付楠楠 康志杰 王東東

摘要：對(duì)比5G小基站系統(tǒng)2種現(xiàn)階段常用前傳接口切分方式，確定了option 7-2切分方式在降低前傳帶寬的優(yōu)勢(shì)。隨著天線數(shù)的增加，option 7-2切分方式對(duì)前傳帶寬的壓力越小。通過(guò)前傳接口承載信息設(shè)計(jì)、交互流程明確、接口模塊拆分完成了option 7-2前傳接口的設(shè)計(jì)方案，利用測(cè)試平臺(tái)的搭建、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的抓取分析進(jìn)一步驗(yàn)證了5G前傳接口方案的正確性和合理性。

關(guān)鍵詞：5G小基站；前傳接口；option 7-2

中圖分類號(hào)：TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）12-62-5

0引言

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)和海量物聯(lián)設(shè)備接入，5G系統(tǒng)作為面向大帶寬、多連接、低時(shí)延、高可靠設(shè)計(jì)的技術(shù)體制，在國(guó)家不斷推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)部署建設(shè)的進(jìn)程中，承載著不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹厝?，能夠很好地覆蓋不同用戶各類應(yīng)用場(chǎng)景的專用需求[1-2]。

傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，宏基站依靠大功率廣覆蓋的特性在2G到4G建設(shè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但依舊存在盲點(diǎn)和熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋不足等問(wèn)題，作為網(wǎng)絡(luò)廣度和深度覆蓋的有力補(bǔ)充，小基站的作用日趨重要。隨著5G頻譜上移，單個(gè)宏基站覆蓋半徑進(jìn)一步縮減，依靠宏基站實(shí)現(xiàn)廣/深覆蓋難度更加凸顯，小基站將成為5G時(shí)代重要的組成部分[3-5]。

5G時(shí)代中，室內(nèi)場(chǎng)景占據(jù)著非常重要的位置。據(jù)測(cè)算，70%及以上的數(shù)據(jù)流量將發(fā)生在室內(nèi)，大大激發(fā)了業(yè)界對(duì)5G小基站的研究熱情[6-8]。5G小基站以其易部署、高靈活和低成本等特點(diǎn)必將成為5G網(wǎng)絡(luò)深化部署的重要解決方案。

5G小基站系統(tǒng)基本由3部分組成：基帶單元（Baseband Unit，BU）、擴(kuò)展單元（Extension Unit，EU）和遠(yuǎn)端單元（Remote Unit，RU）。BU主要實(shí)現(xiàn)5G NR基站基帶數(shù)據(jù)處理，集中控制管理整個(gè)基站系統(tǒng)，向上與核心網(wǎng)進(jìn)行通信；EU主要負(fù)責(zé)RU數(shù)據(jù)的下行分發(fā)、上行匯聚、時(shí)鐘同步和以太網(wǎng)供電等功能，向上與BU通信，向下與RU通信；RU主要完成5G NR基帶信號(hào)與射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換及5G NR射頻信號(hào)的收發(fā)處理功能，向上與EU通信，其中BU與EU支持星型連接、鏈型連接[9]。

前傳接口作為基帶與射頻前端之間的數(shù)據(jù)接口，在5G小基站系統(tǒng)中體現(xiàn)為BU與EU之間的通信接口和EU與RU之間的通信接口。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織定義了option 1～8共計(jì)8大類切分方式[10]。option 1為無(wú)線資源控制層（Radio Resource Control，RRC）與分組數(shù)據(jù)匯聚層（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）切分；option 2為PDCP與高無(wú)線鏈路控制層（Radio Link Control，High RLC）切分；option 3為High RLC與Low RLC切分；option 4為L(zhǎng)ow RLC與高媒體接入控制層（Medium Access Control，High MAC）切分；option 5為High MAC與Low MAC切分；option 6為L(zhǎng)ow MAC與高物理層（Physical layer，High PHY）切分；option 7為High PHY與Low PHY切分；option 8為L(zhǎng)ow PHY與射頻（Radio Frequency，RF）切分。其中，option 7作為面向物理層功能的拆分，通過(guò)具體功能模塊的分割節(jié)點(diǎn)不同，進(jìn)一步細(xì)分為option7-1，option7-2，option7-3三種方式來(lái)降低前傳接口的數(shù)據(jù)傳輸壓力。

1前傳接口功能劃分

目前，業(yè)界采用前傳接口的切分方式基本達(dá)成一致，即在5G小基站系統(tǒng)中BU與EU之間既可以采用option 7-2切分，也可以采用option 8切分，EU與RU之間確定采用option 8切分。

option 7-2切分將基帶物理層分為High PHY和Low PHY兩部分，而option 8作為傳統(tǒng)的切分方式，不對(duì)基帶物理層進(jìn)行切分，2種切分方式的最大區(qū)別是Low PHY的歸屬。Low PHY的功能比較關(guān)鍵，其中下行主要包括資源映射&預(yù)編碼、逆傅里葉變換（Inverse Fast Fourier Transformation，IFFT）&加循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）功能；上行主要包括資源解映射、傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）&去CP功能。option 7-2和option 8接口在BU，EU，RU的模塊分割示意如圖1所示。

不同的切分方式對(duì)前傳接口有不同的帶寬要求，越靠近射頻前端對(duì)前傳接口的帶寬要求越高；反之，帶寬要求越低?；?GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，option7-2切分接口采用eCPRI協(xié)議，option 8切分接口采用CPRI協(xié)議，2種協(xié)議的接口速率計(jì)算方式不同。

2前傳接口信息及流程

option 8切分方式已經(jīng)在4G系統(tǒng)中得到充分研究，傳遞的消息類型固定。option 7-2切分下BU與EU之間的消息信號(hào)都是通過(guò)以太網(wǎng)包進(jìn)行傳輸，為保證前傳接口消息的同步和一致性，option 7-2接口消息設(shè)計(jì)為包含3種類型的以太網(wǎng)包：小區(qū)特定配置消息、同步所需要的定時(shí)消息和數(shù)據(jù)消息。

2.1小區(qū)特定配置消息

小區(qū)特定配置消息是應(yīng)用特定消息，用于在系統(tǒng)初始化過(guò)程中BU與EU進(jìn)行啟動(dòng)參數(shù)的交互握手并完成時(shí)序同步的過(guò)程，主要包括初始配置消息、參數(shù)集配置消息以及時(shí)隙格式配置消息。進(jìn)行系統(tǒng)初始化時(shí)，BU會(huì)對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)的收發(fā)模式進(jìn)行配置，而EU會(huì)持續(xù)從BU接收小區(qū)特定配置消息，直到識(shí)別BU下發(fā)的小區(qū)特定配置消息為最后一個(gè)數(shù)據(jù)包。

初始配置消息長(zhǎng)度為64 byte，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型、載波頻率、TA偏移值（Timing Advance Offset）等，該消息只在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)傳輸一次。

參數(shù)集配置消息長(zhǎng)度為64 byte，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型和參數(shù)集配置等，該消息只在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)傳輸一次。

時(shí)隙格式配置消息長(zhǎng)度為64 byte，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型、每個(gè)符號(hào)的收發(fā)配置等，該消息以時(shí)隙為周期進(jìn)行傳輸，用于指示當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)每個(gè)符號(hào)的收發(fā)模式。

2.2定時(shí)消息

基于小區(qū)特定配置消息中參數(shù)集配置消息的傳輸確定，EU間隔固定時(shí)間（一個(gè)時(shí)隙）向BU發(fā)送定時(shí)消息，BU基于該定時(shí)消息完成每個(gè)時(shí)隙的上下行數(shù)據(jù)過(guò)程處理和調(diào)度過(guò)程處理。

定時(shí)消息長(zhǎng)度為64 byte，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型、無(wú)線幀號(hào)和無(wú)線幀內(nèi)的時(shí)隙號(hào)等，該消息以時(shí)隙為周期進(jìn)行傳輸，是維護(hù)系統(tǒng)定時(shí)的關(guān)鍵消息。

2.3數(shù)據(jù)消息

數(shù)據(jù)消息長(zhǎng)度主要與系統(tǒng)帶寬有關(guān)，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型、系統(tǒng)帶寬、天線數(shù)無(wú)線幀號(hào)、無(wú)線幀內(nèi)的時(shí)隙號(hào)、每個(gè)符號(hào)上所有的IQ采樣值等。

數(shù)據(jù)消息包括上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)兩部分。上下行數(shù)據(jù)均為頻域數(shù)據(jù)，只是方向不同，上行數(shù)據(jù)從EU到BU，下行數(shù)據(jù)從BU到EU。

下行數(shù)據(jù)消息在下行子幀時(shí)進(jìn)行傳輸，傳輸消息的數(shù)量與天線數(shù)成正相關(guān)；上行數(shù)據(jù)消息在上行子幀時(shí)進(jìn)行傳輸，傳輸消息的數(shù)量也與天線數(shù)成正相關(guān)。

2.4交互流程

BU利用小區(qū)特定配置消息與EU完成基帶物理層從啟動(dòng)到運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程，涉及小區(qū)特定配置消息發(fā)送、時(shí)序同步及數(shù)據(jù)消息交互。

圖2詳細(xì)描述了option7-2前傳接口的交互流程為4個(gè)階段：配置階段、同步階段、定時(shí)階段和業(yè)務(wù)階段。

配置階段：BU持續(xù)向EU發(fā)送小區(qū)特定配置消息，直到EU完成消息正確的校驗(yàn)并發(fā)送定時(shí)消息，消息發(fā)送的順序?yàn)槌跏寂渲孟?>參數(shù)集配置消息->時(shí)隙格式配置消息。

同步階段：BU接收EU發(fā)送的定時(shí)消息，連續(xù)收到20個(gè)時(shí)隙號(hào)連續(xù)的定時(shí)消息后即認(rèn)為BU與EU之間同步。

定時(shí)階段：BU收到第21個(gè)定時(shí)消息后，以該消息攜帶的時(shí)間點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算出特定的時(shí)刻作為后續(xù)業(yè)務(wù)定時(shí)使用，待接收到特定時(shí)刻的定時(shí)消息后定時(shí)階段結(jié)束。

業(yè)務(wù)階段：該階段BU進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，以定時(shí)消息為基準(zhǔn)進(jìn)行工作，開(kāi)始下行數(shù)據(jù)消息的生成、定時(shí)消息和上行數(shù)據(jù)消息的處理。

3前傳接口模塊設(shè)計(jì)

BU-EU option 7-2前傳接口下行流程如圖3所示。option 7-2前傳接口基帶物理層的High PHY功能在BU中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)時(shí)靈活調(diào)用通用服務(wù)器的計(jì)算資源完成基本運(yùn)算處理；基帶物理層的Low PHY功能在EU實(shí)現(xiàn)。通過(guò)專用FPGA芯片完成實(shí)時(shí)性要求較高的復(fù)雜的計(jì)算處理。

前傳接口的下行流程詳細(xì)描述如下：

①BU完成下行數(shù)據(jù)bit級(jí)處理、調(diào)制、層映射之后，進(jìn)行IQ數(shù)據(jù)壓縮處理，壓縮比例可配置。

②EU基于下行觸發(fā)信號(hào)從下行緩沖模塊中讀取子載波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓縮。

③將解壓縮后的頻域IQ數(shù)據(jù)送到相位補(bǔ)償模塊依據(jù)要求進(jìn)行基于特定OFDM符號(hào)的相位補(bǔ)償。

④相位補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)直接送到IFFT模塊中進(jìn)行時(shí)頻域轉(zhuǎn)換及CP添加。

⑤IFFT和CP添加后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)發(fā)射功率調(diào)整模塊后完成基帶物理層所有功能。

option 7-2前傳接口的上行流程如圖4所示。

前傳接口的上行流程詳細(xì)描述如下：

①EU基于內(nèi)部模塊中設(shè)置的上行觸發(fā)信號(hào)開(kāi)始上行子幀的處理流程。

②將RU發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)送到FFT模塊完成FFT處理和去CP操作，然后提取出有效子載波的數(shù)據(jù)流。

③將有效數(shù)據(jù)流送到相位去補(bǔ)償模塊，輸出每個(gè)OFDM符號(hào)對(duì)應(yīng)的每個(gè)子載波補(bǔ)償結(jié)果。

④相位去補(bǔ)償后的結(jié)果送入頻域壓縮模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。

⑤數(shù)據(jù)壓縮后將數(shù)據(jù)流存入上行數(shù)據(jù)緩存模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

⑥BU收到上行數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓縮處理。

⑦解壓縮后的頻域數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)BU的信道估計(jì)&均衡、IDFT&解調(diào)、bit級(jí)處理，最終完成基帶物理層所有功能。

4平臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證

4.1測(cè)試環(huán)境搭建

為驗(yàn)證前傳接口設(shè)計(jì)方案的有效性和正確性，搭建一套完成的5G小基站測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)抓取和數(shù)據(jù)分析，具體連接示意如圖5所示。

BU與EU通過(guò)光纖連接，EU與RU通過(guò)光纖連接，上位機(jī)電腦通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)控制BU，EU，RU的運(yùn)行和數(shù)據(jù)抓取等操作，RU與5G頻譜儀通過(guò)射頻線連接。

4.2測(cè)試結(jié)果

基于圖5的連接環(huán)境，測(cè)試平臺(tái)主要進(jìn)行交互過(guò)程4個(gè)階段中頭尾2個(gè)階段的消息分析來(lái)驗(yàn)證前傳接口設(shè)計(jì)工作的有效性：一是抓取EU處配置階段中任一消息進(jìn)行對(duì)比，保證消息接口格式正確；二是解析業(yè)務(wù)階段中RU任一端口輸出的下行數(shù)據(jù)消息，驗(yàn)證基帶物理層的處理正確性。

平臺(tái)參數(shù)配置為100 MHz系統(tǒng)帶寬，30 kHz子載波帶寬、4天線、5 ms單周期子幀配比。

EU中時(shí)隙格式配置消息解析如圖6所示。

圖6中抓取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)內(nèi)容，經(jīng)與BU中發(fā)射的時(shí)隙格式配置消息填充內(nèi)容對(duì)比，完全一致。

RU輸出下行數(shù)據(jù)消息解析如圖7所示。

圖7顯示的是5G頻譜儀下行模板對(duì)數(shù)據(jù)解析后的數(shù)據(jù)，IQ數(shù)據(jù)打點(diǎn)清晰，誤差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）完全滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求，證明基帶物理層數(shù)據(jù)處理過(guò)程的正確性。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著5G小基站系統(tǒng)在各行各業(yè)的深度部署和拓展應(yīng)用，如何降低多天線配置下前傳接口帶寬的壓力是降低成本、保障用戶業(yè)務(wù)服務(wù)推進(jìn)的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)比前傳接口2種切分方式的帶寬需求，可以明顯看出，option 7-2切分在降低帶寬速率上的優(yōu)勢(shì)。然后重點(diǎn)進(jìn)行前傳接口信息承載、交互和設(shè)計(jì)的描述，通過(guò)消息過(guò)程的詳細(xì)明確、模塊的合理拆分完成option 7-2前傳接口的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)測(cè)試平臺(tái)的搭建、數(shù)據(jù)抓取分析進(jìn)一步驗(yàn)證了5G前傳接口方案的正確性和合理性，為5G小基站系統(tǒng)面向行業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)景化覆蓋提供重要保障。

參考文獻(xiàn)

[1]張建強(qiáng)，馮博，王春宇.5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋解決方案[J].電信快報(bào)，2017（5）：9-11.

[2]嚴(yán)斌峰，袁曉靜，胡博.5G技術(shù)發(fā)展與行業(yè)應(yīng)用探討[J].中興通訊技術(shù)，2019，25（6）：34-41.

[3]王海濤.數(shù)字化室分系統(tǒng)應(yīng)用研究及未來(lái)5G室內(nèi)覆蓋展望[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2019，32（2）：64-69.

[4]方紹湖，李馨，卜斌龍.基于開(kāi)放平臺(tái)小基站的5G數(shù)字室分解決方案[J].電信科學(xué)，2019，35（7）：69-77.

[5]姜麗，楊立敏.5G時(shí)代小基站的建設(shè)需求分析[J].通訊世界， 2019，26（8）：168-169.

[6]肖智維.5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋解決方案研究[J].數(shù)字通信世界， 2018（2）：133.

[7]刁兆坤.5G時(shí)代小基站的建設(shè)需求及現(xiàn)實(shí)考慮要素分析[J].通信世界，2018（14）：33-35.

[8]楊丁一，龐松濤.小基站及其在5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（7）：69-70.

[9]劉洋，楊濤，劉海濤，等.基于5G小基站的無(wú)線接入網(wǎng)開(kāi)放架構(gòu)及分析[J].移動(dòng)通信，2020，44（4）：54-58.

[10] 3GPP.Radio Access Architecture and Interfaces： TR 38.801[S].2017.

[11]吳越，黃蓉，王友祥.開(kāi)放前傳接口技術(shù)及其在5G數(shù)字化室分系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2020（12）：39-45.