吳 越，黃 蓉，王友祥（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

隨著移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，軟件驅(qū)動、基站硬件白盒化、接口開放的要求驅(qū)使無線接入網(wǎng)絡(luò)朝著更加開放與智能的方向演進(jìn)，而基站與射頻間前傳接口的開放是其中一個重要的目標(biāo)。基站與射頻間前傳接口的標(biāo)準(zhǔn)化與開放化使得異廠商設(shè)備互聯(lián)互操作成為可能，有利于無線接入網(wǎng)的靈活部署，有利于創(chuàng)造有競爭力、有活力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。3GPP定義了底層分離接口的物理層內(nèi)功能劃分，O-RAN 聯(lián)盟WG4 定義了基于物理層內(nèi)劃分的開放前傳接口技術(shù)，本文將探討開放前傳接口技術(shù)、不同的底層切分方式對前傳接口的影響以及如何在5G 數(shù)字化室分系統(tǒng)中引入開放前傳接口技術(shù)。

1 前傳接口架構(gòu)

根據(jù)O-RAN聯(lián)盟對無線接入網(wǎng)的劃分，基站系統(tǒng)可以分為O-RAN 控制單元（O-CU）、O-RAN 分布單元（O-DU）和O-RAN 射頻單元（O-RU）。O-CU 與ODU 間的接口稱為高層分離接口，即HLS 接口，例如3GPP F1 接口。O-DU 與O-RU 間的接口稱為底層分離接口，即LLS 接口，例如O-RAN WG4 開放前傳工作組定義的管理面接口、控制面用戶面同步面接口。

本文所指前傳接口是指O-DU 與O-RU 間的接口，即LLS 接口，分為管理面接口LLS-M，控制面用戶面同步面接口LLS-CUS，另外，網(wǎng)管系統(tǒng)（例如NMS）也有可能通過前傳接口連接管理O-RU，如圖1所示。

圖1 開放前傳接口架構(gòu)

2 前傳接口功能劃分

3GPP 定義了CU 和DU 間不同方式的協(xié)議棧功能劃分，與LLS 有關(guān)的劃分選項包括Option6、Option7 和Option8。其中的Option7 是物理層內(nèi)切分，又可細(xì)分為Option7-1、Option7-2x和Option7-3等。

LLS接口功能劃分選項如圖2所示。

對物理層進(jìn)行切分的一個主要目的是為了降低O-DU 與O-RU 間前傳接口的帶寬要求。在傳統(tǒng)的劃分方式Option8中，物理層全部位于O-DU，O-RU 的實現(xiàn)則相對簡單，這種方式對前傳接口帶寬要求在與LLS 有關(guān)的幾種方式中是最高的。而Option7 對物理層內(nèi)部做新的劃分，物理層分為PHY-high 和PHYlow 分別位于O-DU 和O-RU，這樣O-RU 的實現(xiàn)會變得復(fù)雜些，但降低了前傳接口帶寬的要求。即不同的物理層切分方式對前傳接口帶寬有不同的要求，物理層切分越靠近MAC層對前傳接口帶寬的要求越低，物理層越靠近RF對前傳接口帶寬的要求越高。由于5G對大帶寬、多天線的需求，同時考慮到O-RU應(yīng)盡量簡單和降低前傳接口帶寬要求這2 個互相競爭的因素，Option7-2x被認(rèn)為是當(dāng)前主流的一種切分方式。

圖2 LLS接口功能劃分選項

不同切分方式對前傳帶寬的速率要求舉例如表1和表2 所示。假設(shè)系統(tǒng)參數(shù)取值如表1 所示，則前傳帶寬速率估計如表2所示。

3 前傳接口協(xié)議和協(xié)議轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的Option8 架構(gòu)中，前傳接口采用基于時分的CPRI 協(xié)議。Option8 要求整個物理層在O-DU 實現(xiàn)，用戶面的數(shù)據(jù)經(jīng)過O-DU 物理層的IFFT 已經(jīng)由頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時域數(shù)據(jù)，所以在經(jīng)由前傳接口傳輸時這些時域的用戶面數(shù)據(jù)容易被封裝到基于時分的CPRI 幀里進(jìn)行傳輸。除了用戶面，CPRI 協(xié)議還定義了對于控制管理面和同步面的支持，對于控制管理面，一般基于CPRI 定義的Fast C&M 通道，采用運(yùn)營商或廠家私有層三協(xié)議實現(xiàn)，例如IR 協(xié)議，對于同步面，它是通過CPRI幀里的同步控制字段實現(xiàn)超幀、幀的同步。

表1 系統(tǒng)參數(shù)取值

表2 不同切分方式前傳帶寬估計（單位：Gbit/s）

而在Option7-2x 架構(gòu)中，前傳接口采用基于頻分的eCPRI 協(xié)議。Option7-2x 的物理層內(nèi)切分方式要求IFFT/FFT位于O-RU，因此經(jīng)由O-DU 和O-RU 間前傳網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膃CPRI消息里封裝的用戶面數(shù)據(jù)是還未經(jīng)IFFT 變換的頻域數(shù)據(jù)。eCPRI 協(xié)議只支持用戶面數(shù)據(jù)，包括實時控制數(shù)據(jù)，而對于Option7-2x 的管理面，一般采用通用的傳輸管理層協(xié)議，例如基于TCP 的NETCONF/YANG 協(xié)議等，對于同步面，也是采用現(xiàn)存的同步面協(xié)議，例如SyncE、PTP等。

2 種前傳接口協(xié)議有相互轉(zhuǎn)換的需求，例如當(dāng)新建支持eCPRI 的基站節(jié)點(diǎn)（eREC）時，為了重用已有的支持CPRI 的RRU 節(jié)點(diǎn)（RE），需要實現(xiàn)橋接eCPRI 節(jié)點(diǎn)和CPRI節(jié)點(diǎn)的IWF功能；或當(dāng)遷移到基于以太的前傳網(wǎng)絡(luò)，為了重用已有的CPRI 基站節(jié)點(diǎn)（REC）和CPRI RRU 節(jié)點(diǎn)（RE）時，需要實現(xiàn)橋接CPRI 節(jié)點(diǎn)的IWF 功能。實現(xiàn)IWF 功能的實體也可以稱之為FHGW，在數(shù)字室分系統(tǒng)中一般推薦由HUB 實現(xiàn)eCPRI/CPRI協(xié)議轉(zhuǎn)換的IWF功能。

IWF有3種類型。

a）Type 0：eREC?前傳網(wǎng)絡(luò)?IWF type 0?RE。

b）Type 1：REC?IWF type 1?前傳網(wǎng)絡(luò)?IWF type 2?RE。

c）Type 2：REC?IWF type 1?前傳網(wǎng)絡(luò)?IWF type 2?RE。

IWF type 0 實際上承擔(dān)了eREC 和RE 間用戶面數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇砉δ埽瑥膃REC 角度來說，（IWF type 0+RE）被認(rèn)作為一個eRE，從RE 角度來說，（eREC +IWF type 0）被認(rèn)作為一個REC。IWF type 0 概念如圖3所示。

圖3 IWF type 0概念

IWF type 0是一種功能，IWF可以位于eREC/eRE，也可作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（例如橋、路由器設(shè)備或數(shù)字室分系統(tǒng)中的HUB）。當(dāng)IWF 位于靠近CPRI RE 的節(jié)點(diǎn)時，邊緣數(shù)據(jù)中心和遠(yuǎn)端站點(diǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)可以使用以太包交換網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)IWF 位于邊緣數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)時，可以新增eREC 基站而不影響現(xiàn)有的CPRI 傳輸網(wǎng)。IWF type 0可以有如圖4所示的幾種部署方式。

對于IWF type 1和type 2，實際上是把REC發(fā)出的CPRI 幀通過IWF type 1 轉(zhuǎn)化為eCPRI 幀發(fā)給IWF type 2，然后轉(zhuǎn)化為CPRI 幀再發(fā)給RE。IWF type 1 和IWF type 2概念如5圖所示。

4 5G數(shù)字室分前傳架構(gòu)

5G 數(shù)字化室分系統(tǒng)由基帶單元（BBU）、遠(yuǎn)端匯聚單元（HUB）和無線射頻單元（pRRU）組成，基帶單元與遠(yuǎn)端匯聚單元拓?fù)渲С中切芜B接、鏈形連接。本章節(jié)主要研究如何在數(shù)字室分系統(tǒng)中引入開放前傳接口。

數(shù)字室分前傳架構(gòu)可以有以下3種模式。

模式1：完全Option7-2x 模式，即BBU?HUB?pRRU間全是Option7-2x切分。

模式2：Option7-2x和Option8轉(zhuǎn)換模式，即BBU?HUB 間是Option7-2x 切分，HUB?pRRU 間是Option8切分。

模式3：完全Option8 模式，即BBU?HUB?pRRU間全是Option8切分。

當(dāng)前LTE 數(shù)字室分前傳架構(gòu)采用模式3：完全Option8模式，即BBU 與HUB 與pRRU 間的連接都是基于Option8 劃分，它的控制面用戶面同步面采用CPRI 協(xié)議，層三管理面一般采用基于CPRI Fast C&M 的運(yùn)營商或廠家私有協(xié)議，例如IR 協(xié)議。5G 數(shù)字室分前傳架構(gòu)可以采用上述3種模式中的1種。

圖4 IWF type 0部署方式

圖5 IWF type 1和IWF type 2概念

a）從5G 大帶寬、多天線的需求及開放前傳接口技術(shù)發(fā)展的方向來看，完全Option7-2x 的模式可能會逐漸成為未來發(fā)展的主流。

b）從節(jié)省投資，分步實施，快速部署的角度來看，模式2具有現(xiàn)實意義。

c）對于某些場景，例如對于帶寬要求不高，人員不密集的場所，模式3也有其意義。

模式3 的問題是前傳接口不開放，BBU 和RRU 不能解耦，本節(jié)將主要探討符合開放前傳接口技術(shù)發(fā)展方向的，基于Option7-2x 的模式1 和模式2。按照ORAN 開放前傳接口定義，基帶單元（BBU）可以匹配為O-DU，而HUB 和pRRU 對O-RU 的匹配有多種可能性。例如，根據(jù)Low-PHY 位置的不同，當(dāng)Low-PHY 位于無線射頻單元（pRRU）時，無線射頻單元是O-RU，當(dāng)Low-PHY 位于HUB 時，HUB 也可以是一種O-RU。模式1和模式2的問題是不能完全匹配O-RAN開放前傳接口架構(gòu)，O-RAN WG4 開發(fā)前傳工作組沒有明確定義HUB 的概念。例如，對模式1，HUB 上沒有Low-PHY，不符合標(biāo)準(zhǔn)O-RU 的定義，但是本文仍然可以把它認(rèn)作一種O-RU；對模式2，HUB 上引入Option7-2x和Option8 轉(zhuǎn)換功能，Low-PHY 位于HUB，那么是把HUB 單獨(dú)做為O-RU，還是把（HUB+pRRU）整體當(dāng)作O-RU？下面針對不同模式分別進(jìn)行分析。

4.1 模式1：完全Option7-2x模式

完全Option7-2x 模式下，HUB 和pRRU 分別作為獨(dú)立的O-RU。HUB 和pRRU 各自做為NETCONF 服務(wù)器，與O-DU 分別建立起單獨(dú)的NETCONF 連接。O-DU 與pRRU 間的NETCONF 連接需要經(jīng)由HUB 中轉(zhuǎn)，需要HUB 支持DHCP 中繼功能，由O-DU 上的DHCP服務(wù)器分配pRRU IP地址。

完全Option7-2x 模式下，Low-PHY 位于pRRU，pRRU 需要執(zhí)行用戶面配置，HUB 自身不需要用戶面配置，但是HUB需要執(zhí)行copy和combine相關(guān)的配置，以把用戶面數(shù)據(jù)分發(fā)到pRRU（下行），或把用戶面數(shù)據(jù)合并發(fā)往O-BU（上行）。

完全Option7-2x 模式下，1 個帶8 個pRRU 的HUB被認(rèn)作為8 個代表pRRU 的O-RU 和1 個代表HUB 的O-RU，O-DU需要與它們建立起9條NETCONF連接。

圖6所示為完全Option7-2x模式。

4.2 模式2：Option7-2x和Option8轉(zhuǎn)換模式

根據(jù)O-DU 對HUB 和pRRU 管理的不同，模式2又可以分成如下2種類型。

a）HUB和pRRU分別做為獨(dú)立的O-RU。

b）HUB和pRRU被看作1個O-RU。

4.2.1 HUB和pRRU分別做為獨(dú)立的O-RU

圖6 完全Option7-2x模式

此種模式下，HUB 和pRRU 分別作為獨(dú)立的ORU。HUB 和pRRU 各自做為NETCONF 服務(wù)器，與ODU 分別建立起單獨(dú)的NETCONF 連接。O-DU 與pRRU 間的NETCONF 連接需要經(jīng)由HUB 中轉(zhuǎn)，需要HUB 支持DHCP 中繼功能，由O-DU 上的DHCP 服務(wù)器分配pRRU IP地址。

需要注意的是，這種模式要求HUB 部分控制pRRU 的啟動過程。例如，Option8 采用CPRI 協(xié)議的話，HUB 需要控制HUB 和pRRU 間CPRI 鏈路的建立與同步、pRRU 的檢測等。一旦pRRU 啟動完成，CPRI鏈路上的Fast C&M 既已建立，Ethernet使能，隨后流程遵循O-RAN WG4 管理面規(guī)范所述O-RU 啟動流程，pRRU建立起與O-DU的NETCONF連接。

此種模式下，Low-PHY 位于HUB，由于HUB 上沒有載波配置因此不需要執(zhí)行自身相關(guān)的用戶面配置，但是需要執(zhí)行用戶面轉(zhuǎn)換相關(guān)的配置。例如，假設(shè)用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是eCPRI 轉(zhuǎn)CPRI，那么為了使得eCPRI的數(shù)據(jù)被HUB正確轉(zhuǎn)換成CPRI數(shù)據(jù)并被插入到CPRI幀正確的位置，O-RAN WG4 管理面規(guī)范及其YANG模型需要做一些針對HUB的擴(kuò)展。

pRRU 上已有載波配置，因此需要執(zhí)行用戶面配置，需要注意的是pRRU需要執(zhí)行基于Option8的NETCONF/YANG 用戶面配置，而當(dāng)前O-RAN WG4管理面規(guī)范定義的是基于Option7-2x 的NETCONF/YANG 模型，如何實現(xiàn)基于Option8 的pRRU NETCONF 啟動過程及其YANG模型需要進(jìn)一步研究。

此種模式下，1 個帶8 個pRRU 的HUB 被認(rèn)作為8個代表pRRU 的O-RU 和1 個代表HUB 的O-RU，ODU需要與它們建立起9條NETCONF連接。

圖7 所示為此種Option7-2x 和Option8 轉(zhuǎn)換模式1。

圖7 Option7-2x和Option8轉(zhuǎn)換模式1

4.2.2 HUB和pRRU被看作1個O-RU

此種模式下，只有HUB 有NETCONF 服務(wù)器可以與O-DU 建立起NETCONF 連接，而pRRU 被隱藏，（HUB+pRRU）做為一個整體O-RU 暴露給O-DU。pRRU 的管理，例如啟動、IP 地址分配、版本升級和配置等由HUB 負(fù)責(zé)，HUB 同時負(fù)責(zé)建立起與pRRU 的內(nèi)部管理面連接和CUS 面連接。建立HUB 和pRRU 間的內(nèi)部連接有多種可能性，例如管理面可以是基于NETCONF 的連接，也可以是廠家自定義，CUS 面連接可以是基于Option8 的CPRI 協(xié)議連接，也可以是廠家自定義。

對于HUB（+pRRU）來說，它作為一個O-RU 遵循O-RAN WG4 管理面規(guī)范所述啟動流程，建立起和ODU 的NETCONF 連接，O-DU 為每個HUB（+pRRU）分配IP 地址，而pRRU 的內(nèi)部IP 地址可由HUB 自主分配。

另外，因為O-DU 和pRRU 間沒有直接的管理面連接，因此O-DU 需要通過和HUB 的NETCONF 連接下發(fā)用戶面配置給HUB，由HUB 轉(zhuǎn)換為Option8 的用戶面配置，再通過HUB 和pRRU 間建立起的管理面連接下發(fā)給pRRU。

此種模式下，1 個帶8 個pRRU 的HUB 被認(rèn)作為8個單獨(dú)的O-RU，O-DU 需要與它們建立起8 條NETCONF連接。

圖8所示為Option7-2x和Option8轉(zhuǎn)換模式2。

圖8 Option7-2x和Option8轉(zhuǎn)換模式2

4.3 模式3：完全Option8模式

Option8 模式采用傳統(tǒng)CPRI 接口協(xié)議，BBU 發(fā)出的下行用戶面數(shù)據(jù)經(jīng)由HUB 分發(fā)到各個pRRU，每個pRRU發(fā)出的上行數(shù)據(jù)經(jīng)由HUB合并發(fā)送到BBU。由于物理層全部位于BBU，用戶面數(shù)據(jù)在BBU 前傳接口發(fā)出的數(shù)據(jù)是已經(jīng)經(jīng)過IFFT 轉(zhuǎn)換的時域數(shù)據(jù)，因此BBU 與HUB 與pRRU 間均為Option8 切分。Option8 模式的控制&管理面沒有采取開放接口，各廠家應(yīng)用自己的私有協(xié)議，因此Option8 模式不支持BBU 和RRU解耦，不符合前傳接口未來技術(shù)發(fā)展方向。

圖9所示為完全Option8模式。

4.4 模式1和模式2的比較

由于模式3所用接口協(xié)議CPRI存在控制&管理面接口協(xié)議不開放的問題，不符合開放前傳接口技術(shù)發(fā)展方向，預(yù)計未來5G基站前傳接口會越來越多地轉(zhuǎn)向模式1 和模式2，下面主要比較一下模式1 和模式2 的區(qū)別以及優(yōu)缺點(diǎn)。

首先，不同劃分方式對數(shù)字室分系統(tǒng)前傳帶寬的要求如下。

a）Option7-2x方式，采用eCPRI協(xié)議，其數(shù)據(jù)速率估計公式如下：

圖9 完全Option8模式

（a）有壓縮：FH_BW≈［（12×2×9+4）× Nbr_RBs ×Nbr_Spatial_layers］×［1 000×2μ×14］× 1.20×1.15。其中，當(dāng)SCS 為15 kHz 時，μ=0，當(dāng)SCS 為30 kHz 時，μ=1；1.20 表示控制消息、接口以及以太網(wǎng)的消耗；1.15 表示以太網(wǎng)傳輸余量，以避免擁塞等；PRB 壓縮算法假設(shè)為block floating point compression（9 bit/4 bit-exponent），用正常的cyclic prefix（14 symbols per slot）；上下行的控制信息均為從DU到RU，所以上行數(shù)據(jù)速率會稍微降低一些，如5%。以1 個100 MHz、4T4R、IQ_9 的小區(qū)為例，則：速率=［（12×2×9+4）×273×4］×（1 000×2×14）×1.2×1.15=9.28 Gbit/s。

（b）無壓縮：FH_BW ≈［（12×2×15）× Nbr_RBs ×Nbr_Spatial_layers］×［1000 × 2μ × 14］× 1.20 × 1.15。其中，當(dāng)SCS 為15 kHz 時，μ=0，當(dāng)SCS 為30 kHz 時，μ=1；1.20 表示控制消息、接口以及以太網(wǎng)的消耗；1.15 表示以太網(wǎng)傳輸余量，以避免擁塞等；采用非壓縮格式，IQ_15；上下行的控制信息均為從DU 到RU，所以上行數(shù)據(jù)速率會稍微降低一些，如5%。以1 個100 MHz、4T4R、IQ_15 的小區(qū)為例，則：速率=［（12×2×15）×273×4］×（1 000×2×14）×1.2×1.15=15.2 Gbit/s。

（c）綜上，eCPRI速率如表4所示。

b）Option8 方式采用CPRI 協(xié)議，其數(shù)據(jù)速率估計公式如下：FH_BW=Fs× IQ × CPRI line coding × Antenna。其中，F(xiàn)s 為采樣率；IQ 為壓縮格式；CPRI line coding 為CPRI 線編碼，例如CPRI 比特率Option8 的線編碼64B/66B；Antenna 為天線數(shù)量。以1 個100 MHz、4T4R、無壓縮IQ_15 的小區(qū)為例，速率=122.88 Msps×30×66/64 ×4=15.2 Gbit/s；以1 個100 MHz、4T4R、有壓縮IQ_9的小區(qū)為例，速率=122.88 Msps×18×66/64×4=9.1 Gbit/s。具體見表5。

表4 eCPRI速率

表5 CPRI速率

可以看到，在5G 數(shù)字室分配置的情況下，例如1個100 MHz、4T4R 的小區(qū)，不同的劃分方式，Option7-2x 方式和Option8 方式對前傳帶寬的要求差別不大。由于當(dāng)前現(xiàn)網(wǎng)上基本都是基于Option8 切分方式的pRRU，因此采用模式2（Option7-2x 和Option8 轉(zhuǎn)換模式）的一個優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省投資，最大限度的利用現(xiàn)網(wǎng)資源，快速部署，但是此模式要求HUB 實現(xiàn)更多的功能，例如實現(xiàn)PHY-low 和eCPRI/CPRI 協(xié)議轉(zhuǎn)換等，HUB上的工作量和成本會增加。模式1更加符合開放前傳接口的技術(shù)發(fā)展方向，但是需要pRRU支持PHYlow 的同時還要支持eCPRI 協(xié)議，pRRU 的工作量和成本會增加。由于pRRU 和HUB 數(shù)量上的差別，在未來前傳網(wǎng)絡(luò)部署5G數(shù)字室分系統(tǒng)時，一種可實施的方案是第一階段采用模式2架構(gòu)，再逐漸演進(jìn)到模式1。

而當(dāng)需要支持的小區(qū)數(shù)量增加，帶寬增大，Option7-2x 方式相比Option8 方式由于具有低帶寬的特征優(yōu)勢更加顯著，尤其是對于擁有Massive MIMO 特性的5G 宏基站，Option8 方式無法滿足前傳帶寬需求，只能選擇Option7-2x方式。

5 結(jié)束語

本文介紹了開放前傳接口技術(shù)及LLS前傳接口功能劃分，探討了5G數(shù)字室分系統(tǒng)在開放前傳接口下將會遇到的問題，提出了把5G數(shù)字室分系統(tǒng)引入開放前傳接口的幾種方案。當(dāng)考慮把數(shù)字室分系統(tǒng)引入開放前傳接口時，不僅要考慮開放前傳接口技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，還需要盡可能的保留對當(dāng)前室分系統(tǒng)前傳接口的支持。文章所述模式1為符合開放前傳接口未來技術(shù)發(fā)展方向的方案，模式2 通過實現(xiàn)不同切分方式接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換在支持開放前傳接口的同時又保留了對當(dāng)前前傳接口劃分方式的支持。