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摘要： 集中基帶池和分布式射頻拉遠技術(shù)是4G LTE無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)組網(wǎng)的發(fā)展趨勢。為了節省光纖資源，會(huì )把基帶池和多個(gè)射頻拉遠模塊間的CPRI鏈路復用在一根光纖上進(jìn)行傳輸，由此增加的時(shí)延抖動(dòng)是否會(huì )影響系統可靠性是設計組網(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量?jì)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)測試的方法，并根據實(shí)際測試結果對彩光直驅和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，運營(yíng)商需要在有限的頻譜資源下提供更高的容量和數據傳輸速率。LTE中高帶寬及高階調制技術(shù)的引入，使得對于信噪比要求更高，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)數量擴容的巨大需求，相應地帶來(lái)了選址、功耗、海量光纖資源的巨大挑戰。因此，合適的組網(wǎng)和傳輸方案是推進(jìn)4G應用普及的關(guān)鍵技術(shù)。 為此，各大運營(yíng)商都在進(jìn)行新的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)組網(wǎng)方式的研究。比如中國移動(dòng)的C-RAN是基于集中化處理(Centralized Processing)、協(xié)作式無(wú)線(xiàn)電(Collaborative Radio)、實(shí)時(shí)云計算構架(Real-time Cloud Infrastructure)的綠色無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)構架(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量，并把室外的遠端射頻單元RRU通過(guò)合適的傳輸方案拉遠到需要覆蓋的區域。這種組網(wǎng)方式大大減少了機房的數量，從而減少了建設、運維費用，同時(shí)可以采用協(xié)作化、虛擬化技術(shù)，實(shí)現資源共享和動(dòng)態(tài)調度，提高頻譜效率，以達到低成本，高帶寬和靈活度的運營(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(xiàn)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，其中一個(gè)要考慮的就是BBU和RRU間的CPRI信號經(jīng)過(guò)傳輸后的時(shí)延抖動(dòng)是否還滿(mǎn)足CPRI規范的要求。 二、CPRI接口時(shí)延抖動(dòng)的測試方法研究 CPRI接口傳統上只是用于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(cháng)到幾十公里。為了節省光纖資源，必須通過(guò)合適的傳輸方式把多條CPRI鏈路數據復用到一根光纖上傳輸，目前采用的主流技術(shù)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(guò)光合分波器通過(guò)WDM方式復用在一起，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數據按照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CPRI信號經(jīng)過(guò)傳輸后的定時(shí)信息的時(shí)延和抖動(dòng)情況進(jìn)行測試，以確保不會(huì )影響CPRI協(xié)議本身對于時(shí)延抖動(dòng)的嚴格要求。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(包括光纖和傳輸設備)的時(shí)延不應超過(guò)這個(gè)范圍。關(guān)于抖動(dòng)的要求可以參考CPRI的規范，從圖2可見(jiàn)，CPRI要求鏈路時(shí)延抖動(dòng)不能超過(guò)8.138ns，要求非常嚴格。(參考資料：CPRI Specification V6.0)。 圖2 CPRI規范對于鏈路時(shí)延精度的要求 隨著(zhù)LTE技術(shù)的采用，基帶單元BBU和射頻拉遠單元RRU間的CPRI數據傳輸速率急速攀升，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量級的精確時(shí)延抖動(dòng)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(shí)的時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行精確測試。 要進(jìn)行兩路信號間的時(shí)延和抖動(dòng)的測量需要在信號中找到相應的同步標志。經(jīng)過(guò)對CPRI協(xié)議的研究，發(fā)現在CPRI的幀結構中，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碼型標識發(fā)送，因此可以用這個(gè)K28.5碼型標識做為測試的依據。 圖3 CPRI的幀結構 三、測試組網(wǎng) CPRI傳輸時(shí)延抖動(dòng)的測試組網(wǎng)如圖4所示，測試系統采用是德公司(原安捷倫公司電子測量?jì)x器部)的高帶寬示波器和光電轉換器搭建。 正常業(yè)務(wù)從BBU下發(fā)的CPRI信號經(jīng)過(guò)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(guò)分光器各引出一路光纖信號接入測試系統。圖4中所示是進(jìn)行下行鏈路時(shí)延抖動(dòng)測試的組網(wǎng)，也可以反過(guò)來(lái)進(jìn)行上行上行鏈路的測試。 從被測系統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(shí)時(shí)示波器進(jìn)行測量。 圖4 CPRI傳輸時(shí)延抖動(dòng)的測試組網(wǎng) 光電轉換器有兩種型號可供選擇。81495A是數據速率到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。為了節省體積和成本，一個(gè)8163B的機箱里可以同時(shí)插入2個(gè)81495A的模塊。而N1075A-S32是另一種光電轉換器，其數據速率最高到32Gbps且內置分光器，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(jìn)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(shí)時(shí)示波器，最高帶寬可達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接口的信號并進(jìn)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(shí)時(shí)示波器捕獲發(fā)端和收端的信號并進(jìn)行時(shí)延和抖動(dòng)的測量; 下圖是使用DSA90000X實(shí)時(shí)示波器配合N1075A光電轉換器做CPRI時(shí)延抖動(dòng)測試的實(shí)際測試環(huán)境。 圖5 實(shí)際的CPRI傳輸時(shí)延抖動(dòng)測試環(huán)境 四、時(shí)延測試步驟 時(shí)延測試的方法是測試BBU發(fā)出信號的超幀幀頭的時(shí)刻到RRU收到的信號的超幀幀頭的時(shí)間差。 1) 設置示波器對輸入信號波形進(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(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)測量結果相減即為光纖加上傳輸設備造成的時(shí)延。即傳輸系統時(shí)延=-41.52044482us -(-59.90911203us)= 18.38866721us。 此時(shí)測量出的時(shí)延為光纖時(shí)延加上傳輸設備造成的時(shí)延，可以減去光纖長(cháng)度造成的時(shí)延得到傳輸設備時(shí)延。如果測試環(huán)境允許也可以直接采用0km光纖進(jìn)行測試，以得到傳輸設備本身的時(shí)延數據。 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，當使用長(cháng)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)了超幀幀頭的出現周期，所以在第4步中應選擇相對于第3步的時(shí)間結果75us之后的第一個(gè)同步字符出現的時(shí)刻作為有效數據。 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(dòng)測試步驟 當進(jìn)行完系統的時(shí)延測試時(shí)，下一步是進(jìn)行CPRI信號經(jīng)傳輸后抖動(dòng)的測量。這需要進(jìn)行一段時(shí)間內的多次連續測量并比較輸入信號和輸出信號間時(shí)延的相對變化范圍。測試步驟如下： 1) 根據前面時(shí)延測量結果，對兩路信號間的固有時(shí)延在示波器里進(jìn)行補償，如圖8所示�？梢钥吹竭M(jìn)行補償后輸入和輸出信號基本重合。 圖8 固有時(shí)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(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 三次測量中時(shí)延的變化情況 3) 在示波器的Trigger Action里設置自動(dòng)保存測量結果，如圖10所示，可以設置自動(dòng)保存測量結果的次數。隨后用戶(hù)可以對測量結果進(jìn)行整理和統計分析。 圖10 設置自動(dòng)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(chǎng)商的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)設備進(jìn)行了CPRI時(shí)延抖動(dòng)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(cháng)度從0km～15km不等，CPRI接口上承載9.8304Gbps的真實(shí)業(yè)務(wù)。每次測試都是在約3分鐘的時(shí)間內進(jìn)行30次測量并對結果進(jìn)行統計分析。 測試結論如下： v 采用OTN傳輸方案時(shí)，端到端由于設備造成的時(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)。 v 采用彩光直驅方案時(shí)，端到端由于設備造成的時(shí)延(扣除光纖時(shí)延以后)普遍在幾百ns左右，抖動(dòng)都<300ps。這可能由于直驅方式?jīng)]有數據處理，所以時(shí)延和抖動(dòng)都較小。 v 在機房環(huán)境下的短時(shí)間測量中，改變不同的光纖長(cháng)度造成的只是絕對時(shí)延的變化，對于抖動(dòng)的影響幾乎很小(<100ps)。實(shí)際運營(yíng)情況下由于光纖造成的抖動(dòng)還有待研究。 從測試結果來(lái)看，彩光直驅和OTN傳輸造成的時(shí)延抖動(dòng)都沒(méi)有超過(guò)CPRI規范的8ns的要求。彩光直驅時(shí)由于設備本身造成的時(shí)延和抖動(dòng)相比OTN傳輸時(shí)都要小一個(gè)數量級。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。 以上測試結果和實(shí)際預期一致，說(shuō)明測試方法是真實(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、小樣本量的測試。實(shí)際運營(yíng)情況下的長(cháng)時(shí)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(diǎn)分析 這種基于實(shí)時(shí)示波器和光電轉換器的CPRI接口時(shí)延抖動(dòng)測試方法非常精確，測試儀表的硬件固有抖動(dòng)小于150fs，考慮到解碼精度帶來(lái)的誤差總體測量精度小于1個(gè)數據bit周期(對于9.8304G的CPRI信號來(lái)說(shuō)相當于約100ps)。因此，這種測試方案可以在目前沒(méi)有成熟傳輸測試儀表的階段有效完成精確的時(shí)延抖動(dòng)測量，方便設備廠(chǎng)商在研發(fā)階段進(jìn)行實(shí)際測試，也可供運營(yíng)商在前期規劃階段對不同組網(wǎng)方案進(jìn)行評估。 另外，這套測量方案的主體是高帶寬的實(shí)時(shí)示波器，這款設備還可以用用于BBR和RRU內部電路如SFP+、PCIE、DDR、時(shí)鐘等接口的調試。 目前這套測試方案的不足之處在于還不是全自動(dòng)的參數測試。測試前還需要手動(dòng)進(jìn)行示波器的設置，測試后還不能自動(dòng)對測試結果進(jìn)行統計分析。 不過(guò)綜合考慮測試精度以及可行性，這套方案基本可以滿(mǎn)足現階段進(jìn)行CPRI時(shí)延抖動(dòng)進(jìn)行摸底測試的需要，以推動(dòng)綠色無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的商用化進(jìn)程。未來(lái)隨著(zhù)測試需求的進(jìn)一步增多，也有可能把這套測試方案開(kāi)發(fā)成自動(dòng)測試軟件。 |
