5G系统中BBU与RRU之间前传接口(CPRI)带宽计算电子教案

5G系统中U与RRU之间前传接口(CPRI)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(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（13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2.5GbpSo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天线端口数频带宽度10 MHiiOMBz200 MHzIGHz心IGbps2Gbps20GbpslOOGbps&4Gbp $fiGbpsSOGbps400Gbps6432Gbps64 Gbps64QGbps32 00 Gbps256128Gbp5256Gbps2560GbpsR3-160986附录A中提供了计算方法，整理如下:R3-1609563Gpp TSG RAN WG1 Meeting #91 bisBangalore, India, 11th -1 5th April 301 5Annex A: Peak bitrate requirement computationThn m,mqh provides 标 parameters and takiilaiiotk formulae of peak bitrate requirenint For the upEinkSystfflj baiidmdthi nm:nber of BS atKeima elfflimis btl widlli. Number of OFPMs (nboh per subframe FFT size; (Peak bttnle requirenKnt of interface = Number of BS antenna elemarts * Bit widtii * Number of OFDM 打mtrokper 串uh日四方 FFT ?ze4 Z Ims)NOTEI Dutiiir I he calculation, ih* valu- 0 fbit nidth is 35NOTES For OF DM of 20 MHz bandnidtli 也电 nmitbsr of Of DAI st ntbol.K per KUbfrai射讴 1J if con&iderinz CP Ry nunibr of Ob DM umbels per :sub 云皿金* 151 FF J me is 2m 6, dumber ofCFDM业班通信技*寸mid* 产 面企知世*FF r专注P 3 propstc Ih去咕H心0匕业idvudlhSJOTE5 imaibei . lnic rticaiu faraDub 科阳闻 and 0 bnnch 期中tai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15FFT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 each20MHz 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。Radio equipment (RE；RUbRFH)Radin Equipment Control枫EC)DU(=BBU(PHI w efthi j*Ll En baited Pto*(,cqI 1打Vrnifaf 冲4 4K. y Tiifadflf & iSvncrtDHlFJtlDC fPAK?ntroj，hgCPM Ba比 FramdqKbitZ. GonlrW & Mjndt-rnc nt3. fynUiTD曲atlaninPHV：&InlornjUuii |Ethi!fntt|式.Skw C1M lHvrmBiion(HOiOV-IS Iftbard PEbM V tndu W PWZ IIIQDH1 Blatlk| WilBBU进行基带信号处理，并形成I/Q数据流，经CPRI接口传送出去Kdi* I f 4|WINP1CIII ( ELlulln (KI(回bl3i1 化-0ku、 even Mr!出胴_U.nt-.-E?-M E-2 .事itiijil Hiiwr kiiiiclRRU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。CFW 1心Ji.nl 卜 4jn ：n3 TH 卜冷帝-twu6 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3072M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：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)。LIE RW 10MHzHrncJ 呻IS bits、 fsampie tjciaAUO4JE* - 口治三.5口M-0*001100101100010/ 30mpM dati rafe per砥口.SMOrXn 口 drIS bitsf s tic daa32.55 nsec45-65.10 nsecQ wtiniplf (fatGOgit-M ICBaseband Digital IC,* (KJI30CI10I1Q0D10+ 10W101130010019/Q sampk 咏it。rareper 口门除所口 = 油画而肃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 0CPRI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。WO 1 2 3 4 5 6 7 S 9 10 11 1213M ISB 0!g Data Block1 control wordH1S*8fcir5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：CPRI选项CPRI速率编码之后) (Mbps)包含CW 的速率(Mbps)(Mbps)CW的氏 度 (bit)有效载荷 的长度 咖基本顿 码片( 260.42 ns)18B/10B614.4491.5460 881201236/1061228.8983.0921.61624023SB/1062457.6196611643 23240044 1SB/10B3072.02457.623M.040 n600I55SB/10B49152393223686.464960868B/10B6144.04915 24608 080120010738/1069830.47S64 37372.81281920167A8110 17864 37372 8-1281920168164B/66S1013789830 4r 7372.8160 n240020964B/66B12165111796 51105922BS024计暮方法包含CW 的速率 *10份工或 *66 64(有弟哦荷*CW博 长度包含CW的逅 率.有效获荷长 度为有效载荷 GW)H 二 55j有效载荷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用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 (IP 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。Maximum number of carriers per linkAj(C WkSample widthLiz rate2457 6 (4)J915 2(8m)6144 OOOk)9多30 4 (1x)WCDMA15 b成1(32o$415 bH326454G415 b*163264lies15 bn81620J2L7E1015 M4BW1LTE159bd4g111612 b436g1315 bi25GIDL7E209 bit368UI2brt2i$10VS b*245一” 5引苴信技术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：Table 3-1: Recommended system parametersSystem ParameterValueBandwidth PerCC100MH;Subcarrier Spacing30kHz:Guard Band90MHz(e.g,97.92MHz)Subcarrier Per CC3000 (e，e-3264)DFDM S/mbol Length (Nat Including CP)33.4usCP Overhead667%FFT Size4096Sampling Rate122.88而6对惶由一采用与 LTE 类似的计算方法，计算5G 系统 CPRI 带宽如下：基带带宽： 100MHzIFFT 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4.9Gbp& 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，1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。由 1 AnlennaParti10 M14320 MX200 MHzIGte2IGbpa20 g20Gbp58SdGbpsJAObps644Gbp&640-Gbps-:j塞僧加J1200GB 号?56126 Gbps?56Gbps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。天爨翠口教皴骄堂堂 (fcps)MMH工勾1娟田工JOOMHj1GHz1P 491.5Z打r飨a 44?15201兆3 041966l089SS041660 S ?SjO4O41466.0S39321619660.S521.61MMS0S3吵167864J239 321 67跖。2353216018?&找92L572S.M7843213前7S64J2032314512815723-4314572.S1525640(543145728(529KW314572,8314”114J728012852911.56125829.12629U5.6125S29L2-我辐喇1我I25S29.12251638 24115&291225L65S2.4125B29120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 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 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 splituit)rr of iDfrnns PortsFreijutBcy Syvtnu Baudntdlh10 Mil 工20 Mllz200 MBziGlk1Gb崎2Gbp52(XjbpslOOGbps4 Gbps.SGbpsKDGbpslOOGbpsJJGbps61 Gbps640Gbps犯00Gb再256PSGbpi256Gbp与工 560GW-1在tn礴/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。BTS and Site Master based D-RoF CPRI measurements the tool to scope with C-RAN architecture and front haul challengesFerdinand Gerhafde&Apri msenvision: ensure