5G eCPRI+4G CPRI 室內(nèi)分布式射頻共享技術(shù)方案的研究*

王文兵，張志民

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210037）

0 引言

5G 通信技術(shù)現(xiàn)已成為國家核心競爭力的體現(xiàn)之一。它提供的增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低時延的（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和低功耗大連接的海量物聯(lián)網(wǎng)通信（massive Machnice Type Communication，mMTC）這3 大業(yè)務(wù)場景[1-2]，幾乎覆蓋了社會中大部分無線通信的業(yè)務(wù)需求。然而，它的工作頻譜高、信號衰減大等，導(dǎo)致覆蓋范圍小。要全面獨立部署5G，前期需要大量的資金投入。因此，5G+4G 聯(lián)合部署和協(xié)同發(fā)展是5G大規(guī)模部署初期主要的方針和實際部署形態(tài)。5G通過共享4G 現(xiàn)有的核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）的基帶單元（Base band Unit，BBU）和射頻單元（Radio Unit，RU）等網(wǎng)絡(luò)資源，在借助4G 網(wǎng)絡(luò)增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋的同時，節(jié)省了大量的硬件資源的投入，并為由4G 平滑過渡到5G+4G 聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)以及最終過渡到單一的5G 網(wǎng)絡(luò)提供了保障。本文主要探究5G+4G 共享射頻單元RU的技術(shù)方案。

基于CPRI 接口的射頻共享是5G+4G 射頻共享最初始的形態(tài)。隨著5G 大規(guī)模天線陣列xMIMO 的部署，CPRI 接口的帶寬無法滿足需求，于是基于eCPRI 接口的5G 射頻單元應(yīng)運而生，使得5G+4G的射頻共享也演變?yōu)?G eCPRI+4G CPRI 一體式混合接口的射頻共享模式。為了使5G+4G 的部署更加靈活，射頻單元RU 的體積更小，安裝更加方便，成本和功耗更低，結(jié)合O-RAN 白盒化硬件架構(gòu)，提出了一種基于5G eCPRI+4G CPRI 前傳接口的分布式射頻共享的技術(shù)方案。該方案由一個前傳網(wǎng)關(guān)數(shù)字處理單元和多個可以在一個小區(qū)中共享相同無線頻譜資源的分布式射頻拉遠(yuǎn)單元組成。該方案不僅支持4G 或5G 單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）室內(nèi)部署，還支持5G+4G 靜態(tài)射頻硬件單元共享和5G+4G 動態(tài)射頻頻譜共享，甚至可以支持2G、3G、4G 以及5G 多種制式聯(lián)合射頻單元共享。

1 基于CPRI 接口的5G+4G 射頻共享

通用公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）是無線基站內(nèi)部無線設(shè)備控制中心（Radio Equipment Control，REC）與無線設(shè)備（Radio Equipment，RE）之間的前傳接口規(guī)范[3]。在4G/5G通信系統(tǒng)中，REC 代表了基帶處理單元BBU，RE代表了射頻處理單元RU。

4G BBU 和5G BBU 分別使用獨立的光纖連接到射頻單元RU，用于通過CPRI 協(xié)議傳輸各自小區(qū)的天線IQ 數(shù)據(jù)，通過CPRI C&M 通道對RU 的數(shù)字處理單元FPGA 進行在線升級，以支持更高的數(shù)據(jù)采樣率和超過20 MHz 帶寬的5G 小區(qū)。4G BBU與5G BBU 之間通過私有接口協(xié)議相連，以支持動態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS），如圖1 所示。

圖1 基于CPRI 接口的5G+4G 射頻共享

RU 的數(shù)字中頻處理單元FPGA 完成CPRI 協(xié)議處理、4G 和5G 數(shù)字基帶調(diào)制信號上變頻與下變頻、波峰系數(shù)削減（Peak Coefficient Reduction，CFR）（簡稱削峰）、數(shù)字預(yù)失真處理以及4G 與5G 數(shù)字基帶調(diào)制天線IQ 數(shù)據(jù)的路由交換等數(shù)字中頻處理[4]。

以RFIC 為主體的射頻電路完成中頻調(diào)制信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換、射頻（高頻）調(diào)制與解調(diào)，即混頻、發(fā)送信號功率放大（Power Amplifier，PA）與接收低噪聲放大（Low Noise Amplifier，LNA）以及射頻濾波與天線信號的發(fā)送與接收等射頻功能[5]。

該方案支持常見的3 種射頻共享方式。第1 種，5G 和4G 共享相同的RU 數(shù)字中頻處理單元，并使用各自獨立的RFIC 以及相應(yīng)的射頻電路，使用各自獨立的頻譜資源和帶寬。第2 種，5G 和4G 共享相同的RU 數(shù)字中頻處理單元和RFIC 相關(guān)的射頻電路，并使用各自獨立的頻譜資源和帶寬。第3種，5G 和4G 共享相同的RU 數(shù)字中頻處理單元、RFIC 相關(guān)的射頻電路以及4G 的頻譜資源與帶寬，即DSS。

對于5G+4G 動態(tài)頻譜共享DSS 的部署場景和低帶寬5G 小區(qū)的部署場景，該方案基本不需要對現(xiàn)有4G 的射頻單元進行硬件改造，只需要進行簡單的FPGA 和軟件升級；對于如100 MHz 大帶寬的5G 部署，只需要對包括RFIC 在內(nèi)的硬件電路進行簡單的改造，以支持5G 更高頻率和更高帶寬的頻譜，不需要對Fronthaul 前向接口和無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行更新，以平滑過渡到5G+4G 的部署，能夠快速和低成本地部署5G。這種技術(shù)方案比較適合5G 部署的初期階段。

但是，該方案受限于4G 現(xiàn)有的空口協(xié)議棧的功能切分和CPRI 接口的帶寬。單條9.8 GHz 速率的CPRI 鏈路，最多承載1 個2T2R 100 MHz 的小區(qū)天線數(shù)據(jù)。部署1 個64 MIMO 100 MHz 的小區(qū)，需要32 根光纖，因此5G 超大帶寬業(yè)務(wù)特別是大規(guī)模天線陣列xMIMO 無法實施，需要新的技術(shù)方案來克服4G 空口協(xié)議棧功能切分的不足和CPRI 點對點連接擴展困難等缺點。

2 基于5G eCPRI+4G CPRI 的一體式射頻共享

eCPRI 是3GPP 標(biāo)準(zhǔn)在2017 年新引入的無線設(shè)備控制中心（eCPRI Radio Equipment Control，eREC）與無線設(shè)備（eCPRI Radio Equipment，eRE）之間的前傳接口規(guī)范[6]，用來承載eREC 與eRE 之間的業(yè)務(wù)面的IQ 數(shù)據(jù)以及其他實時與非實時的控制數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)，也可以承載管理面數(shù)據(jù)。與CPRI 協(xié)議不同，eCPRI 協(xié)議通過底層的以太網(wǎng)幀或TCP/IP 協(xié)議承載IQ 數(shù)據(jù)。為了簡化設(shè)計，通常同步面和管理面數(shù)據(jù)可以繞過eCPRI 協(xié)議直接承載在TCP/IP 協(xié)議棧之上。5G 標(biāo)準(zhǔn)對物理層協(xié)議進行了進一步切分，切分為PHY_HIGH與PHY_LOW。其中，PHY_HIGH 駐留在BBU 中，PHY_LOW 下層到RU 中。eCPRI 協(xié)議用于承載PHY_HIGH 與PHY_LOW 之間的天線IQ 數(shù)據(jù)[7]。

從業(yè)務(wù)需求上，CPRI 前傳接口已經(jīng)足以支撐4G 的各種業(yè)務(wù)，因此eCPRI 前傳接口主要應(yīng)用于5G 的BBU 與RU 之間。如圖2 所示，該方案中5G+4G 共享的RU 提供兩類接口：一是CPRI 接口，用于連接4G 的BBU；二是以太網(wǎng)eCPRI 接口，用于連接5G 的BBU。

通用嵌入式處理器用于運行Linux 嵌入式操作系統(tǒng)和操作維護管理等，包括本地所有的硬件資源。

數(shù)字處理單元FPGA 完成基帶數(shù)字信號處理和IQ 數(shù)據(jù)的中頻處理。在低延時場合，eCPRI 協(xié)議直接承載在以太網(wǎng)MAC 層幀中，利用以太網(wǎng)MAC 層協(xié)議處理單元處理以太網(wǎng)MAC 層協(xié)議，包括VLAN協(xié)議；eCPRI 協(xié)議處理單元處理eCPRI，封裝與解封裝5G PHY_HIGH 與5G PHY_LOW 之間的天線IQ 數(shù)據(jù)。在下行方向，一路IQ 數(shù)據(jù)經(jīng)過xMIMO 被分裂成x路天線IQ 數(shù)據(jù)流；在上行方向，xMIMO把x路天線IQ 數(shù)據(jù)流匯聚成一路天線IQ 數(shù)據(jù)。CPRI 協(xié)議處理單元處理CPRI 協(xié)議，封裝與解封裝4G BBU 與4G RU 之間的IQ 數(shù)據(jù)和C&M 通道數(shù)據(jù)；天線IQ 數(shù)據(jù)交換單元在下行方向把來自4G 和5G BBU 不同小區(qū)的天線IQ 數(shù)據(jù)交換到物理天線所對應(yīng)的數(shù)字中頻處理單元；數(shù)字中頻處理單元完成4G 和5G 數(shù)字基帶調(diào)制信號上變頻與下變頻，即數(shù)字基帶信號的頻譜搬移、波峰系數(shù)削減以及數(shù)字預(yù)失真處理，同時在單個天線部署多個不同小區(qū)載波的情形時，完成4G 與5G 數(shù)字基帶調(diào)制信號的分路與合路。

圖2 基于eCPRI+CPRI 接口的5G+4G 射頻共享

射頻電路完成中頻調(diào)制信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換、射頻（高頻）調(diào)制與解調(diào)，即混頻、發(fā)送信號功率放大與接收低噪聲放大以及射頻濾波、天線信號的發(fā)送與接收等射頻功能。這些功能與基于CPRI 接口的5G+4G 射頻共享完全一致。

時鐘同步比基于CPRI 接口的5G+4G 射頻共享方案要復(fù)雜。一方面RU 可以通過CPRI 鏈路從4G BBU 獲取同步時鐘，另一方面RU 作為IEEE 1588的客戶端，通過以太網(wǎng)接口從IEEE 1588 服務(wù)器獲得同步時鐘。IEEE 1588 服務(wù)器可以部署在BBU 上，也可以部署在中立的網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器上。為了降低BBU 和RU 的FPGA 處理eCPRI 協(xié)議的復(fù)雜度和多級分層時鐘同步引入的額外頻率與相位誤差，優(yōu)選中立的網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器方案。

以太網(wǎng)前傳接口的出現(xiàn)，使得RU 可以不再依附于BBU 的管理，從而可以成為一個獨立的、直接接受網(wǎng)管中心NMS 管理的網(wǎng)元。這樣的改變降低了基于CPRI 接口的5G+4G 射頻共享方案中RU接受多頭管理在實現(xiàn)上的復(fù)雜度。

該方案能夠?qū)崿F(xiàn)3 種常見射頻共享方式，即數(shù)字中頻處理共享、RFIC 射頻電路共享和頻譜資源共享。

在該方案中，5G BBU 可以通過以太網(wǎng)交換機連接RU，實現(xiàn)多點對多點的網(wǎng)絡(luò)連接。相比于CPRI 的點對點連接，射頻單元RU 基于5G BBU 共享的組網(wǎng)方式變得更加靈活。實現(xiàn)大規(guī)模天線陣列xMIMO 功能的5G PHY_LOW 層協(xié)議被下沉到RU中，極大地降低了以太網(wǎng)前傳接口的eCPRI IQ 數(shù)據(jù)帶寬。

但是，相對于通過單一的CPRI 接口實現(xiàn)5G+4G 共享的RU，該方案相對復(fù)雜，在CPRI 基礎(chǔ)上增加eCPRI，需要重新設(shè)計RU；一體式RU 體積偏大，因此主要適合室外部署。針對需要增加室內(nèi)覆蓋、降低單個射頻單元功耗的單頻網(wǎng)SFN 的部署，需要更加緊湊的射頻拉遠(yuǎn)單元。一種新型的基于5G eCPRI+4G CPRI 的分布式射頻共享方案，可以使5G+4G 的室內(nèi)部署更加經(jīng)濟、靈活與簡單。

3 基于5G eCPRI+4G CPRI 的分布式射頻共享

3.1 分布式射頻共享的基本思想

進一步切分5G+4G 共享的RU 功能，切分成天線IQ 數(shù)據(jù)交換單元和遠(yuǎn)程射頻拉遠(yuǎn)單元兩個功能實體。這樣的切分一方面可簡化與單一化遠(yuǎn)程射頻拉遠(yuǎn)單元的功能與規(guī)模，另一方面可集中處理不同小區(qū)的天線IQ 數(shù)據(jù)的生成、轉(zhuǎn)發(fā)、匯集與分發(fā)功能。前者為分布式的射頻拉遠(yuǎn)單元（pico Remote Radio Head，pRRH），后者為集中式的前傳網(wǎng)關(guān)數(shù)字處理單元，簡稱前傳網(wǎng)關(guān)（FrontHaul Gateway，F(xiàn)HGW）[8]。

3.2 前傳網(wǎng)關(guān)FHGW

前傳網(wǎng)關(guān)FHGW 的功能框圖如圖3 所示。

通用嵌入式處理器用于運行Linux 嵌入式操作系統(tǒng)和操作維護管理等，包括對所屬的本地硬件資源和遠(yuǎn)程射頻拉遠(yuǎn)單元的硬件資源的管理。

數(shù)字處理單元FPGA 除了完成CPRI 協(xié)議、eCPRI 協(xié)議、PHY_LOW 層協(xié)議（包括xMIMO）以及時鐘同步等功能之外，還包括網(wǎng)關(guān)新增的兩個重要功能，即天線IQ 數(shù)據(jù)的路由和交換，以及支持單頻網(wǎng)SFN 功能的天線IQ 數(shù)據(jù)匯集與多播功能。

PHY 實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層功能。

POE 則為所屬的射頻拉遠(yuǎn)單元提供遠(yuǎn)程供電。

3.3 射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH

射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 的功能框如圖4 所示。

圖3 前傳網(wǎng)關(guān)FHGW 功能框

圖4 射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 功能框

此方案中，RFIC 以及相關(guān)的射頻電路除了實現(xiàn)前面兩個方案中提到的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換、高頻載波的混頻、發(fā)送功率放大以及接收低噪聲放大LNA 以及天線信號的接收與發(fā)送等功能外，還實現(xiàn)原先由FPGA 完成的波峰系數(shù)削減和數(shù)字預(yù)失真處理功能。

數(shù)字處理單元FPGA 主要實現(xiàn)數(shù)字基帶調(diào)制信號的上變頻與下變頻、時鐘同步、eCPRI 協(xié)議以及eCPRI 遠(yuǎn)程內(nèi)存訪問所需要的硬件支持，包括直接訪問FPGA 的內(nèi)存，以及通過FPGA 提供的SPI/I2C Master 間接訪問RFIC 等外圍芯片的內(nèi)存。

POE 可通過以太網(wǎng)接口進行遠(yuǎn)程供電。

時鐘電路提供同步以太網(wǎng)時鐘的恢復(fù)、本地晶振時鐘以及高頻載波信號。

3.4 分布式射頻共享的網(wǎng)絡(luò)連接

分布式射頻共享的網(wǎng)絡(luò)連接如圖5 所示。

圖5 分布式射頻共享網(wǎng)絡(luò)連接示意

前傳網(wǎng)關(guān)與BBU 之間的前傳接口提供CPRI 接口和以太網(wǎng)接口。其中，CPRI 接口用于連接4G BBU，以太網(wǎng)eCPRI 接口用于連接5G BBU。前傳網(wǎng)關(guān)FHGW 與射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 之間采用以太網(wǎng)連接。SFP 光纖以太網(wǎng)提供遠(yuǎn)距離eCPRI 數(shù)據(jù)傳輸。RJ45 電口以太網(wǎng)提供近距離eCPRI 數(shù)據(jù)傳輸、同步以太網(wǎng)時鐘以及POE 遠(yuǎn)程供電。

在管理平面方面，前傳網(wǎng)關(guān)不僅完成了對自身硬件資源的管理，還通過eCPRI 協(xié)議中自動發(fā)現(xiàn)與遠(yuǎn)程內(nèi)存地址訪問功能，完成了對射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 硬件資源的直接遠(yuǎn)程管理，減少了射頻拉遠(yuǎn)單元對嵌入式CPU 的依賴，節(jié)省了成本，降低了功耗。前傳網(wǎng)關(guān)FHGW 統(tǒng)一負(fù)責(zé)接受外部網(wǎng)管中心或BBU 的管理。

在同步平面方面，前傳網(wǎng)關(guān)通過IEEE 1588 協(xié)議和CPRI 協(xié)議從外部獲取同步時鐘。射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 通過同步以太網(wǎng)從前傳網(wǎng)關(guān)獲取同步時鐘。它通過eCPRI 協(xié)議進行鏈路延時測量[9]。

對于單頻網(wǎng)SFN，前傳網(wǎng)關(guān)下屬的多個射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 可以組成一個相同載波頻率的單頻網(wǎng)小區(qū)，從而減少用戶在不同遠(yuǎn)端射頻單元之間移動時產(chǎn)生的小區(qū)切換消耗。前傳網(wǎng)關(guān)下的單個射頻拉遠(yuǎn)單元可以承載多個不同載波頻率的單頻網(wǎng)小區(qū)。多個前傳網(wǎng)關(guān)下屬的多個射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 可以組成一個更大的超級單頻網(wǎng)小區(qū)，從而進一步增加單小區(qū)在室內(nèi)的覆蓋范圍。

分布式MIMO。在無需更換遠(yuǎn)端射頻拉遠(yuǎn)單元硬件的前提，通過前傳網(wǎng)關(guān)對天線IQ 數(shù)據(jù)的路由交換，可以把2 個低階的2T2R pRRH 合并成1 個高階的4T4R pRRH。依次類推，可以合并成6T6R、8T8R 等更高階的pRRH，從而提升小區(qū)的吞吐量。

該方案提供了更加靈活多變的5G+4G 共享射頻的方式：（1）5G 和4G 共享相同的前傳網(wǎng)關(guān)，擁有各自獨立的射頻拉遠(yuǎn)單元、頻譜資源和帶寬；（2）5G 和4G 共享相同的前傳網(wǎng)關(guān)和射頻拉遠(yuǎn)單元，擁有各自獨立的頻譜資源；（3）5G 和4G 共享相同的前傳網(wǎng)關(guān)、射頻拉遠(yuǎn)單元以及4G 的頻譜資源；（4）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際的部署需要，在5G 和4G 之間動態(tài)分配大量遠(yuǎn)端射頻拉遠(yuǎn)單元的硬件資源；（5）利用該方案中單頻網(wǎng)SFN 的能力，通過多個射頻拉遠(yuǎn)單元組合成一個更大的室內(nèi)覆蓋的4G 或5G 小區(qū)，可彌補單5G 射頻單元信號快速衰減的不足；（6）借助該方案分布式MIMO 的能力，在不需要更換射頻拉遠(yuǎn)單元硬件的情形下，可實現(xiàn)5G 低階MIMO向5G 高階MIMO 部署的平滑演進。

該方案實現(xiàn)5G+4G 共享射頻的方式更加靈活多變，且共享的射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 的復(fù)雜度、成本、功耗以及體積都得到了較大程度的降低。此外，室內(nèi)覆蓋的部署更加簡單、輕便，較大地提升了共享的射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 的延展性，支持4G 向5G和5G 低階MIMO 向5G 高階MIMO 的平滑演進。

該方案主要適用于4G 或5G 或5G+4G 共享射頻情形下需要增加室內(nèi)覆蓋的場景。

4 結(jié)語

在4G 和5G 系統(tǒng)部署中，射頻單元的數(shù)量巨大、硬件形態(tài)最多樣、硬件投資成本和能耗占比最大、網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境最復(fù)雜。因此，簡化射頻單元的設(shè)計，降低射頻單元的成本和功耗，實現(xiàn)5G+4G 共享射頻單元，無論是對5G 技術(shù)本身漸進式的大規(guī)模推廣，還是對運營商和國家的投入影響，都具有重要意義。本文對3 種5G+4G 射頻共享技術(shù)方案進行總結(jié)、比較，深入探討了基于4G CPRI+5G eCPRI前傳接口的分布式射頻共享的技術(shù)方案以及其實現(xiàn)架構(gòu)、顯著特點以及方案特點與適用場合，并借鑒前兩個方案的技術(shù)實現(xiàn)和O-RAN 推薦的白盒化的硬件架構(gòu)，針對擴大室內(nèi)覆蓋的應(yīng)用場合，對原有5G+4G 的射頻共享方案進行了優(yōu)化與重構(gòu)，提出了集中式的前傳網(wǎng)關(guān)+輕量級的分布式的遠(yuǎn)程射頻拉遠(yuǎn)單元pRRH 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得5G+4G 的部署更加靈活，射頻單元體積更小，安裝更加方便，成本和功耗更低。