ORAN专题系列-25：5G nFAPI接口 - 中文规范-2- 消息交互流程物理层与MAC层同步原理

Posted 2021-06-23 文火冰糖的硅基工坊

目录

第2章 nFAPI接口详解

2.1 nFAPI接口的主要流程

2.1.1 PNF的配置管理流程（M面）

2.1.1.1 PNF的初始化流程：PNF Initialization

2.1.1.2 PNF的关闭流程：PNF Stop

2.1.1.3 PNF的重启流程：PNF Restart

2.1.1.4 PNF的从配流程： PNF Reconfigure

2.1.2 P5接口的主要流程（C面）

2.1.2.1 PHY层的初始化流程：PHY Initialization

2.1.2.2 PHY Termination

2.1.2.3 PHY Restart

2.1.2.4 PHY Reset

2.1.2.5 PHY Reconfigure

2.1.2.6 PHY Query

2.1.2.7 PHY Notification

2.1.3 P7接口的主要流程（U面）

2.1.3.1 Slot时隙信号

2.1.3.2 SFN的对齐与同步

2.1.3.3 PHY Synchronization

2.2.3.4 Delay Management between VNF and PHY

2.1.4 nFAPI错误处理流程

2.2 5G nFAPI接口与4G FAPI的共存

2.3 nFAPI接口传输层协议栈

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第1章 简介

第2章 nFAPI接口详解

2.1 nFAPI接口的主要消息流程

nFAP支持三大流程：

（1）VNF对PNF的管理

（2）P5接口用于对L1进行配置管理。

（3）P7接口用于L2对L1进行基于时隙的调度。

2.1.1 PNF的配置管理流程（M面）

PNF设备最初是通过OAM接口进行配置的，包括与VNF设备建立连接以及其他的基础的操作维护管理，此过程不在本规范的范围内。

文本关注的是如何通过VNF对PNF进行配置。

PNF PARAM用于PNF与VFN之间交换双方的能力。

PNF CONFIG用于VNF在PNF的能力范围内配置PNF。

VNF可以指示VFN启动、使能、禁止、停止物理层功能。

如下是PNF的状态机的转换以及PNF物理层功能的启动和关闭过程。

（1）PNF的状态机

• PNF Idle：PNF设备处于空闲状态， 通过PARAM.Request完成idle状态，通过CONFIG.request进入configed状态。
• PNF Configured：PNF设备处于已配置状态，通过PNF Start.request进入PNF running状态。
• PNF running：：PNF设备处于运行状态，运行状态的PNF，至少有一个PHY物理层的功能实体, 一个PNF设备可以运行多个物理层的实体。通过PNF Start.stop回到PNF Configured状态。

（2）PNF PHY的状态机

• PHY Idle：物理实体处于idle状态，通过config.request进入Configured。
• PHY Configured：物理实体处于以及配置状态，通过Start.request进入running状态。
• PHY running：物理层实体处于正在运行状态。Start.stop进入Configured状态。

 

2.1.1.1 PNF的初始化流程：PNF Initialization

VNF与PNF的P5连接为SCTP信令连接, SCTP连接建立后的初始化时序图与状态转换图如下图所示：

（1）PNF_PARAM消息流程

PNF_PARAM消息用于VNF软件收集PNF软件的信息以及PNF的能力。

 

（2）PNF_CONFIG消息流程

PNF_CONFIG消息用于VNF对PNF进行配置

(3) PNF_START

用于创建一个物理层PHY的实体，一个PNF可以创建多个物理层的实体，如下图所示：

2.1.1.2 PNF的关闭流程：PNF Stop

VNF通过可以停止一个或多个物理层实体的功能。

 

2.1.1.3 PNF的重启流程：PNF Restart

重启流程是通过先stop后start来完成的。

 

2.1.1.4 PNF的从配流程： PNF Reconfigure

重配流程是通过先STOP物理层功能，然后再CONFIG物理层功能完成的。

 

2.1.2 P5接口的主要流程（C面）

2.1.2.1 PHY层的初始化流程：PHY Initialization

PHY层的实体是通过PNF START创建的，PHY的实体创建以后，VNF就可以直接配置PHY实体了。

物理层初始化成功后，就可以启动L2层与L1数据面的同步。

 

2.1.2.2 PHY Termination

同FAPI。

 

2.1.2.3 PHY Restart

同FAPI。

 

2.1.2.4 PHY Reset

同FAPI。

 

2.1.2.5 PHY Reconfigure

同FAPI。

 

2.1.2.6 PHY Query

同FAPI。

 

2.1.2.7 PHY Notification

同FAPI。

 

2.1.3 P7接口的主要流程（U面）

P7接口消息流程是由Slot时隙驱动的，每个消息的处理是基于时隙的。

因此PHY物理层与MAC层的Slot时隙对齐与同步就非常重要。

本章节重点阐述nFAPI与FAPI的差别。

 

2.1.3.1 Slot时隙信号

在FAPI中，MAC层与PHY在同一个物理实体中，通过本地高速总线相连，PHY实例使用SLOT.indication消息周期性地向MAC层指示slot的开始，slot的周期取决与子载波的间隔，slot的周期可以是125us、250个μs、 500 μs或1ms。

在nFAPI中，VNF和PNF之间可以通过以太网fronthaul相连，以太网数据帧传输时间存在预期的抖动，使得原先使用SLOT.indication消息通知Slot间隔的机制不太适合于nFAPI。

nFAPI是通过PHY的sync过程（2.1.3.3）和API消息的定时过程（2.1.3.6）的组合，来确保MAC层与PHY层的时隙对齐。

 

2.1.3.2 SFN的对齐与同步

FAPI的SFN/SL同步机制不适用于nFAPI，nFAPI定义了新的SFN/SL同步机制.

如下描述的PHY同步机制和延迟管理机制：

• 确保PHY实例之间的同步
• 确保VNF和PHY实例之间及时的消息传递

SFN的对齐与同步，本质上是10m帧同步。

 

2.1.3.3 PHY Synchronization

PHY同步过程涉及到PHY实例之间的天线传输时间的对齐或校准。

PHY同步通常是指在PHY实例与VNF之间实现公共的定时基准。

对于干扰管理和其他无线PHY干扰协调技术，PHY实例可以优选对齐它们的时基（定时基准）。

PHY的同步分为4个层次：

1. 物理层时钟同步：时钟同步确保物理层芯片的采样时钟、产生时隙Slot的时钟频率是精准的，如20M的采用率32.76M时钟，必须是精确的。
2. 物理层Slot时隙同步：在物理层时钟同步的基础之上，需要确保125us、250个μs、 500 μs或1ms时隙的周期/频率和时隙的相位都是对齐的。
3. 10ms帧的SFN系统帧号的对齐
4. VNF与PHY的时隙对

与谁对齐呢？当然是与全网的参考时钟，如GPS或1588 Grand master对齐。

关于1-3层次时钟源的选择与时钟同步，已经超出本章的范围，请参考基站的定时与同步相关的 。本文重点放在VFN与PHY时间的同步问题。

VNF与PHY之间是UDP数据传输，nFAPI延迟管理确保P7时隙过程及时发生；具体地说，PHY实例期望来自VNF的基于P7时隙的消息在接收时间窗口时间间隔内到达PHY实例，PHY维持该接收时间窗口间隔，并缓冲和处理对时间敏感的P7消息（如DL_TTI.request、UL_TTI.request、UL_DCI.request、Tx_Data.request）, 然后把这些消息应用于它们的目标时隙。也就是说，VNF需要提前n个时隙发送空口消息，PHY暂时缓存和处理这些消息，等到这些消息的实际时隙到底时，再发送到空口。

 

2.2.3.4 Delay Management between VNF and PHY

（1）Timing window management定时窗口管理

每个PHY都维持一个接收定时窗口，该定时窗口的特性包括：

• 窗口的时间长度，通过为时隙Slot的长度：125us、250个μs、 500 μs或1ms，取决于子载波的宽度。
• 目标时隙之前的偏移量offset，通常情况需要提前2-3个时隙。

 

PHY对接收到P7消息的机制如下：

• 落在时间窗口内的消息：得到有效的处理。
• 落在时间窗口外的消息：会比标志位“too early” 或“too late”，然后通过“Timing Info”的方式报告给VNF.

 

（2）Delay management procedure链路延时管理过程

链路延时管理过程用于实时地测量VNF与PHY之间的UDP传输延时。

VNF和PHY实例之间的nFAPI延迟管理机制，可用于实时地测量VNF与PHY之间的UDP传输延时，建立它们之间的定时基准差。同时，还允许VNF指示PHY实例基于VNF定义的offset偏移来更新其时隙号。

P7过程内部的时隙定时的需求是通过PNF PARAM流程来进行的。

 

（3）演算过程如下

前提：

• 假设VNF 10ms帧起始TTI的时间为0, （SFN=0, SL=0）
• 假设PNF 10ms帧起始TTI相对于VNF 10ms帧的TTI的偏移为offset.
• 假设网络的传输延时为delay，且上下行延时相同。
• t1，t4的时间不是绝对时间，而是相对于VNF 10ms帧起始TTI的偏移。
• t2，t3的时间不是绝对时间，而是相对于PNF 10ms帧起始TTI的偏移。

计算过程：

t2 + offset = t1 + delay  =>delay – offset = t2 – t1

t4 = t3 _+ offset + delay => delay + offset = t4 – t3

delay = [ (t4-t3) + (t2-t1)]/2

offset = [ (t4-t3) - (t2-t1)]/2

通过公式，VNF很容易计算出VNF与PNF之间的传输延时delay以及PNF的10ms帧的起始TTI相对于VNF的10ms帧的起始TTI时间的偏移offset。

然后通过就可以通过CONFIG.request对VNF的TTI进行修正。或者VNF修正自己的TTI, 确保VNF和PNF之间的TTI是对齐的（包含网络传输延时）。

 

2.1.4 nFAPI错误处理流程

同FAPI。

需要注意的是，如果在消息处理过程中，出错的类型没有相应的错误代码与之对应，则丢弃该消息，不需要对该消息进行应答。

 

2.2 5G nFAPI接口与4G FAPI的共存

本规范中定义的5G NR的nFAPI消息与4G nFAPI消息不完全一致。

对于5G nFAPI，PNF和VNF的概念、配置和状态、nFAPI流程、同步流程，与4G nAPI保持不变。

然而，5G NR对传输信令和数据过程中的P5和P7消息进行了部分的优化，这导致了5G nFAPI消息与4G nFAPI消息有所差异。主要的差别如下：

• nFAPI header
• Packing of P5 and P7 messages in nFAPI
• Common header for P5 and P7 messages
• Avoidance of inclusion of FAPI header

因此，当4G nFAPI和5G nFAPI接口在同一主机上运行时，这些nFAPI接口需要使用不同的SCTP和UDP端口，以便区分4G nFAPI和5G nFAPI。

 

2.3 nFAPI接口传输层协议栈

 

第3章 P5接口的消息格式（C面）（待续）

3.1 nFAPI接口的专有P5消息

3.2 nFAPI接口的透传P5消息

 

第4章 P7接口的消息格式（U面）（待续）

4.1 nFAPI接口的专有P7消息

4.2 nFAPI接口的透传P7消息

附录