[4G&5G专题-9]：前传接口 CPRI与OBSAI的那些事

IQ业务数据：手机与基站时间的数据面和控制面的数据
Ethernet：以太网数据，用于传输BBU和RRU之间的OAM管理的数据，在CPRI架构中，RRU是基站的一部分，受BBU管理、配置和监控。为了简化BBU和RRU之间管理面的通信，这里采用了以太网MAC帧进行传输。也就是说把以太网的帧承载着CPRI帧中，在CPRI链路上进行传输。
HDLC：与以太网协议并行的一种数据链路层协议。基站中，基本不用。
L1带内协议：用于在CPRI对等的两个实体之间传递L2数据链路层控制协议，比如CPRI链路的同步、CPRI的远程复位、CPRI的远程告警等等。
厂家自定义：保留给厂家自定义。

（3）应用层

数据链路层通过服务访问点的形式为应用层提供数据传输服务。主要的服务类型有：

用户面数据：就是IQ数据，就是OFDM调制后的采样数据。
控制码与管理面数据：BBU对RRU的OAM操作、维护、管理数据。
同步：用于BBU向RRU传递同步时钟，这样RRU就不需要GPS同步信号了，RRU只需通过CPRI协议与BBU同步就可以了。

注意：

应用层并不是CPRI协议的范畴，这就导致不同厂家的应用程协议相互不兼容，特别是管理应用数据，导致BBU和RRU必须是同一设备厂家的产品。

O-RAN通过在eCPRI协议规的基础之上，规范了应用程数据的格式、内容、协议交互等规范，实现了不同厂家的O-RU与O-DU之间的互联互通。

2.2 CPRI基本帧结构

（1）横向划分为16个字

其中15个字用于传输IQ数据，
其中1个字用于传输控制数据，包括OAM管理数据、CPRI同步数据、CPRI带内控制数据等等。
因此CPRI的有效载荷效率为15/16=93.75%,

（2）纵向每个字的字长可变

8bit，16bit，32bit，64bit。。。。
纵向的字长取决于CPRI的速率。速率越高，每个字包含的bit数就越多。

2.3 CPRI无线帧结构

（1）几个基本帧包括1个控制字和15个IQ字，传输时间为260.42ns

（2）256个基本帧构成一个超帧，传输时间为66.67us

（3）150个超帧构成一个无线帧，传输时长为10ms

66.67us在LTE中，正好是一个OFDM调制符号的传输时间，一个OFDM符号有N多个采用点构成，比如2048个采样点。

2.4 基于CPRI协议的RRU组网拓扑结构

（1）对点对单线连接

（2）点对点多线连接

（3）点对多点星型连接

（4）菊花链串行连接

（5）树形连接：实际系统中用得不多

（6）环形连接：实际系统中用得不多

第3章. CPRI协议速率与SFP的关系

（1）CPRI速率

在4G中，常见的是CPRI7: 9.8G.

在5G中，常见的有CPRI 7: 9.8G, CPRI 10: 24G.

（2）CPRI容器的字长、能力与CPRI速率的对应关系

选项	Rate1	Rate2	Rate3	Rate4	Rate5	Rate6	Rate7	Rate8	Rate9	Rate10
Rate倍数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
码片倍数	1	2	4	5	8	10	16	20	24	48
Y值	1	2	4	5	8	10	16	20	24	48
bits/Y	8	8	8	8	8	8	8	8	8	8
字长bits	8	16	32	40	64	80	128	160	192	384
数据words	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15
基本帧中数据bits	120	240	480	600	960	1200	1920	2400	2880	5760
I bits	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15
Q Bits	15	15	15	15	15	15	15	15	15	15
单A*C Size	30	30	30	30	30	30	30	30	30	30
编码前速率	491.52	983.04	1966.08	2457.60	3932.16	4915.20	7864.32	9830.40	11796.48	23592.96
有效载荷比	0.94	0.94	0.94	0.94	0.94	0.94	0.94	0.94	0.94	0.94
有效载数据荷速率	460.80	921.60	1843.20	2304.00	3686.40	4608.00	7372.80	9216.00	11059.20	22118.40
链路编码	0.80	0.80	0.80	0.80	0.80	0.80	0.80	0.97	0.97	0.97
链路编码后速率M	614.40	1228.80	2457.60	3072.00	4915.20	6144.00	9830.40	10137.60	12165.12	24330.24
采样率M	3.84	7.68	15.36	19.2	30.72	38.4	61.44	76.8	92.16	184.32
采样周期(ns）	260.41667	65.10417	16.27604	10.41667	4.06901	2.604167	1.017253	0.651042	0.452112	0.113028
基本帧周期ns	260.41667	260.4167	260.4167	260.4167	260.4167	260.4167	260.4167	260.4167	260.4167	260.4167
基本帧中symbol的能力个数	4	8	16	20	32	40	64	80	96	192

CPRI 2：1.2G=》 1 Word =》8bits

CPRI3：2.4G =》2 Word =》16bits

CPR5： 4.9G =》4 word =》 32bits

CPRI7：9.8G =》8 word =》 64bits

（3）CPRI物理接口

第4章. CPRI协议的管理面以及与以太网的关系

4.1 以太网帧承载在CPRI的控制字中进行传输

4.2 以太网的帧结构

4.3 CPRI L3层的BBU与RRU OAM消息交互的协议栈

（1）L3的协议栈

（2）L3协议的分类

L3a：在协议栈中标注为绿色。基于UDP协议的拓扑结构发现协议：RRU与没有与BBU建立会话前，通过该协议构建网络的拓扑结构，L3a discovery协议直接运行在MAC层之上的私有协议。
L3c：在协议栈中标注为蓝色。基于DHCP协议的IP地址分配协议：RRU通过DHCP client从BBU的DHCP server获取自身的IP地址，L3b采用标准的DHCP、ICMP、ARP、FTP,协议。
L2b：在协议栈中标注为橙色。基于UDP协议的OAM配置管理协议：RRU与BBU建立会话后，所有的OAM操作、维护、管理消息。L3c功能运行在UDP协议之上，通常是xml的文本协议，类似ORAN Netconf协议。

如下图所示：

需要说明的是：

除了L3b采用标准的TCP/IP协议外，其他的L3层协议，3GPP没有统一的标准，属于设备厂家私有协议，上述仅仅是一种示例，不同的厂家，协议标准不同。

第5章. CPRI协议的用户面以及与IQ的关系

5.1 3G WCDMA IQ映射

带宽：3M
采样率：3.84M
AxC容器组成： I和Q路一次采样的比特长度：15bit，I和Q的比特交错成对出现。
AxC个数：2组。

5.2 4G LTE IQ映射

（1）LTE小区带宽与采样率的对应关系

小区的带宽越大，采样率越高，一个OFDM符号被采样后生成的IQ数据越多。

一个AxC容器：一次采样后的编码为15bit，I和Q的比特交错成对出现。

如5M带宽时：采样率为7.68M, 需要2个AxC容器块。

如10M带宽时：采样率为2*7.68M=15.36M, 需要4个AxC容器块。

如15M带宽时：采样率为3*7.68M=23.04M, 需要6个AxC容器块。

如20M带宽时：采样率为4*7.68M=30.72M, 需要8个AxC容器块。

（2）5M和10M带宽时的IQ映射

带宽：5M
采样率：7.68M
AxC组成： I和Q路一次采样的比特长度：15bit，I和Q的比特交错成对出现。
AxC个数：2组。

带宽：10M
采样率：15.36M
AxC组成： I和Q路一次采样的比特长度：15bit，I和Q的比特交错成对出现。
AxC个数：4组。

（3）15M和20M带宽时的IQ映射

带宽：15M
采样率：23.04M
AxC组成： I和Q路一次采样的比特长度：15bit，I和Q的比特交错成对出现。
AxC个数：6组。

带宽：20M
采样率：30.72M
AxC组成： I和Q路一次采样的比特长度：15bit，I和Q的比特交错成对出现。
AxC个数：8组。

5.3 5G NR IQ映射

(1) 非IQ压缩时

5.4 CPRI的速率、能力、小区带宽之间的映射关系

			Rate1	Rate2	Rate3	Rate4	Rate5	Rate6	Rate7 (带宽数量)	Rate8	Rate9	Rate10	说明
			614.4	1228.8	2457.6	3072	4915.2	6144	9830.4	10137.6	12165.12	24330.24	速率
带宽	采样率	A*C的需求 symbol size	4	8	16	20	32	40	64	80	96	192	A*C的能力 symbol个数
1.4M	1.92	0.5	8	16	32	40	64	80	128	160	192	384
3M	3.84	1	4	8	16	20	32	40	64	80	96	192
5M	7.68	2	2	4	8	10	16	20	32	40	48	96
10M-C	11.52	3	1.333333333	2.666666667	5.333333333	6.666666667	10.66666667	13.33333333	21.33333333	26.66666667	32	64
10M	15.36	4	1	2	4	5	8	10	16	20	24	48
15M	23.04	6	0.666666667	1.333333333	0.666666667	3.333333333	5.333333333	6.666666667	10.66666667	13.33333333	16	32
20M-C	23.04	6	0.666666667	1.333333333	2.666666667	3.333333333	5.333333333	6.666666667	10.66666667	13.33333333	16	32
20M-2	30.72	8	0.5	1	2	2.5	4	5	8	10	12	24
25M	30.72	8	0.5	1	2	2.5	4	5	8	10	12	24
30M	46.08	12	NA	0.666666667	1.333333333	1.666666667	2.666666667	3.333333333	5.333333333	6.666666667	8	16
40M-C	46.08	12	NA	0.666666667	1.333333333	1.666666667	2.666666667	3.333333333	5.333333333	6.666666667	8	16
40M	61.44	16	NA	0.5	1	1.25	2	2.5	4	5	6	12
50M-1	61.44	16	NA	0.5	1	1.25	2	2.5	4	5	6	12
60M	92.16	24	NA	NA	0.666666667	0.833333333	1.333333333	1.666666667	2.666666667	3.333333333	4	8
50M-2	122.88	32	NA	NA	0.5	0.625	1	1.25	2	2.5	3	6
70M-C	92.16	24	NA	NA	0.666666667	0.833333333	1.333333333	1.666666667	2.666666667	3.333333333	4	8
70M	122.88	32	NA	NA	NA	NA	1	1.25	2	2.5	3	6
80M-C	92.16	24	NA	NA	NA	NA	1.333333333	1.666666667	2.666666667	3.333333333	4	8
80M	128.88	32	NA	NA	NA	NA	1	1.25	2	2.5	3	6
90M	128.88	32	NA	NA	NA	NA	1	1.25	2	2.5	3	6
100M-C	128.88	32	NA	NA	NA	NA	1	1.25	2	2.5	3	6
100M	153.6	40	NA	NA	NA	NA	0.8	1	1.6	2	2.4	4.8
200M	245.76	64	NA	NA	NA	NA	0.5	0.625	1	1.25	1.5	3
400M	491.52	128	NA	NA	NA	NA	0.25	0.3125	0.5	0.625	0.75	1.5
说明	采样率	A*C的需求 symbol size

5.4 9.8G CPRI的速率、能力、小区带宽之间的映射关系

（1）20M小区

1个9.8G的CPRI链路， 能够承载8个20M的1T1R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载4个20M的2T2R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载2个20M的4T4R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载1个20M的8T8R的AxC

（2）50M小区

1个9.8G的CPRI链路， 能够承载4个50M的1T1R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载2个50M的2T2R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载1个50M的4T4R的AxC

（3）100M小区

1个9.8G的CPRI链路， 能够承载 2个100M的1T1R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载 1个100M的2T2R的AxC
1个9.8G的CPRI链路， 能够承载0.5个100M的4T4R的AxC
2个9.8G的CPRI链路， 能够承载 1个100M的4T4R的AxC

（4）200M小区

1个9.8G的CPRI链路， 能够承载 1个200M的1T1R的AxC

（5）400M小区

1个9.8G的CPRI链路， 能够承载 0.5个400M的1T1R的AxC
2个9.8G的CPRI链路， 能够承载 1个400M的1T1R的AxC

第6章. CPRI协议的同步面与时钟同步

（1）CPRI 同步的主从关系

CPRI协议支持数据链路层的时钟同步，

通常BBU是master，RRU是slave

（2）CPRI链路状态

CPRI 链路断开
CPRI有光信号，但CPRI未同步
CPRI有光信号，CPRI帧同步

因此，CPRI同步，不仅仅完成时钟同步，还完成了10ms帧同步。

第7章. CPRI协议的功能实现

原理框图

CPRI协议通常由FPGA厂家提供的CPRI IP核实现。

FPGA提供对外的接口包括

以太网接口，用于传递基于以太网帧的OAM管理数据
Seders接口：用于连接SFP光口或电口的PHY芯片，提供设备对外的物理接口。
SDRAM接口：用户暂时存放CPRI帧的数据。
控制器接口：包括BBU的DSP或RF RFIC

第8章 CPRI协议的不足

（1）CPRI数据量过大：每一个天线数据的采样都会比编码成15+15=30bit的IQ数据。导致BBU与RRU之间需要传输高带宽的数据。一根9.8G的光纤，在没有IQ压缩的情况下，承载2个4T4R的20M小区。1个4T4R的50M小区, 1个2T2R的100M小区,

（2）无法支持5G的大规模阵列天线的场景。比如64天线的100M小区。CPRI以及无法胜任这样的场景。

（3）虽然CPRI协议是标准协议，CPRI并没有对承载的L3层协议进行规范，3GPP也没有对齐进行规范，导致不同厂家的BBU与RRU无法互联互通。

（4）CPRI协议虽然标准协议，但并不通用，

基于上述的缺点，在5G和O-RAN系统中，会逐渐被基于以太网协议的eCPRI协议所取代。

第9章. OBSAI

OBSAI: Open Base Station Architecture Initiative，开放基站架构。

OBSAI定义了基站如下几个功能单元的架构以及他们之间的接口

（1）基站的功能单元

Control module：BBU的系统控制板
Transport module：backhual后传接口模块
Baseband Module：基带板模块

上述三个功能单元处于BBU网元中。

Radio Fquency Module：RF射频模块。

该功能单元处于RRU网元中。

BBU网元与RRU网元之间的通信，就是基于本文介绍的CPRI协议进行的。

（2）各个功能单元之间的接口

RP1: 系统控制板管理其他所有功能单元管理接口，包括BBU的系统板通过CPRI协议访问RRU. 也就是说RP1协议是承载在CPRI协议之上的。
RP2: 基带板与backhual后传接口模块之间的接口
RP3: 基带板与RRU IQ数据接口，因此RP3协议也是承载在CPRI协议之上的。