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下一代前传网络接口(NGFI)白皮书
日期:2015-07-05 12:49:40   作者:中国移动研究院(CMRI)

White Paper of Next Generation Fronthaul Interface
版本号 1.0
2015年6月4日

中国移动通信研究院
上海贝尔股份千亿国际娱乐886
诺基亚网络
中兴通讯股份千亿国际娱乐886
博通公司
英特尔中国研究中心

联系人:
黄金日:huangjinri@chinamobile.com  
袁雁南:yuanyannan@chinamobile.com

 

 

近些年来,集中BBU(BaseBand Unit,基带单元)、拉远RRU(Radio Remote Unit,射频拉远单元)的C-RAN(Centralized, Cooperative, Cloud & Clean - Radio Access Network)网络部署在全球许多国家和地区得到了越来越广泛的应用,但受CPRI(Common Public Radio Interface,通用公共无线电接口)的限制和现有BBU/RRU接口带宽要求高的影响,若沿用CPRI进行前传组网,则会限制C-RAN更大规模的部署;另外面向4.5G及未来5G的无线技术也对现有CPRI提出了新的挑战。本白皮书旨在解决这些问题,提出了NGFI(Next Generation Fronthaul Interface,下一代前传接口),并列出多种可选的接口功能划分方案。以期产业界各方共同探讨,形成业界共识,推动NGFI的成熟,促进未来无线网络的发展。

本版白皮书内容涵盖了下一代前传网络接口演进需求、设计原则、应用场景和潜在方案等技术领域,对无线接入网络未来的演进方向具有很好的参考价值。希望这版技术白皮书能在推广NGFI框架思路的同时,也能为未来传输设备的设计提供指标性参考。衷心感谢上海贝尔股份千亿国际娱乐886、诺基亚网络、中兴通讯股份千亿国际娱乐886、博通公司、英特尔中国研究中心等成员单位的辛勤撰写。作为NGFI白皮书的第一版,有很多技术观点还未成熟,欢迎业界与我们共同探讨,希望今后能够吸纳更多的技术观点,使其内容更加丰富翔实。

 

1  概要

 

1.1 现有网络面临的挑战


C-RAN提倡的BBU集中化部署,具有加快网络部署、降低运维和投资成本、有效支撑协作化及载波聚合等LTE-A关键技术、提升网络性能等显著优势[1]。但C-RAN部署的一个主要挑战来自于前传网络。以LTE为例,CPRI接口要求高带宽、低时延,虽然目前基于有源或者无源波分传输技术可有效解决此前传问题,节约光纤使用量,但会引入额外的传输设备,造成成本上升。因此,如果能设计一个更加灵活、更低带宽的前传网络,将能进一步解决C-RAN组网的传输问题。另外,C-RAN集中化后的双路由保护需求也要求实现BBU基带池和RRU间的灵活路由。总之,传统CPRI接口很难支持未来无线网络集中式部署的组网需求。

从传统CPRI接口承载移动通信数据的效率角度分析。移动通信业务具有显著的动态变化特性,写字楼、住宅区等区域存在潮汐效应,凌晨时段大部分网络处于低业务负载状态。然而,现有的BBU与RRU采用的定速率前端传输接口CPRI或OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative)是一种基于TDM(Time-division Multiplexing,时分复用)协议的定速率前传接口,即使在没有业务负载的情况下仍会传输CPRI/OBSAI流,数据传输效率低下[2]。


1.2 未来网络的需求


从现有无线网络功能和结构的演进分析,目前3GPP已在R12中引入了基于LTE的双连接,R13正在讨论在LTE+WiFi异构网络中提供异构双连接的功能。进一步为满足未来5G容量密度1000倍提升的要求,需要引入超密集、灵活的小基站部署。超密集小基站的部署势必带来频繁的站间切换和信号干扰问题。上述问题需要通过集中控制面,以及大基站和小基站之间更紧密地空口协作来解决。由此可见,网络结构正朝着C/U分离、控制集中的方向发展。因此,前传接口需提供低时延和高带宽传输服务,并通过BBU/RRU功能重构满足无线网络结构演进的需求。

从未来无线网络向5G演进的场景需求分析。5G时代除了继续支持现有网络应用外,还会引入许多新的用户应用。例如:密集城区无处不在的高清/超高清甚至3D全息影片和视频、任何地方50+Mbps的高速用户体验、大于350km/h的高速移动应用、传感网、触觉互联网、E-Health、自然灾害监测等[3]。为满足5G多样化业务场景的需求,未来网络需要具备按需快速定制、快速部署的能力,从而需支持大规模RAN共享等功能,从而前传网络必须具有更大灵活性和可扩展性。

从未来5G网络新技术引入的角度分析,越来越多的新技术和新特性将会出现以提升用户带宽、网络容量、业务时延等性能,从而应对上述新的应用需求[4]。首先,随着无线带宽和天线数增加,现有BBU和RRU间传输带宽急剧增加,通过BBU/RRU功能重新划分可满足网络Massive MIMO等新技术对前端传输的要求。其次,面向低时延和高带宽的上层业务需求,业务下沉和核心网功能边缘化趋势明显。在考虑业务命中率的前提下,将业务下沉至BBU集中部署机房是对业务命中率和业务时延需求的一种折中选择。在这种情况下,高带宽、低时延的前传网络是满足上层业务需求的基础。
基于上述讨论,我们认为目前产业界普遍应用的CPRI/OSBAI接口主要适用于点对点连接,由于其传输效率低、灵活性差、难以扩展等缺点,特别是集中化部署成本过高,无法满足面向5G演进的前传网络组网需求。

为了更好地提升网络资源使用效率,更好地支持无线网络向5G系统演进,也为了更好地支撑BBU的集中化部署,我们需要重新定义BBU和RRU的功能,设计一个基于分组传输技术的BBU和RRU接口,即下一代前传网络接口,以应对网络持续演进的挑战。


1.3 关于本白皮书


本白皮书展示了中国移动对于“下一代前传网络接口NGFI”的愿景,并提出了NGFI的主要技术挑战、研究框架并定义了关键需求指标。我们诚邀工业界和学术界的研究机构积极参与NGFI关键技术的研究,共同推动相关标准化及产业化进程。

作为白皮书第一版,本文或许还不够全面,并可能存在某些不一致的地方,欢迎提出修改意见和建议。随着时间推移,新的研究内容可能会被加入到更新的版本中。

 

2  NGFI定义、优势及应用场景

 

2.1 NGFI接口的定义


NGFI是指下一代无线网络主设备中基带处理功能与远端射频处理功能之间的前传接口。NGFI是一个开放性接口,至少具备两大特征:一方面是重新定义了BBU和RRU的功能,将部分BBU处理功能移至RRU上,进而导致BBU和RRU的形态改变,重构后分别重定义名称为RCC(Radio Cloud Center,无线云中心)和RRS(Radio Remote System,射频拉远系统);另一方面是基于分组交换协议将前端传输由点对点的接口重新定义为多点对多点的前端传输网络。ss此外,NGFI至少应遵循统计复用、载荷相关的自适应带宽变化、尽量支持性能增益高的协作化算法、接口流量尽量与RRU天线数无关、空口技术中立RRS归属关系迁移等基本原则。NGFI不仅影响了无线主设备的形态,更提出了对NGFI承载网络的新需求。

如图2-1所示,NGFI前传网络连接RRS和RCC。其中,远端射频系统RRS包括:天线、RRU以及传统BBU的部分基带处理功能RAU(Radio Aggregation Unit,射频聚合单元)等功能。与现网的当前部署相对应,远端功能应部署在现有无线站址位置,对应功能的作用区是当前宏站的覆盖区域以及以宏站为中心拉远部署的微RRU和宏RRU的覆盖区域。图中RAU为一个逻辑单元,实际设备形态与具体的实现方案有关,可以与原有RRU进行功能整合形成新RRU实体,也可以独立设计为一个硬件实体。

无线云中心RCC包含传统BBU除去RAU外的剩余功能、高层管理功能等,由于是多站址下的多载波、多小区的功能集中,从而形成了功能池,这一集中功能单元的作用区域应包括所有其下属的多个远端功能单元所覆盖的区域总和。相比扁平化的LTE网络设计,引入基带集中单元,并非引入一个高层级的网元,而仅是在考虑未来更高等级的协作化需求引入的基础上,进行BBU/RRU间的形态重构,并不影响LTE的扁平化网络结构。

NGFI接口实现了连接RRS和RCC的功能,即:重新划分完成后的BBU与RRU间接口。其接口能力设计指标定义需考虑BBU/RRU功能重构后对带宽、传输时延、同步等提出的新要求。


2.2 NGFI的设计原则


2.2.1 统计复用

统计复用原则是指在一定组网规模(如100载波/1000载波等)下,RCC与RRS之间传输的数据带宽需求对前传网络而言具有统计复用效果,可减少前端传输网络的带宽配置,达到降低成本的目的。

2.2.2 载荷相关的自适应带宽变化

载荷相关的自适应带宽变化原则是指RCC和RRS之间的NGFI接口带宽与上层业务载荷成正比变化。载荷相关的自适应带宽变化原则是统计复用原则的必要条件之一。

2.2.3 尽量支持性能增益高的协作化算法

尽量支持性能增益高的协作化算法原则是指在满足前三项原则的情况下,BBU/RRU功能重新划分后,尽量支持性能增益高的协作化算法(如联合调度、联合接收、联合发送等)。

2.2.4 接口流量尽量与RRU的天线数目无关

尽量使得接口传输带宽与RRU支持的天线数目无关是指,将与天线直接相关的计算放至远端,可更好地适应未来演进引入大规模天线阵的需求,避免因RRU支持的天线数上升而带来NGFI接口带宽需求的大幅上升。

2.2.5 空口技术中立原则

NGFI接口除了应支持现有的4G LTE技术外,还应该支持未来的5G空口技术。即:对于未来的5G空口技术,RCC和RRS之间的接口也应满足2.2.1~2.2.5所描述的准则。对前传数据的承载,我们建议采用以太网传输。这不仅可以充分利用已有的丰富以太网基础网络提高网络部署速度,同时可以利用分组传输的统计复用、灵活路由等特性,提高传输效率,灵活组网。

2.2.6 支持RRS归属关系迁移

RRS归属关系迁移功能是指可根据需要将除RRS外的基带处理功能从一个RCC迁移至另一个RCC,但是每个RRS在任意时刻只能归属于一个RCC。当业务量过大时,RRS归属关系迁移功能实现更好的负载均衡;当业务量低时,RRS归属关系迁移能实现处理的进一步集中,降低设备功耗,更好地实现无线云中心内处理资源的统计复用。

RRS归属关系迁移功能可提高网络可靠性,当某一RCC故障时,其下属的RRS可分散迁移至其它RCC进行管理。


2.3 NGFI的逻辑分层


NGFI接口逻辑上可以分成如下三个层面:NGFI数据层,NGFI数据适配层和物理承载层,NGFI数据层包含各类无线技术相关的用户面数据、控制面数据、同步数据和管理数据;随着无线技术的演进,在不同的基站功能划分方法和不同制式的无线接入网络(4G/5G)中,用户面数据和控制面数据会有不同的带宽或性能需求,NGFI数据适配层的引入就是为了保证这些不同需求的无线数据的传输特性能很好地匹配底层传输网络的特性,数据适配层可以针对不同的无线数据和传输网络进行适配;物理承载层包含目前的主要无线接入网的传输技术,如PTN(Packet Transport Network,分组传送网),PON(Passive Optical Network,无源光纤网络)以及WDM(Wavelength Division Multiplexing,波分复用)等。


2.4 NGFI的主要优势


NGFI相比较传统CPRI接口,对运营商组网而言将会从几个方面带来显著的优势:
  ·NGFI利用了移动网络的业务潮汐效应,实现统计复用,提升了传输效率,降低了对前传网络的成本压力;
  ·NGFI大幅降低了RCC-RRS传输接口带宽,在保持RCC/RRS分离结构的基础上,有利于多天线技术的实现,易于RCC集中化部署并实现无线网络协作化功能,从而满足未来无线网络架构的发展需求;
  ·NGFI基于以太网传输,因此在建设运维上,可以利旧已有传输网络结构,借助以太网传输技术实现灵活的组网,可靠且运维界面清晰。同时易于实现统计复用,更好支持保护功能;另外,通过以太网的灵活路由能力,可更好地支持不同运营商之间的前传网络共建共享,节约网络基础资源;
  ·更易于实现前传和后传网络共享;
  ·易于实现网络虚拟化,更好地支持RAN共享和业务定制要求。


2.5 NGFI的应用场景


2.5.1 综合业务接入区

综合业务接入区场景下的NGFI应用是指以综合业务接入区为单位,对区内的分布式基站,利用接入区内原有的环形光缆网连接RCC和远端RRS,实现BBU的集中部署,原有光缆网承载NGFI接口数据。其中,一个环上的宏站站点在6-8个,每个站点通常为S2/2/2(即3个小区,每个小区2个载波)配置,但在未来业务量增长的情况下,可升级为S3/3/3配置。另外,RCC集中点和远端RRS的传输距离一般不超过20km。

2.5.2 室分系统部署

在室分系统部署中,利用楼内预先部署的丰富网线资源承载NGFI接口数据,实现RCC与拉远RRS间的通信。RRS规模视具体场景,可在十几乃至几十,甚至上百个。

2.5.3 以宏站机房为集中点的末端集中部署

此场景是为了满足容量需求,在业务量密集区域,将RCC集中放置在宏站机房,采用微站RRS拉远覆盖,提供容量保证,二者之间采用光纤直驱或者利用已有接入网管线进行连接,其中RRS可通过级联以节约缆线资源。宏站采用典型S3/3/3配置,微站一般为2天线全向覆盖。宏微站的比例一般在1:3到1:6之间,但在业务量极其密集的情况下,宏站和微站比例可达1:9甚至更高。距离上,宏微站之间一般为几公里。

此场景可以平滑地支持4G到5G的演进,为满足广覆盖和高速率的要求,未来5G将需要更密集的小站部署,并支持不同制式的异构网,如5G/4G异构、4G/WiFi异构、5G/4G/WiFi异构。小站的控制需要集中在宏站,小站的数据需要通过宏站汇聚。NGFI网络能提供小站到宏站的汇聚功能,动态的调整小站传输网络配置。

 

3  实现NGFI的主要挑战和关键技术

 

3.1 RCC-RRS功能划分

无线系统包括射频和基带功能,而后者又由物理层,第二层(MAC,RLC,PDCP等子层)以及第三层(如RRC)等协议功能层构成。不同的无线网络架构中,这些功能层可分布在不同的物理设备理实体上。为了满足未来网络的组网演进需求,在RCC-RRS间合理分配各层的功能是设计NGFI考虑的核心问题。

当前的设备形态实现的功能划分方案主要包括:
  ·一体化基站:所有无线功能集中于一个物理设备,包括基带和射频处理。
  ·分布式基站:所有基带处理相关的协议功能集中到BBU设备上,射频相关的功能集中到RRU或者有源天线系统上。

上述这两种划分方式,前者不利于实现跨站间的协作化算法和功能实现,后者在线网部署时又遇到带宽过大导致传输难以支持的问题。因此,在NGFI网络架构下需要重新思考BBU-RRU(RCC-RRS)间功能划分方案,以更好地满足未来网络演进需求。RCC-RRS功能划分方案需要结合无线网络技术和前传网络技术联合设计。既要满足无线网络性能要求,又要兼顾到前传网络的压力,同时RCC-RRS功能划分还需满足未来无线网络演进的更多需求。

3.2 无线数据分组化

无线数据分组化指RCC和RRS之间传输的无线载荷数据使用分组数据包的形式封装。相比传统CPRI接口以TDM帧格式的方式封装,分组数据包传输化将提供更好的灵活性和可扩展性,既可以满足高层无线数据传输的需求、具备识别无线用户载荷的能力,也可以实现无线用户载荷和相关的控制载荷在分组交换网络中的高效传输。为了达到既满足无线数据传输的高要求同时保留分组化优势的目的,根据无线数据特征实现分组化传输将会是实现NGFI接口功能在传输领域需要考虑的问题。

考虑到无线载荷对于时延、时延抖动以及同步非常敏感,在分组化传输时可能需要在无线载荷前面引入特定的分组头以传递无线载荷传输所特定的带内控制信息如时间戳或者序号等,以便于接收端和发送端更好地协调。无线载荷加上引入的分组头即完成无线载荷的分组化封装。无线载荷分组化封装可以是结构已知(Structure Aware)或者结构未知(Structure Agnostic)。在定义过程中需要重点研究封装需求和应用场景、一种或者多种不同的分组头具体格式以及由于分组头引入的封装开销。除了关注于传送层封装以提供基于数据流层面统计复用之外,无线载荷传送所必需的同步技术也将是研究的重点。无线载荷封装技术的研究和能力提升,可与RRS/RCC之间无线功能划分方式无关,也与具体的无线技术(2G/3G/4G/5G)无关,具有较好的前向兼容/空口技术中立性。

封装后的无线载荷对传输网络透明,可以由不同的传输技术承载,包括以太交换,MPLS-TP交换,IP路由,L2/L3 MPLS交换等等。对于每种承载网络技术,需要根据其特点,确定封装后的无线载荷如何承载,同时为了与现存的其他协议或者封装类型相区分,可能需要为无线载荷封装引入新的封装/协议标识符。不同承载技术体系的承载和转发效率、网络和业务的扩展性和适应性、运行维护管理能力、网络和业务的生存能力、以及产业链的支撑程度等会有所差异。需要根据传输网络整体策略并结合各传输技术的技术特点作出相应的选择。


3.3 NGFI传输的主要挑战


3.3.1 NGFI的传输时延

NGFI接口RCC-RRS数据传输时延被定义为,数据从RCC网口发送至RRS网口所需的传输及交换的总时间,上下行所需时间对称。相比较传统的CPRI接口,新的NGFI接口将会带来额外延时损失,这主要是因为交换网络中交换设备的额外交换时延所致。考虑到当前LTE协议要求用户UE(User Equipment)侧与系统侧的HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request,混合自动重发请求)交互时间是固定的,若将RCC-RRS的功能划分点放在HARQ过程中,那么这里既包括了数据传输时延,也包括了数据处理时延。因此若传输时间拉长,则将会要求处理时延缩短,这将会给RCC的芯片处理能力提出更高的要求。若RCC-RRS功能切分点放置于HARQ以外,将会有过多功能前置于远端位置,将影响多载波的协作化性能。因此传输时延是考虑NGFI的核心因素。

3.3.2 NGFI传输时延抖动

NGFI接口的传输抖动被定义为,数据从RCC网口发送至RRS网口所需传输时间的波动范围。传输抖动的影响主要体现在两方面:其一,两侧无线设备需要实现数据缓存,弥补抖动的影响。抖动越大,数据缓冲空间越大,设备复杂度越高。其二,基带的实际处理时序,需按照数据最晚到达时间设计。抖动越大,则留给基带处理的时间越短。

NGFI如果基于以太网传输时,传输节点的存在会额外增加业务报文的抖动,为了保证无线性能,需要对传输设备进行特殊的设计或优化,以降低抖动,满足NGFI的抖动要求。

3.3.3 NGFI的同步问题

NGFI潜在的同步方案包括在RAU侧引入GPS或北斗和通过前传网络实现同步等。同步方案如果采用在RAU侧引入传统的GPS或北斗作为同步源,对NGFI的影响相对较小。如采用从前传网络中提取时钟同步,则需要仔细考虑同步时钟对前传网络的需求。同步精度与前传网络的规模和传输设备性能相关。一般情况下,前传网络需要支持SyncE和1588v2。

  ·相位同步需求
传统BBU的BackHaul网络,需满足TDD系统的空口上下行同步需求,根据3GPP定义,空口精度需达到+/-1.5us。采用1588v2协议进行不同站间的时间同步,实现的同步精度可达到纳秒量级,考虑BBU数据处理可能带来的额外精度损失,中国移动现网要求BackHaul网络提供的时间同步精度为:经过30跳PTN设备引入的时间误差不能超过1us。

而进一步考虑物理层协作化技术的需求,不同RRU(同站的RRU或者不同站点的RRU)的不同天线间的同步误差需小于130ns,才可支持多RRU间的下行联合发送功能。如果跨RRS进行物理层协作化,那么这个指标会对现在的网络提出更高的要求,需要将前端传输网络和无线网络进行联合设计。

  ·频率同步需求
NGFI接口相比传统接口,并未对频率同步需求提出更高的要求。传统BBU的BackHaul采用同步以太网技术(Synchronous-Ethernet,简称SyncE)实现频率同步。宏站频率同步指标定义为0.05ppm,目的是为了满足LTE无线空口的频率同步误差的需求。在NGFI环境下,RRS可以通过前传网络的SyncE获取频率同步。

3.3.4 NGFI的传输带宽

为满足用户良好的使用体验,前传网络必须保证一定的带宽,以支持进出RCC的数据速率。


3.4 NGFI引入的影响


3.4.1 NGFI对RRU侧的影响

同传统的RRU相比,支持NGFI协议在一定程度上增加RRU侧的复杂度,主要体现在如下3个方面:
  ·将部分无线协议栈功能及算法处理功能移至RRU侧实现;
  ·增加了时钟同步模块,实现1588v2/SyncE。
  ·扩充了现有BBU-RRU点对点连接方式,考虑前传网络组网的需求,需将每一个RRS看作一个网元,额外增加对RRS的管理功能。
  ·对于一体化RRS,如果将部分基带处理功能移到RRS侧会对增加RRS的热耗散,对RRS的体积和重量会带来较大的影响。RRS的尺寸、重量、热耗与发射功率等级息息相关,按照目前RRS散热能力估算,在高温极限时,热容积大致为15W/升,每增加15W的功耗。相比原有RRU,估计会使RRS体积增加1L,相应地RRS重量会增加约1KG左右。

3.4.2 NGFI对传输网络的影响

支持NGFI的传输设备应该具有较大带宽、低时延、低抖动、支持高时间同步精度、低成本、高集成度等特性。网络需要考虑丢包率、时延、时延抖动等参数。不同的功能划分方案对NGFI网络传输丢包率、时延和时延抖动等的要求是不同的。并且在某一划分方案下不同类型的数据对NGFI网络传输丢包率、时延和时延抖动等的要求也是有差异的。
  ·丢包率:应该避免NGFI的无线前传网络流量拥塞,例如支持QoS。
  ·低时延:为控制时延,对NGFI的无线前传网络的传输距离和跳数有一定限制。
  ·时延抖动:尽量减小。

从前述应用场景来看,NGFI的组网需求与目前回传网络(Backhaul)的需求差别是很大的,利用现有的回传网络(PTN)实现NGFI数据的传输面临很大的挑战。

现在作为传输承载网络的PTN强调的全程全网,业务的组织有可能需要跨越数十甚至上百公里,网络覆盖面积广,业务传送距离远。接入设备是和BBU站点尽量采用共站方式。PTN网络同时为移动回传和大客户租线业务服务。但是前传网络的组织方式和回传有较大的不同。首先,网络是以BBU Pool为核心展开,业务覆盖面积小,传送距离短,前传网络是可以在水平方向分割成若干独立的小岛,业务互不纠缠。其次,RRU站点的分布数量多,间距近,不一定有接入机房,和现有的PTN接入机房,互相重合较小。因此,从网络架构和分布上决定了,无法完全重用现有的PTN网络。

 

4.  NGFI潜在方案分析

 

本章主要针对NGFI潜在的方案进行讨论分析,目前并未穷举所有的划分方案,期待业界更多的划分方案输入作为最终方案的选择。另外,目前仅基于现有LTE进行初步量化分析。对于部分未来网络需求(Massive MIMO、超短帧等),目前仅给出初步的定性分析。后续将逐渐深入研究,分析各个潜在方案的优劣势和对NGFI的性能要求。


4.1 RCC和RRS潜在接口划分方案分析


如上图所示,以LTE为例分析RCC和RRS接口划分方案,以及RCC和RRS接口划分方案对前端传输带的宽需求和对无线侧的影响。其中,上行和下行基带处理可分为载荷相关的用户级处理和载荷无关的小区级处理。图中绿色框图为载荷相关的用户级处理功能模块,黄色框图为载荷无关的小区级处理功能模块,图中蓝色框图中的信道估计和均衡虽然是载荷相关的用户级处理,但是信道估计和均衡处理复杂度还与接收天线数正相关。

为了评估RCC和RRS接口划分方案对前端传输带宽的需求,首先进行如下基本假设[5]:
1)20M LTE载波;
2)2端口;
3)8天线;
4)下行频谱效率为2b/s/hz,上行频谱效率为1.8b/s/hz;
5)下行满负载时最高调制等级为64QAM,上行满负载时最高调制等级为16QAM;
6)最大用户数为100。

备注:下述接口带宽的计算,是基于每扇区每载波得到的小区带宽。RCC和RRS接口划分方案带宽评估未包含同步信息和以太网包头,其中以太网包头引入的载荷与以太网包长度有关。目前仅对不同划分方案给出简略分析,对于上下行的处理,也可采用不同的接口划分方法。同时,不同信道的处理方法也可采用不同划分方式进一步提高效率。比如PSS,SSS,RS,PBCH信号,可以通过配置的方式通过RAU产生,来降低带宽需求。

4.1.1 方案1——层2内部划分方案

层2(L2)内部划分是考虑LTE-A、Pre-5G、5G演进需求,同时尽量降低对传输网络要求,且部署容易的方案。L2内部划分方案总体架构上满足以下几个方面的要求:
1)网络架构上能够做到ms级实时的多小区协作,灵活地支持复杂调度算法;
2)L2调度需具有良好的基于用户数、连接数的可扩展性,可以灵活地满足不同基站容量,不同网络规模的需要,同时满足超高密度小区、Hetnet网络的需求;
3)划分在RCC功能的处理复杂度与业务量线性相关与载波数无关,而划分至远端RSS功能尽量与业务量无关;
4)能够适应现有传输网络(延迟,抖动,带宽),具有良好的适应性。可以支持从百us到10ms的传输时延;
5)可以兼容不同制式的物理层技术,并且能够协同工作;
6)支持面向业务感知的调度。

High MAC-Low MAC划分方案是L2内部划分方案的一种,其出发点包括两个方面:一方面把时延要求较高的部分功能(如HARQ)挪到RRU端,其余功能仍保留在BBU端,可降低对NGFI传输网络时延的要求;另一方面随着无线网络演进,NGFI需考虑对多载波间协作需求的支持。经分析,MAC功能可以划分为跨载波MAC功能和单载波MAC功能两部分。

其中,跨载波MAC功能是多载波共有的“大脑”,通过搜集信息及处理决定是否需要多载波间协作以及多载波间如何进行协作;单载波MAC功能指单个载波内MAC功能,如逻辑信道到传输块的映射/解映射,数据复用/解复用以及HARQ等功能。High MAC-Low MAC划分方案符合接口带宽随业务载荷(如载波数、协作用户数)动态变化原则。跨载波MAC和单载波MAC之间交互的信息主要包括小区和用户的信道信息。协作载波构成第一级协作簇,多个第一级协作簇构成第二级协作簇,依次类推。

由此可见,多载波间的协作是一种树状多层级的协作。其中,不同层级所需的数据/信息量不同,传输交互周期也不同。为了便于评估High MAC-Low MAC划分方案的接口带宽,假设:
1)协作载波数为5;
2)5个载波最大并发协作用户数为300。

那么基于现有LTE初步估计,High MAC-Low MAC划分方案数据面带宽与MAC/PHY划分方案数据面带宽相近,下行约为150Mb/s,上行约为75Mb/s;基于经验分析控制面信息,上行交互信息主要包括信道测量信息,下行交互信息主要包括下行控制信息。因此,估算每个协作用户需交互的信息双向均为10字节,从而5个载波上的300个用户并发协作时交互信息的传输带宽约为24Mb/s。考虑因实现方式不同,引入的实际开销可能会有所差异,假设以最大数据带宽的10%-20%作为额外开销。因此,在High MAC-Low MAC划分方案下,每载波下行和上行总带宽分别为:
1)下行:180Mb/s
2)上行:109Mb/s

由于HARQ随单载波MAC功能一起放在远端的RRU侧,MAC内部划分方案中NGFI接口传输将不受LTE最大HARQ响应时间4ms的时序限制。High MAC-Low MAC划分方案中跨载波MAC与单载波MAC间传输时延要求与具体应用场景相关,如信道变换越快则传输时延越短。初步预计在High MAC-Low MAC划分方案下,对NGFI传输时延的要求约为百us级别。基于现有研究初步评估,时延要求较高的MAC功能放置到RRU上后,NGFI接口传输往返时延可放宽到3~5ms时,对无线性能没有明显影响。

另外,因RLC具有一定的实时性要求,并且MAC层数据可能是突发的,因此兼顾时延要求,所需瞬时带宽可能远大于上述估计带宽。比如单向传输时延要求是100us时,所需瞬时带宽为180Mb/s/100us=1.8Gbps。如果将下行RLC层放在远端,那么时延要求就可以进一步下降,进而降低传输带宽要求。由于将物理层及单载波MAC功能放在远端的RRU侧,如需进行单载波MAC或物理层性能优化、载波聚合等系统维护及扩容升级,那么放在远端RRU侧的处理芯片或软件则需要扩容或升级,因此升级维护难度可能会大幅增加。面向未来新技术(如Massive MIMO),High MAC-Low MAC划分方案对前端传输的带宽要求大幅降低,从而降低了对前端传输网络的需求。High MAC-Low MAC划分方案有利于在RCC内实现CS(Coordinated Scheduling,联合调度)、各种PHY层以上的协作技术、以及C/U分离等。

4.1.2 方案2——MAC/PHY划分方案

MAC/PHY划分方案在协议的MAC层和PHY层之间进行分割,功能划分清晰,划分方案符合接口带宽随业务载荷动态变化原则。如果MAC层及以上功能在服务器上集中实现,那么可充分利用服务器性能优势实现集中式调度、向5G架构演进的新功能。

MAC/PHY分离可以带来如下优势:
1)易于实现大规模的集中化处理和调度,方便现有LTE-A需求的开发。例如CA(Carrier Aggregation,载波聚合)、双连接、CoMP(Coordinated Multi-point Processing,协作多点传输技术)、LTE-U等;
2)便于通用处理平台引入,基于虚拟化技术的发展,易于实现RCC侧功能的扩展;
3)易于实现RCC侧功能的云化,实现处理能力和资源的共享,避免资源浪费;
4)由于MAC的集中化设计,可以做到ms级多小区协作,易于支持复杂的调度算法,为后续5G网络架构演进做好准备;
5)PHY层则可以脱离上层的束缚,在硬件和软件上独立演进。

20MHz LTE载波MAC和PHY的下行数据峰值带宽为150Mb/s,上行数据峰值带宽为75Mb/s。基于前述基本假设4)的频谱效率,可得20MHz LTE载波MAC和PHY的下行数据平均带宽为40Mb/s,上行数据平均带宽为36Mb/s。另外,MAC/PHY划分方案将引入额外载荷,额外载荷主要指调度和配置信息,如MCS、RB分配、天线配置等。

为了评估调度和配置信息数据量,提出如下附加假设条件:
1)用于指示用户上行/下行MCS信息开销为1字节/用户/毫秒;
2)用于指示用户上行/下行RB分配信息开销为1字节/用户/毫秒;
3)指示上行/下行信道天线配置信息开销为2字节/用户/毫秒;
4)如果波束赋形因子位宽为8比特,那么指示用户下行波束赋形信息开销为2字节/RB/端口/天线;
5)调度和配置信息组包引入的额外开销为1字节/用户/毫秒;

基于前述基本假设6)的最大用户数,初步估计调度信息及数据所需的下行带宽约为[(1+1+2+0.5)×100+2×100×2×8]×8×1000=29.2Mb/s;调度信息及数据所需的上行带宽约为(1+1+2+0.5)×8×100×1000=3.6Mb/s。因此,在MAC/PHY划分方案下,每载波下行和上行平均带宽分别为:
1)下行:69.2Mb/s
2)上行:39.6Mb/s

进一步考虑到不同厂商实现方式上的差异,以及封装到不网络层面所需开销的差异,总额外开销所需带宽可以按业务带宽的30%-50%计算,因而每载波下行和上行峰值带宽分别为:
1)下行:225Mb/s
2)上行:112.5Mb/s
受LTE最大HARQ响应时间4ms的时序限制,MAC/PHY划分方案下对RCC-RRS之间的NGFI传输时延要求较高。有研究数据说明在现有功能处理时延不变的情况下,如果叠加的MAC和PHY之间的传输往返时延大于1ms,单用户峰值速率将会受到显著影响;如果叠加的MAC和PHY之间的传输往返时延小于3ms,对小区平均吞吐量不会有明显影响。同时,由于MAC层数据可能是突发的,兼顾时延要求,所需瞬时带宽可能远大于上述估计带宽。比如单向传输时延是100us时,则实际链路带宽需要225Mb/s/100us=2.25Gbps。面向未来新技术(如Massive MIMO),MAC/PHY划分方案对前端传输的带宽要求降低,从而对前端传输资源的需求降低。MAC/PHY划分方案有利于在RCC内实现所有PHY层以外的协作技术,主要包括CoMP的CS、各种PHY层以上的增强技术、C/U分离等。由于将物理层功能放在远端的RRU侧,如需进行物理层性能优化、载波聚合等系统维护及扩容升级,那么放在远端RRU侧的物理层功能处理芯片或软件则需要添加或升级,因此升级维护难度可能会大幅增加。

4.1.3 方案3——Bit-level/Symbol-level划分方案

Bit-level/Symbol-level划分方案符合接口带宽随业务载荷动态变化原则。在满负载状态下,假设公共控制信道占用1个OFDM符号,基于前述基本假设1)和5)的带宽及调制等级,可得20MHz LTE载波比特级处理和符号级处理之间的下行数据带宽约为(1200×6×13+1200×2×1)×1000=96Mb/s;假设上行采用软比特信息位宽为8比特,上行数据带宽为(1200×4×8×12)×1000=461Mb/s。根据MAC/PHY划分方案中对调度和配置信息数据带宽评估,可知在Bit-level/Symbol-level划分方案下,下行和上行总带宽分别为:
1)下行:125.2Mb/s
2)上行:464.6Mb/s

受LTE最大HARQ响应时间4ms的时序限制,Bit-level/Symbol-level划分方案下对BBU-RRU之间的NGFI传输时延要求较高。如果时延达不到要求(百us级别),那么LTE空口性能将无法保证。如果需要对除Bit-level外的物理层功能进行更新或增强,那么则需要更新或升级放在远端RRU侧的物理层处理芯片或软件,因此升级维护难度略微增大。面向未来新技术(如Massive MIMO),传统CPRI接口对传输资源需求巨大,Bit-level/Symbol-level划分方案对前端传输的带宽要求降低,从而对前端传输资源的需求较低。Bit-level/Symbol-level划分方案不但有利于在RCC内实现MAC/PHY划分方案中提及的协作化技术,而且有利于在RCC内实现软信息合并的JR(Jiont Reception,联合接收)和非相干JT(Joint Transmission,联合发送)。

4.1.4 方案4——Symbol-level/Sample-level划分方案

Symbol-level/Sample-level划分方案符合接口带宽随业务载荷动态变化原则。在满负载状态下,假设下行采样点位宽为7比特,那么基于前述基本假设2)的端口数,可得20MHz LTE载波接口4对应的下行数据带宽约为(1200×7×2×14)×2×1000=470.4Mb/s;假设上行采样点位宽为10比特,那么基于上述假设3)上行数据带宽为(1200×10×2×14)×8×1000=2688Mb/s。Symbol-level/Sample-level划分方案引入的额外载荷主要包括上下行RB分配信息、下行天线配置、下行波速赋形因子、调度和配置信息组包引入的额外开销。根据MAC/PHY划分方案中对调度和配置信息数据带宽的评估,Symbol-level/Sample-level划分方案中下行额外载荷带宽为[(1+1+0.5)×100+2×100×2×8]×8×1000=27.6Mb/s;Symbol-level/Sample-level划分方案中上行额外载荷带宽为(1+0.5)×8×100×1000=1.2Mb/s;可知在Symbol-level/Sample-level划分方案下,下行和上行总带宽分别为:
1)下行:498Mb/s
2)上行:2689.2Mb/s

考虑到不同厂商实现方式上的差异,比如上下行采样点位宽可能不一样,上下行数据带宽也会不同。当上下行采样点位宽都为16比特时,并且下行发送的是天线数据而非端口数据时,则上下行业务数据都为(1200×16×2×14)×8×1000=4300.8Mb/s,加上10%的额外开销,上/下行总带宽为4730.9Mbps。

受LTE最大HARQ响应时间4ms的时序限制,Symbol-level/Sample-level划分方案下对BBU-RRU之间的NGFI传输时延要求较高。如果时延达不到要求(百us级别),那么LTE空口性能将无法保证。基于现有LTE的OFDM方案,Sample-level处理几乎不会改变,即使将Sample-level的物理层功能放在远端的RRU侧,也很少影响升级维护。然而,当天线数量显著增加时,比如64,128天线或更多,在3GPP R13中定义的天线端口数将小于天线数量。如果天线端口数是8时,通过时域赋形因子完成天线数据映射,那么其对传输需求和目前8天线一致;如果天线端口数为16或32或64,或者采用非时域赋形因子进行天线数据映射,那么其对前端传输要求将显著增加。Symbol-level/Sample-level划分方案不但有利于在RCC内实现上述Bit-level/Symbol-level划分方案中提及的技术,而且有利于在RCC内实现符号级别处理的JR。

4.1.5 方案5——Baseband/RF划分方案

Baseband/RF划分方案为现有设备中BBU和RRU的接口方案,接口带宽与业务载荷无关。带宽为恒定值:30.72Mbps×32×(10/8)×8=9830.4Mbp/s。在Baseband/RF划分方案5下,下行和上行总带宽分别为:
1)下行:9830.4Mb/s
2)上行:9830.4Mb/s
受LTE最大单向时延4ms的时序限制,Baseband/RF划分方案下对BBU-RRU之间的NGFI传输时延要求较高。如果时延达不到要求(us级别),那么LTE空口性能将无法保证。由于RRU侧仅完成射频相关功能,升级维护难度低。面向未来超高容量超密集技术(如Massive MIMO),Baseband/RF划分方案对前端传输的带宽要求大幅增加,从而对前端传输资源的要求大幅增加。Baseband/RF划分方案虽然可以支持上述所有的协作化技术,但是将CPRI数据封装成IP包后如何满足百us数量级的时延要求是一项巨大的技术挑战。

4.1.6 接口划分方案对比分析

根据前述对接口划分方案1至5的带宽分析,总结得出如下表格。其中,比值是指前端传输带宽和回传带宽的比值;接口1、2、3、4的带宽为最大(或峰值)带宽,接口5带宽为恒定值。

综上所述,不同的接口划分方案具有不同特征,需要与合适的底层传输承载技术匹配才能形成满足未来无线接入网络演进的下一代无线网络主设备接口。

4.1.7 RRS之间数据交互潜在需求分析

在BBU/RRU功能重构后分别重定义名称为RCC和RRS。根据RRS功能定义,不同RRS之间可以进行数据交互以满足协作化或其它无线功能的需求,但并非必然选择。例如,若选定划分方案4,RRS功能简单,在RCC中可满足大部分的协作化或无线功能需求,那么RRS之间就不需要进行数据交互;若选定划分方案1,如果引入进行物理层间的协作化功能,那么就需要引入RRS间的数据交互功能。在RRS之间的数据交互需求(时延、带宽等)也随BBU/RRU功能重构方案的不同而不同。

进一步阐述,如果说RCC和RRS之间的接口划分方案,是一种硬划分方案,RRS数据传输至RCC汇聚处理。基于RRS和RRS之间的接口划分,可以作为一种软划分方案,RRS和RRS之间的传输比较灵活,可以在RRS的功能对等层间进行数据交互。若协作化功能的实现受限于RRS/RCC间功能划分,如JT、MMSE-IRC、UL软信息合并等协作化技术,可借助RSS之间数据交互得到实现。

因此,若考虑完整系统对物理传输设备需求,前传传输设备既需要支持RCC/RRS间数据通信,也需支持RRS间通信。综合二者需求,使得传输设备的设计更具完备性。


4.2 传输和处理时延分配方案潜析


根据LTE协议HARQ过程的要求,假设终端空口上行数据到达RRU基站时间T1子帧时刻(单位ms),那么需要基站在第T1+4个子帧时刻将对应上行时隙的译码结果通知终端,终端根据通知,重传上一次的数据包或者新传数据包。考虑到上下行空口实际传送的时间预留,需要考虑T1时刻至T1+4时刻(共涉及5ms时间)中的2ms的时间用于空口传递数据,留给基站处理全部数据的时间总计只有=3ms。而时间主要包含了两部分时间:
  ·数据在RRU与BBU间的传输时间,数据往返时延对等。
  ·BBU内部处理时间。

4.2.1 采用CPRI接口的BBU/RRU架构的时延估算

当前CPRI连接BBU/RRU的结构下,由于当前CPRI要求最远支持20KM的传输距离,按照光速在光纤中的传输速度判断,光纤传输数据的时间为=100us,因此考虑往返时延后,预留给BBU的处理时间总计约:

假设平均密度达到了每基带板处理6个8天线、20Mhz载波的能力,且同时考虑基带处理核心芯片的使用数量(2片/单板)和处理能力,即每个芯片处理3个8天线、20M载波。假设每个芯片为N个核。如果假设处理时间为2.8ms,在每1ms有3个载波的3个子帧需要处理,处理时间为2.8/3=0.9ms,等效处理能力为初步估算每载波每ms需要占用1/3的芯片能力N/3。2.8/3=0.9ms的处理时间。表示每个载波的实际处理时间总和约900us,这包含了上行物理层处理时间、下行物理层处理时间,也包含了MAC层处理时间。

4.2.2 采用NGFI的RCC/RRS架构的时延估算

采用NGFI后,若将重划分的切割点放在HARQ中间,由于引入了额外的交换机的包交换时延,传送数据时间需额外考虑一定的预留时间。假设最为恶劣的传输条件下,所需的单向传输数据时间为=500us,那么预留给BBU的处理时间总计约:

如果不改变基带软件处理方式,考虑当前基带芯片的处理能力(单载波绝对处理时间0.9ms),那么将使得现有基带处理板能力下降为每单板处理4个8天线、20Mhz载波。如果考虑优化基带软件处理方式,也可能在同样处理资源的条件下,通过增加处理任务的并行度来降低处理时延,那么通过基带软件优化可利用并行处理减少处理时间。另外,由于基带处理流程中,耗时最长且无法并行化处理部分是处理流程中无法缩短的最耗时流程。无论将最耗时流程中的子处理模块放置于远端还是近端都不会对总时延估算产生影响。

综上,若预留给传输的时间过少,那么对交换延迟的要求就会过高,造成传输设备的成本上升。若预留给基带处理的时间过少,那么将会对无线主设备的的要求提高。总时间一定的条件下,如何裁定预留给数据传输和基带处理的时间将会是平衡双方设备的首要问题,但考虑到包交换带来的额外优势,一定程度的成本上升是可以容忍的。,所以将划分点放置于HARQ中间,并非完全不可接受。

传输设备集采规范为单跳设备引入的转发处理时延不超过50us,这样6跳设备引入的处理时延就会达到300us。然而,可用于传输设备的当前交换芯片转发时延可以低至1us/芯片左右,现有传输设备时延偏大主要来自于系统设计的各种考量,以及外围的辅助芯片(实现复杂的QoS设置等)引入的额外时延。目前已有交换芯片公司正在规划小于1us的交换芯片,因此如果使用优化设计的前端传输网络交换设备,尽量基于优化的单芯片设计方案,减少辅助芯片的使用,适当配置交换芯片,预计可以将单跳设备引入的时延降低到20us,甚至10us以内。


4.3 数据统计复用收敛比分析


数据统计复用收敛比是基于参考业务模型估计得到,参考业务模型是基于北京移动提供的现网数据建立。后续将以更小的时间颗粒度(比如15分钟)分析多个站点在不同时间区间的负载总和,另外还需要分析更多的现网数据来完善参考业务模型。

收敛是指N对应到M的一个过程。假设X个基站的总前端传输峰值带宽为N,当基站均按照参考业务模型工作时,如果在一定的服务质量约定下,带宽为M的前端传输系统就能够满足X个基站的前端传输需求,则定义数据统计复用收敛比为M:N。

4.3.1 现网数据统计分析

北京移动提供了天宁寺附近6个站点连续7天的负载监测数据,其中4个站点为室外宏站,包含11个TDD LTE载波;2个是站点为室内分布系统,包含25个载波。监测数据的时间颗粒度为15分钟,即每15分钟查询一次载波负载状态。监测数据区域位于中国移动研究院附近,区域内4G终端用户数量巨大,可视为一个典型的CBD业务区,满足典型TDD LTE业务场景要求。

6个站点分别命名为站点1至6,业务量数值以百分数计,数值范围是[0,100]。回传带宽单位是兆比特每秒(Mbps)。峰值或谷值子项中时间是指峰值或谷值在每天0到24小时出现的绝对时间,平均值子项中时间是指业务量处于[平均业务量-1%,平均业务量+1%]区间的持续时间长度,单位为小时(h)

由上述统计数据,初步可得如下特征
1)业务峰值不高,并且持续时间较短,不超过30分钟;
2)多个站点同时出现峰值概率几乎为0;
3)业务谷值很低,并且持续时间较长,大于2小时;
4)多个站间会同时出现谷值,并且重叠时间较长;
5)平均业务量较低,并且大部分时间的业务量分布在平均业务量附近;
6)写字楼等办公区域潮汐效应十分显著,每天至少有1/2时间处于0负载状态;
7)上行业务量低于下行业务量,特别是上行回传带宽几乎是下行回传带宽的1/10。


4.4 方案小结


根据对上述潜在方案的分析,NGFI是综合考虑前端传输带宽、成本、时延、移动业务特征、对未来新技术的支持、升级维护难度和可支持的协作化算法等级等因素的折中方案。同时考虑向Cloud RAN的演进过程,以及传输网络向更高带宽、更低传输时延演进的发展趋势,为了更好地适应未来无线技术的发展变化,增强前传接口的生命力,NGFI接口应该是一个可演进的接口。

方案5由于带宽要求高属于CBR(Constant Bit Rate,恒定比特率)业务。在光纤资源相对富裕和有条件直接部署低成本的传输设备的应用场景下,采用基于CPRI的传输技术也可以满足基带集中化部署的需要。在单站天线数目较少,拉远距离相对较短的场景下(如室内部署),若配合使用ROE(Radio Over Ethernet)/COE(CPRI Over Ethernet)技术,由于可以充分利用现有基站设备和传输资源,该方案仍有其优势。

基于划分方案1的设备,可以在现有的PTN传输网上升级实施,将MAC层时延要求较高的功能部署到RRS上,可以大大降低RCC设备成本,同时向5G演进时不会对传输网以及RCC已有的硬件投资造成较大冲击;在现有转发跳数不多的PTN网络上或者未来较低转发时延的下一代PTN网络上,基于划分方案2的设备则可以直接部署。

随着基站虚拟化技术向物理层的进一步推进,并且考虑到未来基于物理层的协作处理技术的发展变化,未来基于物理层内部划分方案的需求也会越来越明显。由于这类方案将需要跨载波处理的L1以上的功能集中部署在服务器上,仅需本地处理部分放在远端,未来无线技术演进只需要升级服务器上的软件以及远端设备即可。由于该方案对带宽需求较大,对时延抖动要求更严格,现有PTN无法满足要求。如果在成本相对较低的传输网络上部署,需要下一代高带宽,低时延抖动的PTN网络支持。

至于哪一种划分方案适用于NGFI,还需后续进一步深入研究各潜在的划分方案。

 

5  NGFI需求定义

 

本章内容应在第四章潜在方案分析充分讨论形成共识的基础上,针对共识方案整理指标要求。目前本章仅提供NGFI需求的功能性定义,对于部分标注为TBD的性能指标定义还有待进一步完善和确定。

5.1 GFI无线接口要求

5.1.1 数据分组化要求
NGFI接口上需要支持四种类型数据流:
  ·无线用户平面数据包
  ·控制管理包
  ·同步包(SYNC-E SSM、IEEE1588v2)
  ·OAM包

5.1.2 同步要求

因最终宏站空口的频率同步目标精度满足0.05ppm,时间同步目标精度为+/-65ns(TBD)。因此RCC-RRS之间的NGFI接口频率同步精度暂定为+/-4.6ppm(TBD),时间同步精度目前暂定为+/30ns(TBD)。在NGFI后续研究中将会建立相关模型做进一步分析。

5.1.3 带宽要求

NGFI上下行传输带宽和所采用的无线功能划分方案相关,同时也依赖于载波数目和信道带宽,在某些特定划分方案下与天线数目也有关系。不同划分方案的传输带宽要求参见表3-1,NGFI的传输带宽要求为:
NGFI下行传输带宽不超过150Mbps。(TBD)
NGFI上行传输带宽不超过500Mbps。(TBD)

5.1.4 最大时延要求

前端传输网络至少支持6跳,单向最大总传输时延不超过220us(TBD)。
其中,光纤传输最大时延不超过100us(与支持的最大传输距离相关)。

5.1.5 传输距离要求

前传网络支持的最大传输距离为20km。

5.1.6 时延抖动要求

对NGFI分组数据而言,前端传输网络至多支持6跳,单向最大时延抖动不超过60us(TBD)。

5.1.7 丢包率要求TBD

5.1.8 传输延迟测量和校准

提供RCC-RRS间点对点传输时延测量的上报能力,为上层无线侧协议栈软件提供必要的指示性信息。时延测量应在设备上电或者RCC-RRS之间传送通道建立的时候自动发起,也可以由网管手工发起。

5.1.9 QoS要求

RCC和RRS应能对NGFI接口上面传送的数据包进行QoS标记。

5.1.1 0C&M要求

NGFI接口应能提供C&M通道以便于RCC对RRS的控制和管理。

5.1.11 OAM要求

NGFI接口应能支持符合Y.1731/IEEE802.1ag的以太网OAM功能,以实现对RCC-RRS之间的NGFI接口的故障检测,故障定位以及性能监测。

5.2 NGFI前传网络承载要求

本节内容暂基于PTN的方案提出建议[6]。

5.2.1 业务承载要求

NGFI接口的无线平面数据包和控制管理包优先采用E-Line(VPWS)承载,也可以采用E-LAN(VPLS)方式承载。

5.2.2 数据转发和统计复用要求

用于承载NGFI的传输设备应该支持基于MPLS-TP的数据转发并支持统计复用。

5.2.3 QoS要求

用于承载NGFI的传输设备应根据NGFI报文中的优先级和着色情况进行服务等级映射,实现DiffServ的每跳行为(PHB)。

5.2.4 同步要求

用于承载NGFI的传输设备的频率同步应遵循G.8262/G.8264 EEC Option 1,时间同步应采用IEEE1588并遵循中国移动PTN相应企业标准。

5.2.5 时延要求

无阻塞时,用于承载NGFI的传输设备单跳转发时延不超过20us(TBD)。

5.2.6 OAM要求

用于承载NGFI的传输设备应符合中国移动PTN规范中所要求的以太网业务层和MPLS-TP层的OAM功能。

5.2.7 保护倒换控制

用于承载NGFI的传输设备应支持中国移动PTN规范中所要求的网络保护机制,包括MPLS-TP环网,线性保护以及双归保护机制,传输保护倒换时延小于50ms。

5.2.8 丢包率要求

不超过90%吞吐量时,对于高优先级数据包,丢包率为0,对于非高优先级数据包,丢包率不超过1×10-7。


5.3 设备形态需求


5.3.1 无线设备形态需求

5.3.1.1 RRS设备要求:对于远端重新划分功能后的新RRS应尽量选择室外设备形态,并由于与传输设备的连接接口也暴露于室外,需考虑其满足室外要求,应通过加强防水、增强密闭性等措施,确保室外设备及其接口的可靠性。

5.3.1.2 RRS同步实现要求:RRS频率同步来源于前传网络,宏站空口同步精度满足0.05PPM的要求,RRS时间同步来源于外部以太网的1588v2协议,精度满足+/-65ns的要求。

5.3.1.3 RCC同步实现要求:RCC的频率和时间同步可来源于外部传输网络或GPS/北斗。

5.3.1.4 网络管理功能要求:将RRS与RCC视为对等网元,统一进行资源管理,RCC与RRS间对应关系可通过网管配置重新指派。

5.3.1.5 RRS前向兼容性需求:RRS应该提供对NGFI以及传统CPRI的支持。

5.3.2 传输设备形态需求

支持NGFI的传输设备可以为PTN、以太交换机等分组交换设备。对于交叉容量:以支持百载波量级的无线前传网络为例,假设组环网,环上承载载波数目为N,每个载波前传需要带宽BW,分组网络收敛比为CR,本地基站上下业务带宽LB,并考虑保护需求,则所需交叉容量为BW*N*CR*2+LB。如果100个载波,每载波需要1G带宽,收敛比1/3,本地基站上下业务带宽10G,则所需交叉容量为78G。

对于端口速率:根据上述模型,需支持100G端口。对于本地基站上下业务,需要支持1G、10G端口。支持NGFI的传输设备可以以模块或板卡的形式集成在远端或局端无线设备中,以节约机房空间。

 

6  总结

 

传统的前传接口,如CPRI由于自身的点对点传输模式,固定速率传输特性等原因,存在传输效率低,可扩展性差,灵活性差等缺点,不适合未来无线网络架构。随着无线网向5G演进,需要进行重新设计。

本白皮书介绍了中国移动关于下一代无线电前传接口NGFI的思考,设计准则及相关进展,并制定了NGFI需求。NGFI的设计需要联合考虑无线和传输两个层面。在无线层面,BBU和RRU需要进行功能重新划分,考虑数据总吞吐量随空口实际服务用户的数量变化而改变,利用分组包的统计复用效果降低总传输成本。另一方面,还需考虑无线协作化的性能需求。即:将通过集中化可获得高协作化增益的BBU功能在BBU资源池中实现,针对集中化处理后无协作化增益或者低协作化增益的功能移至RRU实现,分布式放在远端,从而实现最大的无线增益。此外,NGFI带宽应该和天线无关,以便更好支持5G多天线技术。

在传输层面,NGFI要求接口分组化以便于利用以太网进行传输,进而实现灵活的RCC和RRS间的连接关系。如何实现对NGFI数据的支持,尤其是对时延、时延抖动及同步的支持,是设计以太网前传网络的主要挑战。

借此白皮书,我们诚挚地邀请所有移动运营商、电信设备厂商、传统IT系统厂商、以及关注未来前传网络演进的产业界和学术研究机构积极参与到NGFI关键技术的研究中,共同推动NGFI愿景早日成为现实。

缩略语
NGFI Next Generation Fronthaul Interface 下一代无线电前传接口
BBU Baseband Unit 基带单元
HARQ Hybrid Automatic Repeat Request 混合自动重发请求
RRU Remote Radio Unit 远端射频单元
CPRI Common Public Radio Interface 通用公共无线电接口
C-RAN Centralized, Cooperative, Cloud RAN 集中式/协作式/云计算无线接入网
3GPP the 3rd Generation Partner Project 第三代合作伙伴计划
RCC Radio Cloud Center 无线云中心
RAU Radio Aggregation Unit 射频聚合单元
Sync-E Synchronous Ethernet 同步以太网
RRS Remote Radio System 远端射频系统
UE User Equipment 用户设备
RB Resource Block 资源块
CoMP Coordinated Multi-point Processing 协作多点传输技术
CS Coordinated Scheduling 联合调度
JR Jiont Reception  联合接收
JT Joint Transmission 联合发送
MCS Modulation and Coding Scheme 调制与编码策略
PTN Packet Transport Network 分组传送网
PON Passive Optical Network 无源光纤网络
WDM Wavelength Division Multiplexing 波分复用

参考文献
[1]中国移动通信千亿国际娱乐886研究院,C-RAN白皮书 v3.0,2014年7月.
[2]CPRI,Common Public Radio Interface (CPRI) Specification v6.0,Tech. Rep. Aug. 2013,URL: http://www.cpri.info.
[3]NGMN Alliance,NGMN 5G White Paper v1.0, February 17,2015.
[4]Chih-Lin I, Rowell C., Shuangfeng Han, Zhikun Xu, Gang Li and Zhengang Pan,Toward green and soft: a 5G perspective,IEEE Commun. Mag.,52(2),66-73,2014.
[5]NGMN, Further study on critical C-RAN technologies, April, 2015.
[6]中国移动,中国移动分组传送网(PTN)设备技术规范,2014年.

致谢
诚挚的感谢如下单位和作者为本白皮书做出的贡献:
中国移动通信研究院:易芝玲、崔春风、李晗、韩柳燕、黄金日、段然、袁雁南、马世佳、孙军帅、孔令斌、程伟强
上海贝尔股份千亿国际娱乐886:张晓文、江晓根、刘方鑫
诺基亚网络:于飞、吴志远、许小林
中兴通讯股份千亿国际娱乐886:向际鹰、李玉洁
博通公司:何宗应
英特尔中国研究中心:张旭、周凤

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