开放前传接口技术及其在5G数字化室分系统中的应用研究

吴 越，黄 蓉，王友祥（中国联通网络技术研究院，北京 100048）

0 引言

随着移动网络的发展，软件驱动、基站硬件白盒化、接口开放的要求驱使无线接入网络朝着更加开放与智能的方向演进，而基站与射频间前传接口的开放是其中一个重要的目标。基站与射频间前传接口的标准化与开放化使得异厂商设备互联互操作成为可能，有利于无线接入网的灵活部署，有利于创造有竞争力、有活力的产业生态系统。3GPP定义了底层分离接口的物理层内功能划分，O-RAN 联盟WG4 定义了基于物理层内划分的开放前传接口技术，本文将探讨开放前传接口技术、不同的底层切分方式对前传接口的影响以及如何在5G 数字化室分系统中引入开放前传接口技术。

1 前传接口架构

根据O-RAN联盟对无线接入网的划分，基站系统可以分为O-RAN 控制单元（O-CU）、O-RAN 分布单元（O-DU）和O-RAN 射频单元（O-RU）。O-CU 与ODU 间的接口称为高层分离接口，即HLS 接口，例如3GPP F1 接口。O-DU 与O-RU 间的接口称为底层分离接口，即LLS 接口，例如O-RAN WG4 开放前传工作组定义的管理面接口、控制面用户面同步面接口。

本文所指前传接口是指O-DU 与O-RU 间的接口，即LLS 接口，分为管理面接口LLS-M，控制面用户面同步面接口LLS-CUS，另外，网管系统（例如NMS）也有可能通过前传接口连接管理O-RU，如图1所示。

图1 开放前传接口架构

2 前传接口功能划分

3GPP 定义了CU 和DU 间不同方式的协议栈功能划分，与LLS 有关的划分选项包括Option6、Option7 和Option8。其中的Option7 是物理层内切分，又可细分为Option7-1、Option7-2x和Option7-3等。

LLS接口功能划分选项如图2所示。

对物理层进行切分的一个主要目的是为了降低O-DU 与O-RU 间前传接口的带宽要求。在传统的划分方式Option8中，物理层全部位于O-DU，O-RU 的实现则相对简单，这种方式对前传接口带宽要求在与LLS 有关的几种方式中是最高的。而Option7 对物理层内部做新的划分，物理层分为PHY-high 和PHYlow 分别位于O-DU 和O-RU，这样O-RU 的实现会变得复杂些，但降低了前传接口带宽的要求。即不同的物理层切分方式对前传接口带宽有不同的要求，物理层切分越靠近MAC层对前传接口带宽的要求越低，物理层越靠近RF对前传接口带宽的要求越高。由于5G对大带宽、多天线的需求，同时考虑到O-RU应尽量简单和降低前传接口带宽要求这2 个互相竞争的因素，Option7-2x被认为是当前主流的一种切分方式。

图2 LLS接口功能划分选项

不同切分方式对前传带宽的速率要求举例如表1和表2 所示。假设系统参数取值如表1 所示，则前传带宽速率估计如表2所示。

3 前传接口协议和协议转换

传统的Option8 架构中，前传接口采用基于时分的CPRI 协议。Option8 要求整个物理层在O-DU 实现，用户面的数据经过O-DU 物理层的IFFT 已经由频域数据转换为时域数据，所以在经由前传接口传输时这些时域的用户面数据容易被封装到基于时分的CPRI 帧里进行传输。除了用户面，CPRI 协议还定义了对于控制管理面和同步面的支持，对于控制管理面，一般基于CPRI 定义的Fast C&M 通道，采用运营商或厂家私有层三协议实现，例如IR 协议，对于同步面，它是通过CPRI帧里的同步控制字段实现超帧、帧的同步。

表1 系统参数取值

表2 不同切分方式前传带宽估计（单位：Gbit/s）

而在Option7-2x 架构中，前传接口采用基于频分的eCPRI 协议。Option7-2x 的物理层内切分方式要求IFFT/FFT位于O-RU，因此经由O-DU 和O-RU 间前传网络传输的eCPRI消息里封装的用户面数据是还未经IFFT 变换的频域数据。eCPRI 协议只支持用户面数据，包括实时控制数据，而对于Option7-2x 的管理面，一般采用通用的传输管理层协议，例如基于TCP 的NETCONF/YANG 协议等，对于同步面，也是采用现存的同步面协议，例如SyncE、PTP等。

2 种前传接口协议有相互转换的需求，例如当新建支持eCPRI 的基站节点（eREC）时，为了重用已有的支持CPRI 的RRU 节点（RE），需要实现桥接eCPRI 节点和CPRI节点的IWF功能；或当迁移到基于以太的前传网络，为了重用已有的CPRI 基站节点（REC）和CPRI RRU 节点（RE）时，需要实现桥接CPRI 节点的IWF 功能。实现IWF 功能的实体也可以称之为FHGW，在数字室分系统中一般推荐由HUB 实现eCPRI/CPRI协议转换的IWF功能。

IWF有3种类型。

a）Type 0：eREC↔前传网络↔IWF type 0↔RE。

b）Type 1：REC↔IWF type 1↔前传网络↔IWF type 2↔RE。

c）Type 2：REC↔IWF type 1↔前传网络↔IWF type 2↔RE。

IWF type 0 实际上承担了eREC 和RE 间用户面数据传输的代理功能，从eREC 角度来说，（IWF type 0+RE）被认作为一个eRE，从RE 角度来说，（eREC +IWF type 0）被认作为一个REC。IWF type 0 概念如图3所示。

图3 IWF type 0概念

IWF type 0是一种功能，IWF可以位于eREC/eRE，也可作为独立的网络节点（例如桥、路由器设备或数字室分系统中的HUB）。当IWF 位于靠近CPRI RE 的节点时，边缘数据中心和远端站点的传输网络可以使用以太包交换网络。当IWF 位于边缘数据中心站点时，可以新增eREC 基站而不影响现有的CPRI 传输网。IWF type 0可以有如图4所示的几种部署方式。

对于IWF type 1和type 2，实际上是把REC发出的CPRI 帧通过IWF type 1 转化为eCPRI 帧发给IWF type 2，然后转化为CPRI 帧再发给RE。IWF type 1 和IWF type 2概念如5图所示。

4 5G数字室分前传架构

5G 数字化室分系统由基带单元（BBU）、远端汇聚单元（HUB）和无线射频单元（pRRU）组成，基带单元与远端汇聚单元拓扑支持星形连接、链形连接。本章节主要研究如何在数字室分系统中引入开放前传接口。

数字室分前传架构可以有以下3种模式。

模式1：完全Option7-2x 模式，即BBU↔HUB↔pRRU间全是Option7-2x切分。

模式2：Option7-2x和Option8转换模式，即BBU↔HUB 间是Option7-2x 切分，HUB↔pRRU 间是Option8切分。

模式3：完全Option8 模式，即BBU↔HUB↔pRRU间全是Option8切分。

当前LTE 数字室分前传架构采用模式3：完全Option8模式，即BBU 与HUB 与pRRU 间的连接都是基于Option8 划分，它的控制面用户面同步面采用CPRI 协议，层三管理面一般采用基于CPRI Fast C&M 的运营商或厂家私有协议，例如IR 协议。5G 数字室分前传架构可以采用上述3种模式中的1种。

图4 IWF type 0部署方式

图5 IWF type 1和IWF type 2概念

a）从5G 大带宽、多天线的需求及开放前传接口技术发展的方向来看，完全Option7-2x 的模式可能会逐渐成为未来发展的主流。

b）从节省投资，分步实施，快速部署的角度来看，模式2具有现实意义。

c）对于某些场景，例如对于带宽要求不高，人员不密集的场所，模式3也有其意义。

模式3 的问题是前传接口不开放，BBU 和RRU 不能解耦，本节将主要探讨符合开放前传接口技术发展方向的，基于Option7-2x 的模式1 和模式2。按照ORAN 开放前传接口定义，基带单元（BBU）可以匹配为O-DU，而HUB 和pRRU 对O-RU 的匹配有多种可能性。例如，根据Low-PHY 位置的不同，当Low-PHY 位于无线射频单元（pRRU）时，无线射频单元是O-RU，当Low-PHY 位于HUB 时，HUB 也可以是一种O-RU。模式1和模式2的问题是不能完全匹配O-RAN开放前传接口架构，O-RAN WG4 开发前传工作组没有明确定义HUB 的概念。例如，对模式1，HUB 上没有Low-PHY，不符合标准O-RU 的定义，但是本文仍然可以把它认作一种O-RU；对模式2，HUB 上引入Option7-2x和Option8 转换功能，Low-PHY 位于HUB，那么是把HUB 单独做为O-RU，还是把（HUB+pRRU）整体当作O-RU？下面针对不同模式分别进行分析。

4.1 模式1：完全Option7-2x模式

完全Option7-2x 模式下，HUB 和pRRU 分别作为独立的O-RU。HUB 和pRRU 各自做为NETCONF 服务器，与O-DU 分别建立起单独的NETCONF 连接。O-DU 与pRRU 间的NETCONF 连接需要经由HUB 中转，需要HUB 支持DHCP 中继功能，由O-DU 上的DHCP服务器分配pRRU IP地址。

完全Option7-2x 模式下，Low-PHY 位于pRRU，pRRU 需要执行用户面配置，HUB 自身不需要用户面配置，但是HUB需要执行copy和combine相关的配置，以把用户面数据分发到pRRU（下行），或把用户面数据合并发往O-BU（上行）。

完全Option7-2x 模式下，1 个带8 个pRRU 的HUB被认作为8 个代表pRRU 的O-RU 和1 个代表HUB 的O-RU，O-DU需要与它们建立起9条NETCONF连接。

图6所示为完全Option7-2x模式。

4.2 模式2：Option7-2x和Option8转换模式

根据O-DU 对HUB 和pRRU 管理的不同，模式2又可以分成如下2种类型。

a）HUB和pRRU分别做为独立的O-RU。

b）HUB和pRRU被看作1个O-RU。

4.2.1 HUB和pRRU分别做为独立的O-RU

图6 完全Option7-2x模式

此种模式下，HUB 和pRRU 分别作为独立的ORU。HUB 和pRRU 各自做为NETCONF 服务器，与ODU 分别建立起单独的NETCONF 连接。O-DU 与pRRU 间的NETCONF 连接需要经由HUB 中转，需要HUB 支持DHCP 中继功能，由O-DU 上的DHCP 服务器分配pRRU IP地址。

需要注意的是，这种模式要求HUB 部分控制pRRU 的启动过程。例如，Option8 采用CPRI 协议的话，HUB 需要控制HUB 和pRRU 间CPRI 链路的建立与同步、pRRU 的检测等。一旦pRRU 启动完成，CPRI链路上的Fast C&M 既已建立，Ethernet使能，随后流程遵循O-RAN WG4 管理面规范所述O-RU 启动流程，pRRU建立起与O-DU的NETCONF连接。

此种模式下，Low-PHY 位于HUB，由于HUB 上没有载波配置因此不需要执行自身相关的用户面配置，但是需要执行用户面转换相关的配置。例如，假设用户面数据转换是eCPRI 转CPRI，那么为了使得eCPRI的数据被HUB正确转换成CPRI数据并被插入到CPRI帧正确的位置，O-RAN WG4 管理面规范及其YANG模型需要做一些针对HUB的扩展。

pRRU 上已有载波配置，因此需要执行用户面配置，需要注意的是pRRU需要执行基于Option8的NETCONF/YANG 用户面配置，而当前O-RAN WG4管理面规范定义的是基于Option7-2x 的NETCONF/YANG 模型，如何实现基于Option8 的pRRU NETCONF 启动过程及其YANG模型需要进一步研究。

此种模式下，1 个带8 个pRRU 的HUB 被认作为8个代表pRRU 的O-RU 和1 个代表HUB 的O-RU，ODU需要与它们建立起9条NETCONF连接。

图7 所示为此种Option7-2x 和Option8 转换模式1。

图7 Option7-2x和Option8转换模式1

4.2.2 HUB和pRRU被看作1个O-RU

此种模式下，只有HUB 有NETCONF 服务器可以与O-DU 建立起NETCONF 连接，而pRRU 被隐藏，（HUB+pRRU）做为一个整体O-RU 暴露给O-DU。pRRU 的管理，例如启动、IP 地址分配、版本升级和配置等由HUB 负责，HUB 同时负责建立起与pRRU 的内部管理面连接和CUS 面连接。建立HUB 和pRRU 间的内部连接有多种可能性，例如管理面可以是基于NETCONF 的连接，也可以是厂家自定义，CUS 面连接可以是基于Option8 的CPRI 协议连接，也可以是厂家自定义。

对于HUB（+pRRU）来说，它作为一个O-RU 遵循O-RAN WG4 管理面规范所述启动流程，建立起和ODU 的NETCONF 连接，O-DU 为每个HUB（+pRRU）分配IP 地址，而pRRU 的内部IP 地址可由HUB 自主分配。

另外，因为O-DU 和pRRU 间没有直接的管理面连接，因此O-DU 需要通过和HUB 的NETCONF 连接下发用户面配置给HUB，由HUB 转换为Option8 的用户面配置，再通过HUB 和pRRU 间建立起的管理面连接下发给pRRU。

此种模式下，1 个带8 个pRRU 的HUB 被认作为8个单独的O-RU，O-DU 需要与它们建立起8 条NETCONF连接。

图8所示为Option7-2x和Option8转换模式2。

图8 Option7-2x和Option8转换模式2

4.3 模式3：完全Option8模式

Option8 模式采用传统CPRI 接口协议，BBU 发出的下行用户面数据经由HUB 分发到各个pRRU，每个pRRU发出的上行数据经由HUB合并发送到BBU。由于物理层全部位于BBU，用户面数据在BBU 前传接口发出的数据是已经经过IFFT 转换的时域数据，因此BBU 与HUB 与pRRU 间均为Option8 切分。Option8 模式的控制&管理面没有采取开放接口，各厂家应用自己的私有协议，因此Option8 模式不支持BBU 和RRU解耦，不符合前传接口未来技术发展方向。

图9所示为完全Option8模式。

4.4 模式1和模式2的比较

由于模式3所用接口协议CPRI存在控制&管理面接口协议不开放的问题，不符合开放前传接口技术发展方向，预计未来5G基站前传接口会越来越多地转向模式1 和模式2，下面主要比较一下模式1 和模式2 的区别以及优缺点。

首先，不同划分方式对数字室分系统前传带宽的要求如下。

a）Option7-2x方式，采用eCPRI协议，其数据速率估计公式如下：

图9 完全Option8模式

（a）有压缩：FH_BW≈［（12×2×9+4）× Nbr_RBs ×Nbr_Spatial_layers］×［1 000×2μ×14］× 1.20×1.15。其中，当SCS 为15 kHz 时，μ=0，当SCS 为30 kHz 时，μ=1；1.20 表示控制消息、接口以及以太网的消耗；1.15 表示以太网传输余量，以避免拥塞等；PRB 压缩算法假设为block floating point compression（9 bit/4 bit-exponent），用正常的cyclic prefix（14 symbols per slot）；上下行的控制信息均为从DU到RU，所以上行数据速率会稍微降低一些，如5%。以1 个100 MHz、4T4R、IQ_9 的小区为例，则：速率=［（12×2×9+4）×273×4］×（1 000×2×14）×1.2×1.15=9.28 Gbit/s。

（b）无压缩：FH_BW ≈［（12×2×15）× Nbr_RBs ×Nbr_Spatial_layers］×［1000 × 2μ × 14］× 1.20 × 1.15。其中，当SCS 为15 kHz 时，μ=0，当SCS 为30 kHz 时，μ=1；1.20 表示控制消息、接口以及以太网的消耗；1.15 表示以太网传输余量，以避免拥塞等；采用非压缩格式，IQ_15；上下行的控制信息均为从DU 到RU，所以上行数据速率会稍微降低一些，如5%。以1 个100 MHz、4T4R、IQ_15 的小区为例，则：速率=［（12×2×15）×273×4］×（1 000×2×14）×1.2×1.15=15.2 Gbit/s。

（c）综上，eCPRI速率如表4所示。

b）Option8 方式采用CPRI 协议，其数据速率估计公式如下：FH_BW=Fs× IQ × CPRI line coding × Antenna。其中，Fs 为采样率；IQ 为压缩格式；CPRI line coding 为CPRI 线编码，例如CPRI 比特率Option8 的线编码64B/66B；Antenna 为天线数量。以1 个100 MHz、4T4R、无压缩IQ_15 的小区为例，速率=122.88 Msps×30×66/64 ×4=15.2 Gbit/s；以1 个100 MHz、4T4R、有压缩IQ_9的小区为例，速率=122.88 Msps×18×66/64×4=9.1 Gbit/s。具体见表5。

表4 eCPRI速率

表5 CPRI速率

可以看到，在5G 数字室分配置的情况下，例如1个100 MHz、4T4R 的小区，不同的划分方式，Option7-2x 方式和Option8 方式对前传带宽的要求差别不大。由于当前现网上基本都是基于Option8 切分方式的pRRU，因此采用模式2（Option7-2x 和Option8 转换模式）的一个优点是可以节省投资，最大限度的利用现网资源，快速部署，但是此模式要求HUB 实现更多的功能，例如实现PHY-low 和eCPRI/CPRI 协议转换等，HUB上的工作量和成本会增加。模式1更加符合开放前传接口的技术发展方向，但是需要pRRU支持PHYlow 的同时还要支持eCPRI 协议，pRRU 的工作量和成本会增加。由于pRRU 和HUB 数量上的差别，在未来前传网络部署5G数字室分系统时，一种可实施的方案是第一阶段采用模式2架构，再逐渐演进到模式1。

而当需要支持的小区数量增加，带宽增大，Option7-2x 方式相比Option8 方式由于具有低带宽的特征优势更加显著，尤其是对于拥有Massive MIMO 特性的5G 宏基站，Option8 方式无法满足前传带宽需求，只能选择Option7-2x方式。

5 结束语

本文介绍了开放前传接口技术及LLS前传接口功能划分，探讨了5G数字室分系统在开放前传接口下将会遇到的问题，提出了把5G数字室分系统引入开放前传接口的几种方案。当考虑把数字室分系统引入开放前传接口时，不仅要考虑开放前传接口技术的未来发展趋势，还需要尽可能的保留对当前室分系统前传接口的支持。文章所述模式1为符合开放前传接口未来技术发展方向的方案，模式2 通过实现不同切分方式接口协议的转换在支持开放前传接口的同时又保留了对当前前传接口划分方式的支持。