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5G Fronthaul-Latency and Jitter Studies of CPRI Over Ethernet
Divya Chitimalla, Koteswararao Kondepu, Luca Valcarenghi, Massimo Tornatore, and
Biswanath Mukherjee
Abstract
通用公共无线电接口(CPRI)是一个定义了无线电设备控制(REC)之间无线电基站的关键内部接口的可公开使用规范以及移动电话前端的无线电设备(RE)网络的工业合作组织。但是，CPRI部署昂贵，占用大量带宽，目前是静态配置的。另一方面，基于以太网的移动前端通道将具有成本效益，并且更容易重新配置。以太网增强型CPRI(COE)是一种很有吸引力的解决方案，但要使COE成为现实，需要满足诸如延迟和抖动等严格的CPRI要求。该研究通过基于FPGA的Verilog实验和仿真来研究CoE是否能够满足延迟和抖动要求。Verilog实验表明，固定以太网帧大小的COE封装大约需要几十微秒。数值实验表明，在提供冗余以太网容量的情况下，提出的CoE流在以太网上的调度策略可以降低抖动。抖动的降低可高达1mu;s，因此使基于以太网的移动前端通道成为一种可靠的技术。
索引术语-5G；以太网CPRI；前传；抖动；调度；时间敏感型网络(TSN)。
I.引言
智能手机和智能设备的广泛采用极大地增加了蜂窝网络中的带宽消耗[1]，因此需要有效的方法来提高蜂窝容量。例如，预计5G带宽消耗将是4G的1000倍[1，2]，这需要能够以经济高效的方式支持更高带宽的新型无线接入网络(RAN)架构。一种流行的方法是将4G演进节点B(eNB)的功能拆分成无线电设备(RE)和无线电设备控制器(REC)，前者由天线和基本射频(RF)功能组成，后者处理来自物理层及以上的信号。该解决方案最初称为集中式RAN(C-RAN)，因为可以将多个REC合并到单个集中位置，并且可以根据流量负载在多个RE之间共享单个REC。C-RAN可以通过部署许多RE来显著提高蜂窝覆盖密度，与成熟的宏基站相比，这些RE是轻量级的，从而通过使用更少的REC来降低网络成本。最近的提案将REC功能推向“云”(其中REC是“虚拟化的”)，从而从集中式RAN转移到云RAN和虚拟化RAN(V-RAN)[3]。几个正在进行的项目，例如电气和电子工程师协会标准协会1914.1工作组[4] ，正在努力定义REC和RE之间的接口(电、光或无线) 。接口要求取决于功能分割[5]，其由3GPP提出，是RE和REC中存在的一组功能。这些拆分可以发生在几个协议层，从而导致移动前传的带宽和延迟要求不同。我们的研究考虑了eNB物理层的分裂(即，TR 38.801中的选项8)，其包括REC中的整个层1及以上功能，而RE是仅具有RF功能的轻量级天线。在该选项中，基带信号的同相正交(IQ)采样必须在RE和REC之间传输。通用公共无线电接口(CPRI)是由几家主要电信厂商开发的著名无线电接口，用于在RE和REC之间传输采样的RF数据。CPRI是恒定比特率接口，具有从614.4 Mbps(选项1)到24.33Gbps的线速选项(选项 10) [6]。CPRI是行业合作的产物，具有封闭性，而存在其他更开放的接口(例如，开放基站架构倡议(OBSAI)和开放无线电设备接口(ORI))[7，8]。
CPRI是小批量生产的，因此价格昂贵。CPRI交换设备的设计也是极其困难的。尽管CPRI提到它支持几种拓扑，如树、环和链[6]，但没有提到如何控制这些拓扑。CPRI具有严格的延迟和抖动要求，只有高速前端解决方案(例如，光纤链路)才能满足这一要求，如[9]。所有这些问题使得设计一种经济高效且可重新配置的支持新兴网络范例的移动前端通道势在必行。
封装以太网CPRI(COE)是一种经济高效的解决方案，可以利用现有的以太网接口和交换设备实现移动前端。以太网具有易于升级到更高的数据速率、广泛的可用性、低成本的设备和易于扩展等优点。此外，以太网交换机可用于将前端通道配置到任何网络拓扑中，即使是在大型网络规模上也是如此。利用CoE的另一个优点是，当前的高速光网络也可以用于移动前端。具体而言，10千兆位(10G)以太网足以将高数据速率采样IQ信号从REC传送到RE(例如，20 MHz单天线I/O采样无线电信号可以由10G以太网接口处理)。比如专用光纤、光传输网络(OTN)和无源光网络(PON)[10]的传输选项可以通过部署光纤和其他光学组件(例如，用于eNB到eNB通信的交换机、光线路终端(OLT))来支持前端。然而，以太网是否能够在延迟和抖动方面支持严格的CPRI要求仍在审查之中，因为以太网移动前端需要支持延迟在100mu;s以内，抖动在65 ns[6]以内，以及对正在传输的时间敏感型IQ数据的其他严格要求。
工业界[11，12]和学术界[13-16]正在研究以太网前端解决方案。IEEE标准协会(SA)1914工作组自2015年以来一直有效地标准化以太网无线电(ROE)[4]。具体地说，IEEE 1914.3特别工作组正在研究如何在基于以太网的分组交换网络上传输IQ用户面数据、特定于供应商的数据以及控制和管理(Camp;M)信息通道[6]。该标准侧重于将数据封装到以太网帧有效载荷字段中，而不是附加ROE报头，用于定时和同步目的。该标准侧重于将数据封装到以太网帧有效载荷字段中，而不是附加ROE报头，用于定时和同步目的。Roe中定义了两种类型的封装：结构感知封装和结构不可知封装。结构感知封装使用封装的和数字化的无线电传输格式内容的知识，而结构不可知的封装是将比特封装到以太网帧中的容器，而与封装的协议无关。在文献[11]中讨论了以太网在移动前端的适用性，它利用缓冲区来降低以太网数据包的抖动。然而，目前还没有实验或模拟研究来量化所提出的以太网前端实现中的抖动。在[12]中比较了几种时间敏感网络(TSN)以太网技术(例如，802.1Qbu帧抢占和802.1Qbv带保护带)来承载前端数据；但是，没有详细研究在哪些条件下具有预定流量的以太网可以达到小于65 ns。此外，为了最小化以太网前端的抖动，在[13]中提出了将具有固定时隙的以太网帧调度到特定流。在[14]中已经提出了REC和RE之间的功能分离，其允许基带信号传输而不是采样无线数据流的传输，以实现较低速率的正面扫频。这种前端通道还可以利用以太网交换机和网络统计复用增益，因为它传输相对突发的数据，而不是连续的无线波形。这种前端通道还可以利用以太网交换机和网络统计复用增益，因为它传输相对突发的数据，而不是连续的无线波形。此外，文献[15]提供了动态可重构CoE的实验实现，并提供了动态可重构以太网前端的时延分析。参考文献[16]讨论了在可重构场景中使用以太网前端通道的优势。
在IEEE 802.1 CM中，研究了使用抢占和调度的IEEE802.1Qbu[17]和IEEE802.1Qbv[18]是否可以用来保证以太网前端的延迟和抖动要求。IEEE 802.1Qbu正在利用帧抢占策略，其中IEEE 802.3br提供了在媒体访问控制(MAC)及更低层实现抢占的机制。IEEE 802.1Qbv使用边缘缓冲器处理调度流量，该缓冲器吸收数据包延迟的变化以及增加的延迟成本。[19，20]中的工作提供了对IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.1Qbv标准的增强。这些研究表明：(I)在以太网中使用802.1Qbu抢占不能满足65 ns的抖动要求；(Ii)使用以太网调度的802.1Qbv在某些情况下可以消除抖动，这取决于输入流，但并不总是如此。802.1Qbv利用保护频带来吸收以太网数据包调度中的波动。保护带的大小决定了802.1Qbv以太网的性能，其中保护带越小，分组冲突越多，而保护带越大，以太网的有效吞吐量越低。IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1Qch解决了时间敏感型数据与非时间敏感型数据共享容量的网络中的延迟和抖动等同步问题。特别地，IEEE 802.1Qch描述了可以采用的方法，以使用调度以太网的开关门以严格的时间间隔调度流。IEEE 802.1Qbv增强了802.1Qch中建议的方法，包括VLAN标记，以确定时间敏感型流量的优先级，从而降低延迟/抖动。我们的工作假设前端网络能够实现QCH和QBV所描述的方法。但是，这些标准没有明确描述以太网前端抖动最小化的任何算法。在这项工作中，我们提供了一种CoE数据的调度算法，使得对于给定的CoE数据速率，抖动保持在65 ns以内，这在QBV/QCH中没有规定。我们还估计了以太网前端中给定的一组CoE流要达到可容忍的抖动(65 Ns)所需的以太网容量。
我们的研究从时延和抖动两个方面对CoE的性能进行了定量评估。执行FPGA预合成评估以验证COE设计和封装开销的逻辑功能。此外，我们还利用TSN中的先进技术，如调度以太网(IEEE 802.1Qbv)，设计了一种穷举搜索算法来返回抖动减少的帧调度。
研究的其余部分组织如下。在第二节中，我们讨论了基于CoE的移动前端架构。在第三节中，我们给出了CPRI和以太网帧之间的映射，并评估了它的重要参数，如封装延迟、以太网开销和以太网前端支持的距离。第四节讨论了CoE的抖动最小化技术，提出了可以在以太网交换机上编程的降低以太网前端抖动的算法；第五节进行了Verilog实验和仿真，评估了基于CoE的转发的时延和抖动。第六部分为本研究的结束语。
II. 基于CoE的C-RAN体系结构
A.框架结构
CPRI以帧格式发送采样的IQ数据，如图1所示。它在具有不同线速(选项1至10)的REC和RE之间使用固定带宽连接[6]。CPRI支持8B/10B和64B/66B编码选项；在不影响通用性的情况下，我们的研究支持8B/10B编码。虽然CPRI支持树、环和链等拓扑，但是RE和REC之间的每个链路都是固定带宽的时分复用(TDM)连接。单个基本帧持续时间为260 ns(1/3.84 MHz)，与通用移动电信系统(UMTS)芯片长度兼容。每个基本帧由16个字组成，字长取决于CPRI线路速率[6]：256个基本帧构成超帧，150个超帧构成无线帧。
CPRI无线电帧为10ms。在RE和REC之间以Z.Y.W.X格式发送CPRI线速信息，其中Z是超帧号，Y是超帧内的基本帧，W是基本帧内的字号，X是字内的字节数。CPRI提供自动速率协商，允许根据天线和用户业务特性动态重新配置CPRI线路速率[6]。
B. 网络架构
所考虑的基于以太网的C-RAN和/或V-RAN的体系结构如图2所示，其中从那里到支持以太网上的CPRI流的REC有三条链路。从RE到REC池的COE流使用以太网交换机(SW)进行交换，其中可以对调度策略进行编程以提供访问控制以避免冲突。
图1. CPRI的框架结构
此架构可支持多个供应商和运营商之间的网络共享，如设想的5G网络[21]，
图2. C-RAN的以太网CPRI前置架构。
应集成不同的无线标准：3G、4G、LTE-Advanced和Wi-Fi。此外，根据资源的需求和可用性，可以使用几种物理介质，如光纤、电缆、DSL、毫米波和自由空间光纤。建议的架构可以联合优化不同介质的资源，用于前端和回程(REC池和核心网络之间的连接)，因为以太网可以是每个平台的底层协议。这便于网络共享和公共运维功能。如果请求大容量，则可以利用光基础设施来支持RAN[22]。此外，多亏了虚拟化，多个运营商可以共享共同的物理基础设施[23]。
III. 以太网CPRI(COE)映射
COE封装需要CPRI和以太网帧之间的映射。在这项研究中，我们描述了COE的结构不可知的映射，其中CPRI流被顺序地打包到以太网帧上，而不需要知道CPRI数据。多个COE流可以共享一条公共以太网链路。表I显示了用于描述CPRI和以太网帧之间映射的符号。考虑到输入为CPRI线路速率，输出为以太网链路速率，图3显示了CPRI流在以太网帧的有效负载中的封装。CPRI数据通过附加的MAC和ROE报头成帧进入以太网：前同步码(7字节)、帧开始分隔符(1字节)、源地址(6字节)、目的地址(6字节)、以太网类型(2字节)、ROE报头(6字节)、帧校验序列(4字节)和分组间间隙(12字节)。与在[4]中一样，ROE报头的6个字节还包含不同的子字段，诸如版本、分组类型、帧开始、流ID、时间戳选择字段、时间戳和可选的扩展的ROE报头空间。请注意，以太网开销计算中不考虑可选的802.1Q标记字段。以太网帧中的CPRI数据始终是CPRI基本帧的倍数。下面讨论封装延迟、跳延时和以太网开销等CoE映射参数。
假设在RE和REC处都执行COE封装/解封，并且要封装到以太网中的最小数据是一个持续时间为T B asymp; 260 ns的CPRI基本帧。因此，以太网有效载荷大小LP计算为
(1)
针对不同的线路速率选择NB的值，使净荷值保持在接近1250或1500字节，LP由多个NB组成，因此以太网帧中的CPRI基本帧数保持整数值，从而避免了基本帧分片。
使用LP，封装延迟T encap被定义为以特定线路速率将CPRI数据成帧到以太网有效载荷中所花费的时间(即，接收CPRI有效载荷的时间)：
总以太网头开销(T totHOH )是由于以太网封装而导致的传输以太网头(L EH)字节的附加延迟，它取决于用于封装CPRI数据的以太网帧(N E)的总数，这取决于R CPRI和L P。
其中，LEH被设置为固定值(即，44字节)，R_E是以太网线路速率(例如，10G以太网的线路速率：10 Gbps)，T_E
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