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5G基站君的进化之路—eCPRI

本文来源:无线深海

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基站君在努力地进化 不论你是否能意识到,移动基站就位于我们身边,默默地在为我们服务,越来越好的信号质量就是明证。 其实,为了让信号变得更好,为了让上网速度更快,为了节能省电,基站君在默默地奋斗着,努力地提升自我,还你一个畅快的网络。

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分布式基站的崛起,CPRI接口的辉煌
这不,5G要来了,为了迎接这新的时代,基站君正在默默地酝酿着一场大变身。 然而,当我们抬起头,凝视这一根根铁塔和上面挂着的一坨一坨的小方块时,却很难看到有什么大的变化。其实,这场变化从3G时代已经开始,现在正在向5G延伸。 上图展示的是2G和3G时代基站的架构。
1.天线:高高地挂在塔上。它也必须高挂在塔上,这是因为发射信号的需要。
2.机房:在塔下,必然有一个小房子,里面放着基站。
3.基站:就是发射无线信号的设备。基站在逻辑上分为BBU和RRU两部分。RRU负责信号收发,BBU负责信号处理。
4.馈线:连接天线和基站的,就是馈线了,这是一根又粗又硬又重的传输信号的管子。由于铁塔一般情况下有个几十米到100米高,所以这根管子也得几十到100米长。然而信号的传送是有损耗的,馈线越长损耗越大,可能从基站到天线,信号还没发出去就已经损耗掉了一多半。因此塔下的基站必须加大功率发射才能弥补这个损耗。
5.配套设备。这些设备在图里没有画出,主要包含这些:电源,电池,空调。电源自不用说,基站得有电才能工作;万一停电了咋办?那得有电池撑着;另外,基站,电源,电池,这些设备挤在一个小房子里,不断发热温度升高,为了保证设备正常运行,得有空调降温才行。 这种架构最显著的特点就是,复杂,费电。然而在2G时代也就这么强忍了,3G时代,新的架构已经在萌芽,直到4G时代,这一切才有了彻底的改观。 既然基站可以分为两个模块:发射信号的RRU和处理信号的BBU,其中BBU小巧精致功耗低,而RRU体积庞大功耗高,何不把功耗高的RRU也挂在塔上,跟天线放一起?这样就不用很长的馈线连接了,损耗小了功耗自然也就降下来了,自然散热就可以。这样一来,机房里少了RRU这个散热大户,空调也就可以歇歇了。 因为把基站拆成了两块分开工作,这样的站点也叫分布式站点。这样就涉及到了BBU和RRU的连接问题。到底BBU和RRU它们可以离得多远,之间的数据怎么传,总得有个标准才行。 于是,在2003年,爱立信,诺西,阿朗,NEC,还有华为这几个厂家一合计,搞出来了个叫做CPRI(通用公共无线电接口)的协议,大家都按着这个来搞。 我们知道数据通过通信协议栈,各层会在上一层的基础之上附加本层的功能,这样层层加码下来,数据量急剧增加。CPRI协议在BBU和RRU之间传输的物理层数据,不但包含了承载的数据,还含有大量物理层信息,并这些信息分到了各个天线之上,数据量非常巨大。 如下图所示,就是最为普通的20MHz带宽的LTE载波,支持2x2MIMO,可支持150Mbps速率的数据流,处理到了CPRI这里,带宽需求竟然达到了惊人的2.5Gbps! 其实,上面例子中的的CPRI速率,在CPRI的世界中还算是很小的。在CPRI协议的6.1版本中,定义了9个选项,最大速率可达12Gbps。 这么大的数据速率,到底用啥线缆来传呢?这就要轮到光纤出场了。光纤,即是把光信号在极细的玻璃纤维中传播,速度快,硬件本身几乎没有带宽的限制,还很便 怎么样把BBU和RRU这俩处理电信号的设备用光纤连接起来呢?这就需要能把电信号和光信号互相转换的光模块了。光模块支持的速率和传输的距离是有上限的,速率越高,传输的距离越远就越贵。 在2/3/4G网络中,一般CPRI接口使用10Gbps的光模块就够用了。 这种分布式架构,把粗长硬的馈线换成了细软轻的光纤,站点功耗大幅降低,网络运维成本自然也就降下来了。 并且,在4G时代,由于MIMO技术的需要,每个基站都要连接多个频段多个端口的天线。比如要实现4x4 MIMO,如果RRU不上塔的话,每个扇区就需要4根馈线,对于一般的3扇区站点,就需要12根,不但要考虑铁塔能否承受,工程安装成本也很高。如果要增加频段,那就不得不加合路器,使信号的损耗进一步增加。为了解决这些问题,BBU和RRU分离的分布式基站成了4G的标配。 这样一来,由于协议上BBU和RRU可拉远的距离可达20公里,这就为把这整区域的多台BBU一股脑放到一个大机房里集中管理提供了条件,各个基站上只安装RRU,连机房都省了,进一步减少维护成本。这种架构就叫做C-RAN(集中式无线接入网)。 虽然C-RAN是一个非常好的构想,在4G阶段却没有发展起来,因为这种架构对于光纤资源的数量要求太高,每个站点都要有到BBU集中机房的光纤,这可不是RRU上塔几十米那么简单,需要大量的挖沟埋缆工作,成本是非常高的。

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5G来了,基站君从CPRI到eCPRI的进化
到了5G时代,为了支撑eMBB业务,基站发生了一些变化: 1.RRU演变成了集成超大规模天线阵列的Massive MIMO AAU
2.载波带宽大幅扩展,Sub6G载波需要支持100M带宽,而毫米波需要支持400M的载波带宽
3.基站所需承载的数据流量达到了10Gbps的级别
这些变化,对CPRI的接口提出了更高的要求,我们先来看看5G对CPRI口速率的需求:
5G对CPRI接口的速率要求
还没轮到毫米波上场,仅在5G最为主流的100M带宽和64天线的配置下,CPRI口的速率需求就飙升到了172.8Gbps!随之飙升的是高速光模块带来的成本飙升,对运营商来说这无疑是难以接受的。 在这样的背景下,CPRI协议的升级版,能大幅降低前传带宽的eCPRI标准就呼之欲出了。 eCPRI的设计思路很简单,既然通信协议栈上传输的数据会层层加码,越到物理层数据量越大,那就如上图所示,把在BBU上处理的数据上移一层(High Phy往上的BBU处理),下面的交给RRU去处理(Low Phy往下的RRU处理),这样BBU和RRU之间的数据量就少了,代价是RRU的复杂度提升。
eCPRI接口的定义
别看这一步变化貌似不大,却对减少eCPRI口上的数据量的作用极大。以前面所说的100M载波带宽加64天线为例,采用CPRI协议需要172.8Gbps的光口速率,而如果变更为eCPRI的话,仅需要24.3Gbps的光口速率,带宽仅为原先的14%。 这样一来,5G前传的压力是不是一下子就小多了?延续4G时代C-RAN的梦想,乃至无线接入网的云化也可以期待了。 为了5G的梦想,基站君就是这样在默默地酝酿着自身的变革,润物细无声。