教育部補助「行動寬頻尖端技術跨校教學聯盟第三期計畫-行動寬頻網路與應用-小細胞基站聯盟中心」 Cloud RAN: 雲端無線接取網路與應用 課程單元：Remote Radio Heads (RRH) (Draft) 計畫主持人：許蒼嶺 授課教師：萬欽德 教材編撰：陳慶永

課程單元目標 了解 RRH 的功能與核心技術 了解通用公共無線介面 (Common Public Radio Interface; CPRI) 標準規格 了解 C-RAN 架構下的 RRH 發展

課程單元大綱 RRH 的功能介紹 RRH 的核心技術 CPRI 標準規格介紹 C-RAN 架構下的 RRH 發展

課程單元大綱 RRH 的功能介紹 RRH 的核心技術 CPRI 標準規格介紹 C-RAN 架構下的 RRH 發展

RRH 的功能介紹 傳統的基站包含射頻單元、基頻單元、電源供應器、風扇及機架等，整體組裝完成並放置於室內建築物，然後再安裝長距離的同軸饋線與室外鐵塔上的天線連接 長距離同軸饋線的射頻功率耗損造成功率放大器效率降低 為補償同軸饋線射頻功率之耗損，功率放大器之功率必須加大，造成成本增加 圖片來源:引用自 [1, 3]

RRH 的功能介紹 為解決傳統基站技術上的缺點及實際安裝架設所面臨的困難，乃發展出 RRH 設備，其設計概念是把射頻單元從傳統的基站中獨立出來，根據需求可放置在任意地方 基站與射頻端間的連接改採光纖傳輸介面載送 I/Q 基頻訊號，有效節省從基站端到天線端的饋線損耗，降低成本 提升電信業者在網路設施及服務佈署上的敏捷度 圖片來源:引用自 [1, 3, 8]

RRH 的功能介紹 因為導入光纖連結可將傳輸距離拉得很遠，電信業者無須於每個基站都蓋一個機房，只要在距離機房數公里的區域內，透過光纖就可設許多 RRH 裝置據點 可以靈活、有效地根據不同環境，構建星形、樹形、鏈形、環形等構造的各種網路 不僅節省空間又可以強化整體網路訊號效能 圖片來源:引用自 [4]

RRH 的功能介紹 雖然 RRH 提供獨特的優勢，但由於構建 RRH 單元所需的組件數量龐大，因此它們的實作也具有較高複雜性

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RRH 的核心技術 典型的 RRH 整合數個複雜功能，且支援數種規格以增加應用彈性，因此設計上通常會採用 FPGA 實現 I/Q 數位基頻介面 (例如 CPRI/OBSAI/ORI) 取樣頻率轉換 (Sampling Rate Conversion; SRC) 數位升/降頻轉換 (Digital Up/Down Conversion; DUC/DDC) 峰值因數降低 (Crest Factor Reduction; CFR) 數位預先失真 (Digital Pre-distortion; DPD) 數位/類比轉換 (DAC/ADC) 頻率濾波器 (Frequency Filter) 功率放大器 (Power Amplifier; PA) BBU CPRl/ OBSAl /ORl S R C D U CFR / DPD DAC ADC Freq. Filter lQ DL lQ UL

RRH 的核心技術 PA是影響通訊系統整體效能的重要元件。在本質上，PA是非線性元件，其非線性度會導致下列問題 頻段外頻譜再生 (Out-of-band Spectral Re-growth)︰相鄰通道干擾 頻段內訊號失真 (In-band Distortion)︰位元錯誤率(Bit Error Rate; BER) 提高、資料傳輸速率下降

RRH 的核心技術 偶發的高峰值輸入功率更會造成 PA 嚴重扭曲訊號並減損整個波形之頻譜遮罩相容性、EVM 和 BER 正交分頻多工 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 這樣的多載波調變信號具有較大的峰均值功率比 (Peak-to-Average Power Ratio; PAPR)

RRH 的核心技術 消極地讓 PA 在較低功率下運作是降低非線性度的方法之一，然而如此 PA 必須遠低於其長期飽和功率位準。換言之，大多數時間會浪費大量的系統容量 對基地台而言這樣會限縮其服務區域，使得電信業者的成本上升 對行動裝置而言則會因此降低服務品質並縮減電池續航力

RRH 的核心技術 比較理想的方式是藉由數位訊號處理技術達成線性化目標 CFR 技術︰預先調整訊號以降低信號的峰值 DPD 技術︰修正 PA 的非線性度 圖片來源:引用自 [5]

RRH 的核心技術 在 RRH 中常見的幾種 CFR 演算法都是屬於對 I/Q 訊號進行 “訊號失真” (Signal Distortion) 處理 截波與濾波 (Clipping and Filtering) 峰值視窗 (Peak Windowing) 峰值消除 (Peak Cancellation) 實作上需要就下列因素考量取捨 PAPR 降低能力 訊號品質失真度 複雜度

RRH 的核心技術 CFR 技術經常與 DPD 技術結合使用以實現高性能 PA CFR 首先抑制峰值，防止高峰值信號驅動 PA 進入非線性操作區域 DPD 接著擴展了線性運算區域。由於信號經 CFR 減少了動態範圍，因此平均操作功率可以更接近 PA 飽和點 其中進階的 DPD 非線性補償技術通常會加入回授 (feedback) 機制，如此可考慮到任何電晶體記憶效應和系統溫度變化效應 BBU CPRl/ OBSAl /ORl S R C D U CFR / DPD DAC ADC Freq. Filter lQ DL lQ UL

RRH 的核心技術 除了有效發揮 PA 效能，整體的 RRH 設計還必需考量到多重規格 (介面、頻寬、頻段、天線數等) 的支援。以國內廠商台揚科技所開發之 RRH 設備 (MRH-24605) 為例，其具有多項特色 多頻段、多功率及支持多種光纖介面使得系統運用更具彈性 先進的無風扇設計，具有低雜訊及穩定度高等特點 圖片來源:引用自 [7]

RRH 的核心技術 近來也有所謂的 “天線整合式 RRH” (Antenna-Integrated RRH; AIR)，強調能進一步減少 RRH 至天線的傳輸損耗、容易佈署/維護與節省成本 Ericsson 的 AIR Huawei 的 AAU (Active Antenna Unit) KMW 的 RRA (Remote Radio Antenna) 圖片來源:引用自 [8]

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CPRI 標準規格介紹 CPRI 是一套技術規範，將基站劃分為無線設備控制中心 (Radio Equipment Control; REC) 和無線設備(Radio Equipment; RE) 兩部分，並定義兩者之間的介面 (涵蓋 L1 ~ L2) BBU 相當於 REC 的角色 RRH 相當於 RE 的角色 圖片來源:引用自 [9]

CPRI 標準規格介紹 CPRI 是電信業界的數家廠商合作的結果 制定技術規範的參與廠商包含 Ericsson, Huawei, NEC, Nortel Networks 與 Siemens 第一版的規格書在 2003年9月30日發佈，目前最新發佈版本為 v7.0 (2015-10-09) CPRI 支援使用銅纜線和光纖兩種傳輸媒介，其中使用光纖傳輸能夠讓 REC 和 RE 安裝在相距較遠的位置

CPRI 標準規格介紹 CPRI 主要使用了分時多工 (Time Division Multiplexing; TDM) 技術載送所需的 I/Q 資料、控制/管理與同步訊號，其協定堆疊如下圖所示 L2︰定義媒介存取控制 (MAC)、流速控制 (Flow Control)、資料保護 (Data Protection) 與提供上層各種服務存取點 (Service Access Point; SAP) L1︰定義光/電訊號特性、分時多工 與底層信令 (Signalling) 圖片來源:引用自 [9]

CPRI 標準規格介紹 CPRI 實體層 (L1) 主要規格 線路編碼 (Line Coding): 8b/10b 與 64b/66b 訊框架構 (Frame Structure): 一個訊框含 16 個字組 (words)，第一個字組為控制字組 (control word)，其餘 15個 字組用於傳輸 I/Q 資料 Frame length, Tc = 1/3.84 MHz = 260.416667 ns Word length, T = 8 / 16 / 32 / 40 / 64 / 80 / 128 / 160 / 192 / 384 bits ，左圖為對應 T = 8 的訊框示意圖，右圖為通用訊框示意圖 圖片來源:引用自 [9]

CPRI 標準規格介紹 CPRI 提供固定的傳輸速率、準確的同步和嚴格的延遲控制。至 v7.0 版其線路位元率 (line bit rate) 的選項共包含 option 1: 614.4 Mbps, 8b/10b line coding (1 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 2: 1228.8 Mbps, 8b/10b line coding (2 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 3: 2457.6 Mbps, 8b/10b line coding (4 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 4: 3072.0 Mbps, 8b/10b line coding (5 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 5: 4915.2 Mbps, 8b/10b line coding (8 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 6: 6144.0 Mbps, 8b/10b line coding (10 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 7: 9830.4 Mbps, 8b/10b line coding (16 x 491.52 x 10/8 Mbps) option 7A: 8110.08 Mbps, 64b/66b line coding (16 x 491.52 x 66/64 Mbps) option 8: 10137.6 Mbps, 64b/66b line coding (20 x 491.52 x 66/64 Mbps) option 9: 12165.12 Mbps, 64b/66b line coding (24 x 491.52 x 66/64 Mbps) option 10: 24330.24 Mbps, 64b/66b line coding (48 x 491.52 x 66/64 Mbps)

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C-RAN 架構下的 RRH 發展 考量與 C-RAN 兼容的 RRH 的解決方案 對於 “部分集中的 C-RAN 架構”，端視新的功能切割方式需要將部份 L1 功能納入 RRH 的設計，使得 RRH 的複雜度又更高 傳統的 RRH 可能部署在距離基站數公里範圍內，但在C-RAN 架構下部署 RRH 可能延伸至 20 ~ 40公里之遠，因此需要監測由傳輸距離增加引起的附加延遲 目前 CPRI v7.0 加入的 option 10 可達 24 Gbps 線路位元率，但為了支援更高頻寬與巨量天線 (Massive MIMO) 技術，將需要更高速的 BBU – RRH 介面

C-RAN 架構下的 RRH 發展 新的功能切割方式中有部份 L1 功能納入 RRH 的設計，使得 RRH 設計也可以考慮更彈性的訊號處理方式降低 PAPR，其中也包含訊號無失真的作法 位元擾亂 (Bit Scrambling) 符元擾亂 (Symbol Scrambling) 主動式星座圖擴展 (Active Constellation Extension; ACE) 載波保留 (Tone Reservation; TR)

C-RAN 架構下的 RRH 發展 在 Ethernet-based Fronthaul 的發展下，未來也有可能略過 CPRI 介面與 CPRI-to-Ethernet 閘道器 (CPRI2Eth Gateway)，而直接以 Ethernet 連接 BBU Pool 與 RRH (即發展出下圖中的 EthRRH) 圖片來源:引用自 [2]

參考資料 [1] A. Checko, “Cloud RAN fronthaul - Options, benefits and challenges,” iJOIN Winter School, Bremen, 2015. [2] A. Checko, Cloud Radio Access Network architecture - Towards 5G mobile networks, Ph.D. thesis, Department of Photonics Engineering, Technical University of Denmark, 2016. [3] Fiber-To-The-Antenna http://www.commscope.com/Blog/fiber-to-the-antenna/ [4] Remote Radio Heads and the evolution towards 4G networks https://www.altera.com/en_US/pdfs/literature/wp/wp-01096-rrh-4g.pdf [5] Development of WiMAX Remote Radio Heads http://global-sei.com/technology/tr/bn71/pdf/71-07.pdf

參考資料 [6] Designing remote radio heads (RRHs) on high-performance FPGAs http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278555 [7] MRH-24605 LTE Remote Radio Head http://www.mti.com.tw/_chinese/02_products/03products.php?MainID=5&SID=32&ID=129 [8] Why do we need antenna-integrated RRH (Remote Radio Antenna, RRA)? http://www.netmanias.com/en/post/blog/7292/c-ran-fronthaul-lte-small-cell/why-do-we-need-antenna-integrated-rrh-remote-radio-antenna-rra [9] CPRI Specification V7.0 http://www.cpri.info/downloads/CPRI_v_7_0_2015-10-09.pdf