5G eCPRI+4G CPRI 室内分布式射频共享技术方案的研究*

王文兵，张志民

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，江苏 南京 210037）

0 引言

5G 通信技术现已成为国家核心竞争力的体现之一。它提供的增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低时延的（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和低功耗大连接的海量物联网通信（massive Machnice Type Communication，mMTC）这3 大业务场景[1-2]，几乎覆盖了社会中大部分无线通信的业务需求。然而，它的工作频谱高、信号衰减大等，导致覆盖范围小。要全面独立部署5G，前期需要大量的资金投入。因此，5G+4G 联合部署和协同发展是5G大规模部署初期主要的方针和实际部署形态。5G通过共享4G 现有的核心网、无线接入网（Radio Access Network，RAN）的基带单元（Base band Unit，BBU）和射频单元（Radio Unit，RU）等网络资源，在借助4G 网络增加网络覆盖的同时，节省了大量的硬件资源的投入，并为由4G 平滑过渡到5G+4G 联合网络以及最终过渡到单一的5G 网络提供了保障。本文主要探究5G+4G 共享射频单元RU的技术方案。

基于CPRI 接口的射频共享是5G+4G 射频共享最初始的形态。随着5G 大规模天线阵列xMIMO 的部署，CPRI 接口的带宽无法满足需求，于是基于eCPRI 接口的5G 射频单元应运而生，使得5G+4G的射频共享也演变为5G eCPRI+4G CPRI 一体式混合接口的射频共享模式。为了使5G+4G 的部署更加灵活，射频单元RU 的体积更小，安装更加方便，成本和功耗更低，结合O-RAN 白盒化硬件架构，提出了一种基于5G eCPRI+4G CPRI 前传接口的分布式射频共享的技术方案。该方案由一个前传网关数字处理单元和多个可以在一个小区中共享相同无线频谱资源的分布式射频拉远单元组成。该方案不仅支持4G 或5G 单频网（Single Frequency Network，SFN）室内部署，还支持5G+4G 静态射频硬件单元共享和5G+4G 动态射频频谱共享，甚至可以支持2G、3G、4G 以及5G 多种制式联合射频单元共享。

1 基于CPRI 接口的5G+4G 射频共享

通用公共无线接口（Common Public Radio Interface，CPRI）是无线基站内部无线设备控制中心（Radio Equipment Control，REC）与无线设备（Radio Equipment，RE）之间的前传接口规范[3]。在4G/5G通信系统中，REC 代表了基带处理单元BBU，RE代表了射频处理单元RU。

4G BBU 和5G BBU 分别使用独立的光纤连接到射频单元RU，用于通过CPRI 协议传输各自小区的天线IQ 数据，通过CPRI C&M 通道对RU 的数字处理单元FPGA 进行在线升级，以支持更高的数据采样率和超过20 MHz 带宽的5G 小区。4G BBU与5G BBU 之间通过私有接口协议相连，以支持动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS），如图1 所示。

图1 基于CPRI 接口的5G+4G 射频共享

RU 的数字中频处理单元FPGA 完成CPRI 协议处理、4G 和5G 数字基带调制信号上变频与下变频、波峰系数削减（Peak Coefficient Reduction，CFR）（简称削峰）、数字预失真处理以及4G 与5G 数字基带调制天线IQ 数据的路由交换等数字中频处理[4]。

以RFIC 为主体的射频电路完成中频调制信号的数模转换与模数转换、射频（高频）调制与解调，即混频、发送信号功率放大（Power Amplifier，PA）与接收低噪声放大（Low Noise Amplifier，LNA）以及射频滤波与天线信号的发送与接收等射频功能[5]。

该方案支持常见的3 种射频共享方式。第1 种，5G 和4G 共享相同的RU 数字中频处理单元，并使用各自独立的RFIC 以及相应的射频电路，使用各自独立的频谱资源和带宽。第2 种，5G 和4G 共享相同的RU 数字中频处理单元和RFIC 相关的射频电路，并使用各自独立的频谱资源和带宽。第3种，5G 和4G 共享相同的RU 数字中频处理单元、RFIC 相关的射频电路以及4G 的频谱资源与带宽，即DSS。

对于5G+4G 动态频谱共享DSS 的部署场景和低带宽5G 小区的部署场景，该方案基本不需要对现有4G 的射频单元进行硬件改造，只需要进行简单的FPGA 和软件升级；对于如100 MHz 大带宽的5G 部署，只需要对包括RFIC 在内的硬件电路进行简单的改造，以支持5G 更高频率和更高带宽的频谱，不需要对Fronthaul 前向接口和无线接入网的网络架构进行更新，以平滑过渡到5G+4G 的部署，能够快速和低成本地部署5G。这种技术方案比较适合5G 部署的初期阶段。

但是，该方案受限于4G 现有的空口协议栈的功能切分和CPRI 接口的带宽。单条9.8 GHz 速率的CPRI 链路，最多承载1 个2T2R 100 MHz 的小区天线数据。部署1 个64 MIMO 100 MHz 的小区，需要32 根光纤，因此5G 超大带宽业务特别是大规模天线阵列xMIMO 无法实施，需要新的技术方案来克服4G 空口协议栈功能切分的不足和CPRI 点对点连接扩展困难等缺点。

2 基于5G eCPRI+4G CPRI 的一体式射频共享

eCPRI 是3GPP 标准在2017 年新引入的无线设备控制中心（eCPRI Radio Equipment Control，eREC）与无线设备（eCPRI Radio Equipment，eRE）之间的前传接口规范[6]，用来承载eREC 与eRE 之间的业务面的IQ 数据以及其他实时与非实时的控制数据、同步数据，也可以承载管理面数据。与CPRI 协议不同，eCPRI 协议通过底层的以太网帧或TCP/IP 协议承载IQ 数据。为了简化设计，通常同步面和管理面数据可以绕过eCPRI 协议直接承载在TCP/IP 协议栈之上。5G 标准对物理层协议进行了进一步切分，切分为PHY_HIGH与PHY_LOW。其中，PHY_HIGH 驻留在BBU 中，PHY_LOW 下层到RU 中。eCPRI 协议用于承载PHY_HIGH 与PHY_LOW 之间的天线IQ 数据[7]。

从业务需求上，CPRI 前传接口已经足以支撑4G 的各种业务，因此eCPRI 前传接口主要应用于5G 的BBU 与RU 之间。如图2 所示，该方案中5G+4G 共享的RU 提供两类接口：一是CPRI 接口，用于连接4G 的BBU；二是以太网eCPRI 接口，用于连接5G 的BBU。

通用嵌入式处理器用于运行Linux 嵌入式操作系统和操作维护管理等，包括本地所有的硬件资源。

数字处理单元FPGA 完成基带数字信号处理和IQ 数据的中频处理。在低延时场合，eCPRI 协议直接承载在以太网MAC 层帧中，利用以太网MAC 层协议处理单元处理以太网MAC 层协议，包括VLAN协议；eCPRI 协议处理单元处理eCPRI，封装与解封装5G PHY_HIGH 与5G PHY_LOW 之间的天线IQ 数据。在下行方向，一路IQ 数据经过xMIMO 被分裂成x路天线IQ 数据流；在上行方向，xMIMO把x路天线IQ 数据流汇聚成一路天线IQ 数据。CPRI 协议处理单元处理CPRI 协议，封装与解封装4G BBU 与4G RU 之间的IQ 数据和C&M 通道数据；天线IQ 数据交换单元在下行方向把来自4G 和5G BBU 不同小区的天线IQ 数据交换到物理天线所对应的数字中频处理单元；数字中频处理单元完成4G 和5G 数字基带调制信号上变频与下变频，即数字基带信号的频谱搬移、波峰系数削减以及数字预失真处理，同时在单个天线部署多个不同小区载波的情形时，完成4G 与5G 数字基带调制信号的分路与合路。

图2 基于eCPRI+CPRI 接口的5G+4G 射频共享

射频电路完成中频调制信号的数模转换与模数转换、射频（高频）调制与解调，即混频、发送信号功率放大与接收低噪声放大以及射频滤波、天线信号的发送与接收等射频功能。这些功能与基于CPRI 接口的5G+4G 射频共享完全一致。

时钟同步比基于CPRI 接口的5G+4G 射频共享方案要复杂。一方面RU 可以通过CPRI 链路从4G BBU 获取同步时钟，另一方面RU 作为IEEE 1588的客户端，通过以太网接口从IEEE 1588 服务器获得同步时钟。IEEE 1588 服务器可以部署在BBU 上，也可以部署在中立的网络授时服务器上。为了降低BBU 和RU 的FPGA 处理eCPRI 协议的复杂度和多级分层时钟同步引入的额外频率与相位误差，优选中立的网络授时服务器方案。

以太网前传接口的出现，使得RU 可以不再依附于BBU 的管理，从而可以成为一个独立的、直接接受网管中心NMS 管理的网元。这样的改变降低了基于CPRI 接口的5G+4G 射频共享方案中RU接受多头管理在实现上的复杂度。

该方案能够实现3 种常见射频共享方式，即数字中频处理共享、RFIC 射频电路共享和频谱资源共享。

在该方案中，5G BBU 可以通过以太网交换机连接RU，实现多点对多点的网络连接。相比于CPRI 的点对点连接，射频单元RU 基于5G BBU 共享的组网方式变得更加灵活。实现大规模天线阵列xMIMO 功能的5G PHY_LOW 层协议被下沉到RU中，极大地降低了以太网前传接口的eCPRI IQ 数据带宽。

但是，相对于通过单一的CPRI 接口实现5G+4G 共享的RU，该方案相对复杂，在CPRI 基础上增加eCPRI，需要重新设计RU；一体式RU 体积偏大，因此主要适合室外部署。针对需要增加室内覆盖、降低单个射频单元功耗的单频网SFN 的部署，需要更加紧凑的射频拉远单元。一种新型的基于5G eCPRI+4G CPRI 的分布式射频共享方案，可以使5G+4G 的室内部署更加经济、灵活与简单。

3 基于5G eCPRI+4G CPRI 的分布式射频共享

3.1 分布式射频共享的基本思想

进一步切分5G+4G 共享的RU 功能，切分成天线IQ 数据交换单元和远程射频拉远单元两个功能实体。这样的切分一方面可简化与单一化远程射频拉远单元的功能与规模，另一方面可集中处理不同小区的天线IQ 数据的生成、转发、汇集与分发功能。前者为分布式的射频拉远单元（pico Remote Radio Head，pRRH），后者为集中式的前传网关数字处理单元，简称前传网关（FrontHaul Gateway，FHGW）[8]。

3.2 前传网关FHGW

前传网关FHGW 的功能框图如图3 所示。

通用嵌入式处理器用于运行Linux 嵌入式操作系统和操作维护管理等，包括对所属的本地硬件资源和远程射频拉远单元的硬件资源的管理。

数字处理单元FPGA 除了完成CPRI 协议、eCPRI 协议、PHY_LOW 层协议（包括xMIMO）以及时钟同步等功能之外，还包括网关新增的两个重要功能，即天线IQ 数据的路由和交换，以及支持单频网SFN 功能的天线IQ 数据汇集与多播功能。

PHY 实现以太网物理层功能。

POE 则为所属的射频拉远单元提供远程供电。

3.3 射频拉远单元pRRH

射频拉远单元pRRH 的功能框如图4 所示。

图3 前传网关FHGW 功能框

图4 射频拉远单元pRRH 功能框

此方案中，RFIC 以及相关的射频电路除了实现前面两个方案中提到的数模转换和模数转换、高频载波的混频、发送功率放大以及接收低噪声放大LNA 以及天线信号的接收与发送等功能外，还实现原先由FPGA 完成的波峰系数削减和数字预失真处理功能。

数字处理单元FPGA 主要实现数字基带调制信号的上变频与下变频、时钟同步、eCPRI 协议以及eCPRI 远程内存访问所需要的硬件支持，包括直接访问FPGA 的内存，以及通过FPGA 提供的SPI/I2C Master 间接访问RFIC 等外围芯片的内存。

POE 可通过以太网接口进行远程供电。

时钟电路提供同步以太网时钟的恢复、本地晶振时钟以及高频载波信号。

3.4 分布式射频共享的网络连接

分布式射频共享的网络连接如图5 所示。

图5 分布式射频共享网络连接示意

前传网关与BBU 之间的前传接口提供CPRI 接口和以太网接口。其中，CPRI 接口用于连接4G BBU，以太网eCPRI 接口用于连接5G BBU。前传网关FHGW 与射频拉远单元pRRH 之间采用以太网连接。SFP 光纤以太网提供远距离eCPRI 数据传输。RJ45 电口以太网提供近距离eCPRI 数据传输、同步以太网时钟以及POE 远程供电。

在管理平面方面，前传网关不仅完成了对自身硬件资源的管理，还通过eCPRI 协议中自动发现与远程内存地址访问功能，完成了对射频拉远单元pRRH 硬件资源的直接远程管理，减少了射频拉远单元对嵌入式CPU 的依赖，节省了成本，降低了功耗。前传网关FHGW 统一负责接受外部网管中心或BBU 的管理。

在同步平面方面，前传网关通过IEEE 1588 协议和CPRI 协议从外部获取同步时钟。射频拉远单元pRRH 通过同步以太网从前传网关获取同步时钟。它通过eCPRI 协议进行链路延时测量[9]。

对于单频网SFN，前传网关下属的多个射频拉远单元pRRH 可以组成一个相同载波频率的单频网小区，从而减少用户在不同远端射频单元之间移动时产生的小区切换消耗。前传网关下的单个射频拉远单元可以承载多个不同载波频率的单频网小区。多个前传网关下属的多个射频拉远单元pRRH 可以组成一个更大的超级单频网小区，从而进一步增加单小区在室内的覆盖范围。

分布式MIMO。在无需更换远端射频拉远单元硬件的前提，通过前传网关对天线IQ 数据的路由交换，可以把2 个低阶的2T2R pRRH 合并成1 个高阶的4T4R pRRH。依次类推，可以合并成6T6R、8T8R 等更高阶的pRRH，从而提升小区的吞吐量。

该方案提供了更加灵活多变的5G+4G 共享射频的方式：（1）5G 和4G 共享相同的前传网关，拥有各自独立的射频拉远单元、频谱资源和带宽；（2）5G 和4G 共享相同的前传网关和射频拉远单元，拥有各自独立的频谱资源；（3）5G 和4G 共享相同的前传网关、射频拉远单元以及4G 的频谱资源；（4）根据网络实际的部署需要，在5G 和4G 之间动态分配大量远端射频拉远单元的硬件资源；（5）利用该方案中单频网SFN 的能力，通过多个射频拉远单元组合成一个更大的室内覆盖的4G 或5G 小区，可弥补单5G 射频单元信号快速衰减的不足；（6）借助该方案分布式MIMO 的能力，在不需要更换射频拉远单元硬件的情形下，可实现5G 低阶MIMO向5G 高阶MIMO 部署的平滑演进。

该方案实现5G+4G 共享射频的方式更加灵活多变，且共享的射频拉远单元pRRH 的复杂度、成本、功耗以及体积都得到了较大程度的降低。此外，室内覆盖的部署更加简单、轻便，较大地提升了共享的射频拉远单元pRRH 的延展性，支持4G 向5G和5G 低阶MIMO 向5G 高阶MIMO 的平滑演进。

该方案主要适用于4G 或5G 或5G+4G 共享射频情形下需要增加室内覆盖的场景。

4 结语

在4G 和5G 系统部署中，射频单元的数量巨大、硬件形态最多样、硬件投资成本和能耗占比最大、网络部署环境最复杂。因此，简化射频单元的设计，降低射频单元的成本和功耗，实现5G+4G 共享射频单元，无论是对5G 技术本身渐进式的大规模推广，还是对运营商和国家的投入影响，都具有重要意义。本文对3 种5G+4G 射频共享技术方案进行总结、比较，深入探讨了基于4G CPRI+5G eCPRI前传接口的分布式射频共享的技术方案以及其实现架构、显著特点以及方案特点与适用场合，并借鉴前两个方案的技术实现和O-RAN 推荐的白盒化的硬件架构，针对扩大室内覆盖的应用场合，对原有5G+4G 的射频共享方案进行了优化与重构，提出了集中式的前传网关+轻量级的分布式的远程射频拉远单元pRRH 的网络架构，使得5G+4G 的部署更加灵活，射频单元体积更小，安装更加方便，成本和功耗更低。