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下一代前传接口用于5G C-RAN的FH解决方案 | 带你读《5G系统关键技术详解》之八

简介: 包括 CPRI 压缩和 WDM 传输技术在内的几种解决方案已经有解决 C-RAN FH 问题 思想。实质上,所有这些解决方案的想法是“容纳”FH 而不改变 FH 接口本身。应该意 识到,FH 挑战的根本原因在于 FH 接口本身。

第 2 章 5G 系统的云无线接入网络

2.3 C-RAN基础知识

2.4 下一代前传接口用于5G C-RAN的FH解决方案

包括 CPRI 压缩和 WDM 传输技术在内的几种解决方案已经有解决 C-RAN FH 问题 思想。实质上,所有这些解决方案的想法是“容纳”FH 而不改变 FH 接口本身。应该意 识到,FH 挑战的根本原因在于 FH 接口本身。以 CPRI 为例,CPRI 规范定义了几类线路 速率。对于频率为 20MHz 和 8 个天线的时分(TD,Time Division)LTE 载波,CPRI 速 率可能高达 9.8 Gbit/s[7]。尽管移动业务是动态变化的,但是速率是恒定的,这将导致低 的传输效率。此外,现有的 CPRI 接口还具有其他缺点,如低可扩展性和灵活性,这些缺 点阻碍了 C-RAN 的大规模部署。因此,参考文献[4, 8, 9]的作者提出重新定义 CPRI 并提 出了一个称为下一代前传接口的新概念。NGFI 具有以下所需特征[4, 8]:

  • 其数据速率将取决于流量,因此,支持统计复用;
  • BBU 和 RRH 之间的映射将是一对多和灵活的;
  • 它将独立于天线数量;
  • 它将是基于分组的,即 FH 数据可以通过分组交换网络进行分组和传输。

实现 NGFI 的关键是重新分配 BBU 和 RRU 之间的功能布局。传统上,在 BBU 侧处 理包括物理层(PHY,Physical layer)、媒体访问控制(MAC,Medium Access Control) 和分组数据融合协议(PDCP,Packet Data Convergence Protocol)在内的所有基带功能, 而 RRU 主要处理与无线有关的功能。在 CPRI 中发送的信号是高带宽 I/Q 采样信号。从 有效信息的角度来看,可以在基带协议栈(例如 MAC 和 PHY)之间传送任何数据。功 能分割的基本思想是将部分基带功能转移到 RRU,以减少带宽而不会丢失任何信息。
在这个主题上有一些相关的研究。为了实现 NGFI,功能分割必须通过将天线相关功 能(下行天线映射、快速傅里叶变换、信道估计、均衡等)移动到 RRH 来实现带宽与天 线的去耦。已经表明,无论使用多少个天线,LTE 载波的 FH 带宽可以降低到 100 Mbit/s的量级[10]。此外,UE 处理功能应该与小区处理功能分离的想法已经被提出。以这种方式, FH 带宽将被降低并且依赖负载。负载相关功能为 C-RAN 部署的 FH 传输网络设计提供 了利用统计复用增益的机会。通过统计复用,可以大大减少 C-RAN 中多个 FH 链路传输 所需的带宽,从而降低成本。
支持协同技术是功能分割设计的另一个关键因素。协调多点(CoMP,Coordinated Multipoint)已被视为 4G 和 5G 中减轻干扰的关键技术之一。CoMP 可以分为两类:MAC 层协调和物理层协调。例如,协同调度(CS,Collaborative Scheduling)是 MAC 层协调 机制之一。联合接收(JR,Joint Reception)和联合传输(JT,Joint Transmission)是物理 层协调技术。在参考文献[11]中发现,随着天线数量的增加,JR/JT 的性能增益明显下降。 此外,在参考文献[8]中,从现场试验数据发现,MAC 级协作技术可以带来相当大的性能 提升、复杂性更低、实施更简单、约束更少。基于这些观察,建议 NGFI 的功能分割不必 支持 PHY 层协调技术。通过支持 MAC 层协调技术,可以获得相当大的性能提升。
功能分割只是 NGFI 的第一步。当涉及 C-RAN 的 FH 网络时,与原来的 WDM 和其 他现有的 FH 解决方案相比,发生了根本性的变化。基于分组的特征,分组交换网络将被 用于传输 NGFI 分组。由于以太网具有广泛性、低成本、高灵活性和可扩展性等特征,建 议把以太网作为 NGFI FH 的解决方案。而这将带来几个益处,首先,以太网接口是标准 IT 服务器上常见的接口,以太网的使用使得 C-RAN 虚拟化变得更加容易且需要更少的 花费;其次,以太网可充分利用 NGFI 的动态特性实现统计复用;后,灵活的路由功能 也可以用于实现 BBU 池和 RRH 之间的多条路径[8]。
使用以太网作为 FH 解决方案的主要挑战在于 NGFI 接口施加的高时序和同步要求。 虽然目前还没有确定 NGFI,但 NGFI 可能会保留 CPRI 的一些要求,例如同步要求。CPRI 链路的允许射频误差为 2 ppb(10−9),定时对准误差不得超过 65 ns,以支持 MIMO 和传 输分集[12]。为了满足时序要求,BBU 和 RRU 必须完全同步,因此需要非常精确的时钟 分配机制。潜在的解决方案可能包括全球定位系统(GPS,Global Positioning System)、 IEEE 1588 和同步以太网(Sync-E,Synchronous Ethernet)的任何组合。后,需要定义 建立 FH 流量传输路径的多协议标签交换(MPLS,Multiprotocol Label Switching)和分组 传输网络(PTN,Packet Transport Network)等以太网之类的传输协议。
NGFI 的概念验证发展
为了给行业提供可扩展的平台,用于探索创新的功能设计和评估问题,这些新兴的5G 标准网络技术将蓬勃发展,基于标准的赛灵思评估板,称为 CPRI 网关的 NGFI 概念 验证(PoC,Proof-of-Concept)设计平台被开发并将在本节中介绍。
1.设计原理
CPRI 网关旨在与现有网络拓扑结合使用,并具有解决这些拓扑未来发展的灵活性问 题的能力。首先,将 CPRI 链路保留到已安装的基站的现有 RRU 中,并且将这些大量的 无线头聚合到与基站相连的单个以太网链路中,在该链路中有 CPRI 网关。
在下行链路情况下,CPRI 网关从基站接收分组,每个分组包含连接到 CPRI 链路的 一个或多个天线的数据。网关对数据分组进行解析,确定哪个天线是 I/Q 数据的目的地, 并将 CPRI 侧的缓冲区填充到 CPRI 链路上正在使用的 CPRI 帧映射的正确位置。在上行 链路方向上,I/Q 采样被组合到每个天线以太网帧,并且当每个帧达到限定长度时,将被 立即传送回基站进一步处理。在这种配置中,基站中的下行链路帧出口的定时必须提前 到在网关中任何给定的 I/Q 采样准备就绪的点,以便在无线帧定时中正确点处发送到射频 头。网关被设计为在内部具有一些缓冲,以顾及到通过以太网接口的那些数据分组的分 组延迟的不确定性。
除了将以太网帧中的 I/Q 样本重新格式化为 CPRI 有效载荷或者将 CPRI 有效载荷格 式化为以太网帧中的 I/Q 样本,网关还需要重新创建网关中 CPRI 主机的 10ms 无线选通 和时钟频率参考。在设计的初始阶段,这是使用评估板的外部输入完成的。
2.系统描述
图 2.1 显示了在赛灵思 ZC706 评估板上实现的当前 CPRI 网关的一个配置。在整个设 计中,AXI4-Stream 接口用于互连数据路径,AXI4 Lite 接口用于通过 ARM 处理器进行 控制。平台的主要功能块如图 2.1 所示。

  • 数据分组解析器和解复用器。该模块是下行链路以太网分组流在 MAC / PHY 对 之后到达的第一个模块。该模块检查每个帧的特定报头,将其表示为 I/Q 采样包。如果数 据分组与报头匹配,则将其发送到数据路径的其余部分。否则,将其转发到 ARM 处理器 进行进一步的控制平面处理。
  • 以太网到 CPRI(E2C,Ethernet to CPRI)分组处理器。该模块包含单个数据缓冲 区,每个 CPRI 一个接口。进一步检查每个报头以确定该分组所属的天线及相对于无线定 时的数据定时,然后,将数据写入缓冲区以便缓冲区采用 CPRI 接口的正确采样顺序。 当网关中的帧定时电路确定需要发送 CPRI 帧时,它将跨越异步先入先出(FIFO, First-In-First-Out)缓冲区移动到 CPRI 映射器。
  • CPRI 映射器。从以太网到 CPRI 分组处理器的样本是 15+15bit 宽。CPRI 映射器采用 15 位采样,并将其封装到 CPRI 内核要求的连续 32bit 宽数据总线中。

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  • CPRI 解映射器。这对映射器执行相反的功能,因为它将连续的 32 位总线解压缩 到 15 位 I/Q 采样中。然后,CPRI 解映射器将每个天线的样本写入单独的异步 FIFO 缓冲 区,以将它们移回以太网时钟域和 CPRI 到以太网(C2E,CPRI-to-Ethernet)分组处理器。
  • CPRI 到以太网数据分组处理器。这将每个天线的采样收集到每个天线以太网数 据分组中。一旦以太网数据分组完成,它将在 FIFO 缓冲区中排队,以在以太网链路上发 送到服务器。
  • 分组多路复用器。这是一个简单的优先级仲裁器,以合并 I/Q 数据路径和 ARM 处理器的以太网流。数据路径具有优先级,以避免数据分组处理器中的缓冲区溢出。
  • 频闪发生。该模块使用板载或非板载源的时间和频率参考为 CPRI内核创建 10 ms 的无线帧边界。此外,它还提供发送数据路径上的控制信号,以触发数据通道中的数据 传输,这样正常操作中的异步 FIFO 和数据缓冲区不会为空。

3.平台的潜力
随着从 CPRI 到以太网和从以太网到 CPRI 的数据路径转换的完成,目前,CPRI 网关设计的工作主要集中在两个不同的领域:频率和时间同步以及第一层物理层卸载。对 于频率和时间同步,可以使用同步以太网技术来从基站向网关提供频率同步,并且可以 使用 IEEE 1588(精确时间协议)来向网关提供时间同步。然后,可以使用许多技术来获 取这些源,并且在传统的基于 CPRI 的系统中重新生成 CPRI 主端口,提供给射频拉远头的 组合频率和时间参考。CPRI 网关平台可用于在实验室环境中对这些技术进行实验,还可以 评估维持 RF 级别需要的运行质量所需的时间和频率同步的质量,以维持网络访问性能。
对于第 1 层物理卸载,第 1 层 LTE 堆栈的要素与天线基础设施有效关联,而不是用 户流量。随着基带处理的其余部分在云中变得更加虚拟化,将一些第 1 层处理转移到 CPRI 网关并离开基站是有意义的。初始工作将移动 FFT/IFFT 块到网关中,以便通过以 太网链路传输 OFDM 符号而不是通过 I/Q 采样来提高效率。此外,我们可以通过第二层 处理将 LTE 物理栈的集成扩展到边界。然而,将该处理过程移出基站也将给自身带来挑 战,例如,需要关注混合 ARQ 重传机制。此时,平台可以用来评估堆栈潜在拆分点的权衡。根据底层硅技术,分割可以是静态或动态的。
2.5 虚拟化C-RAN的概念证明验证

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