Интерфейс eCPRI

Введение

Жесткая конкуренция между операторами мобильной связи толкает их к обновлению подсистемы базовых станций c целью обеспечения более высоких скоростей передачи данных и предоставления более качественных сервисов. Интернет трафик, особенно видео трафик (YouTube, VK, NetFlix …) постоянно растет. Для удовлетворения потребностей пользователей мобильные операторы должны предоставлять на рынке все новые и новые, конкурентоспособные решения. Дорогие и требовательные к энергетике коаксиальные системы на мачтах сотовой связи практически полностью заменены более эффективными оптическими системами. По сравнению с коаксиальными системами, оптическая инфраструктура предоставляет более лучшую масштабируемость, скорость развертывания и финансовую эффективность.

Как показано на рисунке 1, устаревшие мачты сотовой связи содержат длинные медные кабели, которые соединяют приемо-передающие блоки, расположенные у основания мачты, с антенными системами, расположенные на самом верху.

Устаревшая коаксиальная система на мачте сотовой связи

Рисунок 1. Устаревшая коаксиальная система на мачте сотовой связи

Подобный тип архитектуры имеет очень много минусов. Оператору сотовой связи необходимо устанавливать достаточно объемный контейнер у мачты, обеспечить его энергетикой и системой климатики.

Если мы посмотрим на современную мачту сотовой связи (см. Рисунок 2), мы увидим, что все коаксиальные кабеля были заменены оптическими, что обеспечило меньшие шумы при передаче информации, более низкое энергопотребление, а также более высокую полосу пропускания.

Современная мачта сотовой связи

Рисунок 2. Современная мачта сотовой связи

Одно из основных отличий от прежних систем заключается в том, что радиопередающий блок (RRU) располагается рядом с антенными системами или в более современных реализациях внедрен в саму антенну. Еще одно из важных преимуществ заключается в том, что современная архитектура обеспечивает возможность разнести радиопередающие блоки (RRH) и блоки управления (BBU) на существенно большее расстояние, что очень важно при внедрении облачной радиосистемы (cloud-RAN или C-RAN).

Интерфейс связи между радиопередающим блоком RRU и блоком управления BBU называется CPRI (Common Public Radio Interface) и был предложен в 2003 году компаниями производителями базовых станций Ericsson, Nokia Siemens Networks, Alcatel Lucent, NEC и Huawei Technologies.
В настоящее время спецификация интерфейса постоянно развивается и улучшается. Далее рассмотрим основные технические аспекты последней доступной спецификации версии 1.2 (eCPRI Specification V1.2 (2018-06-25)) протокола eCPRI (evolved CPRI), определенной и развиваемой компаниями Ericsson AB, Huawei Technologies Co. Ltd, NEC Corporation и Nokia.

Спецификация eCPRI поддерживает сети мобильной связи пятого поколения и позволяет повысить эффективность внедрения базовых станций для удовлетворения потребностей заложенных в стандартах 3GPP. В отличие от CPRI, спецификация eCPRI поддерживает большую гибкость в реализации функционального разделения ресурсов базовой станции на блоки. Стоит отметить, что спецификации интерфейса eCPRI и CPRI обратно не совместимы.

Архитектура eCPRI

Архитектура базовых станций должна обеспечивать гибкость и простоту развертывания для операторов связи. Это может быть достигнуто благодаря разделению функционала базовой станции на два основных блока eREC (eCPRI Radio Equipment Control) и eRE (eCPRI Radio Equipment), которые соединены друг с другом через транспортную сеть оператора связи, т.е. могут быть физически разнесены на достаточно большие расстояния, например, eRE располагается рядом с антенной или внедрен в неё, а eREC расположен в телекоммуникационном шкафу или дата центре.

Спецификация eCPRI имеет следующую область применения (см. Рисунок 3):
1. Определение и описание интерфейса взаимодействия между блоками eREC и eRE, используя пакетную транспортную сеть.
2. Определение и описание трех логических интерфейсов взаимодействия для трех разных потоков информации (пользовательские данные, данные плоскости управления, данные синхронизации), как показано на рисунке 4.
3. Определение нового уровня eCPRI, который расположен над транспортным уровнем. Для транспортного уровня, уровня плоскости управления и синхронизации используются стандартные протоколы.

Область применения спецификации eCPRI Specification V1.2

Рисунок 3. Область применения спецификации eCPRI Specification V1.2

Интерфейсы взаимодействия

Рисунок 4. Интерфейсы взаимодействия

На рисунке 5 показана архитектура системы с использованием объединённых (локальных) eCPRI интерфейсов. Локальным eCPRI интерфейсом, называется eCPRI интерфейс, когда несколько узлов eREC или eRE объединены одной локальной сетью.

Архитектура eCPRI

Рисунок 5. Архитектура eCPRI

Функциональное описание

Концепция интерфейса CPRI подразумевает разделение базовой станции мобильной связи на два узла REC и RE, что справедливо и для eCPRI, где узлы называются eREC и eRE. Спецификация eCPRI предлагает более гибкое распределение функционала между этими двумя узлами по сравнению со спецификацией CPRI. Различные функциональности базовых станций eNB/gNB показаны в таблице 1 с указанием спецификации 3GPP, где описана данная функциональность.

Таблица 1. Функциональности eNB/gNB

Функциональности и стек протоколов eNB/gNB eREC+eRE

3GPP eNB ссылка TS 36.nnn

3GPP gNB ссылка TS 38.nnn

Radio Base Station Control & Management

-

-

Backhaul transport

-

-

RRC (Radio Resource Control)

331

331

PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

323

323

RLC (Radio Link Control)

322

322

MAC (Medium Access Control)

321

321

PHY (Physical)

201 (General description)

201 (General description)

RF (Radio Functions)

104

104, 133

Measurements

214, 314

215

Вне зависимости от того, какое распределение функций между eREC и eRE выбрано, транспортная сеть взаимодействия между ними называется Fronthaul network или сокращенно FH как показано на Рисунке 6.

Fronthaul network

Рисунок 6. Fronthaul network

Различные функциональности, показанные в таблице 1, могут располагаться как в eREС так и в eRE. При использовании eCPRI для существующих сетей или сетей следующего поколения 5G разделение функций между eREC и eRE в соответствии с таблицей 1 зависит от производителя оборудования.  Различный выбор преследует различные цели (производительность радио части, производительность и емкость Fronthaul, требования к наличию определенных функциональностей и т.д.).

Распределение функций между eREC и eRE

На рисунке 7a изображен стек протоколов базовых станций стандартов 4G (LTE) и 5G (NR). Определено пять меж-стековых разделений A-E и одно дополнительное intra-PHY разделение {ID;IID;IU}. Нужно иметь ввиду, что для некоторых меж-стековых разделений, используя только узлы eREC и eRE как описано в спецификации, некоторые функциональности не могут быть реализованы в полном объеме, например, это будет справедливо для меж-стекового разделения А с централизацией RRC и функции взаимодействия между разными сотами.

Распределение функций между eREC и eRE

Рисунок 7a. Распределение функций между eREC и eRE

Для систем E-UTRA в соответствии со спецификацией CPRI используется меж-стековое разделение E.

На Рисунке 7b изображено intra-PHY меж-стековое разделение функционала. При таком разделении выделяют два разделения канала вниз (downlink) {ID, IID} и одно для канала вверх (uplink) {IU}. Причем возможна любая конфигурация uplink/downlink разделений.

Intrа-PHY меж-стековое разделение

Рисунок 7b. Intrа-PHY меж-стековое разделение

Преимуществом при использовании intra-PHY меж-стекового разделения, показанного на рисунке 7a красным пунктиром, является более эффективное использование таких функциональностей как: Carrier Aggregation, Network MIMO, Downlink CoMP, Uplink L1 Comp Joint Processing. Недостатком intra-PHY меж-стекового разделения являются более жесткие требования к сети Fronthaul (низкая задержка в передаче сообщений и большая полоса пропускания).

В таблице 2 приведены оценки битовой скорости для intra-PHY разделения для следующих параметров:

Пропускная способность: 3/1.5 Gbps (downlink/uplink, end-user data rate, transport block from/to MAC),
Полоса на радиоинтерфейсе: 100 MHz (5 * LTE20) -> 500 PRB,
Количество MIMO-уровней на uplink: 4 (c 2-мя разнесенными потоками на uplink MIMO уровень),
Количество MIMO-уровней на downlink: 8,
MU-MIMO: Нет,
Длина TTI: 1 ms,
Цифровое формирование луча где коэффициент BF вычисляется в eREC,
Скорость кодирования: ~0.80,
Схема модуляции (Downlink & Uplink): 256 QAM,
Количество антенн: 64,
Разнос между несущими: 15 kHz,
Частота дискретизации IQ: 122.88 Msps (3.84*32),
Формат IQ: 30 bits на IQ-отсчет,
IQ компрессия не используется.

Таблица 2. Оценка пропускной способности при intra-PHY разделении

Оценка пропускной способности при intra-PHY разделении

Таблица 3 показывает относительные требования к емкости и задержкам на сети Fronthaul для разных меж-стековых разделений.

Таблица 3. Требования на Fronthaul для разных меж-стековых разделений

Меж-стековое разделение

Необходимая ёмкость Fronthaul

Требования к задержкам на Fronthaul

A

Низкая, масштабируется  увеличением количества MIMO уровней

Относительно низкие

B

Низкая, масштабируется  увеличением количества MIMO уровней

Относительно низкие

C

Низкая, масштабируется  увеличением количества MIMO уровней

Относительно низкие

D

Низкая, масштабируется  увеличением количества MIMO уровней

Очень жесткие

E

Очень высокая, Масштабируется  увеличением количества портов антенн

Очень жесткие

{ID;IID;IU}

См. таблицу 2.

Очень жесткие

Спецификация интерфейса eCPRI

Обзор

Интерфейc eCPRI состоит их следующих информационных потоков:

Данные плоскости пользователя:
- пользовательский трафик: информация, передаваемая с/на базовую станцию на/с терминал пользователя. Формат информации зависит от выбранного меж-стекового разделения;
- контрольные данные реального времени: управляющая информация, относящаяся к пользовательскому трафику;
- другие сервисы eCPRI: поддержка плоскости пользователя, удаленная перезагрузка и т.д.

Данные плоскости контроля и управления
- контрольная и управляющая информация eREC и eRE, которая обрабатывается вышестоящими уровнями и не является информацией реального времени.

Данные плоскости синхронизации
- синхронизация передаваемых данных.

Спецификация eCPRI определяет протокол для передачи данных плоскости пользователя через транспортную сеть Fronthaul. Для данных плоскости контроля и управления, а также данных плоскости синхронизации используются существующие стандарты и протоколы. На рисунке 8 изображен стек протоколов при использовании Ethernet/IP транспорта на интерфейсе eCPRI.

Стек протоколов eCPRI при использовании Ethernet/IP транспорта

Рисунок 8. Стек протоколов eCPRI при использовании Ethernet/IP транспорта

Физический уровень

Говоря о физическом уровне, мы подразумеваем передачу электрических и оптических сигналов в соответствии с международными спецификациями IEEE 802.5 для следующих реализаций eCPRI:
 - eCPRI через электрический кабель
 - eCPRI через объединяющую плату (backlane)
 - eCPRI через оптический кабель

Высокая гибкость в выборе различных коннекторов и приемопередатчиков в случае использования eCPRI поверх оптического кабеля достигается использованием модулей SFP+ и QSFP+. В таблице 4 перечислены типовые интерфейсы для 10G, 25G, 40G и 100G Ethernet для вышеперечисленных реализаций eCPRI:

Таблица 4. Типовые интерфейсы eCPRI.

Реализация eCPRI

Стандарт/тип интерфейса

Кол-во потоков информации

Скорость передачи по одному потоку

Оптический кабель

10GBASE-SR/LR/ER

1

10G

10GBASE-LRM

1

10G

25GBASE-SR, LR, ER

1

25G

40GBASE-SR4 LR4/ER4

4

10G

100GBASE-SR10

10

10G

100GBASE-SR4/LR4/ER4

4

25G

Электрический кабель

25GBASE-CR/CR-S

1

25G

40GBASE-CR4

4

10G

100GBASE-CR10

10

10G

100GBASE-CR4

4

25G

Объединяющая плата (backplane)

10GBASE-KR

1

10G

25GBASE-KR/KR-S

1

25G

40GBASE-KR4

4

10G

100GBASE-KR4

4

25G

Плоскость пользователя

Существует два варианта реализации плоскости пользователя - передача данных поверх фреймов Ethernet и передача средствами IP пакетов. Рассмотрим варианты подробнее.

Плоскость пользователя через Ethernet

В этом варианте данные плоскости пользователя передаются посредством стандартных Ethernet фреймов. Поле “type field” Ethernet фрейма должно содержать eCPRI Ethertype (AEFE16). Поле данных “data field” должно содержать eCPRI заголовок, за которым следуют eCPRI данные. eCPRI сообщение встраивается в Ethernet фрейм как байтовая последовательность.
Поскольку минимальный размер поля данных “data field” Ethernet фрейма 46 байт, чтобы соответствовать требованиям, если необходимо, байты заполняются нулями. Эти заполняющие нули не являются eCPRI данными и не включаются в eCPRI заголовок с размером полезных данных.
eCPRI узел, осуществляющий обмен сообщениями через Ethernet должен иметь по крайней мере один MAC адрес. MAC адреса в одной Ethernet сети должны быть уникальными. Принцип назначения MAC адресов не является частью спецификации eCPRI.
Для успешной доставки сообщения по Ethernet сети с необходимым приоритетом MAC заголовок Ethernet фрейма должен содержать достаточно информации об источнике и назначении.

Плоскость пользователя через IP

В этом варианте сообщения передаются в UDP/IP пакетах. Поле данных “data filed” UDP датаграммы в начале содержит заголовок eCPRI за которым следует полезная нагрузка. eCPRI сообщение включается в UDP датаграмму как байтовая последовательность. UDP датаграмма должна полностью инкапсулировать eCPRI сообщение, т.е. без каких либо заполняющих байт.
eCPRI узел должен иметь по крайней мере один IP адрес. Все IP адреса в одном сегменте сети должны быть уникальными.
Для доставки eCPRI сообщения через IP сеть с необходимым приоритетом заголовок UDP датаграммы должен содержать достаточно информации об источнике и получателе сообщения. Спецификация eCPRI не определяет диапазон UDP портов для идентификации различных потоков информации.

Формат eCPRI сообщения

eCPRI сообщение должно иметь формат как показано на рисунке 9 и содержать 4-х байтный заголовок за которым следует полезная нагрузка различной длины.

Формат eCPRI сообщения

Рисунок 9. Формат eCPRI сообщения

Формат eCPRI заголовка

Рисунок 10. Формат eCPRI заголовка

Формат eCPRI заголовка показан на рисунке 10, где:
 - eCPRI Protocol Revision – версия протокола eCPRI
 - eCPRI Message Type – определяет тип сервиса, передаваемого через интерфейс (см. Таблицу 5)
 - eCPRI Payload Size – размер в байтах полезной нагрузки eCPRI сообщения
 - “С” – индикатор последовательности, “С=0” означает, что сообщение последнее, “С=1” означает, что за сообщением следует еще сообщение в рамках одной передачи данных. Пример связанного eCPRI сообщения показан на рисунке 11.

Таблица 5.

Тип сообщения

Значение

0

IQ Data

1

Bit Sequence

2

Real-Time Control Data

3

Generic Data Transfer

4

Remote Memory Access

5

One-way Delay Measurement

6

Remote Reset

7

Event Indication

8 - 63

Reserved

64 - 255

Vendor Specific

Подробная информация о диаграммах различных типов сообщений может быть найдена в спецификации [1].

Пример связанного сообщения eCPRI

Рисунок 11. Пример связанного сообщения eCPRI

Плоскость контроля и управления

Контрольная информация и информация управления узлов eCPRI (eREC и eRE) передается общепринятыми транспортными протоколами. eCPRI протокол не используется для передачи данной информации. Детальное описание информации плоскости контроля и управления не является частью спецификации eCPRI. Например, для передачи информации может использоваться протокол TCP, но любые другие решения также не исключаются.
Трафик плоскости контроля и управления не является трафиком реального времени и занимает очень незначительную часть полосы на интерфейсе eCPRI.

Плоскость синхронизации

Узлы eCPRI должны восстанавливать синхронизацию от источника и радиоинтерфейс реализуемый узлом eRE должен соответствовать требованиям 3GPP спецификаций по синхронизации. eCPRI протокол не используется для передачи информации о синхронизации, в данном случае используются стандартные протоколы (SyncE, PTP…), но любые другие решения также не исключаются.
Информация о синхронизации занимает также не значительную полосу на интерфейсе, но она очень чувствительна к задержкам.

Качество обслуживания QoS

Обеспечение соответствующего качества обслуживания достигается установкой различных приоритетов для различного вида трафика. В случае если на сети Fronthaul используется Ethernet используется поле PCP в VLAN-tag, в случае использования на Fronthaul протокола IP используются Differentiated Services (DiffServ).

VLAN тегирование для Ethernet fronthaul сетей
При использовании Ethernet узлы eREC и eRE должны добавлять VLAN тег к сообщениям в соответствии с IEEE 802.1Q-2014. Не обязательно устанавливать идентификатор VLAN-a (VLAN ID) если используется только приоритет. В данном случае VLAN устанавливается в значение ноль, а для приоритета выставляется поле PCP VLAN тега. Каким образом маркируется поле PCP зависит от производителя оборудования.

QoS для сети fronthaul на базе IP
QoS маршрутизируемой IP fronthaul сети реализуется с помощью DiffServ, когда используется поле DSCP в заголовке IP пакета. Каким образом маркируется трафик также всецело зависит от производителя оборудования.
Спецификацией не исключены и другие возможные способы реализации QoS.

Литература

[1] – eCPRI Specification V1.2 (2018-06-25)
[2] – Understanding the Basics of CPRI Fronthaul Technology

Поделиться:
  • ВКонтакте logo