5G系統(tǒng)中BBU與RRU前傳接口帶寬計(jì)算方法

5G系統(tǒng)中BBU與RRU之間前傳接口(CPRI)帶寬計(jì)算

公布時(shí)間:-08-2210:22:57

起源：5G通信技術(shù)

標(biāo)簽：5G資源復(fù)用

15G系統(tǒng)中前傳(Fronthau】)含義及考慮原因(R3-160754)

在RAN3#91bis會(huì)議R3-160754：Fronthauling:MotivationsandConstraints+，Mitsubishi

Electric分析了Fronlhauling基本概念，對(duì)其動(dòng)因和局限進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

5G系統(tǒng)中采取C-RAN架構(gòu)，它能夠經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)功效虛擬化實(shí)現(xiàn)硬件資源共用和擴(kuò)展。C-

RAN下，小區(qū)間移動(dòng)性多在CU內(nèi)部完成，而不再需耍經(jīng)過(guò)外部接口。假如傳輸網(wǎng)提供

路由和復(fù)用特征，則BBU和RRU之間不再是1對(duì)1關(guān)系了，它們之間能夠動(dòng)態(tài)影射，實(shí)

現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)復(fù)用。

C-RAN下，經(jīng)過(guò)CU/DU功效切分，實(shí)現(xiàn)BBU資源集中化，能夠降低OPEX和CAPEX。

詳細(xì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

降低站址需求

降低安全風(fēng)險(xiǎn)

共享機(jī)房資源（空調(diào)/電源）

Mitsubishi認(rèn)為Fronlhualing包含CU與DU之間接口，以及支撐該接口底層網(wǎng)絡(luò)。

“FronthaulingisameanenablingtosplitRANfunctionsandlocatethempartlyinaCentral

Officeandpartlydistributethem.Itincludestheinterfacesbetweencentralanddistributed

functions,andtheunderlyingnetworkthattransportstheirterfhees.”

需要說(shuō)明是，早期規(guī)范討論過(guò)程中，CU/DU切分考慮高層和底層等多個(gè)選項(xiàng)?，F(xiàn)在高層

（1~3層）確定選取選項(xiàng)2,底層仍需深入討論，不過(guò)物理層BBU與RRU之間帶寬資源需

求最大，所以Fronthaul多集中在分析BBU與RRU之間傳統(tǒng)CPRI接口。

舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在LTE系統(tǒng)中，2x2MIMO,20MHz小區(qū)帶寬，峰值速率170Mbps,所需

CPRI帶寬約為2.5Gbps。伴隨載波數(shù)和MIMO流數(shù)增加，CPRI帶寬資源也幾乎成倍增

加。

5G系統(tǒng)中，峰值速率增加nx100倍，會(huì)造成CPRI鏈路帶寬需求高達(dá)250Gbps。即使能

夠采取傳輸壓縮，不過(guò)毋庸置疑是，C-RAN模式下RAN功效切分對(duì)接入網(wǎng)帶寬資源要求

相當(dāng)高。

25G系統(tǒng)中前傳(Fronthaul)帶寬計(jì)算(R3-160986/R3-161012)

在RAN3#91bis會(huì)議上，Mitsubishi在R3-160754及其修改稿R3-160986中,對(duì)前傳提供

了明確計(jì)算方法，提出了“614.4Mbps/10MHz/天線端口”基本結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不一

樣天線端口和帶寬進(jìn)行了估算分析。詳細(xì)說(shuō)明以下。

R3-160986中提到，假如在BBU與RRH之間進(jìn)行切分，則其接口上傳送是I/Q信號(hào)。5G

系統(tǒng)中假如也采取一樣切分方式，則計(jì)算表明，每個(gè)天線端口下，每10MHz就需要

614.4Mbps傳輸資源。當(dāng)頻率帶寬和天線端口都增加時(shí)，所需傳輸帶寬線形增加，以下表

所表示。

RAN架構(gòu)PHY/RF分離最大傳輸帶寬需求舉例

頻帶寬度

天線端口數(shù)

10MHz20MHz200MHz1GHz

一9IGbps2Gbps20GbpslOOGbps

84Gbps8Gbps80Gbps400Gbps

6432Gbps64Gbps640Gbps3200Gbps

256128Gbps256Gbps2560Gbps「彳嬴曠

R3-160986附錄A中提供了計(jì)算方法，整理以下:

3GPPTSGRANWG3Meeting#91bisR3.160986

Bangalore,India,11th-15thApril2016

AnnexA:Peakbitraterequirementcomputation

Thisannexprovidestheparametersandcalculationformulasofpeakbitraterequirementontransportnetworklaver

assumingaLTEeNBsphtfromtheRFasanexample

>Forthedownlink:

NumberofBSantennaelements,bitwidths07111.NumberofOFDMsymbolspersubframe^07121,FFTsize;(Peak

bitraterequirementofinterface=NumberofBSantennaelements?Bitwidth?NumberofOFDMsymbolsper

xuhfrmn^?FFTSIZP*2

>Fortheuplink

Systembandwidth,numberofBSantennaelements,bitwidth,NumberofOFDMsymbolspersubframe,FFT

size,(Peakbitraterequirementofinterface=NumberofBSantennaelements?Bitwidth?NumberofOFDM

symbolspersubframe?FFTsize*2/1ms)

NOTEIDunngthecalculation,thevalueofbitwidth”15;

NOTE2ForOFDMsystemof20MHzsvstembandwidththenumberofOFDMsymbolspersubframeis14

(ifconsideringCP.thenumberofOFDMsymbolspersubframeis15),FFTsizeis2048,NumberofOFDM

symbolspersubframe^FFTsizeisproportionaltothesystembandwidth、一:;'56通售獷才

NOTE?Thenumber2heremeansIbranchsitmalandObranchsitmal

天線陣子數(shù)（編者注：原文是antennaelements,如上圖所表示）

CPRI采樣比特寬度：按15比特考慮。

每個(gè)子幀中OFDM符號(hào)數(shù)：20MHz下為14,假如考慮CP,則為15。

FFT數(shù)目：2048（原文注：每個(gè)子幀中OFDM符號(hào)數(shù)和FFT數(shù)目標(biāo)乘積與系統(tǒng)帶寬成百

分比）。

同時(shí)考慮I/Q支路時(shí)，傳輸帶寬需乘以2。

傳輸帶寬計(jì)算方法:

下行：

接口帶寬峰值比特率=基站天線陣子數(shù)x比特寬度x每個(gè)子幀中OFDM符號(hào)數(shù)xFFT數(shù)

目X2（I/Q支路），1ms

上行：

接口帶寬峰值比特率=基站天線陣子數(shù)x比特寬度x每個(gè)子幀中OFDM符號(hào)數(shù)xFFT數(shù)

目X2（I/Q支路）Jms

在后續(xù)R3-161012修改稿中，在表格下方明確標(biāo)注了i一算方法：

接口帶寬峰值比特率=基站天線陣子數(shù)x采樣頻率（與系統(tǒng)帶寬成百分比）x比特寬度（每

個(gè)采樣）+開(kāi)銷(xiāo)

35G系統(tǒng)中前傳(Fronthaul)帶寬結(jié)論(R3-162102)

在RAN3#92會(huì)議上，Ericsson在R3-162422Clarificationsonfronthaulbitraterequirements

中提議，傳輸部分強(qiáng)調(diào)為最大理論值，且提議明確增加采樣率等備注信息，即：

Thecalculationismadeforsamplingfrequencyof30.72MegaSamplepersecondforeach

20MHzandforaBitWidthequalto30o（譯文：計(jì)算基于20MHz,每秒30.72M采取頻

率，比特寬度為30）

此提議被采納并在TR38801-060中表現(xiàn)了出來(lái)。

TR38801-060中，表格題目和文字描述都有部分改變。值得注意是，此版定型后一直沒(méi)

再變過(guò)。

詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)本文最終附錄部分。

4TR38.801(V14?0.0)中結(jié)論

在RAN3#91bisMitsuibishi退案討論和修改基礎(chǔ)上，結(jié)合RAN3#92上Ericsson提議，統(tǒng)

計(jì)在TR38801-060中，并一直沿用至今。

亦即對(duì)于BBU與RRU之間傳輸帶寬需求，自TR38801-060定型后，一直就沒(méi)再變過(guò)。

詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)本文最終附錄部分。

5BBU與RRU之間CPRI接口介紹

BBU與RRU之間采取CPRI接口傳輸基帶信號(hào)。上圖中，右側(cè)無(wú)線設(shè)備控制器(RE。即

指BBU,左側(cè)無(wú)線設(shè)備(RE)相當(dāng)于RRU。

RadioEquipment(RE)RadioEquipmentControl(REC)

RU(=RRH)DU(=BBU)

3

tNghalIQStreame

Cf?fllIntCPRIinterfacel

p

LT€近欠JT?p

1.U用Daue

Rf

co

2.Control&Management-d

3.Synchronhatiofv______

FastC&Mfk\FastC&MInlomation(Ethernet)

SlowC&Mfh\"SlowC&MInformation(HDIC)

11InbandProtocol//CPWBasicFrame(l?abit)11InbandProtocol

VendorSpecifK7VVendorSpecifKinformMion

TWnlni&/-260.42m-------Timing&

SynchronU4tton0-----W-1SSynchrofiiution

CPWControlPlaneo：CPRIControlPUm*

Block

CPRIOverheadCPRIPayload

IIii

ComrolIQDataBlock5G通管技方

word(Rbinl

BBU進(jìn)行基帶信號(hào)處埋，并形成1/Q數(shù)據(jù)流，經(jīng)CPRI接口傳送出去。

RadioEquipment('Erollcr(RIC)

JV

--C

e-?

uMbm8

l?

MK

Cc

E-

yu6--------------------Bl

uru.

Kn

Jj2M*Mcbih

NIt

onfevery260.416ns

ITtgitnlHasebondPruomg

RRU將CPRI接口上傳送I/Q數(shù)據(jù)接收下來(lái)，并轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，經(jīng)由天線發(fā)射出去。

6LTE系統(tǒng)中CPRI接口帶寬詳細(xì)計(jì)算方法分析

結(jié)合R3-160986以及TR38.801中信息，對(duì)LTE系統(tǒng)CPRI帶寬計(jì)算舉例以下。

6.1CPRI接口帶寬計(jì)算公式

接口帶寬峰值比特率=基站天線陣子數(shù)x采樣頻率（與系統(tǒng)帶寬成百分比）x比特寬度（每

個(gè)采樣）+開(kāi)銷(xiāo)

TR38.801中表格下標(biāo)注計(jì)算條件為：基于20MHz,每秒30.72M采取頻率，比特寬度為

30o

假設(shè)LTE載波帶寬為20MHz,采取2天線，則:

基帶帶寬；20MHz

IFFT點(diǎn)數(shù)：2048

子載波間隔：15KHz

基帶I/Q采樣率：30.72MHz(=2048*ISKHz)

采樣位寬：30bit(CPRIDQ采樣位寬，各15比特)

每AxC上I/Q采樣數(shù)據(jù)流：921.6Mbps(=30bits*30.72MHz)

添加控制字(WO)：983.04Mbps(=16/15*921.6Mbps)

添加8B/10B線路編碼開(kāi)銷(xiāo)：1.2288Gbps(=983.04*10/8)

2x2MIMO：2.4576Gbps(=2x1.2288Gbps)

8x8MIMO：9.8304Gbps(=8x1.2288Gbps)

簡(jiǎn)單說(shuō)明以下。

6.2CPRI接口I/Q采樣位寬

CPRI鏈路采取復(fù)數(shù)方式傳送AxC數(shù)字化RF信號(hào)，每個(gè)樣值都采取I/Q向量來(lái)表示。

CPRI規(guī)范中，主要處理這種信號(hào)格式。I/Q樣值交織在一起形成單個(gè)word。這些word一

起組成滿(mǎn)足采樣率和比特寬度需求信號(hào)。

依照空口需求和上下行特征，CPRI能夠采取不一樣比特寬度。下行方向上，比特寬度為

8到20比特，為了獲取較高采樣速率，上行比特寬度為4到20比特。另外，I/Q采樣值

較小時(shí)，也能夠采取信號(hào)擴(kuò)展或者采取預(yù)留比特填充方式來(lái)對(duì)空閑位進(jìn)行填充，以獲取較

大比特寬度。對(duì)于上下行采取不一?樣比特寬度時(shí)，這種處理方法比較有用，但在CPRI上

進(jìn)行影射時(shí)，通常上下行都會(huì)采取相同采樣寬度。

簡(jiǎn)單來(lái)講，I/Q信號(hào)到CPR【接口影射遵照以下規(guī)則:

上行I/Q采樣寬度：4^20bits,慣用值為12,15和16c

下行DQ采樣寬度:8-20bits,慣用值為⑵15和160

不過(guò)通常上下行都采取15比特采樣寬度。如華為“BBU-RRUIR接口說(shuō)明書(shū)(-7)”中要求，

下行I/Q位寬為15bit,其中業(yè)務(wù)有效I/Q數(shù)據(jù)位寬占高13bit,低2bit無(wú)效。上行I/Q位寬

為15bit,無(wú)DAGC(DAGC即數(shù)字自動(dòng)增益控制)。

LTEBW10MHzLTEBW20MHz

SamplingSampling

15bits

Isampledata

001100101100010OOllOOlOllOOOJO

o

qAntenna

u

MLTE

S32.55nsec

nRF

o

bits

data

u0.101010111001001101010111001001

l/Qsampledataratel/Qsampledatarate

perantenna=perantenna=

460.8Mbps公￡迅邑

BasebandDigitalICBasebandDigitalIC

6.3CPRI幀結(jié)構(gòu)和幀長(zhǎng)度

LTE系統(tǒng)中，子載波間隔為15KHz,其符號(hào)長(zhǎng)度與子載波間隔成反比，為l/(15KHz)。

2048個(gè)IFFT采樣點(diǎn)落入一個(gè)符號(hào)內(nèi)(即l/(15KHz)),故采樣頻率相當(dāng)于15KHz*2048二

30.72MHzo

CPRI鏈路上傳送多個(gè)基帶I/Q數(shù)據(jù)流，每個(gè)I/Q數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)載波和一個(gè)天線。AxC

是指一個(gè)天線上所傳送單個(gè)載波I/Q數(shù)據(jù)。

CPRI基本幀長(zhǎng)度Tc=l/fc=l/3.84MHz=260.41667ns。一個(gè)基本幀包含16個(gè)word。其中第

一個(gè)word為控制word,其余15個(gè)word為用戶(hù)面I/Q數(shù)據(jù)。每個(gè)word中8個(gè)比特。

W=0123456789101112131415

1chip=1/3.84Mhz

BO?

3?

B1?

3?

B0

-x

Cz

?

YD3

lIQDataBlockTime

EA

FB

G

H

15*8bits

《：.人渡僧技方

1controlwordr

依照單個(gè)word上影射比專(zhuān)長(zhǎng)度，CPRI可分為不一樣類(lèi)型，對(duì)應(yīng)不一樣有效載荷。比如,

每個(gè)word中影射8比特時(shí)，有效載荷為120bito同理，每個(gè)word中影射16/32/3比特

時(shí)，則有效載荷分別對(duì)應(yīng)240/480/960比特。它們分別對(duì)應(yīng)CPRI選項(xiàng)1/2/3/5,以下列圖

所表示。

CPRI基本幀長(zhǎng)度為260.41667ns(=l/3.84MHz),故上述不一樣有效載荷下，對(duì)應(yīng)速率分別

計(jì)算以下：

CPRI速率基本幀/1

包含CWCW的長(zhǎng)有效載荷

(8B/10B有效載荷速率碼片

CPRI選項(xiàng)線路編碼的速率度的長(zhǎng)度

編碼之后)(Mbps)(260.42

(Mbps)(bit)(bit)

(Mbps)ns)

18B/10B614.4491.5460881201

28B/10B1228.8983.0921.6162402

38B/10B245761966118432324804

48B/10B307202457.62304.0406005

58B/10B491523932.23686.4649608

68B/10B61440491524608.080120010

70D/10B9030.470G4.37372.012019201G

7A64B/66B811017864373728128192016

864B/66B1013769830473728160240020

964B/66B12165111796511059.2192288024

包含CW包含CW的速

(有效載荷(有效載荷

率*的我雌

計(jì)算方法+cwy幀沖達(dá)2

*10/8'(或度/(有效載荷

長(zhǎng)度

者*66/64)+CW)

6.4CPRI線路編碼

CPRI線路編碼能夠采取8B/10B或者64B/66B兩種方式。

8B/10B編碼表示將8比特碼字影射到10比特符號(hào)上，64B/66B同理。

8B/10B編碼特征之一是確保DC平衡，采取8B/10B編碼方式，可使得發(fā)送“0”、“1”數(shù)量

保持基本一致，連續(xù)“1"或"0”不超出5位，即每5個(gè)連續(xù)“1”或“0”后必須插入一位“0”或

“1”，從而確保信號(hào)DC平衡，也就是說(shuō)，在鏈路超時(shí)時(shí)不致發(fā)生DC失調(diào)。經(jīng)過(guò)8B/10B

編碼，能夠確保傳輸數(shù)據(jù)串在接收端能夠被正確復(fù)原。

6.5CPRI帶寬計(jì)算總結(jié)

依照上述分析和計(jì)算結(jié)果可知，LTE帶寬為20MHz時(shí)，采取15biWQ采樣位寬每AxC上

I/Q采樣數(shù)據(jù)流為921.6Mbps,添加控制字后為983.04Mbps,采取8b/10b編碼后為

1.2288Gbps,對(duì)應(yīng)CPRI速率選項(xiàng)2,亦即每個(gè)AxC能夠影射到CPRI選項(xiàng)2模式下進(jìn)行

傳送。而采取2天線端口(即2x2MIMO模式)時(shí),則需要2.4576GbpsCPRI帶寬。

-基帶帶寬：20MHz

每AxC上I/Q采樣數(shù)據(jù)流：921.6Mbps(=30bits*30.72MHz)

添加控制字(WO)：983.04Mbps(=16/15*921.6Mbps)

添加8B/10B線路編碼開(kāi)銷(xiāo)：1.2288Gbps(=983.04*10/8)

2x2MIMO：2.4576Gbps(=2x1.2288Gbps)

8x8MIMO：9.8304Gbps(=8x1.2288Gbps)

假如考慮10MHz帶寬，則CPRI速率需求降低二分之一，對(duì)應(yīng)TR38.8O1結(jié)論:

“每個(gè)天線端口下，每10MHz就需要614.4Mbps傳輸資源”。

另外，不一樣采樣位寬條件下，各個(gè)CPRI選項(xiàng)下所能承載天線端口x載波(AxC)數(shù)目有

所不一樣。比如，CPRI選項(xiàng)7速率為9830.4Mbps,9/12/15比特采樣位寬下，對(duì)應(yīng)AxC

分別為13/10/8。

上述計(jì)算結(jié)果中，LTE20MHz下，2天線端口對(duì)應(yīng)CPRI帶寬為2457.6Mbps,對(duì)應(yīng)選項(xiàng)

3,亦即2個(gè)AxC能夠影射到此模式中。

Maximumnumberofcarriersperlink

AxCtypeSampleUnebitrate

width24576(4x)49152(8x)61440(10x)98304(16x)

WCDMA15brt16324064

LIE1415brt32646464

LTE315bit16324064

LTE515”8162032

L7E1015brt481016

L1E169%481116

12Z36813

15bw25610

L7E209brt36813

12brt25610

15brt245口*56通信技方

75G新空口下CPRI接口帶寬估算

5G系統(tǒng)新空口中，采取新無(wú)線參數(shù)集。3月中國(guó)移動(dòng)在巴塞羅那通信展上公布樣機(jī)規(guī)范

中，對(duì)篁新空口參數(shù)要求以下:

Table3-1:Recommendedsystemparameters

SystemParameterValue

BandwidthPerCC100MHz

SubcarrierSpacing30kHz

GuardBand<10%(e.g.2.08%)

ActualBandwidthPerCC>90MHz(e.g,97.92MHz)

SubcarrierPerCC>3000(e.g.3264)

OFDMSymbolLength(NotIncludingCP)33.4us

CPOverhead6.67%

FFTSize4096

SamplingRate122.88而ng遏信E"

采取與LTE類(lèi)似計(jì)算方法，計(jì)算5G系統(tǒng)CPRI帶寬以下:

基帶帶寬：100MHz

IFFT點(diǎn)數(shù)：4096

子載波間隔：30KHz

基帶I/Q采樣率：122.88MHz(=4096*30KHz)

采樣位寬：15bit(I和Q樣點(diǎn))

每AxC上I/Q采樣數(shù)據(jù)流：3686.4Mbps(=30bits*122.88MHz)

添加控制字(WO)：3932.16Mbps(=16/15*3686.4Mbps)

添加8B/1OB線路編碼開(kāi)銷(xiāo)：4915.2Mbps(=3932.16Mbps*10/8)

64TRXMIMO：314.57Gbps(=64x4915.2Mbps)

采取5G新空口參數(shù)計(jì)算，100MHz下，單天線端口所需CPRI帶寬為4.9Gbps。LTE系統(tǒng)

中，10MHz下，單天線端口所需CPRI帶寬為614.4Mbps。進(jìn)行對(duì)比可知，5G系統(tǒng)頻帶

寬度為L(zhǎng)TE系統(tǒng)10倍，不過(guò)5G所需CPRI帶寬卻只有LTE系統(tǒng)8倍。這和5G系統(tǒng)中采

取新載波間隔和IFFT點(diǎn)數(shù)都關(guān)于系。

更為主要是，5G系統(tǒng)中采取64TRX,其CPRI速率要求更高，如100MHz下約需

320GbpSo

8TR38.801中BBU與RRU之間CPRI接口帶寬計(jì)算

TR38.801提供了不一樣天線端口和帶寬下CPRI最大帶寬信息，以下表所表示。

NumberofAntennaFrequencySystemBandwidth

Port*10MHz20MHz200MHz1GHz

2[Gbps2Gbps20Gbps100Gbps

84Gbps8Gbps80Gbps400Gbps

6432Gbps64Gbps640Gbps?,馬號(hào)岸宓

256128Gbps256Gbps2560Gbps“12800Gbps

能夠依照TR38.801中提供結(jié)果“每個(gè)天線端口下，每10MHz就需要614.4Mbps傳輸資速”

進(jìn)行驗(yàn)證，也能夠采取5G新空口結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

采取LTE計(jì)算結(jié)果估算，則10MHz下單天線端口需求614MbpsCPRI帶寬，貝112端口

10MHz約需IGbps,2端口20MHz約需2Gbps,依次類(lèi)推，粗略估算。

依照5G新空口計(jì)算驗(yàn)證上述結(jié)果，100MHz單天線端口下對(duì)應(yīng)4915.2Mbps,則對(duì)■應(yīng)結(jié)果

準(zhǔn)確信息以下，靠近但絕不超出TR38.801中表格中所提供最大值。

?強(qiáng)密室度

天線端口數(shù)

Ot)ps)

10MHz20MHz100MHz200MHz1GHz

1491.52983.044915.2983(U491520

2983.041966.089830.419660.89S3040

41966.083932.1619660.839321.619660SO

83932.167S64.3239321.67S643.23932160

167864.3215728.64786432157286.47864320

3215728.6431457.28157286.4314572.815728640

64314572862914.56314572.8629145.631457280

12S62914.56125829.126