5G基站前傳帶寬計算及工程應用

鐘翠明 江西省郵電規劃設計院有限公司 南昌市 330002

0 引言

5G無線網采用更大頻率帶寬、MIMO多天線、更高階MCS編碼調制等新技術，使得5G空口峰值速率和用戶體驗速率都有10倍以上增長，最大可達到10Gbps；而5G前傳速率與空口速率線性相關，使得5G前傳速率也急劇增長。與4G相比，5G的頻譜資源從20MHz提升到100MHz，天線數量從8T8R到64T64R，調制方式從64QAM到256QAM，前傳帶寬也將至少有50倍提升，前傳速率將達到100Gbps以上，這對傳輸網承載速率提出了新的挑戰，一是需要更高速率光模塊帶來成本上升，二是可能造成現有前傳光纜資源不足，從而影響5G無線網絡規模建設進程。本文先研究了5G基站前傳帶寬計算方法及典型需求，再給出了5G前傳工程相應解決方案。

1 5G基站前傳帶寬計算

1.1 5G無線網架構

與4G無線網不同，5G無線網的基帶處理單元（BBU）將分離為集中單元（CU）、分布單元（DU）兩個實體，從而組成CU、DU、射頻單元（AAU/RRU）三級架構。RRU和BBU的部分物理層處理功能合并為AAU，主要包括射頻（RF）和底層物理層（PHY-L）；BBU的非實時部分將分割出來定義為CU，負責處理非實時協議和服務，主要包括分組數據匯聚協議（PDCP）和無線資源控制（RRC）；BBU的剩余功能則定義為DU，負責處理物理層協議和實時服務，包括無線鏈路控制（RLC）、介質訪問控制（MAC）和高層物理層（PHY-H）等[1]。

5G無線網的CU和DU有多種部署方式。當CU/DU合設時，5G無線網與4G基本相同，相應的接入承載分為前傳、回傳兩級架構，但5G基站的接口速率和類型發生了明顯變化。當CU/DU分設時，相應的接入承載將演進為前傳、中傳、回傳三級架構。具體部署方式有分布式無線接入網（DRAN）和集中式無線接入網（CRAN）兩種[1]。5G云化將推進CU、DU和AAU三級架構的大規模CRAN部署，CRAN將成為未來5G無線網的主要組網架構。

圖1 5G無線網架構的演進與趨勢

1.2 5G前傳帶寬計算

無線基站應具備靈活部署能力，應支持包括拉遠無線設備的更靈活的無線基站系統架構。CPRI協議中將eNB/gNB劃分為REC和RE兩個基本構件。兩個構件應在物理上分開（RE相當于RRU離天線更近，REC相當于BBU），并通過傳輸網絡連接。前傳系統架構如下圖示：

RRU與BBU之間采用CPRI協議接口進行基帶信號傳輸。圖2中無線設備(RE)相當于AAU/RRU設備，無線設備控制器(REC)相當于BBU設備。BBU處理基帶信號，并形成I/Q數據流，經CPRI接口傳給RRU；RRU將收到的I/Q數據轉換成模擬射頻信號，再由天線發射出去。CPRI接口中傳輸著用戶平面數據、控制&管理平面數據、同步平面數據3種不同的信息流。3GPP相關協議明確如果保持現有BBU與RRU間切分方式不變，I/Q信號將在其接口上傳輸；給出了前傳速率將達到“614.4Mbps/10MHz/天線端口”的基本結論[2]；且前傳速率將隨著天線端口或頻率帶寬的增加而線性增大。

圖2 前傳系統架構示意圖

在3GPP的R3-160986中給出的CPRI前傳帶寬計算方法：

后面在R3-162422修改稿中明確了CPRI前傳帶寬計算方法：

式中：采樣頻率：與系統帶寬成比例，可取為FFT數目×子載波間隔。

采樣的比特寬度：下行比特寬度為8-20比特，上行比特寬度為4-20比特。為方便CPRI映射通常上下行都會采用相同的采樣寬度，一般為15比特。此處應包括I/Q兩個支路的采樣比特。

開銷：包括1個控制碼字和8B/10B方式的線路編碼效率，可取為(15/16)×(8/10)=75%。

以4G頻率帶寬20MHz，2×2MIMO, 15KHz子載波間隔，采樣頻率30.72MHz，采樣比特寬度30bit為例，可計算出每AxC上I/Q采樣凈荷速率=30 bits*30.72MHz=921.6Mbps；考慮系統開銷后的CPRI接口峰值速率=921.6Mbps/75%=1.2288Gbps；則2天線收發時的CPRI接口峰值速率=2×1.2288Gbps=2.4576Gbps。給出TR38.801協議按此方法計算的前傳所需最大速率如下表。

表1 基于 PHY/RF切分RAN架構的所需最大前傳速率表

按照上述計算公式，若5G也采用同樣的切分方式,可以評估計算5G前傳帶寬需求如下：

（1）假定5G NR新空口的參數為：載波帶寬100MHz，子載波間隔30KHz，FFT數目為4096，64×64 MIMO，采樣頻率122.88MHz，采樣比特寬度30bit。

（2）計算5G前傳帶寬需求：每AxC上I/Q采樣凈荷速率=30 bits*122.88MHz=3686.4Mbps；考慮系統開銷后的CPRI接口峰值速率=3686.4Mbps/75%=4.9152Gbps;則64天線收發時的CPRI接口峰值速率=64x 4.9152Gbps=314.5728Gbps。

由此可見，5G的前傳速率將達到“4.9152Gbps/100MHz/天線端口”。將導致5G基站前傳光模塊成本大幅增長，并可能帶來前傳光纜資源不足、影響5G建設進度。所以，有必要尋求前傳降速方案，一種是CPRI壓縮方案，降低接口信號的采樣率和IQ數據位寬，可降低速率但會影響性能；另一種是無線網接口分層切分方案，將更多高層協議處理下移到RRU，以降低速率。

2 解決方案及工程應用

2.1 eCPRI解決方案

面對5G新業務，CPRI標準遇到新的挑戰：一是在Massive MIMO、大帶寬多天線場景CPRI面臨單站傳輸帶寬不匹配5G特性要求的風險，需要開源節流。二是CRAN演進對REC-RE接口重定義的訴求日趨強烈，趁著5G空口重定義的機遇，業界提出了eCPRI新接口方案。有多種可選方案，目前主流的是將部分物理層基帶下移到RRU上的方案。

圖3 5G無線網分層切分方案示意圖

eCPRI相對于CPRI，把基帶的大部分物理層下行和少部分物理層上行從BBU下移到了RRU上。與CPRI壓縮相比，eCPRI的切分點可以進一步降低帶寬要求；同時可高效地支持載波聚合、下行/下行多點協同等特性。目前，多廠家采用上下行非對稱切分方案，下行將調制下移到AAU上，上行則將信道估計和均衡功能下移到AAU處理，以進一步降低前傳速率。

假定100MHz帶寬，子載波間隔30KHz，下行256QAM，下行16流，上行8流，傳輸效率為75%。

下行eCPRI速率=（用戶數據+控制信息+同步信息）/ 傳輸效率=(11.74+4.47+1)/75%=22.95Gbps。

其中：下行用戶數據速率=子載波數×調制階數×MIMO層數/OFDM符號傳輸時間=(273×12)×8×16/35.71us=11.74Gbps；

下行控制信息速率=RB數×MIMO層數×天線數×比特位寬/TTI時間=273×16×32×16/500us=4.47Gbps；同步信息速率約為1Gbps。

上行eCPRI速率=上行用戶數據/ 傳輸效率=11.74/85%=15.65Gbps。

其中：上行用戶數據速率=子載波數×MIMO層數×比特位寬/OFDM符號傳輸時間=（273×12）×8×16/35.71us=11.74Gbps。

在Ie切分下的典型前傳帶寬需求如下表，可見25Gbps前傳速率可滿足100MHz及以下帶寬的承載需求。

表2 基于 Ie切分RAN架構的所需最大前傳速率表[4]

2.2 5G前傳工程應用建議

（1）根據5G基站頻率帶寬及天線數配置，高性價比地選擇前傳光模塊。

表3 前傳光模塊配置建議

（2）節省纖芯資源的低成本技術應用：5G基站大多在現有4G基站上疊加新建，原有光纜纖芯資源有時緊急，并隨著C-RAN的BBU集中度的進一步提高，造成主干纖芯資源不足；針對前傳纖芯資源不足的場景，可以通過采用單纖雙向、無源波分、半有源波分等新技術，減少纖芯需求，在不擴容光纜條件下滿足建設需要。

（3）前傳不理想的特殊場景：隨著基站加密及未來毫米波應用，小基站將成為主要建站形態，對于點多面廣、分布量大的小基站會出現前傳光纖資源不足問題，可能采用前傳回傳合一的基站設備，也可采用大容量微波技術或Relay技術解決。

3 結束語

隨著5G無線網云化、BBU集中設置的逐步大規模應用，5G基站前傳承載是今后建設重要因素。5G基站前傳帶寬大小與5G NR物理層的切分方式緊密相關，現階段主要采用25Gbps、N×25Gbps速率的5G前傳接口，實際建設工程中則應依據基站無線參數配置和5G業務對速率、時延等技術指標要求來選擇合適的前傳承載接口和傳輸承載方案。