White Paper of Next Generation Fronthaul Interface
版本號 1.0
2015年6月4日
中國移動通信研究院
上海貝爾股份有限公司
諾基亞網(wǎng)絡
中興通訊股份有限公司
博通公司
英特爾中國研究中心
聯(lián)系人：
黃金日：huangjinri@chinamobile.com
袁雁南：yuanyannan@chinamobile.com
近些年來，集中BBU（BaseBand Unit，基帶單元）、拉遠RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠單元）的C-RAN（Centralized, Cooperative, Cloud & Clean - Radio Access Network）網(wǎng)絡部署在全球許多國家和地區(qū)得到了越來越廣泛的應用，但受CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）的限制和現(xiàn)有BBU/RRU接口帶寬要求高的影響，若沿用CPRI進行前傳組網(wǎng)，則會限制C-RAN更大規(guī)模的部署；另外面向4.5G及未來5G的無線技術(shù)也對現(xiàn)有CPRI提出了新的挑戰(zhàn)。本白皮書旨在解決這些問題，提出了NGFI（Next Generation Fronthaul Interface，下一代前傳接口），并列出多種可選的接口功能劃分方案。以期產(chǎn)業(yè)界各方共同探討，形成業(yè)界共識，推動NGFI的成熟，促進未來無線網(wǎng)絡的發(fā)展。
本版白皮書內(nèi)容涵蓋了下一代前傳網(wǎng)絡接口演進需求、設計原則、應用場景和潛在方案等技術(shù)領(lǐng)域，對無線接入網(wǎng)絡未來的演進方向具有很好的參考價值。希望這版技術(shù)白皮書能在推廣NGFI框架思路的同時，也能為未來傳輸設備的設計提供指標性參考。衷心感謝上海貝爾股份有限公司、諾基亞網(wǎng)絡、中興通訊股份有限公司、博通公司、英特爾中國研究中心等成員單位的辛勤撰寫。作為NGFI白皮書的第一版，有很多技術(shù)觀點還未成熟，歡迎業(yè)界與我們共同探討，希望今后能夠吸納更多的技術(shù)觀點，使其內(nèi)容更加豐富翔實。
1 概要
1.1 現(xiàn)有網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)
C-RAN提倡的BBU集中化部署，具有加快網(wǎng)絡部署、降低運維和投資成本、有效支撐協(xié)作化及載波聚合等LTE-A關(guān)鍵技術(shù)、提升網(wǎng)絡性能等顯著優(yōu)勢[1]。但C-RAN部署的一個主要挑戰(zhàn)來自于前傳網(wǎng)絡。以LTE為例，CPRI接口要求高帶寬、低時延，雖然目前基于有源或者無源波分傳輸技術(shù)可有效解決此前傳問題，節(jié)約光纖使用量，但會引入額外的傳輸設備，造成成本上升。因此，如果能設計一個更加靈活、更低帶寬的前傳網(wǎng)絡，將能進一步解決C-RAN組網(wǎng)的傳輸問題。另外，C-RAN集中化后的雙路由保護需求也要求實現(xiàn)BBU基帶池和RRU間的靈活路由？傊，傳統(tǒng)CPRI接口很難支持未來無線網(wǎng)絡集中式部署的組網(wǎng)需求。
從傳統(tǒng)CPRI接口承載移動通信數(shù)據(jù)的效率角度分析。移動通信業(yè)務具有顯著的動態(tài)變化特性，寫字樓、住宅區(qū)等區(qū)域存在潮汐效應，凌晨時段大部分網(wǎng)絡處于低業(yè)務負載狀態(tài)。然而，現(xiàn)有的BBU與RRU采用的定速率前端傳輸接口CPRI或OBSAI（Open Base Station Architecture Initiative）是一種基于TDM（Time-division Multiplexing，時分復用）協(xié)議的定速率前傳接口，即使在沒有業(yè)務負載的情況下仍會傳輸CPRI/OBSAI流，數(shù)據(jù)傳輸效率低下[2]。
1.2 未來網(wǎng)絡的需求
從現(xiàn)有無線網(wǎng)絡功能和結(jié)構(gòu)的演進分析，目前3GPP已在R12中引入了基于LTE的雙連接，R13正在討論在LTE+WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡中提供異構(gòu)雙連接的功能。進一步為滿足未來5G容量密度1000倍提升的要求，需要引入超密集、靈活的小基站部署。超密集小基站的部署勢必帶來頻繁的站間切換和信號干擾問題。上述問題需要通過集中控制面，以及大基站和小基站之間更緊密地空口協(xié)作來解決。由此可見，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)正朝著C/U分離、控制集中的方向發(fā)展。因此，前傳接口需提供低時延和高帶寬傳輸服務，并通過BBU/RRU功能重構(gòu)滿足無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)演進的需求。
從未來無線網(wǎng)絡向5G演進的場景需求分析。5G時代除了繼續(xù)支持現(xiàn)有網(wǎng)絡應用外，還會引入許多新的用戶應用。例如：密集城區(qū)無處不在的高清/超高清甚至3D全息影片和視頻、任何地方50+Mbps的高速用戶體驗、大于350km/h的高速移動應用、傳感網(wǎng)、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、E-Health、自然災害監(jiān)測等[3]。為滿足5G多樣化業(yè)務場景的需求，未來網(wǎng)絡需要具備按需快速定制、快速部署的能力，從而需支持大規(guī)模RAN共享等功能，從而前傳網(wǎng)絡必須具有更大靈活性和可擴展性。
從未來5G網(wǎng)絡新技術(shù)引入的角度分析，越來越多的新技術(shù)和新特性將會出現(xiàn)以提升用戶帶寬、網(wǎng)絡容量、業(yè)務時延等性能，從而應對上述新的應用需求[4]。首先，隨著無線帶寬和天線數(shù)增加，現(xiàn)有BBU和RRU間傳輸帶寬急劇增加，通過BBU/RRU功能重新劃分可滿足網(wǎng)絡Massive MIMO等新技術(shù)對前端傳輸?shù)囊蟆Ｆ浯，面向低時延和高帶寬的上層業(yè)務需求，業(yè)務下沉和核心網(wǎng)功能邊緣化趨勢明顯。在考慮業(yè)務命中率的前提下，將業(yè)務下沉至BBU集中部署機房是對業(yè)務命中率和業(yè)務時延需求的一種折中選擇。在這種情況下，高帶寬、低時延的前傳網(wǎng)絡是滿足上層業(yè)務需求的基礎。
基于上述討論，我們認為目前產(chǎn)業(yè)界普遍應用的CPRI/OSBAI接口主要適用于點對點連接，由于其傳輸效率低、靈活性差、難以擴展等缺點，特別是集中化部署成本過高，無法滿足面向5G演進的前傳網(wǎng)絡組網(wǎng)需求。
為了更好地提升網(wǎng)絡資源使用效率，更好地支持無線網(wǎng)絡向5G系統(tǒng)演進，也為了更好地支撐BBU的集中化部署，我們需要重新定義BBU和RRU的功能，設計一個基于分組傳輸技術(shù)的BBU和RRU接口，即下一代前傳網(wǎng)絡接口，以應對網(wǎng)絡持續(xù)演進的挑戰(zhàn)。
1.3 關(guān)于本白皮書
本白皮書展示了中國移動對于“下一代前傳網(wǎng)絡接口NGFI”的愿景，并提出了NGFI的主要技術(shù)挑戰(zhàn)、研究框架并定義了關(guān)鍵需求指標。我們誠邀工業(yè)界和學術(shù)界的研究機構(gòu)積極參與NGFI關(guān)鍵技術(shù)的研究，共同推動相關(guān)標準化及產(chǎn)業(yè)化進程。
作為白皮書第一版，本文或許還不夠全面，并可能存在某些不一致的地方，歡迎提出修改意見和建議。隨著時間推移，新的研究內(nèi)容可能會被加入到更新的版本中。
2 NGFI定義、優(yōu)勢及應用場景
2.1 NGFI接口的定義
NGFI是指下一代無線網(wǎng)絡主設備中基帶處理功能與遠端射頻處理功能之間的前傳接口。NGFI是一個開放性接口，至少具備兩大特征：一方面是重新定義了BBU和RRU的功能，將部分BBU處理功能移至RRU上，進而導致BBU和RRU的形態(tài)改變，重構(gòu)后分別重定義名稱為RCC（Radio Cloud Center，無線云中心）和RRS（Radio Remote System，射頻拉遠系統(tǒng)）；另一方面是基于分組交換協(xié)議將前端傳輸由點對點的接口重新定義為多點對多點的前端傳輸網(wǎng)絡。ss此外，NGFI至少應遵循統(tǒng)計復用、載荷相關(guān)的自適應帶寬變化、盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法、接口流量盡量與RRU天線數(shù)無關(guān)、空口技術(shù)中立RRS歸屬關(guān)系遷移等基本原則。NGFI不僅影響了無線主設備的形態(tài)，更提出了對NGFI承載網(wǎng)絡的新需求。
如圖2-1所示，NGFI前傳網(wǎng)絡連接RRS和RCC。其中，遠端射頻系統(tǒng)RRS包括：天線、RRU以及傳統(tǒng)BBU的部分基帶處理功能RAU（Radio Aggregation Unit，射頻聚合單元）等功能。與現(xiàn)網(wǎng)的當前部署相對應，遠端功能應部署在現(xiàn)有無線站址位置，對應功能的作用區(qū)是當前宏站的覆蓋區(qū)域以及以宏站為中心拉遠部署的微RRU和宏RRU的覆蓋區(qū)域。圖中RAU為一個邏輯單元，實際設備形態(tài)與具體的實現(xiàn)方案有關(guān)，可以與原有RRU進行功能整合形成新RRU實體，也可以獨立設計為一個硬件實體。
無線云中心RCC包含傳統(tǒng)BBU除去RAU外的剩余功能、高層管理功能等，由于是多站址下的多載波、多小區(qū)的功能集中，從而形成了功能池，這一集中功能單元的作用區(qū)域應包括所有其下屬的多個遠端功能單元所覆蓋的區(qū)域總和。相比扁平化的LTE網(wǎng)絡設計，引入基帶集中單元，并非引入一個高層級的網(wǎng)元，而僅是在考慮未來更高等級的協(xié)作化需求引入的基礎上，進行BBU/RRU間的形態(tài)重構(gòu)，并不影響LTE的扁平化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
NGFI接口實現(xiàn)了連接RRS和RCC的功能，即：重新劃分完成后的BBU與RRU間接口。其接口能力設計指標定義需考慮BBU/RRU功能重構(gòu)后對帶寬、傳輸時延、同步等提出的新要求。
2.2 NGFI的設計原則
2.2.1 統(tǒng)計復用
統(tǒng)計復用原則是指在一定組網(wǎng)規(guī)模（如100載波/1000載波等）下，RCC與RRS之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶寬需求對前傳網(wǎng)絡而言具有統(tǒng)計復用效果，可減少前端傳輸網(wǎng)絡的帶寬配置，達到降低成本的目的。
2.2.2 載荷相關(guān)的自適應帶寬變化
載荷相關(guān)的自適應帶寬變化原則是指RCC和RRS之間的NGFI接口帶寬與上層業(yè)務載荷成正比變化。載荷相關(guān)的自適應帶寬變化原則是統(tǒng)計復用原則的必要條件之一。
2.2.3 盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法
盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法原則是指在滿足前三項原則的情況下，BBU/RRU功能重新劃分后，盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法（如聯(lián)合調(diào)度、聯(lián)合接收、聯(lián)合發(fā)送等）。
2.2.4 接口流量盡量與RRU的天線數(shù)目無關(guān)
盡量使得接口傳輸帶寬與RRU支持的天線數(shù)目無關(guān)是指，將與天線直接相關(guān)的計算放至遠端，可更好地適應未來演進引入大規(guī)模天線陣的需求，避免因RRU支持的天線數(shù)上升而帶來NGFI接口帶寬需求的大幅上升。
2.2.5 空口技術(shù)中立原則
NGFI接口除了應支持現(xiàn)有的4G LTE技術(shù)外，還應該支持未來的5G空口技術(shù)。即：對于未來的5G空口技術(shù)，RCC和RRS之間的接口也應滿足2.2.1~2.2.5所描述的準則。對前傳數(shù)據(jù)的承載，我們建議采用以太網(wǎng)傳輸。這不僅可以充分利用已有的豐富以太網(wǎng)基礎網(wǎng)絡提高網(wǎng)絡部署速度，同時可以利用分組傳輸?shù)慕y(tǒng)計復用、靈活路由等特性，提高傳輸效率，靈活組網(wǎng)。
2.2.6 支持RRS歸屬關(guān)系遷移
RRS歸屬關(guān)系遷移功能是指可根據(jù)需要將除RRS外的基帶處理功能從一個RCC遷移至另一個RCC，但是每個RRS在任意時刻只能歸屬于一個RCC。當業(yè)務量過大時，RRS歸屬關(guān)系遷移功能實現(xiàn)更好的負載均衡；當業(yè)務量低時，RRS歸屬關(guān)系遷移能實現(xiàn)處理的進一步集中，降低設備功耗，更好地實現(xiàn)無線云中心內(nèi)處理資源的統(tǒng)計復用。
RRS歸屬關(guān)系遷移功能可提高網(wǎng)絡可靠性，當某一RCC故障時，其下屬的RRS可分散遷移至其它RCC進行管理。
2.3 NGFI的邏輯分層
NGFI接口邏輯上可以分成如下三個層面：NGFI數(shù)據(jù)層，NGFI數(shù)據(jù)適配層和物理承載層，NGFI數(shù)據(jù)層包含各類無線技術(shù)相關(guān)的用戶面數(shù)據(jù)、控制面數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)；隨著無線技術(shù)的演進，在不同的基站功能劃分方法和不同制式的無線接入網(wǎng)絡（4G/5G）中，用戶面數(shù)據(jù)和控制面數(shù)據(jù)會有不同的帶寬或性能需求，NGFI數(shù)據(jù)適配層的引入就是為了保證這些不同需求的無線數(shù)據(jù)的傳輸特性能很好地匹配底層傳輸網(wǎng)絡的特性，數(shù)據(jù)適配層可以針對不同的無線數(shù)據(jù)和傳輸網(wǎng)絡進行適配；物理承載層包含目前的主要無線接入網(wǎng)的傳輸技術(shù)，如PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)），PON（Passive Optical Network，無源光纖網(wǎng)絡）以及WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分復用）等。
2.4 NGFI的主要優(yōu)勢
NGFI相比較傳統(tǒng)CPRI接口，對運營商組網(wǎng)而言將會從幾個方面帶來顯著的優(yōu)勢：
·NGFI利用了移動網(wǎng)絡的業(yè)務潮汐效應，實現(xiàn)統(tǒng)計復用，提升了傳輸效率，降低了對前傳網(wǎng)絡的成本壓力；
·NGFI大幅降低了RCC-RRS傳輸接口帶寬，在保持RCC/RRS分離結(jié)構(gòu)的基礎上，有利于多天線技術(shù)的實現(xiàn)，易于RCC集中化部署并實現(xiàn)無線網(wǎng)絡協(xié)作化功能，從而滿足未來無線網(wǎng)絡架構(gòu)的發(fā)展需求；
·NGFI基于以太網(wǎng)傳輸，因此在建設運維上，可以利舊已有傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，借助以太網(wǎng)傳輸技術(shù)實現(xiàn)靈活的組網(wǎng)，可靠且運維界面清晰。同時易于實現(xiàn)統(tǒng)計復用，更好支持保護功能；另外，通過以太網(wǎng)的靈活路由能力，可更好地支持不同運營商之間的前傳網(wǎng)絡共建共享，節(jié)約網(wǎng)絡基礎資源；
·更易于實現(xiàn)前傳和后傳網(wǎng)絡共享；
·易于實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化，更好地支持RAN共享和業(yè)務定制要求。
2.5 NGFI的應用場景
2.5.1 綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)
綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)場景下的NGFI應用是指以綜合業(yè)務接入?yún)^(qū)為單位，對區(qū)內(nèi)的分布式基站，利用接入?yún)^(qū)內(nèi)原有的環(huán)形光纜網(wǎng)連接RCC和遠端RRS，實現(xiàn)BBU的集中部署，原有光纜網(wǎng)承載NGFI接口數(shù)據(jù)。其中，一個環(huán)上的宏站站點在6-8個，每個站點通常為S2/2/2（即3個小區(qū)，每個小區(qū)2個載波）配置，但在未來業(yè)務量增長的情況下，可升級為S3/3/3配置。另外，RCC集中點和遠端RRS的傳輸距離一般不超過20km。
2.5.2 室分系統(tǒng)部署
在室分系統(tǒng)部署中，利用樓內(nèi)預先部署的豐富網(wǎng)線資源承載NGFI接口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)RCC與拉遠RRS間的通信。RRS規(guī)模視具體場景，可在十幾乃至幾十，甚至上百個。
2.5.3 以宏站機房為集中點的末端集中部署
此場景是為了滿足容量需求，在業(yè)務量密集區(qū)域，將RCC集中放置在宏站機房，采用微站RRS拉遠覆蓋，提供容量保證，二者之間采用光纖直驅(qū)或者利用已有接入網(wǎng)管線進行連接，其中RRS可通過級聯(lián)以節(jié)約纜線資源。宏站采用典型S3/3/3配置，微站一般為2天線全向覆蓋。宏微站的比例一般在1:3到1:6之間，但在業(yè)務量極其密集的情況下，宏站和微站比例可達1:9甚至更高。距離上，宏微站之間一般為幾公里。
此場景可以平滑地支持4G到5G的演進，為滿足廣覆蓋和高速率的要求，未來5G將需要更密集的小站部署，并支持不同制式的異構(gòu)網(wǎng)，如5G/4G異構(gòu)、4G/WiFi異構(gòu)、5G/4G/WiFi異構(gòu)。小站的控制需要集中在宏站，小站的數(shù)據(jù)需要通過宏站匯聚。NGFI網(wǎng)絡能提供小站到宏站的匯聚功能，動態(tài)的調(diào)整小站傳輸網(wǎng)絡配置。
3 實現(xiàn)NGFI的主要挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)
3.1 RCC-RRS功能劃分
無線系統(tǒng)包括射頻和基帶功能，而后者又由物理層，第二層（MAC，RLC，PDCP等子層）以及第三層（如RRC）等協(xié)議功能層構(gòu)成。不同的無線網(wǎng)絡架構(gòu)中，這些功能層可分布在不同的物理設備理實體上。為了滿足未來網(wǎng)絡的組網(wǎng)演進需求，在RCC-RRS間合理分配各層的功能是設計NGFI考慮的核心問題。
當前的設備形態(tài)實現(xiàn)的功能劃分方案主要包括：
·一體化基站：所有無線功能集中于一個物理設備，包括基帶和射頻處理。
·分布式基站：所有基帶處理相關(guān)的協(xié)議功能集中到BBU設備上，射頻相關(guān)的功能集中到RRU或者有源天線系統(tǒng)上。
上述這兩種劃分方式，前者不利于實現(xiàn)跨站間的協(xié)作化算法和功能實現(xiàn)，后者在線網(wǎng)部署時又遇到帶寬過大導致傳輸難以支持的問題。因此，在NGFI網(wǎng)絡架構(gòu)下需要重新思考BBU-RRU（RCC-RRS）間功能劃分方案，以更好地滿足未來網(wǎng)絡演進需求。RCC-RRS功能劃分方案需要結(jié)合無線網(wǎng)絡技術(shù)和前傳網(wǎng)絡技術(shù)聯(lián)合設計。既要滿足無線網(wǎng)絡性能要求，又要兼顧到前傳網(wǎng)絡的壓力，同時RCC-RRS功能劃分還需滿足未來無線網(wǎng)絡演進的更多需求。
3.2 無線數(shù)據(jù)分組化
無線數(shù)據(jù)分組化指RCC和RRS之間傳輸?shù)臒o線載荷數(shù)據(jù)使用分組數(shù)據(jù)包的形式封裝。相比傳統(tǒng)CPRI接口以TDM幀格式的方式封裝，分組數(shù)據(jù)包傳輸化將提供更好的靈活性和可擴展性，既可以滿足高層無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨、具備識別無線用戶載荷的能力，也可以實現(xiàn)無線用戶載荷和相關(guān)的控制載荷在分組交換網(wǎng)絡中的高效傳輸。為了達到既滿足無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭笸瑫r保留分組化優(yōu)勢的目的，根據(jù)無線數(shù)據(jù)特征實現(xiàn)分組化傳輸將會是實現(xiàn)NGFI接口功能在傳輸領(lǐng)域需要考慮的問題。
考慮到無線載荷對于時延、時延抖動以及同步非常敏感，在分組化傳輸時可能需要在無線載荷前面引入特定的分組頭以傳遞無線載荷傳輸所特定的帶內(nèi)控制信息如時間戳或者序號等，以便于接收端和發(fā)送端更好地協(xié)調(diào)。無線載荷加上引入的分組頭即完成無線載荷的分組化封裝。無線載荷分組化封裝可以是結(jié)構(gòu)已知（Structure Aware）或者結(jié)構(gòu)未知（Structure Agnostic）。在定義過程中需要重點研究封裝需求和應用場景、一種或者多種不同的分組頭具體格式以及由于分組頭引入的封裝開銷。除了關(guān)注于傳送層封裝以提供基于數(shù)據(jù)流層面統(tǒng)計復用之外，無線載荷傳送所必需的同步技術(shù)也將是研究的重點。無線載荷封裝技術(shù)的研究和能力提升，可與RRS/RCC之間無線功能劃分方式無關(guān)，也與具體的無線技術(shù)（2G/3G/4G/5G）無關(guān)，具有較好的前向兼容/空口技術(shù)中立性。
封裝后的無線載荷對傳輸網(wǎng)絡透明，可以由不同的傳輸技術(shù)承載，包括以太交換，MPLS-TP交換，IP路由，L2/L3 MPLS交換等等。對于每種承載網(wǎng)絡技術(shù)，需要根據(jù)其特點，確定封裝后的無線載荷如何承載，同時為了與現(xiàn)存的其他協(xié)議或者封裝類型相區(qū)分，可能需要為無線載荷封裝引入新的封裝/協(xié)議標識符。不同承載技術(shù)體系的承載和轉(zhuǎn)發(fā)效率、網(wǎng)絡和業(yè)務的擴展性和適應性、運行維護管理能力、網(wǎng)絡和業(yè)務的生存能力、以及產(chǎn)業(yè)鏈的支撐程度等會有所差異。需要根據(jù)傳輸網(wǎng)絡整體策略并結(jié)合各傳輸技術(shù)的技術(shù)特點作出相應的選擇。
3.3 NGFI傳輸?shù)闹饕魬?zhàn)
3.3.1 NGFI的傳輸時延
NGFI接口RCC-RRS數(shù)據(jù)傳輸時延被定義為，數(shù)據(jù)從RCC網(wǎng)口發(fā)送至RRS網(wǎng)口所需的傳輸及交換的總時間，上下行所需時間對稱。相比較傳統(tǒng)的CPRI接口，新的NGFI接口將會帶來額外延時損失，這主要是因為交換網(wǎng)絡中交換設備的額外交換時延所致？紤]到當前LTE協(xié)議要求用戶UE（User Equipment）側(cè)與系統(tǒng)側(cè)的HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動重發(fā)請求）交互時間是固定的，若將RCC-RRS的功能劃分點放在HARQ過程中，那么這里既包括了數(shù)據(jù)傳輸時延，也包括了數(shù)據(jù)處理時延。因此若傳輸時間拉長，則將會要求處理時延縮短，這將會給RCC的芯片處理能力提出更高的要求。若RCC-RRS功能切分點放置于HARQ以外，將會有過多功能前置于遠端位置，將影響多載波的協(xié)作化性能。因此傳輸時延是考慮NGFI的核心因素。
3.3.2 NGFI傳輸時延抖動
NGFI接口的傳輸抖動被定義為，數(shù)據(jù)從RCC網(wǎng)口發(fā)送至RRS網(wǎng)口所需傳輸時間的波動范圍。傳輸抖動的影響主要體現(xiàn)在兩方面：其一，兩側(cè)無線設備需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存，彌補抖動的影響。抖動越大，數(shù)據(jù)緩沖空間越大，設備復雜度越高。其二，基帶的實際處理時序，需按照數(shù)據(jù)最晚到達時間設計。抖動越大，則留給基帶處理的時間越短。
NGFI如果基于以太網(wǎng)傳輸時，傳輸節(jié)點的存在會額外增加業(yè)務報文的抖動，為了保證無線性能，需要對傳輸設備進行特殊的設計或優(yōu)化，以降低抖動，滿足NGFI的抖動要求。
3.3.3 NGFI的同步問題
NGFI潛在的同步方案包括在RAU側(cè)引入GPS或北斗和通過前傳網(wǎng)絡實現(xiàn)同步等。同步方案如果采用在RAU側(cè)引入傳統(tǒng)的GPS或北斗作為同步源，對NGFI的影響相對較小。如采用從前傳網(wǎng)絡中提取時鐘同步，則需要仔細考慮同步時鐘對前傳網(wǎng)絡的需求。同步精度與前傳網(wǎng)絡的規(guī)模和傳輸設備性能相關(guān)。一般情況下，前傳網(wǎng)絡需要支持SyncE和1588v2。
·相位同步需求
傳統(tǒng)BBU的BackHaul網(wǎng)絡，需滿足TDD系統(tǒng)的空口上下行同步需求，根據(jù)3GPP定義，空口精度需達到+/-1.5us。采用1588v2協(xié)議進行不同站間的時間同步，實現(xiàn)的同步精度可達到納秒量級，考慮BBU數(shù)據(jù)處理可能帶來的額外精度損失，中國移動現(xiàn)網(wǎng)要求BackHaul網(wǎng)絡提供的時間同步精度為：經(jīng)過30跳PTN設備引入的時間誤差不能超過1us。
而進一步考慮物理層協(xié)作化技術(shù)的需求，不同RRU（同站的RRU或者不同站點的RRU）的不同天線間的同步誤差需小于130ns，才可支持多RRU間的下行聯(lián)合發(fā)送功能。如果跨RRS進行物理層協(xié)作化，那么這個指標會對現(xiàn)在的網(wǎng)絡提出更高的要求，需要將前端傳輸網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡進行聯(lián)合設計。
·頻率同步需求
NGFI接口相比傳統(tǒng)接口，并未對頻率同步需求提出更高的要求。傳統(tǒng)BBU的BackHaul采用同步以太網(wǎng)技術(shù)（Synchronous-Ethernet，簡稱SyncE）實現(xiàn)頻率同步。宏站頻率同步指標定義為0.05ppm，目的是為了滿足LTE無線空口的頻率同步誤差的需求。在NGFI環(huán)境下，RRS可以通過前傳網(wǎng)絡的SyncE獲取頻率同步。
3.3.4 NGFI的傳輸帶寬
為滿足用戶良好的使用體驗，前傳網(wǎng)絡必須保證一定的帶寬，以支持進出RCC的數(shù)據(jù)速率。
3.4 NGFI引入的影響
3.4.1 NGFI對RRU側(cè)的影響
同傳統(tǒng)的RRU相比，支持NGFI協(xié)議在一定程度上增加RRU側(cè)的復雜度，主要體現(xiàn)在如下3個方面：
·將部分無線協(xié)議棧功能及算法處理功能移至RRU側(cè)實現(xiàn)；
·增加了時鐘同步模塊，實現(xiàn)1588v2/SyncE。
·擴充了現(xiàn)有BBU-RRU點對點連接方式，考慮前傳網(wǎng)絡組網(wǎng)的需求，需將每一個RRS看作一個網(wǎng)元，額外增加對RRS的管理功能。
·對于一體化RRS，如果將部分基帶處理功能移到RRS側(cè)會對增加RRS的熱耗散，對RRS的體積和重量會帶來較大的影響。RRS的尺寸、重量、熱耗與發(fā)射功率等級息息相關(guān)，按照目前RRS散熱能力估算，在高溫極限時，熱容積大致為15W/升，每增加15W的功耗。相比原有RRU，估計會使RRS體積增加1L，相應地RRS重量會增加約1KG左右。
3.4.2 NGFI對傳輸網(wǎng)絡的影響
支持NGFI的傳輸設備應該具有較大帶寬、低時延、低抖動、支持高時間同步精度、低成本、高集成度等特性。網(wǎng)絡需要考慮丟包率、時延、時延抖動等參數(shù)。不同的功能劃分方案對NGFI網(wǎng)絡傳輸丟包率、時延和時延抖動等的要求是不同的。并且在某一劃分方案下不同類型的數(shù)據(jù)對NGFI網(wǎng)絡傳輸丟包率、時延和時延抖動等的要求也是有差異的。
·丟包率：應該避免NGFI的無線前傳網(wǎng)絡流量擁塞，例如支持QoS。
·低時延：為控制時延，對NGFI的無線前傳網(wǎng)絡的傳輸距離和跳數(shù)有一定限制。
·時延抖動：盡量減小。
從前述應用場景來看，NGFI的組網(wǎng)需求與目前回傳網(wǎng)絡（Backhaul）的需求差別是很大的，利用現(xiàn)有的回傳網(wǎng)絡（PTN）實現(xiàn)NGFI數(shù)據(jù)的傳輸面臨很大的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)在作為傳輸承載網(wǎng)絡的PTN強調(diào)的全程全網(wǎng)，業(yè)務的組織有可能需要跨越數(shù)十甚至上百公里，網(wǎng)絡覆蓋面積廣，業(yè)務傳送距離遠。接入設備是和BBU站點盡量采用共站方式。PTN網(wǎng)絡同時為移動回傳和大客戶租線業(yè)務服務。但是前傳網(wǎng)絡的組織方式和回傳有較大的不同。首先，網(wǎng)絡是以BBU Pool為核心展開，業(yè)務覆蓋面積小，傳送距離短，前傳網(wǎng)絡是可以在水平方向分割成若干獨立的小島，業(yè)務互不糾纏。其次，RRU站點的分布數(shù)量多，間距近，不一定有接入機房，和現(xiàn)有的PTN接入機房，互相重合較小。因此，從網(wǎng)絡架構(gòu)和分布上決定了，無法完全重用現(xiàn)有的PTN網(wǎng)絡。
4. NGFI潛在方案分析
本章主要針對NGFI潛在的方案進行討論分析，目前并未窮舉所有的劃分方案，期待業(yè)界更多的劃分方案輸入作為最終方案的選擇。另外，目前僅基于現(xiàn)有LTE進行初步量化分析。對于部分未來網(wǎng)絡需求（Massive MIMO、超短幀等），目前僅給出初步的定性分析。后續(xù)將逐漸深入研究，分析各個潛在方案的優(yōu)劣勢和對NGFI的性能要求。
4.1 RCC和RRS潛在接口劃分方案分析
如上圖所示，以LTE為例分析RCC和RRS接口劃分方案，以及RCC和RRS接口劃分方案對前端傳輸帶的寬需求和對無線側(cè)的影響。其中，上行和下行基帶處理可分為載荷相關(guān)的用戶級處理和載荷無關(guān)的小區(qū)級處理。圖中綠色框圖為載荷相關(guān)的用戶級處理功能模塊，黃色框圖為載荷無關(guān)的小區(qū)級處理功能模塊，圖中藍色框圖中的信道估計和均衡雖然是載荷相關(guān)的用戶級處理，但是信道估計和均衡處理復雜度還與接收天線數(shù)正相關(guān)。
為了評估RCC和RRS接口劃分方案對前端傳輸帶寬的需求，首先進行如下基本假設[5]：
1）20M LTE載波；
2）2端口；
3）8天線；
4）下行頻譜效率為2b/s/hz，上行頻譜效率為1.8b/s/hz；
5）下行滿負載時最高調(diào)制等級為64QAM，上行滿負載時最高調(diào)制等級為16QAM；
6）最大用戶數(shù)為100。
備注：下述接口帶寬的計算，是基于每扇區(qū)每載波得到的小區(qū)帶寬。RCC和RRS接口劃分方案帶寬評估未包含同步信息和以太網(wǎng)包頭，其中以太網(wǎng)包頭引入的載荷與以太網(wǎng)包長度有關(guān)。目前僅對不同劃分方案給出簡略分析，對于上下行的處理，也可采用不同的接口劃分方法。同時，不同信道的處理方法也可采用不同劃分方式進一步提高效率。比如PSS，SSS，RS，PBCH信號，可以通過配置的方式通過RAU產(chǎn)生，來降低帶寬需求。
4.1.1 方案1——層2內(nèi)部劃分方案
層2（L2）內(nèi)部劃分是考慮LTE-A、Pre-5G、5G演進需求，同時盡量降低對傳輸網(wǎng)絡要求，且部署容易的方案。L2內(nèi)部劃分方案總體架構(gòu)上滿足以下幾個方面的要求：
1）網(wǎng)絡架構(gòu)上能夠做到ms級實時的多小區(qū)協(xié)作，靈活地支持復雜調(diào)度算法；
2）L2調(diào)度需具有良好的基于用戶數(shù)、連接數(shù)的可擴展性，可以靈活地滿足不同基站容量，不同網(wǎng)絡規(guī)模的需要，同時滿足超高密度小區(qū)、Hetnet網(wǎng)絡的需求；
3）劃分在RCC功能的處理復雜度與業(yè)務量線性相關(guān)與載波數(shù)無關(guān)，而劃分至遠端RSS功能盡量與業(yè)務量無關(guān)；
4）能夠適應現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡（延遲，抖動，帶寬），具有良好的適應性？梢灾С謴陌賣s到10ms的傳輸時延；
5）可以兼容不同制式的物理層技術(shù)，并且能夠協(xié)同工作；
6）支持面向業(yè)務感知的調(diào)度。
High MAC-Low MAC劃分方案是L2內(nèi)部劃分方案的一種，其出發(fā)點包括兩個方面：一方面把時延要求較高的部分功能（如HARQ）挪到RRU端，其余功能仍保留在BBU端，可降低對NGFI傳輸網(wǎng)絡時延的要求；另一方面隨著無線網(wǎng)絡演進，NGFI需考慮對多載波間協(xié)作需求的支持。經(jīng)分析，MAC功能可以劃分為跨載波MAC功能和單載波MAC功能兩部分。
其中，跨載波MAC功能是多載波共有的“大腦”，通過搜集信息及處理決定是否需要多載波間協(xié)作以及多載波間如何進行協(xié)作；單載波MAC功能指單個載波內(nèi)MAC功能，如邏輯信道到傳輸塊的映射/解映射，數(shù)據(jù)復用/解復用以及HARQ等功能。High MAC-Low MAC劃分方案符合接口帶寬隨業(yè)務載荷（如載波數(shù)、協(xié)作用戶數(shù)）動態(tài)變化原則？巛d波MAC和單載波MAC之間交互的信息主要包括小區(qū)和用戶的信道信息。協(xié)作載波構(gòu)成第一級協(xié)作簇，多個第一級協(xié)作簇構(gòu)成第二級協(xié)作簇，依次類推。
由此可見，多載波間的協(xié)作是一種樹狀多層級的協(xié)作。其中，不同層級所需的數(shù)據(jù)/信息量不同，傳輸交互周期也不同。為了便于評估High MAC-Low MAC劃分方案的接口帶寬，假設：
1）協(xié)作載波數(shù)為5；
2）5個載波最大并發(fā)協(xié)作用戶數(shù)為300。
那么基于現(xiàn)有LTE初步估計，High MAC-Low MAC劃分方案數(shù)據(jù)面帶寬與MAC/PHY劃分方案數(shù)據(jù)面帶寬相近，下行約為150Mb/s，上行約為75Mb/s；基于經(jīng)驗分析控制面信息，上行交互信息主要包括信道測量信息，下行交互信息主要包括下行控制信息。因此，估算每個協(xié)作用戶需交互的信息雙向均為10字節(jié)，從而5個載波上的300個用戶并發(fā)協(xié)作時交互信息的傳輸帶寬約為24Mb/s？紤]因?qū)崿F(xiàn)方式不同，引入的實際開銷可能會有所差異，假設以最大數(shù)據(jù)帶寬的10%-20%作為額外開銷。因此，在High MAC-Low MAC劃分方案下，每載波下行和上行總帶寬分別為：
1）下行：180Mb/s
2）上行：109Mb/s
由于HARQ隨單載波MAC功能一起放在遠端的RRU側(cè)，MAC內(nèi)部劃分方案中NGFI接口傳輸將不受LTE最大HARQ響應時間4ms的時序限制。High MAC-Low MAC劃分方案中跨載波MAC與單載波MAC間傳輸時延要求與具體應用場景相關(guān)，如信道變換越快則傳輸時延越短。初步預計在High MAC-Low MAC劃分方案下，對NGFI傳輸時延的要求約為百us級別；诂F(xiàn)有研究初步評估，時延要求較高的MAC功能放置到RRU上后，NGFI接口傳輸往返時延可放寬到3~5ms時，對無線性能沒有明顯影響。
另外，因RLC具有一定的實時性要求，并且MAC層數(shù)據(jù)可能是突發(fā)的，因此兼顧時延要求，所需瞬時帶寬可能遠大于上述估計帶寬。比如單向傳輸時延要求是100us時，所需瞬時帶寬為180Mb/s/100us=1.8Gbps。如果將下行RLC層放在遠端，那么時延要求就可以進一步下降，進而降低傳輸帶寬要求。由于將物理層及單載波MAC功能放在遠端的RRU側(cè)，如需進行單載波MAC或物理層性能優(yōu)化、載波聚合等系統(tǒng)維護及擴容升級，那么放在遠端RRU側(cè)的處理芯片或軟件則需要擴容或升級，因此升級維護難度可能會大幅增加。面向未來新技術(shù)（如Massive MIMO），High MAC-Low MAC劃分方案對前端傳輸?shù)膸捯蟠蠓档，從而降低了對前端傳輸網(wǎng)絡的需求。High MAC-Low MAC劃分方案有利于在RCC內(nèi)實現(xiàn)CS（Coordinated Scheduling，聯(lián)合調(diào)度）、各種PHY層以上的協(xié)作技術(shù)、以及C/U分離等。
4.1.2 方案2——MAC/PHY劃分方案
MAC/PHY劃分方案在協(xié)議的MAC層和PHY層之間進行分割，功能劃分清晰，劃分方案符合接口帶寬隨業(yè)務載荷動態(tài)變化原則。如果MAC層及以上功能在服務器上集中實現(xiàn)，那么可充分利用服務器性能優(yōu)勢實現(xiàn)集中式調(diào)度、向5G架構(gòu)演進的新功能。
MAC/PHY分離可以帶來如下優(yōu)勢：
1）易于實現(xiàn)大規(guī)模的集中化處理和調(diào)度，方便現(xiàn)有LTE-A需求的開發(fā)。例如CA（Carrier Aggregation，載波聚合）、雙連接、CoMP（Coordinated Multi-point Processing，協(xié)作多點傳輸技術(shù)）、LTE-U等；
2）便于通用處理平臺引入，基于虛擬化技術(shù)的發(fā)展，易于實現(xiàn)RCC側(cè)功能的擴展；
3）易于實現(xiàn)RCC側(cè)功能的云化，實現(xiàn)處理能力和資源的共享，避免資源浪費；
4）由于MAC的集中化設計，可以做到ms級多小區(qū)協(xié)作，易于支持復雜的調(diào)度算法，為后續(xù)5G網(wǎng)絡架構(gòu)演進做好準備；
5）PHY層則可以脫離上層的束縛，在硬件和軟件上獨立演進。
20MHz LTE載波MAC和PHY的下行數(shù)據(jù)峰值帶寬為150Mb/s，上行數(shù)據(jù)峰值帶寬為75Mb/s；谇笆龌炯僭O4）的頻譜效率，可得20MHz LTE載波MAC和PHY的下行數(shù)據(jù)平均帶寬為40Mb/s，上行數(shù)據(jù)平均帶寬為36Mb/s。另外，MAC/PHY劃分方案將引入額外載荷，額外載荷主要指調(diào)度和配置信息，如MCS、RB分配、天線配置等。
為了評估調(diào)度和配置信息數(shù)據(jù)量，提出如下附加假設條件：
1）用于指示用戶上行/下行MCS信息開銷為1字節(jié)/用戶/毫秒；
2）用于指示用戶上行/下行RB分配信息開銷為1字節(jié)/用戶/毫秒；
3）指示上行/下行信道天線配置信息開銷為2字節(jié)/用戶/毫秒；
4）如果波束賦形因子位寬為8比特，那么指示用戶下行波束賦形信息開銷為2字節(jié)/RB/端口/天線；
5）調(diào)度和配置信息組包引入的額外開銷為1字節(jié)/用戶/毫秒；
基于前述基本假設6）的最大用戶數(shù)，初步估計調(diào)度信息及數(shù)據(jù)所需的下行帶寬約為[(1+1+2+0.5)×100+2×100×2×8]×8×1000=29.2Mb/s；調(diào)度信息及數(shù)據(jù)所需的上行帶寬約為(1+1+2+0.5)×8×100×1000=3.6Mb/s。因此，在MAC/PHY劃分方案下，每載波下行和上行平均帶寬分別為：
1）下行：69.2Mb/s
2）上行：39.6Mb/s
進一步考慮到不同廠商實現(xiàn)方式上的差異，以及封裝到不網(wǎng)絡層面所需開銷的差異，總額外開銷所需帶寬可以按業(yè)務帶寬的30%-50%計算，因而每載波下行和上行峰值帶寬分別為：
1）下行：225Mb/s
2）上行：112.5Mb/s
受LTE最大HARQ響應時間4ms的時序限制，MAC/PHY劃分方案下對RCC-RRS之間的NGFI傳輸時延要求較高。有研究數(shù)據(jù)說明在現(xiàn)有功能處理時延不變的情況下，如果疊加的MAC和PHY之間的傳輸往返時延大于1ms，單用戶峰值速率將會受到顯著影響；如果疊加的MAC和PHY之間的傳輸往返時延小于3ms，對小區(qū)平均吞吐量不會有明顯影響。同時，由于MAC層數(shù)據(jù)可能是突發(fā)的，兼顧時延要求，所需瞬時帶寬可能遠大于上述估計帶寬。比如單向傳輸時延是100us時，則實際鏈路帶寬需要225Mb/s/100us=2.25Gbps。面向未來新技術(shù)（如Massive MIMO），MAC/PHY劃分方案對前端傳輸?shù)膸捯蠼档停瑥亩鴮η岸藗鬏斮Y源的需求降低。MAC/PHY劃分方案有利于在RCC內(nèi)實現(xiàn)所有PHY層以外的協(xié)作技術(shù)，主要包括CoMP的CS、各種PHY層以上的增強技術(shù)、C/U分離等。由于將物理層功能放在遠端的RRU側(cè)，如需進行物理層性能優(yōu)化、載波聚合等系統(tǒng)維護及擴容升級，那么放在遠端RRU側(cè)的物理層功能處理芯片或軟件則需要添加或升級，因此升級維護難度可能會大幅增加。
4.1.3 方案3——Bit-level/Symbol-level劃分方案
Bit-level/Symbol-level劃分方案符合接口帶寬隨業(yè)務載荷動態(tài)變化原則。在滿負載狀態(tài)下，假設公共控制信道占用1個OFDM符號，基于前述基本假設1）和5）的帶寬及調(diào)制等級，可得20MHz LTE載波比特級處理和符號級處理之間的下行數(shù)據(jù)帶寬約為（1200×6×13+1200×2×1）×1000=96Mb/s；假設上行采用軟比特信息位寬為8比特，上行數(shù)據(jù)帶寬為（1200×4×8×12）×1000=461Mb/s。根據(jù)MAC/PHY劃分方案中對調(diào)度和配置信息數(shù)據(jù)帶寬評估，可知在Bit-level/Symbol-level劃分方案下，下行和上行總帶寬分別為：
1）下行：125.2Mb/s
2）上行：464.6Mb/s
受LTE最大HARQ響應時間4ms的時序限制，Bit-level/Symbol-level劃分方案下對BBU-RRU之間的NGFI傳輸時延要求較高。如果時延達不到要求（百us級別），那么LTE空口性能將無法保證。如果需要對除Bit-level外的物理層功能進行更新或增強，那么則需要更新或升級放在遠端RRU側(cè)的物理層處理芯片或軟件，因此升級維護難度略微增大。面向未來新技術(shù)（如Massive MIMO），傳統(tǒng)CPRI接口對傳輸資源需求巨大，Bit-level/Symbol-level劃分方案對前端傳輸?shù)膸捯蠼档，從而對前端傳輸資源的需求較低。Bit-level/Symbol-level劃分方案不但有利于在RCC內(nèi)實現(xiàn)MAC/PHY劃分方案中提及的協(xié)作化技術(shù)，而且有利于在RCC內(nèi)實現(xiàn)軟信息合并的JR（Jiont Reception，聯(lián)合接收）和非相干JT（Joint Transmission，聯(lián)合發(fā)送）。
4.1.4 方案4——Symbol-level/Sample-level劃分方案
Symbol-level/Sample-level劃分方案符合接口帶寬隨業(yè)務載荷動態(tài)變化原則。在滿負載狀態(tài)下，假設下行采樣點位寬為7比特，那么基于前述基本假設2）的端口數(shù)，可得20MHz LTE載波接口4對應的下行數(shù)據(jù)帶寬約為(1200×7×2×14)×2×1000=470.4Mb/s；假設上行采樣點位寬為10比特，那么基于上述假設3）上行數(shù)據(jù)帶寬為(1200×10×2×14)×8×1000=2688Mb/s。Symbol-level/Sample-level劃分方案引入的額外載荷主要包括上下行RB分配信息、下行天線配置、下行波速賦形因子、調(diào)度和配置信息組包引入的額外開銷。根據(jù)MAC/PHY劃分方案中對調(diào)度和配置信息數(shù)據(jù)帶寬的評估，Symbol-level/Sample-level劃分方案中下行額外載荷帶寬為[(1+1+0.5)×100+2×100×2×8]×8×1000=27.6Mb/s；Symbol-level/Sample-level劃分方案中上行額外載荷帶寬為(1+0.5)×8×100×1000=1.2Mb/s；可知在Symbol-level/Sample-level劃分方案下，下行和上行總帶寬分別為：
1）下行：498Mb/s
2）上行：2689.2Mb/s
考慮到不同廠商實現(xiàn)方式上的差異，比如上下行采樣點位寬可能不一樣，上下行數(shù)據(jù)帶寬也會不同。當上下行采樣點位寬都為16比特時，并且下行發(fā)送的是天線數(shù)據(jù)而非端口數(shù)據(jù)時，則上下行業(yè)務數(shù)據(jù)都為(1200×16×2×14)×8×1000=4300.8Mb/s，加上10%的額外開銷，上/下行總帶寬為4730.9Mbps。
受LTE最大HARQ響應時間4ms的時序限制，Symbol-level/Sample-level劃分方案下對BBU-RRU之間的NGFI傳輸時延要求較高。如果時延達不到要求（百us級別），那么LTE空口性能將無法保證；诂F(xiàn)有LTE的OFDM方案，Sample-level處理幾乎不會改變，即使將Sample-level的物理層功能放在遠端的RRU側(cè)，也很少影響升級維護。然而，當天線數(shù)量顯著增加時，比如64，128天線或更多，在3GPP R13中定義的天線端口數(shù)將小于天線數(shù)量。如果天線端口數(shù)是8時，通過時域賦形因子完成天線數(shù)據(jù)映射，那么其對傳輸需求和目前8天線一致；如果天線端口數(shù)為16或32或64，或者采用非時域賦形因子進行天線數(shù)據(jù)映射，那么其對前端傳輸要求將顯著增加。Symbol-level/Sample-level劃分方案不但有利于在RCC內(nèi)實現(xiàn)上述Bit-level/Symbol-level劃分方案中提及的技術(shù)，而且有利于在RCC內(nèi)實現(xiàn)符號級別處理的JR。
4.1.5 方案5——Baseband/RF劃分方案
Baseband/RF劃分方案為現(xiàn)有設備中BBU和RRU的接口方案，接口帶寬與業(yè)務載荷無關(guān)。帶寬為恒定值：30.72Mbps×32×(10/8)×8=9830.4Mbp/s。在Baseband/RF劃分方案5下，下行和上行總帶寬分別為：
1）下行：9830.4Mb/s
2）上行：9830.4Mb/s
受LTE最大單向時延4ms的時序限制，Baseband/RF劃分方案下對BBU-RRU之間的NGFI傳輸時延要求較高。如果時延達不到要求（us級別），那么LTE空口性能將無法保證。由于RRU側(cè)僅完成射頻相關(guān)功能，升級維護難度低。面向未來超高容量超密集技術(shù)（如Massive MIMO），Baseband/RF劃分方案對前端傳輸?shù)膸捯蟠蠓黾，從而對前端傳輸資源的要求大幅增加。Baseband/RF劃分方案雖然可以支持上述所有的協(xié)作化技術(shù)，但是將CPRI數(shù)據(jù)封裝成IP包后如何滿足百us數(shù)量級的時延要求是一項巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
4.1.6 接口劃分方案對比分析
根據(jù)前述對接口劃分方案1至5的帶寬分析，總結(jié)得出如下表格。其中，比值是指前端傳輸帶寬和回傳帶寬的比值；接口1、2、3、4的帶寬為最大（或峰值）帶寬，接口5帶寬為恒定值。
綜上所述，不同的接口劃分方案具有不同特征，需要與合適的底層傳輸承載技術(shù)匹配才能形成滿足未來無線接入網(wǎng)絡演進的下一代無線網(wǎng)絡主設備接口。
4.1.7 RRS之間數(shù)據(jù)交互潛在需求分析
在BBU/RRU功能重構(gòu)后分別重定義名稱為RCC和RRS。根據(jù)RRS功能定義，不同RRS之間可以進行數(shù)據(jù)交互以滿足協(xié)作化或其它無線功能的需求，但并非必然選擇。例如，若選定劃分方案4，RRS功能簡單，在RCC中可滿足大部分的協(xié)作化或無線功能需求，那么RRS之間就不需要進行數(shù)據(jù)交互；若選定劃分方案1，如果引入進行物理層間的協(xié)作化功能，那么就需要引入RRS間的數(shù)據(jù)交互功能。在RRS之間的數(shù)據(jù)交互需求（時延、帶寬等）也隨BBU/RRU功能重構(gòu)方案的不同而不同。
進一步闡述，如果說RCC和RRS之間的接口劃分方案，是一種硬劃分方案，RRS數(shù)據(jù)傳輸至RCC匯聚處理；赗RS和RRS之間的接口劃分，可以作為一種軟劃分方案，RRS和RRS之間的傳輸比較靈活，可以在RRS的功能對等層間進行數(shù)據(jù)交互。若協(xié)作化功能的實現(xiàn)受限于RRS/RCC間功能劃分，如JT、MMSE-IRC、UL軟信息合并等協(xié)作化技術(shù)，可借助RSS之間數(shù)據(jù)交互得到實現(xiàn)。
因此，若考慮完整系統(tǒng)對物理傳輸設備需求，前傳傳輸設備既需要支持RCC/RRS間數(shù)據(jù)通信，也需支持RRS間通信。綜合二者需求，使得傳輸設備的設計更具完備性。
4.2 傳輸和處理時延分配方案潛析
根據(jù)LTE協(xié)議HARQ過程的要求，假設終端空口上行數(shù)據(jù)到達RRU基站時間T1子幀時刻（單位ms），那么需要基站在第T1+4個子幀時刻將對應上行時隙的譯碼結(jié)果通知終端，終端根據(jù)通知，重傳上一次的數(shù)據(jù)包或者新傳數(shù)據(jù)包。考慮到上下行空口實際傳送的時間預留，需要考慮T1時刻至T1+4時刻（共涉及5ms時間）中的2ms的時間用于空口傳遞數(shù)據(jù)，留給基站處理全部數(shù)據(jù)的時間總計只有=3ms。而時間主要包含了兩部分時間：
·數(shù)據(jù)在RRU與BBU間的傳輸時間，數(shù)據(jù)往返時延對等。
·BBU內(nèi)部處理時間。
4.2.1 采用CPRI接口的BBU/RRU架構(gòu)的時延估算
當前CPRI連接BBU/RRU的結(jié)構(gòu)下，由于當前CPRI要求最遠支持20KM的傳輸距離，按照光速在光纖中的傳輸速度判斷，光纖傳輸數(shù)據(jù)的時間為=100us，因此考慮往返時延后，預留給BBU的處理時間總計約：
假設平均密度達到了每基帶板處理6個8天線、20Mhz載波的能力，且同時考慮基帶處理核心芯片的使用數(shù)量（2片/單板）和處理能力，即每個芯片處理3個8天線、20M載波。假設每個芯片為N個核。如果假設處理時間為2.8ms，在每1ms有3個載波的3個子幀需要處理，處理時間為2.8/3=0.9ms，等效處理能力為初步估算每載波每ms需要占用1/3的芯片能力N/3。2.8/3=0.9ms的處理時間。表示每個載波的實際處理時間總和約900us，這包含了上行物理層處理時間、下行物理層處理時間，也包含了MAC層處理時間。
4.2.2 采用NGFI的RCC/RRS架構(gòu)的時延估算
采用NGFI后，若將重劃分的切割點放在HARQ中間，由于引入了額外的交換機的包交換時延，傳送數(shù)據(jù)時間需額外考慮一定的預留時間。假設最為惡劣的傳輸條件下，所需的單向傳輸數(shù)據(jù)時間為=500us，那么預留給BBU的處理時間總計約：
如果不改變基帶軟件處理方式，考慮當前基帶芯片的處理能力（單載波絕對處理時間0.9ms），那么將使得現(xiàn)有基帶處理板能力下降為每單板處理4個8天線、20Mhz載波。如果考慮優(yōu)化基帶軟件處理方式，也可能在同樣處理資源的條件下，通過增加處理任務的并行度來降低處理時延，那么通過基帶軟件優(yōu)化可利用并行處理減少處理時間。另外，由于基帶處理流程中，耗時最長且無法并行化處理部分是處理流程中無法縮短的最耗時流程。無論將最耗時流程中的子處理模塊放置于遠端還是近端都不會對總時延估算產(chǎn)生影響。
綜上，若預留給傳輸?shù)臅r間過少，那么對交換延遲的要求就會過高，造成傳輸設備的成本上升。若預留給基帶處理的時間過少，那么將會對無線主設備的的要求提高？倳r間一定的條件下，如何裁定預留給數(shù)據(jù)傳輸和基帶處理的時間將會是平衡雙方設備的首要問題，但考慮到包交換帶來的額外優(yōu)勢，一定程度的成本上升是可以容忍的。，所以將劃分點放置于HARQ中間，并非完全不可接受。
傳輸設備集采規(guī)范為單跳設備引入的轉(zhuǎn)發(fā)處理時延不超過50us，這樣6跳設備引入的處理時延就會達到300us。然而，可用于傳輸設備的當前交換芯片轉(zhuǎn)發(fā)時延可以低至1us/芯片左右，現(xiàn)有傳輸設備時延偏大主要來自于系統(tǒng)設計的各種考量，以及外圍的輔助芯片（實現(xiàn)復雜的QoS設置等）引入的額外時延。目前已有交換芯片公司正在規(guī)劃小于1us的交換芯片，因此如果使用優(yōu)化設計的前端傳輸網(wǎng)絡交換設備，盡量基于優(yōu)化的單芯片設計方案，減少輔助芯片的使用，適當配置交換芯片，預計可以將單跳設備引入的時延降低到20us，甚至10us以內(nèi)。
4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計復用收斂比分析
數(shù)據(jù)統(tǒng)計復用收斂比是基于參考業(yè)務模型估計得到，參考業(yè)務模型是基于北京移動提供的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)建立。后續(xù)將以更小的時間顆粒度（比如15分鐘）分析多個站點在不同時間區(qū)間的負載總和，另外還需要分析更多的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)來完善參考業(yè)務模型。
收斂是指N對應到M的一個過程。假設X個基站的總前端傳輸峰值帶寬為N，當基站均按照參考業(yè)務模型工作時，如果在一定的服務質(zhì)量約定下，帶寬為M的前端傳輸系統(tǒng)就能夠滿足X個基站的前端傳輸需求，則定義數(shù)據(jù)統(tǒng)計復用收斂比為M:N。
4.3.1 現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
北京移動提供了天寧寺附近6個站點連續(xù)7天的負載監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中4個站點為室外宏站，包含11個TDD LTE載波；2個是站點為室內(nèi)分布系統(tǒng)，包含25個載波。監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間顆粒度為15分鐘，即每15分鐘查詢一次載波負載狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)域位于中國移動研究院附近，區(qū)域內(nèi)4G終端用戶數(shù)量巨大，可視為一個典型的CBD業(yè)務區(qū)，滿足典型TDD LTE業(yè)務場景要求。
6個站點分別命名為站點1至6，業(yè)務量數(shù)值以百分數(shù)計，數(shù)值范圍是[0，100]。回傳帶寬單位是兆比特每秒（Mbps）。峰值或谷值子項中時間是指峰值或谷值在每天0到24小時出現(xiàn)的絕對時間，平均值子項中時間是指業(yè)務量處于[平均業(yè)務量-1%，平均業(yè)務量+1%]區(qū)間的持續(xù)時間長度，單位為小時（h）
由上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)，初步可得如下特征
1）業(yè)務峰值不高，并且持續(xù)時間較短，不超過30分鐘；
2）多個站點同時出現(xiàn)峰值概率幾乎為0；
3）業(yè)務谷值很低，并且持續(xù)時間較長，大于2小時；
4）多個站間會同時出現(xiàn)谷值，并且重疊時間較長；
5）平均業(yè)務量較低，并且大部分時間的業(yè)務量分布在平均業(yè)務量附近；
6）寫字樓等辦公區(qū)域潮汐效應十分顯著，每天至少有1/2時間處于0負載狀態(tài)；
7）上行業(yè)務量低于下行業(yè)務量，特別是上行回傳帶寬幾乎是下行回傳帶寬的1/10。
4.4 方案小結(jié)
根據(jù)對上述潛在方案的分析，NGFI是綜合考慮前端傳輸帶寬、成本、時延、移動業(yè)務特征、對未來新技術(shù)的支持、升級維護難度和可支持的協(xié)作化算法等級等因素的折中方案。同時考慮向Cloud RAN的演進過程，以及傳輸網(wǎng)絡向更高帶寬、更低傳輸時延演進的發(fā)展趨勢，為了更好地適應未來無線技術(shù)的發(fā)展變化，增強前傳接口的生命力，NGFI接口應該是一個可演進的接口。
方案5由于帶寬要求高屬于CBR（Constant Bit Rate，恒定比特率）業(yè)務。在光纖資源相對富裕和有條件直接部署低成本的傳輸設備的應用場景下，采用基于CPRI的傳輸技術(shù)也可以滿足基帶集中化部署的需要。在單站天線數(shù)目較少，拉遠距離相對較短的場景下（如室內(nèi)部署），若配合使用ROE（Radio Over Ethernet）/COE（CPRI Over Ethernet）技術(shù)，由于可以充分利用現(xiàn)有基站設備和傳輸資源，該方案仍有其優(yōu)勢。
基于劃分方案1的設備，可以在現(xiàn)有的PTN傳輸網(wǎng)上升級實施，將MAC層時延要求較高的功能部署到RRS上，可以大大降低RCC設備成本，同時向5G演進時不會對傳輸網(wǎng)以及RCC已有的硬件投資造成較大沖擊；在現(xiàn)有轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)不多的PTN網(wǎng)絡上或者未來較低轉(zhuǎn)發(fā)時延的下一代PTN網(wǎng)絡上，基于劃分方案2的設備則可以直接部署。
隨著基站虛擬化技術(shù)向物理層的進一步推進，并且考慮到未來基于物理層的協(xié)作處理技術(shù)的發(fā)展變化，未來基于物理層內(nèi)部劃分方案的需求也會越來越明顯。由于這類方案將需要跨載波處理的L1以上的功能集中部署在服務器上，僅需本地處理部分放在遠端，未來無線技術(shù)演進只需要升級服務器上的軟件以及遠端設備即可。由于該方案對帶寬需求較大，對時延抖動要求更嚴格，現(xiàn)有PTN無法滿足要求。如果在成本相對較低的傳輸網(wǎng)絡上部署，需要下一代高帶寬，低時延抖動的PTN網(wǎng)絡支持。
至于哪一種劃分方案適用于NGFI，還需后續(xù)進一步深入研究各潛在的劃分方案。
5 NGFI需求定義
本章內(nèi)容應在第四章潛在方案分析充分討論形成共識的基礎上，針對共識方案整理指標要求。目前本章僅提供NGFI需求的功能性定義，對于部分標注為TBD的性能指標定義還有待進一步完善和確定。
5.1 GFI無線接口要求
5.1.1 數(shù)據(jù)分組化要求
NGFI接口上需要支持四種類型數(shù)據(jù)流：
·無線用戶平面數(shù)據(jù)包
·控制管理包
·同步包（SYNC-E SSM、IEEE1588v2）
·OAM包
5.1.2 同步要求
因最終宏站空口的頻率同步目標精度滿足0.05ppm，時間同步目標精度為+/-65ns（TBD）。因此RCC-RRS之間的NGFI接口頻率同步精度暫定為+/-4.6ppm（TBD），時間同步精度目前暫定為+/30ns（TBD）。在NGFI后續(xù)研究中將會建立相關(guān)模型做進一步分析。
5.1.3 帶寬要求
NGFI上下行傳輸帶寬和所采用的無線功能劃分方案相關(guān)，同時也依賴于載波數(shù)目和信道帶寬，在某些特定劃分方案下與天線數(shù)目也有關(guān)系。不同劃分方案的傳輸帶寬要求參見表3-1，NGFI的傳輸帶寬要求為：
NGFI下行傳輸帶寬不超過150Mbps。（TBD）
NGFI上行傳輸帶寬不超過500Mbps。（TBD）
5.1.4 最大時延要求
前端傳輸網(wǎng)絡至少支持6跳，單向最大總傳輸時延不超過220us（TBD）。
其中，光纖傳輸最大時延不超過100us（與支持的最大傳輸距離相關(guān)）。
5.1.5 傳輸距離要求
前傳網(wǎng)絡支持的最大傳輸距離為20km。
5.1.6 時延抖動要求
對NGFI分組數(shù)據(jù)而言，前端傳輸網(wǎng)絡至多支持6跳，單向最大時延抖動不超過60us（TBD）。
5.1.7 丟包率要求TBD
5.1.8 傳輸延遲測量和校準
提供RCC-RRS間點對點傳輸時延測量的上報能力，為上層無線側(cè)協(xié)議棧軟件提供必要的指示性信息。時延測量應在設備上電或者RCC-RRS之間傳送通道建立的時候自動發(fā)起，也可以由網(wǎng)管手工發(fā)起。
5.1.9 QoS要求
RCC和RRS應能對NGFI接口上面?zhèn)魉偷臄?shù)據(jù)包進行QoS標記。
5.1.1 0C&M要求
NGFI接口應能提供C&M通道以便于RCC對RRS的控制和管理。
5.1.11 OAM要求
NGFI接口應能支持符合Y.1731/IEEE802.1ag的以太網(wǎng)OAM功能，以實現(xiàn)對RCC-RRS之間的NGFI接口的故障檢測，故障定位以及性能監(jiān)測。
5.2 NGFI前傳網(wǎng)絡承載要求
本節(jié)內(nèi)容暫基于PTN的方案提出建議[6]。
5.2.1 業(yè)務承載要求
NGFI接口的無線平面數(shù)據(jù)包和控制管理包優(yōu)先采用E-Line（VPWS）承載，也可以采用E-LAN（VPLS）方式承載。
5.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和統(tǒng)計復用要求
用于承載NGFI的傳輸設備應該支持基于MPLS-TP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并支持統(tǒng)計復用。
5.2.3 QoS要求
用于承載NGFI的傳輸設備應根據(jù)NGFI報文中的優(yōu)先級和著色情況進行服務等級映射，實現(xiàn)DiffServ的每跳行為（PHB）。
5.2.4 同步要求
用于承載NGFI的傳輸設備的頻率同步應遵循G.8262/G.8264 EEC Option 1，時間同步應采用IEEE1588并遵循中國移動PTN相應企業(yè)標準。
5.2.5 時延要求
無阻塞時，用于承載NGFI的傳輸設備單跳轉(zhuǎn)發(fā)時延不超過20us（TBD）。
5.2.6 OAM要求
用于承載NGFI的傳輸設備應符合中國移動PTN規(guī)范中所要求的以太網(wǎng)業(yè)務層和MPLS-TP層的OAM功能。
5.2.7 保護倒換控制
用于承載NGFI的傳輸設備應支持中國移動PTN規(guī)范中所要求的網(wǎng)絡保護機制，包括MPLS-TP環(huán)網(wǎng)，線性保護以及雙歸保護機制，傳輸保護倒換時延小于50ms。
5.2.8 丟包率要求
不超過90%吞吐量時，對于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，丟包率為0，對于非高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，丟包率不超過1×10-7。
5.3 設備形態(tài)需求
5.3.1 無線設備形態(tài)需求
5.3.1.1 RRS設備要求：對于遠端重新劃分功能后的新RRS應盡量選擇室外設備形態(tài)，并由于與傳輸設備的連接接口也暴露于室外，需考慮其滿足室外要求，應通過加強防水、增強密閉性等措施，確保室外設備及其接口的可靠性。
5.3.1.2 RRS同步實現(xiàn)要求：RRS頻率同步來源于前傳網(wǎng)絡，宏站空口同步精度滿足0.05PPM的要求，RRS時間同步來源于外部以太網(wǎng)的1588v2協(xié)議，精度滿足+/-65ns的要求。
5.3.1.3 RCC同步實現(xiàn)要求：RCC的頻率和時間同步可來源于外部傳輸網(wǎng)絡或GPS/北斗。
5.3.1.4 網(wǎng)絡管理功能要求：將RRS與RCC視為對等網(wǎng)元，統(tǒng)一進行資源管理，RCC與RRS間對應關(guān)系可通過網(wǎng)管配置重新指派。
5.3.1.5 RRS前向兼容性需求：RRS應該提供對NGFI以及傳統(tǒng)CPRI的支持。
5.3.2 傳輸設備形態(tài)需求
支持NGFI的傳輸設備可以為PTN、以太交換機等分組交換設備。對于交叉容量：以支持百載波量級的無線前傳網(wǎng)絡為例，假設組環(huán)網(wǎng)，環(huán)上承載載波數(shù)目為N，每個載波前傳需要帶寬BW，分組網(wǎng)絡收斂比為CR，本地基站上下業(yè)務帶寬LB，并考慮保護需求，則所需交叉容量為BW*N*CR*2+LB。如果100個載波，每載波需要1G帶寬，收斂比1/3，本地基站上下業(yè)務帶寬10G，則所需交叉容量為78G。
對于端口速率：根據(jù)上述模型，需支持100G端口。對于本地基站上下業(yè)務，需要支持1G、10G端口。支持NGFI的傳輸設備可以以模塊或板卡的形式集成在遠端或局端無線設備中，以節(jié)約機房空間。
6 總結(jié)
傳統(tǒng)的前傳接口，如CPRI由于自身的點對點傳輸模式，固定速率傳輸特性等原因，存在傳輸效率低，可擴展性差，靈活性差等缺點，不適合未來無線網(wǎng)絡架構(gòu)。隨著無線網(wǎng)向5G演進，需要進行重新設計。
本白皮書介紹了中國移動關(guān)于下一代無線電前傳接口NGFI的思考，設計準則及相關(guān)進展，并制定了NGFI需求。NGFI的設計需要聯(lián)合考慮無線和傳輸兩個層面。在無線層面，BBU和RRU需要進行功能重新劃分，考慮數(shù)據(jù)總吞吐量隨空口實際服務用戶的數(shù)量變化而改變，利用分組包的統(tǒng)計復用效果降低總傳輸成本。另一方面，還需考慮無線協(xié)作化的性能需求。即：將通過集中化可獲得高協(xié)作化增益的BBU功能在BBU資源池中實現(xiàn)，針對集中化處理后無協(xié)作化增益或者低協(xié)作化增益的功能移至RRU實現(xiàn)，分布式放在遠端，從而實現(xiàn)最大的無線增益。此外，NGFI帶寬應該和天線無關(guān)，以便更好支持5G多天線技術(shù)。
在傳輸層面，NGFI要求接口分組化以便于利用以太網(wǎng)進行傳輸，進而實現(xiàn)靈活的RCC和RRS間的連接關(guān)系。如何實現(xiàn)對NGFI數(shù)據(jù)的支持，尤其是對時延、時延抖動及同步的支持，是設計以太網(wǎng)前傳網(wǎng)絡的主要挑戰(zhàn)。
借此白皮書，我們誠摯地邀請所有移動運營商、電信設備廠商、傳統(tǒng)IT系統(tǒng)廠商、以及關(guān)注未來前傳網(wǎng)絡演進的產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)研究機構(gòu)積極參與到NGFI關(guān)鍵技術(shù)的研究中，共同推動NGFI愿景早日成為現(xiàn)實。
縮略語
NGFI Next Generation Fronthaul Interface 下一代無線電前傳接口
BBU Baseband Unit 基帶單元
HARQ Hybrid Automatic Repeat Request 混合自動重發(fā)請求
RRU Remote Radio Unit 遠端射頻單元
CPRI Common Public Radio Interface 通用公共無線電接口
C-RAN Centralized， Cooperative， Cloud RAN 集中式/協(xié)作式/云計算無線接入網(wǎng)
3GPP the 3rd Generation Partner Project 第三代合作伙伴計劃
RCC Radio Cloud Center 無線云中心
RAU Radio Aggregation Unit 射頻聚合單元
Sync-E Synchronous Ethernet 同步以太網(wǎng)
RRS Remote Radio System 遠端射頻系統(tǒng)
UE User Equipment 用戶設備
RB Resource Block 資源塊
CoMP Coordinated Multi-point Processing 協(xié)作多點傳輸技術(shù)
CS Coordinated Scheduling 聯(lián)合調(diào)度
JR Jiont Reception 聯(lián)合接收
JT Joint Transmission 聯(lián)合發(fā)送
MCS Modulation and Coding Scheme 調(diào)制與編碼策略
PTN Packet Transport Network 分組傳送網(wǎng)
PON Passive Optical Network 無源光纖網(wǎng)絡
WDM Wavelength Division Multiplexing 波分復用
參考文獻
[1]中國移動通信有限公司研究院，C-RAN白皮書 v3.0，2014年7月.
[2]CPRI，Common Public Radio Interface (CPRI) Specification v6.0，Tech. Rep. Aug. 2013，URL: http://www.cpri.info.
[3]NGMN Alliance，NGMN 5G White Paper v1.0， February 17，2015.
[4]Chih-Lin I, Rowell C., Shuangfeng Han, Zhikun Xu, Gang Li and Zhengang Pan，Toward green and soft: a 5G perspective，IEEE Commun. Mag.，52(2)，66-73，2014.
[5]NGMN, Further study on critical C-RAN technologies， April, 2015.
[6]中國移動，中國移動分組傳送網(wǎng)（PTN）設備技術(shù)規(guī)范，2014年.
致謝
誠摯的感謝如下單位和作者為本白皮書做出的貢獻：
中國移動通信研究院：易芝玲、崔春風、李晗、韓柳燕、黃金日、段然、袁雁南、馬世佳、孫軍帥、孔令斌、程偉強
上海貝爾股份有限公司：張曉文、江曉根、劉方鑫
諾基亞網(wǎng)絡：于飛、吳志遠、許小林
中興通訊股份有限公司：向際鷹、李玉潔
博通公司：何宗應
英特爾中國研究中心：張旭、周鳳
