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

集中基帶池和分布式射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)是4G LTE無(wú)線接入網(wǎng)組網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。為了節(jié)省光纖資源，會(huì)把基帶池和多個(gè)射頻拉遠(yuǎn)模塊間的CPRI鏈路復(fù)用在一根光纖上進(jìn)行傳輸，由此增加的時(shí)延抖動(dòng)是否會(huì)影響系統(tǒng)可靠性是設(shè)計(jì)組網(wǎng)方案時(shí)要重點(diǎn)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(cè)量?jī)x器部)的高帶寬實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行C-RAN組網(wǎng)時(shí)的CPRI時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試的方法，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)彩光直驅(qū)和OTN承載兩種方式的時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行了分析。

一、前言

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

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)。

圖6 BBU發(fā)出的CPRI信號(hào)解碼結(jié)果 

圖7 RRU收到的CPRI信號(hào)解碼結(jié)果 

五、抖動(dòng)測(cè)試步驟

當(dāng)進(jìn)行完系統(tǒng)的時(shí)延測(cè)試時(shí)，下一步是進(jìn)行CPRI信號(hào)經(jīng)傳輸后抖動(dòng)的測(cè)量。這需要進(jìn)行一段時(shí)間內(nèi)的多次連續(xù)測(cè)量并比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)間時(shí)延的相對(duì)變化范圍。測(cè)試步驟如下：

1) 根據(jù)前面時(shí)延測(cè)量結(jié)果，對(duì)兩路信號(hào)間的固有時(shí)延在示波器里進(jìn)行補(bǔ)償，如圖8所示?？梢钥吹竭M(jìn)行補(bǔ)償后輸入和輸出信號(hào)基本重合。

圖8固有時(shí)延的補(bǔ)償 

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

圖9 三次測(cè)量中時(shí)延的變化情況

3)在示波器的Trigger Action里設(shè)置自動(dòng)保存測(cè)量結(jié)果，如圖10所示，可以設(shè)置自動(dòng)保存測(cè)量結(jié)果的次數(shù)。隨后用戶可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

圖10 設(shè)置自動(dòng)保存每次測(cè)量結(jié)果的拷屏

六、測(cè)試結(jié)果分析

采用前述的測(cè)試方法在機(jī)房環(huán)境理對(duì)市面上4家主流的設(shè)備廠商的無(wú)線接入網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了CPRI時(shí)延抖動(dòng)的測(cè)試。其中2家采用OTN傳輸方案，2家采用彩光直驅(qū)方案，測(cè)試中使用的光纖長(zhǎng)度從0km～15km不等，CPRI接口上承載9.8304Gbps的真實(shí)業(yè)務(wù)。每次測(cè)試都是在約3分鐘的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行30次測(cè)量并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

測(cè)試結(jié)論如下：

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

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

在機(jī)房環(huán)境下的短時(shí)間測(cè)量中，改變不同的光纖長(zhǎng)度造成的只是絕對(duì)時(shí)延的變化，對(duì)于抖動(dòng)的影響幾乎很小(<100ps)。實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況下由于光纖造成的抖動(dòng)還有待研究。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，彩光直驅(qū)和OTN傳輸造成的時(shí)延抖動(dòng)都沒(méi)有超過(guò)CPRI規(guī)范的8ns的要求。彩光直驅(qū)時(shí)由于設(shè)備本身造成的時(shí)延和抖動(dòng)相比OTN傳輸時(shí)都要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。采用OTN方案時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注在不同時(shí)鐘同步情況下的抖動(dòng)情況。

以上測(cè)試結(jié)果和實(shí)際預(yù)期一致，說(shuō)明測(cè)試方法是真實(shí)有效的。不過(guò)由于資源和時(shí)間所限，以上都是短時(shí)間、小樣本量的測(cè)試。實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況下的長(zhǎng)時(shí)間、大樣本量的測(cè)試還有待具體的測(cè)試環(huán)境。

七、測(cè)試方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

這種基于實(shí)時(shí)示波器和光電轉(zhuǎn)換器的CPRI接口時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試方法非常精確，測(cè)試儀表的硬件固有抖動(dòng)小于150fs，考慮到解碼精度帶來(lái)的誤差總體測(cè)量精度小于1個(gè)數(shù)據(jù)bit周期(對(duì)于9.8304G的CPRI信號(hào)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于約100ps)。因此，這種測(cè)試方案可以在目前沒(méi)有成熟傳輸測(cè)試儀表的階段有效完成精確的時(shí)延抖動(dòng)測(cè)量，方便設(shè)備廠商在研發(fā)階段進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，也可供運(yùn)營(yíng)商在前期規(guī)劃階段對(duì)不同組網(wǎng)方案進(jìn)行評(píng)估。

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

目前這套測(cè)試方案的不足之處在于還不是全自動(dòng)的參數(shù)測(cè)試。測(cè)試前還需要手動(dòng)進(jìn)行示波器的設(shè)置，測(cè)試后還不能自動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

不過(guò)綜合考慮測(cè)試精度以及可行性，這套方案基本可以滿足現(xiàn)階段進(jìn)行CPRI時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行摸底測(cè)試的需要，以推動(dòng)綠色無(wú)線接入網(wǎng)的商用化進(jìn)程。未來(lái)隨著測(cè)試需求的進(jìn)一步增多，也有可能把這套測(cè)試方案開(kāi)發(fā)成自動(dòng)測(cè)試軟件。