C-RAN組網(wǎng)時(shí)的CPRI時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試方法及分析

　　4G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入商用階段，運(yùn)營(yíng)商需要在有限的頻譜資源下提供更高的容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE中高帶寬及高階調(diào)制技術(shù)的引入，使得對(duì)于信噪比要求更高，因此單個(gè)LTE基站的覆蓋范圍會(huì)比采用3G技術(shù)時(shí)要小。密集組網(wǎng)和基站間協(xié)作的要求帶來(lái)了基站站點(diǎn)數(shù)量擴(kuò)容的巨大需求，相應(yīng)地帶來(lái)了選址、功耗、海量光纖資源的巨大挑戰(zhàn)。因此，合適的組網(wǎng)和傳輸方案是推進(jìn)4G應(yīng)用普及的關(guān)鍵技術(shù)。

　　為此，各大運(yùn)營(yíng)商都在進(jìn)行新的無(wú)線接入網(wǎng)組網(wǎng)方式的研究。比如中國(guó)移動(dòng)的C-RAN是基于集中化處理(Centralized Processing)、協(xié)作式無(wú)線電(Collaborative Radio)、實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架(Clean system)。其本質(zhì)是通過(guò)將基帶單元BBU集中放置以減小站址數(shù)量，并把室外的遠(yuǎn)端射頻單元RRU通過(guò)合適的傳輸方案拉遠(yuǎn)到需要覆蓋的區(qū)域。這種組網(wǎng)方式大大減少了機(jī)房的數(shù)量，從而減少了建設(shè)、運(yùn)維費(fèi)用，同時(shí)可以采用協(xié)作化、虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和動(dòng)態(tài)調(diào)度，提高頻譜效率，以達(dá)到低成本，高帶寬和靈活度的運(yùn)營(yíng)。圖1是C-RAN的組網(wǎng)方式(參考資料：www.c-ran.com)

　　圖1 C-RAN無(wú)線接入網(wǎng)組網(wǎng)方式

　　但是這種組網(wǎng)方式也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，其中一個(gè)要考慮的就是BBU和RRU間的CPRI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后的時(shí)延抖動(dòng)是否還滿足CPRI規(guī)范的要求。

　　二、CPRI接口時(shí)延抖動(dòng)的測(cè)試方法研究

　　CPRI接口傳統(tǒng)上只是用于BBU和RRU之間的直接光纖互聯(lián)，傳輸距離在幾百米左右，而采用C-RAN的組網(wǎng)方式后傳輸距離會(huì)加長(zhǎng)到幾十公里。為了節(jié)省光纖資源，必須通過(guò)合適的傳輸方式把多條CPRI鏈路數(shù)據(jù)復(fù)用到一根光纖上傳輸，目前采用的主流技術(shù)有彩光直驅(qū)和OTN承載兩種方式。彩光直驅(qū)的方式是把多路CPRI信號(hào)通過(guò)光合分波器通過(guò)WDM方式復(fù)用在一起，具有成本低、抖動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn);而OTN承載，即CPRI over OTN方式，是把CPRI數(shù)據(jù)按照ITU-T G.709要求映射到傳輸網(wǎng)上傳輸，所以可靠性高、組網(wǎng)靈活。

　　無(wú)論采用哪種承載方式，都需要對(duì)CPRI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后的定時(shí)信息的時(shí)延和抖動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，以確保不會(huì)影響CPRI協(xié)議本身對(duì)于時(shí)延抖動(dòng)的嚴(yán)格要求。目前TD-LTE技術(shù)可以允許約200us的時(shí)延，因此整個(gè)傳輸鏈路(包括光纖和傳輸設(shè)備)的時(shí)延不應(yīng)超過(guò)這個(gè)范圍。關(guān)于抖動(dòng)的要求可以參考CPRI的規(guī)范，從圖2可見(jiàn)，CPRI要求鏈路時(shí)延抖動(dòng)不能超過(guò)8.138ns,要求非常嚴(yán)格。(參考資料：CPRI Specification V6.0)。

　　圖2 CPRI規(guī)范對(duì)于鏈路時(shí)延精度的要求

　　隨著LTE技術(shù)的采用，基帶單元BBU和射頻拉遠(yuǎn)單元RRU間的CPRI數(shù)據(jù)傳輸速率急速攀升，目前已經(jīng)逐漸從2.4576Gbps過(guò)渡到6.144Gbps甚至9.8304Gbps.目前市面上的傳輸測(cè)試儀表或者支持不了9.8304Gbps的傳輸速率，或者無(wú)法進(jìn)行ns量級(jí)的精確時(shí)延抖動(dòng)測(cè)量，因此需要尋找一種新的測(cè)試方法，以對(duì)采用不同C-RAN組網(wǎng)傳輸方式時(shí)的時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行精確測(cè)試。

　　要進(jìn)行兩路信號(hào)間的時(shí)延和抖動(dòng)的測(cè)量需要在信號(hào)中找到相應(yīng)的同步標(biāo)志。經(jīng)過(guò)對(duì)CPRI協(xié)議的研究，發(fā)現(xiàn)在CPRI的幀結(jié)構(gòu)中，每66.67us會(huì)有一個(gè)超幀，如圖3所示。(參考資料：CPRI Specification V6.0)。而CPRI的物理層采用ANSI的8b/10b編碼方式，每個(gè)超幀的幀頭會(huì)有一個(gè)唯一的K28.5碼型標(biāo)識(shí)發(fā)送，因此可以用這個(gè)K28.5碼型標(biāo)識(shí)做為測(cè)試的依據(jù)。

　　圖3 CPRI的幀結(jié)構(gòu)

　　三、測(cè)試組網(wǎng)

　　CPRI傳輸時(shí)延抖動(dòng)的測(cè)試組網(wǎng)如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)采用是德公司(原安捷倫公司電子測(cè)量?jī)x器部)的高帶寬示波器和光電轉(zhuǎn)換器搭建。

　　正常業(yè)務(wù)從BBU下發(fā)的CPRI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸設(shè)備和光纖到達(dá)RRU側(cè)，從傳輸設(shè)備的入口和出口側(cè)通過(guò)分光器各引出一路光纖信號(hào)接入測(cè)試系統(tǒng)。圖4中所示是進(jìn)行下行鏈路時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試的組網(wǎng)，也可以反過(guò)來(lái)進(jìn)行上行上行鏈路的測(cè)試。

　　從被測(cè)系統(tǒng)引出的兩路光纖信號(hào)經(jīng)N1075A-S32或者81495A光電轉(zhuǎn)換器把兩路光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，然后用高帶寬的DSA90000X實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行測(cè)量。

　　圖4 CPRI傳輸時(shí)延抖動(dòng)的測(cè)試組網(wǎng)

　　光電轉(zhuǎn)換器有兩種型號(hào)可供選擇。81495A是數(shù)據(jù)速率到10Gbps的低噪聲光電轉(zhuǎn)換器模塊，需要插在8163B的機(jī)箱里才可工作，其內(nèi)置10Gbps光信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)參考濾波器、光功率計(jì)及高帶寬放大器。81495A的光電轉(zhuǎn)換增益高達(dá)400V/W,因此輸入光信號(hào)強(qiáng)度可以低至-10dbm.為了節(jié)省體積和成本，一個(gè)8163B的機(jī)箱里可以同時(shí)插入2個(gè)81495A的模塊。而N1075A-S32是另一種光電轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)速率最高到32Gbps且內(nèi)置分光器，但是由于光電轉(zhuǎn)換增益僅為110 V/W,為了保證最后輸出的電信號(hào)進(jìn)入示波器后仍然有較好的信噪比，所以需要被測(cè)光信號(hào)的光強(qiáng)不能太小(建議>-5dbm)。

　　DSA90000X系列是非常高性能的高帶寬實(shí)時(shí)示波器，最高帶寬可達(dá)33GHz,最大采樣率80G/s,固有抖動(dòng)小于150fs,同時(shí)可以捕獲4條CPRI接口的信號(hào)并進(jìn)行物理層解碼。發(fā)送端的信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后連接示波器通道1,接收端的信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后連接示波器通道3.測(cè)試中用實(shí)時(shí)示波器捕獲發(fā)端和收端的信號(hào)并進(jìn)行時(shí)延和抖動(dòng)的測(cè)量;

　　下圖是使用DSA90000X實(shí)時(shí)示波器配合N1075A光電轉(zhuǎn)換器做CPRI時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試的實(shí)際測(cè)試環(huán)境。

　　圖5 實(shí)際的CPRI傳輸時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試環(huán)境

　　四、時(shí)延測(cè)試步驟

　　時(shí)延測(cè)試的方法是測(cè)試BBU發(fā)出信號(hào)的超幀幀頭的時(shí)刻到RRU收到的信號(hào)的超幀幀頭的時(shí)間差。

　　1)設(shè)置示波器對(duì)輸入信號(hào)波形進(jìn)進(jìn)行采集，采集時(shí)間至少為200us.如圖6中黃色通道CH1波形為BBU發(fā)出的CPRI信號(hào)波形，藍(lán)色通道CH3波形為RRU收到的CPRI信號(hào)波形。

　　2)設(shè)置示波器對(duì)通道CH1和通道CH3的波形進(jìn)行解碼，并分別搜索CPRI超幀頭的同步字符。

　　3)記錄通道CH1第一個(gè)同步字符K28.5發(fā)生的時(shí)刻，如圖6中的值為： -59.90911203us。

　　4)記錄通道CH3中后續(xù)的同步字符K28.5發(fā)生的時(shí)刻，如圖7中的值為：-41.52044482us。

　　5)把兩個(gè)測(cè)量結(jié)果相減即為光纖加上傳輸設(shè)備造成的時(shí)延。即傳輸系統(tǒng)時(shí)延=-41.52044482us -(-59.90911203us)= 18.38866721us。

　　此時(shí)測(cè)量出的時(shí)延為光纖時(shí)延加上傳輸設(shè)備造成的時(shí)延，可以減去光纖長(zhǎng)度造成的時(shí)延得到傳輸設(shè)備時(shí)延。如果測(cè)試環(huán)境允許也可以直接采用0km光纖進(jìn)行測(cè)試，以得到傳輸設(shè)備本身的時(shí)延數(shù)據(jù)。

　　注意：由于CPRI協(xié)議中每66.67us會(huì)有一個(gè)超幀的幀頭發(fā)送，因此同步字符會(huì)以66.67us為周期出現(xiàn)，當(dāng)使用長(zhǎng)光纖時(shí)需要注意合適的同步字符位置的選取。比如使用15km光纖時(shí)，光纖造成的時(shí)延約為75us,已經(jīng)超過(guò)了超幀幀頭的出現(xiàn)周期，所以在第4步中應(yīng)選擇相對(duì)于第3步的時(shí)間結(jié)果75us之后的第一個(gè)同步字符出現(xiàn)的時(shí)刻作為有效數(shù)據(jù)。