5G小基站系統(tǒng)前傳接口研究

付楠楠 康志杰 王東東

摘要：對比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。隨著天線數(shù)的增加，option 7-2切分方式對前傳帶寬的壓力越小。通過前傳接口承載信息設(shè)計、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)計方案，利用測試平臺的搭建、實時數(shù)據(jù)的抓取分析進一步驗證了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：TN929文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）12-62-5

0引言

隨著移動數(shù)據(jù)流量爆炸式增長和海量物聯(lián)設(shè)備接入，5G系統(tǒng)作為面向大帶寬、多連接、低時延、高可靠設(shè)計的技術(shù)體制，在國家不斷推進網(wǎng)絡(luò)部署建設(shè)的進程中，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)用場景的專用需求[1-2]。

傳統(tǒng)移動網(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，但依舊存在盲點和熱點地區(qū)覆蓋不足等問題，作為網(wǎng)絡(luò)廣度和深度覆蓋的有力補充，小基站的作用日趨重要。隨著5G頻譜上移，單個宏基站覆蓋半徑進一步縮減，依靠宏基站實現(xiàn)廣/深覆蓋難度更加凸顯，小基站將成為5G時代重要的組成部分[3-5]。

5G時代中，室內(nèi)場景占據(jù)著非常重要的位置。據(jù)測算，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）、擴展單元（Extension Unit，EU）和遠端單元（Remote Unit，RU）。BU主要實現(xiàn)5G NR基站基帶數(shù)據(jù)處理，集中控制管理整個基站系統(tǒng)，向上與核心網(wǎng)進行通信；EU主要負責RU數(shù)據(jù)的下行分發(fā)、上行匯聚、時鐘同步和以太網(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基帶信號與射頻信號的轉(zhuǎn)換及5G NR射頻信號的收發(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標準組織定義了option 1～8共計8大類切分方式[10]。option 1為無線資源控制層（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Low 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Low 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Low 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，通過具體功能模塊的分割節(jié)點不同，進一步細分為option7-1，option7-2，option7-3三種方式來降低前傳接口的數(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，不對基帶物理層進行切分，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。

不同的切分方式對前傳接口有不同的帶寬要求，越靠近射頻前端對前傳接口的帶寬要求越高；反之，帶寬要求越低?；?GPP技術(shù)標準，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之間的消息信號都是通過以太網(wǎng)包進行傳輸，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)初始化過程中BU與EU進行啟動參數(shù)的交互握手并完成時序同步的過程，主要包括初始配置消息、參數(shù)集配置消息以及時隙格式配置消息。進行系統(tǒng)初始化時，BU會對每個OFDM符號的收發(fā)模式進行配置，而EU會持續(xù)從BU接收小區(qū)特定配置消息，直到識別BU下發(fā)的小區(qū)特定配置消息為最后一個數(shù)據(jù)包。

初始配置消息長度為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)啟動時傳輸一次。

參數(shù)集配置消息長度為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)啟動時傳輸一次。

時隙格式配置消息長度為64 byte，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型、每個符號的收發(fā)配置等，該消息以時隙為周期進行傳輸，用于指示當前時隙內(nèi)每個符號的收發(fā)模式。

2.2定時消息

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間隔固定時間（一個時隙）向BU發(fā)送定時消息，BU基于該定時消息完成每個時隙的上下行數(shù)據(jù)過程處理和調(diào)度過程處理。

定時消息長度為64 byte，主要包括以太網(wǎng)包頭（18 byte）、尾包指示、消息類型、無線幀號和無線幀內(nèi)的時隙號等，該消息以時隙為周期進行傳輸，是維護系統(tǒng)定時的關(guān)鍵消息。

2.3數(shù)據(jù)消息

數(shù)據(jù)消息長度主要與系統(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)無線幀號、無線幀內(nèi)的時隙號、每個符號上所有的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)消息在下行子幀時進行傳輸，傳輸消息的數(shù)量與天線數(shù)成正相關(guān)；上行數(shù)據(jù)消息在上行子幀時進行傳輸，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到運行的整個過程，涉及小區(qū)特定配置消息發(fā)送、時序同步及數(shù)據(jù)消息交互。

圖2詳細描述了option7-2前傳接口的交互流程為4個階段：配置階段、同步階段、定時階段和業(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并發(fā)送定時消息，消息發(fā)送的順序為初始配置消息->參數(shù)集配置消息->時隙格式配置消息。

同步階段：BU接收EU發(fā)送的定時消息，連續(xù)收到20個時隙號連續(xù)的定時消息后即認為BU與EU之間同步。

定時階段：BU收到第21個定時消息后，以該消息攜帶的時間點為基準計算出特定的時刻作為后續(xù)業(yè)務(wù)定時使用，待接收到特定時刻的定時消息后定時階段結(jié)束。

業(yè)務(wù)階段：該階段BU進入運行態(tài)，以定時消息為基準進行工作，開始下行數(shù)據(jù)消息的生成、定時消息和上行數(shù)據(jù)消息的處理。

3前傳接口模塊設(shè)計

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中實現(xiàn)，通過實時靈活調(diào)用通用服務(wù)器的計算資源完成基本運算處理；基帶物理層的Low PHY功能在EU實現(xiàn)。通過專用FPGA芯片完成實時性要求較高的復(fù)雜的計算處理。

前傳接口的下行流程詳細描述如下：

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

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

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

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

⑤IFFT和CP添加后的數(shù)據(jù)經(jīng)過發(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描述如下：

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

②將RU發(fā)來的數(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)流送到相位去補償模塊，輸出每個OFDM符號對應(yīng)的每個子載波補償結(jié)果。

④相位去補償后的結(jié)果送入頻域壓縮模塊進行數(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)緩存模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

⑥BU收到上行數(shù)據(jù)后進行數(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BU的信道估計&均衡、IDFT&解調(diào)、bit級處理，最終完成基帶物理層所有功能。

4平臺測試驗證

4.1測試環(huán)境搭建

為驗證前傳接口設(shè)計方案的有效性和正確性，搭建一套完成的5G小基站測試平臺進行實時數(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通過光纖連接，EU與RU通過光纖連接，上位機電腦通過網(wǎng)絡(luò)交換機控制BU，EU，RU的運行和數(shù)據(jù)抓取等操作，RU與5G頻譜儀通過射頻線連接。

4.2測試結(jié)果

基于圖5的連接環(huán)境，測試平臺主要進行交互過程4個階段中頭尾2個階段的消息分析來驗證前傳接口設(shè)計工作的有效性：一是抓取EU處配置階段中任一消息進行對比，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，驗證基帶物理層的處理正確性。

平臺參數(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)實時內(nèi)容，經(jīng)與BU中發(fā)射的時隙格式配置消息填充內(nèi)容對比，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頻譜儀下行模板對數(shù)據(jù)解析后的數(shù)據(jù)，IQ數(shù)據(jù)打點清晰，誤差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）完全滿足3GPP標準要求，證明基帶物理層數(shù)據(jù)處理過程的正確性。

5結(jié)束語

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)推進的關(guān)鍵。

通過對比前傳接口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。然后重點進行前傳接口信息承載、交互和設(shè)計的描述，通過消息過程的詳細明確、模塊的合理拆分完成option 7-2前傳接口的設(shè)計方案，并通過測試平臺的搭建、數(shù)據(jù)抓取分析進一步驗證了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)用的場景化覆蓋提供重要保障。

參考文獻

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

[2]嚴斌峰，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5G室內(nèi)覆蓋展望[J].電信工程技術(shù)與標準化，2019，32（2）：64-69.

[4]方紹湖，李馨，卜斌龍.基于開放平臺小基站的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時代小基站的建設(shè)需求及現(xiàn)實考慮要素分析[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小基站的無線接入網(wǎng)開放架構(gòu)及分析[J].移動通信，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)計技術(shù)， 2020（12）：39-45.