了完全Option7-2x模式。
图6 完全Option7-2x模式
4.2模式二:
Option7-2x和option8转换模式
根据O-DU对HUB和pRRU管理的不同,又可以分成如下2种类型。
a)HUB和pRRU分别作为独立的O-RU。
b)HUB和pRRU被看作一个O-RU。
4.2.1 HUB和pRRU分别作为独立的O-RU
此种模式下,HUB和pRRU分别作为独立的O-RU。
HUB和pRRU各自作为NETCONF服务器,与O-DU分别建立起单独的NETCONF连接。
O-DU与pRRU间的NETCONF连接需要经由HUB中转,需要HUB支持DHCP中继功能,由O-DU上的DHCP服务器分配pRRUIP地址。
需要注意的是,这种模式要求HUB部分控制pRRU的启动过程。
例如,option8采用CPRI协议的话,HUB需要控制HUB和pRRU间CPRI链路的建立与同步、pRRU的检测等。
一旦pRRU启动完成,CPRI链路上的FastC&M既已建立,Ethernet使能,随后流程遵循O-RANWG4管理面规范所述O-RU启动流程,pRRU建立起与O-DU的NETCONF连接。
此种模式下,Low-PHY位于HUB,由于HUB上没有载波配置因此不需要执行自身相关的用户面配置,但是需要执行用户面转换相关的配置。
例如,假设用户面数据转换是eCPRI转CPRI,那么为了使得eCPRI的数据被HUB正确转换成CPRI数据并被插入到CPRI帧正确的位置,O-RANWG4管理面规范及其YANG模型需要做一些针对HUB的扩展。
pRRU上有载波配置因此需要执行用户面配置,需要注意的是pRRU需要执行基于option8的NETCONF/YANG用户面配置,而当前O-RANWG4管理面规范定义的是基于option7-2x的NETCONF/YANG模型,如何实现基于option8的pRRUNETCONF启动过程及其YANG模型需要进一步研究。
此种模式下,一个带8个pRRU的HUB被认作为8个代表pRRU的O-RU和1个代表HUB的O-RU,O-DU需要与它们建立起9条NETCONF连接。
图7-1描述了此种Option7-2x和Option8转换模式。
图7 Option7-2x和Option8转换模式-1
4.2.2HUB和pRRU被看作一个O-RU
此种模式下,只有HUB有NETCONF服务器可以与O-DU建立起NETCONF连接,而pRRU被隐藏,(HUB+pRRU)作为一个整体O-RU暴露给O-DU。
pRRU的管理,例如启动、IP地址分配、版本升级和配置等由HUB负责,HUB同时负责建立起与pRRU的内部管理面连接和CUS面连接。
如何建立HUB和pRRU间的内部连接有多种可能性,例如管理面可以是基于NETCONF的连接也可以是厂家自定义,CUS面连接可以是基于option8的CPRI协议连接,也可以是厂家自定义。
对于HUB(+pRRU)来说,它作为一个O-RU遵循O-RANWG4管理面规范所述启动流程,建立起和O-DU的NETCONF连接,O-DU为每个HUB(+pRRU)分配IP地址,而pRRU的内部IP地址可由HUB自主分配。
另外,因为O-DU和pRRU间没有直接的管理面连接,因此O-DU需要通过和HUB的NETCONF连接下发用户面配置给HUB,由HUB转换为option8的用户面配置,再通过HUB和pRRU间建立起的管理面连接下发给pRRU。
此种模式下,1个带8个pRRU的HUB被认作为8个单独的O-RU,O-DU需要与它们建立起8条NETCONF连接。
图8描述了Option7-2x和Option8转换模式。
图8 Option7-2x和Option8转换模式-2
4.3模式三:
完全Option8模式
Option8模式采用传统CPRI接口协议,BBU发出的下行用户面数据经由HUB分发到各个pRRU,每个pRRU发出的上行数据经由HUB合并发送到BBU。
由于物理层全部位于BBU,用户面数据在BBU前传接口发出的数据是已经经过iFFT转换的时域数据,因此BBU与HUB与pRRU间均为Option8切分。
Option8模式的控制&管理面没有采取开放接口,各厂家应用自己的私有协议,这也是为何说Option8模式不支持BBU和RRU解耦,不符合前传接口未来技术发展方向的原因。
图9描述了完全Option8模式。
图9 完全Option8模式
4.4模式一和模式二的比较
由于模式三所用接口协议CPRI存在控制&管理面接口协议不开放的问题,不符合开放前传接口技术发展方向,预计未来5G基站前传接口会越来越多的转向模式一和模式二,下面主要比较一下模式一和模式二的区别以及优缺点。
首先,不同划分方式对数字室分系统前传带宽的要求如下。
a)Option7-2x方式,采用eCPRI协议,其数据速率估计公式如下:
(a)有压缩:
FH_BW~=[(12*2*9+4)*Nbr_RBs*Nbr_Spatial_layers]*[1000*2µ*14]* 1.20*1.15。
其中,当SCS为15kHz,µ=0,当SCS为30kHz,µ=1;1.20表示控制消息、接口以及以太网的消耗;1.15表示以太网传输余量,以避免拥塞等;PRB压缩算法假设为blockfloatingpointcompression(9bit/4bit-exponent),用正常的cyclicprefix(14symbolsperslot);上下行的控制信息均为从DU到RU,所以上行数据速率会轻微降低一些,如5%。
以1个100MHz、4T4R、IQ_9的小区为例,则:
速率=[(12*2*9+4)*273*4]*(1000*2*14)*1.2*1.15=9.28Gbps。
(b)无压缩:
FH_BW~=[(12*2*15)*Nbr_RBs*Nbr_Spatial_layers]*[1000*2µ*14]* 1.20*1.15。
其中,当SCS为15kHz,µ=0,当SCS为30kHz,µ=1;1.20表示控制消息、接口以及以太网的消耗;1.15表示以太网传输余量,以避免拥塞等;采用非压缩格式,IQ_15;上下行的控制信息均为从DU到RU,所以上行数据速率会轻微降低一些,如5%。
以1个100MHz、4T4R、IQ_15的小区为例,则:
速率=[(12*2*15)*273*4]*(1000*2*14)*1.2*1.15=15.2Gbps。
(c)综上,eCPRI速率如表4所示。
表4 eCPRI速率
b)Option8方式采用CPRI协议,其数据速率估计公式如下:
FH_BW=Fs*IQ*CPRIlinecoding*Antenna。
其中,Fs为采样率;IQ为压缩格式;CPRIlinecoding为CPRI线编码,例如CPRI比特率option8的线编码64B/66B;Antenna为天线数量。
以1个100MHz、4T4R、无压缩IQ_15的小区为例,速率=122.88Msps*30*66/64*4=15.2Gbps;以1个100MHz、4T4R、有压缩IQ_9的小区为例,速率=122.88Msps*18*66/64*4=9.1Gbps。
具体见表5。
表5 CPRI速率
可以看到,在5G数字室分配置的情况下,例如1个100MHz、4T4R的小区,不同的划分方式,option7-2x方式和option8方式对前传带宽的要求差别不大。
由于当前现网上基本都是基于option8切分方式的pRRU,因此采用模式二:
option7-2x和option8转换模式的一个优点是可以节省投资,最大限度的利用现网资源,快速部署,但是此模式要求HUB实现更多的功能,例如实现PHY-low和eCPRI/CPRI协议转换等,HUB上的工作量和成本会增加。
模式一更加符合开放前传接口的技术发展方向,但是需要pRRU支持PHY-low的同时还要支持eCPRI协议,pRRU的工作量和成本会增加。
由于pRRU和HUB数量上的差别,在未来前传网络部署5G数字室分系统时,一种可实施的方案是第一阶段采用模式二架构,再逐渐演进到模式一。
而当需要支持的小区数量增加,带宽增大,option7-2x方式将会显著的比option8方式具有低带宽的优势,尤其是对于拥有massiveMIMO特性的5G宏基站,option8方式无法满足前传带宽需求,只能选择option7-2x方式。
05
结束语
本文介绍了开放前传接口技术及LLS前传接口功能划分,探讨了5G数字室分系统在开放前传接口下将会遇到的问题,提出了把5G数字室分系统引入开放前传接口的几种方案。
当考虑把数字室分系统引入开放前传接口时,不仅要考虑开放前传接口的未来技术发展趋势,还需要尽可能的保留对当前室分系统前传接口的支持。
文章所述模式一为符合开放前传接口未来技术发展方向的方案,模式二通过实现不同切分方式接口协议的转换在支持开放前传接口的同时又保留了对当前前传接口划分方式的支持。
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