C-RAN組網(wǎng)時的CPRI時延抖動測試方法及分析

　　4G移動通信技術(shù)已經(jīng)進入商用階段，運營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，使得對于信噪比要求更高，因此單個LTE基站的覆蓋范圍會比采用3G技術(shù)時要小。密集組網(wǎng)和基站間協(xié)作的要求帶來了基站站點數(shù)量擴容的巨大需求，相應(yīng)地帶來了選址、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4G應(yīng)用普及的關(guān)鍵技術(shù)。

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

　　圖1 C-RAN無線接入網(wǎng)組網(wǎng)方式

　　但是這種組網(wǎng)方式也帶來了新的挑戰(zhàn)，其中一個要考慮的就是BBU和RRU間的CPRI信號經(jīng)過傳輸后的時延抖動是否還滿足CPRI規(guī)范的要求。

　　二、CPRI接口時延抖動的測試方法研究

　　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)方式后傳輸距離會加長到幾十公里。為了節(jié)省光纖資源，必須通過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信號通過光合分波器通過WDM方式復(fù)用在一起，具有成本低、抖動小的優(yōu)點;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。

　　無論采用哪種承載方式，都需要對CPRI信號經(jīng)過傳輸后的定時信息的時延和抖動情況進行測試，以確保不會影響CPRI協(xié)議本身對于時延抖動的嚴格要求。目前TD-LTE技術(shù)可以允許約200us的時延，因此整個傳輸鏈路(包括光纖和傳輸設(shè)備)的時延不應(yīng)超過這個范圍。關(guān)于抖動的要求可以參考CPRI的規(guī)范，從圖2可見，CPRI要求鏈路時延抖動不能超過8.138ns,要求非常嚴格。(參考資料：CPRI Specification V6.0)。

　　圖2 CPRI規(guī)范對于鏈路時延精度的要求

　　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過渡到6.144Gbps甚至9.8304Gbps.目前市面上的傳輸測試儀表或者支持不了9.8304Gbps的傳輸速率，或者無法進行ns量級的精確時延抖動測量，因此需要尋找一種新的測試方法，以對采用不同C-RAN組網(wǎng)傳輸方式時的時延抖動進行精確測試。

　　要進行兩路信號間的時延和抖動的測量需要在信號中找到相應(yīng)的同步標志。經(jīng)過對CPRI協(xié)議的研究，發(fā)現(xiàn)在CPRI的幀結(jié)構(gòu)中，每66.67us會有一個超幀，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，每個超幀的幀頭會有一個唯一的K28.5碼型標識發(fā)送，因此可以用這個K28.5碼型標識做為測試的依據(jù)。

　　圖3 CPRI的幀結(jié)構(gòu)

　　三、測試組網(wǎng)

　　CPRI傳輸時延抖動的測試組網(wǎng)如圖4所示，測試系統(tǒng)采用是德公司(原安捷倫公司電子測量儀器部)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信號經(jīng)過傳輸設(shè)備和光纖到達RRU側(cè)，從傳輸設(shè)備的入口和出口側(cè)通過分光器各引出一路光纖信號接入測試系統(tǒng)。圖4中所示是進行下行鏈路時延抖動測試的組網(wǎng)，也可以反過來進行上行上行鏈路的測試。

　　從被測系統(tǒng)引出的兩路光纖信號經(jīng)N1075A-S32或者81495A光電轉(zhuǎn)換器把兩路光信號轉(zhuǎn)成電信號，然后用高帶寬的DSA90000X實時示波器進行測量。

　　圖4 CPRI傳輸時延抖動的測試組網(wǎng)

　　光電轉(zhuǎn)換器有兩種型號可供選擇。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的機箱里才可工作，其內(nèi)置10Gbps光信號的標準參考濾波器、光功率計及高帶寬放大器。81495A的光電轉(zhuǎn)換增益高達400V/W,因此輸入光信號強度可以低至-10dbm.為了節(jié)省體積和成本，一個8163B的機箱里可以同時插入2個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進入示波器后仍然有較好的信噪比，所以需要被測光信號的光強不能太小(建議>-5dbm)。

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

　　下圖是使用DSA90000X實時示波器配合N1075A光電轉(zhuǎn)換器做CPRI時延抖動測試的實際測試環(huán)境。

　　圖5 實際的CPRI傳輸時延抖動測試環(huán)境

　　四、時延測試步驟

　　時延測試的方法是測試BBU發(fā)出信號的超幀幀頭的時刻到RRU收到的信號的超幀幀頭的時間差。

　　1)設(shè)置示波器對輸入信號波形進進行采集，采集時間至少為200us.如圖6中黃色通道CH1波形為BBU發(fā)出的CPRI信號波形，藍色通道CH3波形為RRU收到的CPRI信號波形。

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

　　3)記錄通道CH1第一個同步字符K28.5發(fā)生的時刻，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)生的時刻，如圖7中的值為：-41.52044482us。

　　5)把兩個測量結(jié)果相減即為光纖加上傳輸設(shè)備造成的時延。即傳輸系統(tǒng)時延=-41.52044482us -(-59.90911203us)= 18.38866721us。

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

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