C-RAN組網(wǎng)時的CPRI時延抖動測試方法

　　摘要：

　　集中基帶池和分布式射頻拉遠技術是4G LTE無線接入網(wǎng)組網(wǎng)的發(fā)展趨勢。為了節(jié)省光纖資源，會把基帶池和多個射頻拉遠模塊間的CPRI鏈路復用在一根光纖上進行傳輸，由此增加的時延抖動是否會影響系統(tǒng)可靠性是設計組網(wǎng)方案時要重點考慮的因素。本文介紹了一種利用是德公司(原安捷倫公司電子測量儀器部)的高帶寬實時示波器進行C-RAN組網(wǎng)時的CPRI時延抖動測試的方法，并根據(jù)實際測試結果對彩光直驅和OTN承載兩種方式的時延抖動進行了分析。

　　關鍵詞：

　　C-RAN，CPRI，時延精度，抖動

　　一、前言

　　4G移動通信技術已經(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應用普及的關鍵技術。

　　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)、實時云計算構架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網(wǎng)構架(Clean system)。其本質是通過將基帶單元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、運維費用，同時可以采用協(xié)作化、虛擬化技術，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)復用到一根光纖上傳輸，目前采用的主流技術有彩光直驅和OTN承載兩種方式。彩光直驅的方式是把多路CPRI信號通過光合分波器通過WDM方式復用在一起，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(包括光纖和傳輸設備)的時延不應超過這個范圍。關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的幀結構中，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的幀結構

　　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換器搭建。

　　正常業(yè)務從BBU下發(fā)的CPRI信號經(jīng)過傳輸設備和光纖到達RRU側，從傳輸設備的入口和出口側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光電轉換器把兩路光信號轉成電信號，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)光電轉換器后連接示波器通道1，接收端的信號經(jīng)光電轉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) 把兩個測量結果相減即為光纖加上傳輸設備造成的時延。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備造成的時延，可以減去光纖長度造成的時延得到傳輸設備時延。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步中應選擇相對于第3步的時間結果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)。

　　圖6 BBU發(fā)出的CPRI信號解碼結果

　　圖7 RRU收到的CPRI信號解碼結果

　　五、抖動測試步驟

　　當進行完系統(tǒng)的時延測試時，下一步是進行CPRI信號經(jīng)傳輸后抖動的測量。這需要進行一段時間內(nèi)的多次連續(xù)測量并比較輸入信號和輸出信號間時延的相對變化范圍。測試步驟如下：

　　1) 根據(jù)前面時延測量結果，對兩路信號間的固有時延在示波器里進行補償，如圖8所示?？梢钥吹竭M行補償后輸入和輸出信號基本重合。

　　圖8 固有時延的補償

　　2) 設置示波器對通道CH1的K28.5同步字符觸發(fā)并進行多次波形采集，這樣通道CH1的同步字符會一直保持在時間的零點，即屏幕的正中央。如果系統(tǒng)有抖動，通道CH3的K28.5同步字符的發(fā)生時刻會有左右的時間變化。圖9分別是三次測量中，通道CH3的K28.5同步字符發(fā)生的時刻，可以明顯看到時延的變化情況。

　　圖9 三次測量中時延的變化情況

　　3) 在示波器的Trigger Action里設置自動保存測量結果，如圖10所示，可以設置自動保存測量結果的次數(shù)。隨后用戶可以對測量結果進行整理和統(tǒng)計分析。

　　圖10 設置自動保存每次測量結果的拷屏

　　六、測試結果分析

　　采用前述的測試方法在機房環(huán)境理對市面上4家主流的設備廠商的無線接入網(wǎng)設備進行了CPRI時延抖動的測試。其中2家采用OTN傳輸方案，2家采用彩光直驅方案，測試中使用的光纖長度從0km～15km不等，CPRI接口上承載9.8304Gbps的真實業(yè)務。每次測試都是在約3分鐘的時間內(nèi)進行30次測量并對結果進行統(tǒng)計分析。

　　測試結論如下：

　　v 采用OTN傳輸方案時，端到端由于設備造成的時延(扣除光纖時延以后)普遍在幾個us左右，抖動約在2～4ns不等。這可能由于有OTN的成幀解幀過程會造成一定的時延和抖動。收發(fā)端進行精確的時鐘同步可能有助于減小時延抖動。

　　v 采用彩光直驅方案時，端到端由于設備造成的時延(扣除光纖時延以后)普遍在幾百ns左右，抖動都<300ps。這可能由于直驅方式?jīng)]有數(shù)據(jù)處理，所以時延和抖動都較小。

　　v 在機房環(huán)境下的短時間測量中，改變不同的光纖長度造成的只是絕對時延的變化，對于抖動的影響幾乎很小(<100ps)。實際運營情況下由于光纖造成的抖動還有待研究。

　　從測試結果來看，彩光直驅和OTN傳輸造成的時延抖動都沒有超過CPRI規(guī)范的8ns的要求。彩光直驅時由于設備本身造成的時延和抖動相比OTN傳輸時都要小一個數(shù)量級。采用 OTN方案時要重點關注在不同時鐘同步情況下的抖動情況。

　　以上測試結果和實際預期一致，說明測試方法是真實有效的。不過由于資源和時間所限，以上都是短時間、小樣本量的測試。實際運營情況下的長時間、大樣本量的測試還有待具體的測試環(huán)境。

　　七、測試方案優(yōu)缺點分析

　　這種基于實時示波器和光電轉換器的CPRI接口時延抖動測試方法非常精確，測試儀表的硬件固有抖動小于150fs，考慮到解碼精度帶來的誤差總體測量精度小于1個數(shù)據(jù)bit周期(對于9.8304G的CPRI信號來說相當于約100ps)。因此，這種測試方案可以在目前沒有成熟傳輸測試儀表的階段有效完成精確的時延抖動測量，方便設備廠商在研發(fā)階段進行實際測試，也可供運營商在前期規(guī)劃階段對不同組網(wǎng)方案進行評估。

　　另外，這套測量方案的主體是高帶寬的實時示波器，這款設備還可以用用于BBR和RRU內(nèi)部電路如SFP+、PCIE、DDR、時鐘等接口的調(diào)試。

　　目前這套測試方案的不足之處在于還不是全自動的參數(shù)測試。測試前還需要手動進行示波器的設置，測試后還不能自動對測試結果進行統(tǒng)計分析。

　　不過綜合考慮測試精度以及可行性，這套方案基本可以滿足現(xiàn)階段進行CPRI時延抖動進行摸底測試的需要，以推動綠色無線接入網(wǎng)的商用化進程。未來隨著測試需求的進一步增多，也有可能把這套測試方案開發(fā)成自動測試軟件。