无线接入子系统前端传输接口演进的技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 I 研 究 报 告 要 点 无线接入子系统 前端传输接口是指下一代无线网络主设备中 中心协议栈处理功能与远端无线处理功能之间 的前端传输接口 ，也称为下一代前传网络接口（ Next Generation Fronthaul Interface, NGFI） 。 基于 NGFI的无线接入网络将从现有的基带处理单元 一级 架构演进为集中处理单元和分布式处理单元两级架构。 NGFI的研究主要包括两个方面的内容：一方面是面向无线网络应用场景研究较优的功能划分方案；另一方面是面向基于包传输的前传网络研究同步方案、统计复用特性等。 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 。 前端传输接口演进的技术研究报告从背景现状、 主要挑战、关键技术、应用场景、设计原则、 功能 划分方案 、同步方案、移动数据统计复用收敛比分析、负载动态化影响 和对传输网的需求等方面对前端传输接口 进行研究 。其中， 重点分析 和对比不同功能 划分方案 优缺点， 以及 对传输网的需求 。 在此基础上 ， 提出下一代前端传输接口的需求定义。 无线通信技术工作委员会 TD-SCDMA/WCDMA 工作组 研究单位： 中国移动通信集团公司 、 中国信息通信研究院 、 中国联合网络通信集团有限公司 、 中国电信集团公司 、 上海贝尔股份有限公司 、诺基亚 通信（上海）有限公司、 中兴通讯股份有限公司 、 华为技术有限公司 、 大唐电信科技产业集团 、 博通新加坡私人有限公司 （ 北京代表处 ） 、 英特尔（中国）有限公司 、 南京爱立信熊猫通信有限公司 。 项目负责人： 袁雁南 。 项目参加人： 段然、 孙军帅、 黄学艳、黄金日、闫敏、徐艳霞、徐菲、范斌、王友祥、马玥、 孙乐、 许森、 于飞、贺敬 、许小林、 吴志远、江晓根、 金莹、刘荐桦 、张晓文 、刘方鑫 、周凤、张旭、邱怀姗、祁云磊、 包盛花、 李玉洁、杜超、马子江、何宗应、高艳锦、陈栋、王浩娟 。 完成日期： 2016年 8 月 31日 II 目录 1 范围 . 1 2 参考文献 . 1 3 缩略语 . 1 4 背景和简介 . 2 4.1 背景介绍 . 2 4.2 NGFI 定义 . 3 5 标准化现状 . 4 5.1 CRPI 联盟 . 4 5.2 IEEE 标准 . 6 6 NGFI 应用场景 . 9 6.1 部署场景 . 9 6.2 5G 场景以及性能挑战 . 10 7 NGFI 设计原则 . 11 7.1 接口流量与 RRU 物理天线数无关 . 11 7.2 统计复用 . 11 7.3 载荷相关的自适应带宽变化 . 11 7.4 尽量支持性能增益高的协作化算法 . 12 7.5 支持 RRS 归属关系迁移 . 12 8 NGFI 的主要技术挑战和 关键技术 . 12 8.1 RCC-RRS 功能划分 . 12 8.2 无线数据分组化 . 12 8.3 NGFI 传输的主要挑战 . 13 8.4 NGFI 引入的影 响（中移） . 16 9 BBU 和 RRU 潜在接口划分方案分析 . 17 9.1 方案 1-层 2 内部划分方案（ . 19 9.2 方案 2-MAC/PHY 划分方案 . 25 9.3 方案 3-数字端口相关 /无关 Symbol-level 划分方案 . 30 9.4 方案 4-时域 /频域 Symbol-level 划分方案 . 36 9.5 方案 5-Baseband/RF 划分方案 . 39 9.6 接口划分方案对比分析 . 42 10 NGFI 潜在方案分析 . 47 10.1 NGFI 潜在同步方 案分析 . 47 10.2 移动网络数据统计复用收敛比分析 . 57 10.3 负载动态化对网络的潜在影响分析 . 64 10.4 潜在压缩算法分析 . 67 10.5 RRS 之间数据交互潜在需求分析 . 70 11 NGFI 需 求定义 . 74 11.1 NGFI 无线接口要求 . 75 11.2 NGFI 前传网络承载要求 . 77 11.3 设备形态需求 . 78 1 无线接入子系统前端传输接口演进的技术研究 1 范围 前端传输接口演进的技术研究是指 下一代无线网络主设备中中心协议栈处理功能与远端无线处理功能之间的前端传输接口 。研究 主要针对 下一代前端传输 接口 的设计原则、应用场景、关键技术、潜在方案分析等方面进行研究，在此基础上提出下一代前端传输接口的需求定义。 2 参考文献 1中国移动通信有限公司研究院， C-RAN 白皮书 v3.0， 2014 年 7 月 . 2中国移动通信有限公司研究院，下一代前传网络接口（ NGFI）白皮书 v1.0, 2015 年 6 月。 3中国移动 ， 中国移动分组传送网（ PTN）设备技术规范 ， 2014 年。 4 CPRI， Common Public Radio Interface (CPRI) Specification v6.0， Tech. Rep. Aug. 2013，URL: cpri.info. 5NGMN Alliance， NGMN 5G White Paper v1.0， February 17， 2015. 6 ITU-T Recommendation G.8262/Y.1362, Timing characteristics of synchronous Ethernet equipment slave clock(EEC)， Aug.2007. Chih-Lin I, Yannan Yuan, Jinri Huang, Shijia Ma, Chunfeng Cui, Ran Duan, “Rethinking the Fronthaul for Soft RAN”, in IEEE communication magazine, September 2015. 7Alexei Davydov, Gregory Morozov, Ilya Bolotin, Apostolos Papathanassiou, “Evaluation of Joint Transmission CoMP in C-RAN based LTE-A HetNets with Large Coordination Areas”, in IEEE globecom workshops (GC Wkshps), Dec. 2013. 8 Prefiltering C-RAN Architecture with Compressed Link Data Rate in Massive MIMO,Wenting Chang, Tian Xie, Feng Zhou, Jiansong Tian, and Xu Zhang, Intel Lab of China. Beijing 100086, China. 3 缩略 语 下列缩略语适用于本研究课题。 BBU Baseband Unit 基带单元 CPRI Common Public Radio Interface 通用公共无线电接口 C-RAN Centralized, Collaborative, Cloud and Clean Radio Access Network 集中化、协作化、云化，以及绿色无线接入网 LTE Long Term Evolution UMTS 长期演进 MAC Media Access Control 媒体接入控制 2 NGFI Next Generation Fronthaul Interface 下一代前传网络接口 OBSAI Open Base Station Architecture Initiative 开放式基站架构联盟 PDCP Packet Data Convergence Protocol 分组数据汇聚协议 RCC Radio Cloud Center 无线云中心 RLC Radio Link Control 无线链路控制 RRC Radio Resource Control 无线链路控制 RRS Radio Remote System 射频拉远系统 TDM Time-division Multiplexing 时分复用 4 背景和简介 4.1 背景介绍 4.1.1 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。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 波分传输设备的引入 会造成成本上升。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。 4.1.2 现有网络面临的挑战 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、3 E-Health、自然灾害监测等。 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 。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。 4.2 NGFI 定义 NGFI 是指下一代无线网络主设备中 中心协议栈 处理功能与远端 无线 处理功能之间的前传接口。 NGFI 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。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。 R R U核 心 网N G F I( 下 一 代 前 端 传输 接 口 )后 端 传 输R A UR R S基 于 N G F I 的 C - R A N无 线 网 络 架 构无 线 云 中 心前 传 接 口 后 传 接 口R C CR R SS 1R R UR A UR R SR R UR R S一 体 化 R R SR A U图 4-1：基于 NGFI 的 C-RAN 无线网络架构 4 如图 4-1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。 根据 NGFI 提供的前端传输性能，可分为理想 fronthaul 和非理想 fronthaul。综合考虑 NGFI前端传输性能、应用场景和部 署场景，选择 RCC 和 RRS之间最优的无线功能划分方案。基于 NGFI 的无线接入网络（ RAN）协议栈处理由原有的 BBU 一级处理变为 RCC 和 RRS两级处理架构。 RCC-RRSs 两级 RAN 架构不但可大幅降低前端传输带宽需求，而且更适用于RCC侧集中化部署。进而， RCC-RRSs两级 RAN架构利于超密集网络下多小区协作，利于满足不同业务网络切片需求， RCC内易于资源共享，适于 RAN 虚拟化，具有更高的灵活性。 5 标准化 现状 5.1 CRPI 联盟 CPRI标准， 2002年 11月成立，成立时的成员包括：爱立信、华为、 NEC、北电网络及西门子公司，最新成员情况： Ericsson AB, Huawei Technologies Co. Ltd, NEC Corporation, Alcatel Lucent and Nokia Networks。标准内容是针对无线基站内部无线设备控制中心（简称 REC，即 BBU）及无线设备（简称 RE，即 RRU）之间主要接口指定规范， 图 5-1是 CPRI标准定义的接口位置，以及其定义的内容范围： CPRI标准包括三个平面：用户数据 面、管理控制面和同步机制面，按协议层次分为三层：物理层 (Layer 1, L1)、链路层 (Layer 2, L2)、应用层 (Layer3, L3)。 CPRI协议重点关注与硬件相关的协议层面（ L1和 L2），即控制维护面数据、同步、以及用户面数据在 CPRI上的承载格式的定义、 REC和 RE之间的拓扑组网、 CPRI接口速率定义以及底层协议参考等内容，确保硬件做有限的适配就可以提供独立的技术演进， CPRI协议不包括应用层的规定。 5 图 5-1 CPRI 标准定义的接口位置 CPRI标准的简单介绍参见前文，该组织从 2003-09-30发布 1.0版本，一直到目前 2015年，共发布了 13个版本（ version6.1）， 2015年底 发布 7.0版本；各版本演进主要体现在制式增加、速率增长上： 表 5-1 CPRI版本 CPRI版本 发布日期 主要新增特性 1.0 2003-09-30 初始版本支持 UMTS（速率 614M， 1.25G， 2.5G） 2.0 2004-10-01 增加链 /树 /环的拓扑、时延、主从熟悉等特性，基本可支持商用。 3.0 2006-10-20 增加对 Wimax的支持， 3.072G速率 4.0 2008-06-30 增加对 LTE的支持 4.1 2009-02-18 增加 4.9152G， 6.144G线速率，加扰 4.2 2010-09-29 增加 9.8304G线速率 5.0 2011-09-21 增加对 GSM的支持， Non-IQ 的支持 6.0 2013-01-11 增加 10.1376G速率， 64/66B编码方式。 6.1 2014-07-01 增加 8.11008G（背板 only）、 12.16512G速率，64/66B编码方式； 新增 PICS （ Protocol Implementation Conformance Statement ） 7.0 2015-11 待定 新增 24.33024G速率，引入 FEC。 CPRI目前定义的指标情况如表 5-2： 表 5-2 CPRI指标定义 指标对象 指标英文描述 指标数值要求 线速率 Line bit rate 1Gbit/s 25 Gbit/s 拉远距离 Cable length (upper limit) 10 km 误码率 Maximum bit error ratio (BER) 10-12/ No FEC 截止频率 Maximum allowed cut-off frequency of RE synchronization 300 Hz 6 频率抖动 Maximum contribution jitter from the CPRI link to the radio base station frequency accuracy budget (between master SAPs and slave SAPs) 0.002 10-6 最大时钟同步时间 Maximum clock synchronization time 10s 单跳设备环路时延（不包括线缆长度） Maximum absolute round trip delay per link excluding cable length 5 s 链路时延精度（不包括线缆长度） Link delay accuracy in downlink between SAPs master port and SAPs slave port excluding the cable length 8.138ns = TC/32 单跳 /多跳环路时延测量精度 Accuracy of the round trip delay measurement of one link/the multi-hop connection 16.276ns = TC/16 接口引入的TDD TX与 RX切换点精度 Maximum contribution of the interface to the accuracy of TDD Tx-Rx switching point 16.276ns = TC/16 CPRI标准组织将在 25G速率（ V7.0版本）完稿后，正式讨论 RoE相关标准定义；并确定其与 IEEE 802.1合作，为 IEEE 802.1提供指标需求输入。 5.2 IEEE 标准 IEEE共有 4个任务小组与 NGFI有关 ,分别是 1904工作组下的 1904.3， 802.1 TSN工作组下的 802.1Qbu， 802.1Qbv， 802.1CM和 802.3工作组下的 802.3br。除此之外，中国移动联合业界合作伙伴在 2015年 9月份向 IEEE Comsoc提交 PAR文件，准备在 IEEE建立 1914工作组，研究NGFI相关课题。 5.2.1 IEEE 1904.3 ROE 的封装和映射标准项目组 IEEE 1904.3是 IEEE 1904 ANGW(Access Network Working Group)下的一个项目小组。该项目组成立于 2014年 10月份，目前处在标准制定阶段。 1904.3致力于制定 RoE的以太网帧的封装格式以及 RoE帧的以太网类型等标准。这其中包括 IQ用户层数据以及控制帧的封装，同时也包括 CPRI帧与 RoE以太网帧的映射等。