CPRI原理及測試解決方案(一)
http://www.c114.net ( 2010/6/13 14:29 )
摘要
分布式基站的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)一體化基站有很大的不同,它將基站的基帶部分(BBU/REC)和射頻部分(RRU/RE/RRH)分離,分別作為單獨的部分。這種分布式結(jié)構(gòu)具有配置靈活、工程建設(shè)方便、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點,應(yīng)用越來越廣泛。為了規(guī)范BBU和RRU之間的接口標(biāo)準(zhǔn),CPRI(Common Public Radio Interface)協(xié)議應(yīng)運而生。目前,CPRI接口的測試已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注的焦點。R&S公司基于其強大的技術(shù)實力,于業(yè)界首先推出了基于CPRI接口的RRU和BBU測試解決方案,進一步完善了基站領(lǐng)域的測試需求,可以更好地為運營商、基站設(shè)備商、直放站廠商和檢測機構(gòu)提供相應(yīng)的測試服務(wù)。
1引言
基站是由多個功能部分組成的,其中最主要的兩個部分是基帶部分和射頻部分。但在實用傳統(tǒng)基站部署的網(wǎng)絡(luò)中,基站的擴容卻是運營商頭疼的大問題。這是由于傳統(tǒng)基站的各個模塊通常是集成在一起的,例如基帶單元和射頻單元通常是無法完全分離的,如果在基帶單元資源緊張的情況下,需要進行擴容,增加基帶單元的同時就必須增加射頻單元,這將無法避免地導(dǎo)致射頻部分的浪費。而如果基站可以實現(xiàn)基站內(nèi)的單元模塊化,各模塊之間各自獨立,在上述情況下,就可以根據(jù)實際需要,實現(xiàn)只增加基帶資源不增加射頻資源的靈活配置,從而節(jié)省大量的設(shè)備成本。
現(xiàn)在新的3G/4G基站采用了開放架構(gòu),主要就是指基站的基帶部分和射頻部分之間采用了開放式的接口和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,可分開放置;模塊化則是開放架構(gòu)概念的一種延伸,主要指基站的基帶部分和射頻部分無論從硬件還是軟件上都自成一體,具有自己的功能,基帶部分和射頻部分相互獨立。圖1所示為新一代開放式基站框圖。
圖1開放式基站框圖
2003年6月,愛立信,華為,NEC,西門子和北電共同發(fā)起成立了通用公共無線接口 (Common Public Radio Interface,CPRI)標(biāo)準(zhǔn)化組織。CPRI接口是指基站內(nèi)部基帶單元和射頻單元之間的接口,該組織成立的主要目的就是制定這個接口的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,從而使該接口開放化、公開化。
新一代基站可以把宏基站的部分載波通過標(biāo)準(zhǔn)的CPRI接口拉遠實現(xiàn)分布式組網(wǎng)。同時,新一代基站出現(xiàn)了一種嶄新的基站形態(tài)——分布式基站,基帶處理部分(BBU)和射頻收發(fā)信機部分(RRU)設(shè)計成單獨的模塊,分布式基站不僅帶來了快速、便捷的網(wǎng)絡(luò)部署,而且有利于大幅降低運營商建網(wǎng)的成本,逐步成為運營商關(guān)注的焦點。基于CPRI的廣泛發(fā)展,如何進行CPRI接口測試已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。
2CPRI基本原理
2.1CPRI的物理層定義
CPRI定義物理層(Layer 1)和數(shù)據(jù)鏈路層(Layer 2)協(xié)議,服務(wù)于用戶、控制和管理以及同步平臺信息在REC和RE之間或兩個RE之間的傳輸。圖2所示為CPRI的結(jié)構(gòu)。
圖2CPRI的結(jié)構(gòu)
CPRI接口支持以下類型的信息流:
(1)IQ數(shù)據(jù)
用戶平臺信息所用的同相和正交調(diào)制下的數(shù)據(jù)(數(shù)字基帶信號)格式。
(2)同步
用于幀和時間調(diào)整的同步數(shù)據(jù)。
(3)層1帶內(nèi)協(xié)議
與鏈路有關(guān)且直接被物理層傳送的信號傳輸信息。用于系統(tǒng)啟動、物理層鏈路維護和與物理層用戶數(shù)據(jù)密切聯(lián)系的時間關(guān)鍵信息的傳輸。
(4)廠商特定信息
這種信息流是為廠商特定信息保留的。
用戶平臺信息以IQ數(shù)據(jù)模式傳送。不同的天線載波的IQ數(shù)據(jù)在電或光傳輸線上被時分復(fù)用方案傳輸。C&M數(shù)據(jù)被作為頻帶協(xié)議(時間關(guān)鍵信息化數(shù)據(jù))或?qū)?協(xié)議(非CPRI規(guī)范所定義,位于適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)鏈路層頂部)傳送。CPRl支持兩種不同的用于C&M數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議——HDLC的子集和以太網(wǎng)。一些附加的C&M數(shù)據(jù)與IQ數(shù)據(jù)一起定時多路傳輸。最后,另外的時段可以用于傳送任何類型的廠商特定信息。
目前,新一代基站中的基站基帶單元和射頻單元之間采用標(biāo)準(zhǔn)CPRI接口,通過光纖將基帶單元和射頻單元相連,使系統(tǒng)具有開放式的架構(gòu)。此外,基帶部分由于采用了資源池設(shè)計,通過增加資源處理板的方式就可以支持平滑擴展。由于射頻和基帶模塊間的獨立性,這兩個模塊的增加是完全可以分開進行的,不必涉及到另一個模塊,從根本上節(jié)約了成本。過去一直讓運營商頭疼的擴容問題,就這樣簡單地被解決了。
2.2CPRI的基本幀結(jié)構(gòu)
CPRI的鏈路層定義了一個同步的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)中最重要的概念是基本幀和超幀。基本幀的頻率是3.84MHz,每個基本幀包含16個時隙,根據(jù)線路速率的不同,時隙的大小分別是1B,2B,4B;編牡1個時隙是特殊的控制時隙,它的具體作用在超幀中定義,而其余的15個時隙是IQ數(shù)據(jù)時隙,供基站安排需要傳送的IQ復(fù)用流。用戶平臺IQ數(shù)據(jù)所要求的采樣寬度依賴于應(yīng)用層面。該規(guī)范提供了通用的映射機制來實現(xiàn)所需采樣寬度,上行鏈路數(shù)據(jù)寬度在4~l0b間可選,下行鏈路數(shù)據(jù)寬度在8~20b間可選。
定義超幀的目的是為CPRI協(xié)議增加控制和同步功能。每256個基本幀構(gòu)成一個超幀。同時,每150個超幀可以構(gòu)成一個無線幀。256個基本幀的第0時隙共同構(gòu)成矩形的超幀控制結(jié)構(gòu)。這個控制結(jié)構(gòu)中,逐級嵌套的256個控制字按每4個字一組編為64個子信道。子信道序號Ns=0~63,每個子信道里的控制字序號Xs=0~3,一個嵌套里的控制字序號X=Ns+64×Xs,即每個子通道內(nèi)的相鄰時隙,相互間隔是64個基本幀長度。
同步字節(jié)是固定的控制字符k28.5,在8b,10b編解碼中作為超幀和基本幀的定位字符。一旦解碼模塊發(fā)現(xiàn)了同步字節(jié),可以根據(jù)基本幀與超幀的固定關(guān)系推導(dǎo)出時隙結(jié)構(gòu)。超幀號和基站幀號用于與基站的同步。
CPRl支持兩種不同類型的C&M信道:
●C&M信道選項1:慢速C&M信道,基于高速數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)。
●C&M信道選項2:快速C&M信道,基于以太網(wǎng)(Ethernet)。
慢速C&M子通道用于傳送控制和管理類的HDLC幀。CPRI規(guī)范定義的HDLC的鏈路速率最低達240kbit/s,最高達1920kbit/s。線路告警字節(jié)主要發(fā)送遠端告警、信號丟失、幀丟失等物理層的告警信息。CPRI規(guī)范中同時定義了快速C&M通道,快速C&M通道的起始子通道由以太網(wǎng)指針P字節(jié)來定義。
2.3CPRI工作流程
從整個CPRI的工作過程而言,最重要的是如圖3所示啟動狀態(tài)機的啟動過程,不僅需要硬件支持,而且還要有軟件的參與才能完成整個狀態(tài)機的遷移過程。
圖3CPRI的啟動過程
同時,作為室內(nèi)單元(IDU)和室外單元(ODU)在實現(xiàn)上也會有所不同,IDU是Master模式,負責(zé)主要參數(shù)的下發(fā)、協(xié)商等,ODU是Slave模式,負責(zé)對下發(fā)參數(shù)進行響應(yīng)。而且Master和Slave模式在上面狀態(tài)機的處理上有所不同。(待續(xù))
3R&S公司的CPRI測試解決方案
3.1新版EX-IQ Box及CPRI接口板簡介
傳統(tǒng)的EX-IQ Box主要用于R&S儀表和客戶設(shè)備之間通用的數(shù)字IQ接口轉(zhuǎn)換,用戶可以根據(jù)自己或R&S提供的接口板將自己的數(shù)字IQ格式轉(zhuǎn)換為R&S的TVR290接口可識別的數(shù)字IQ格式。而目前CPRI,OBSAI和DigRF 3G/4G等數(shù)字接口已經(jīng)廣泛應(yīng)用于開放式基站、終端和其他高速應(yīng)用場合,而且需要支持如MIMO這樣多個數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膽?yīng)用模式。為了滿足相應(yīng)的測試需求,R&S在更新后的EX-IQ Box上提供了關(guān)于CPRI,OBSAI和DigRF 3G/4G數(shù)字接口的測試解決方案。更新后的EX-IQ Box比原先的版本具有更高的處理能力:除原有的應(yīng)用之外,新的EX-IQ Box可以支持如CPRI、OBSAI和DigRF 3G/4G等數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)。因為最新的數(shù)字IQ標(biāo)準(zhǔn)需要配置更多的參數(shù),如果無法在信號源里進行直接設(shè)置,而控制電腦可以方便地通過USB接口用相應(yīng)的控制軟件對EX-IQ Box的數(shù)字接口進行配置。
加配B85(CPRI接口版)選件后, EX-IQ Box可以產(chǎn)生和接收符合CPRI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字IQ數(shù)據(jù)。R&S的測試方案可以單獨進行上行或下行測試,也可以支持上/下行并行測試。此外,也可以實時到插入CPRI協(xié)議規(guī)定的C&M信息。對于CPRI接口板的配置主要通過R&S的DigIConf配置軟件來完成。圖4為基于R&S的EX-IQ Box配合信號源和信號分析儀的CPRI測試框圖。
新版的EX-IQ Box可以和矢量源與矢量信號分析儀連接完成RRU上/下行測試。圖5為基于EX-IQ Box和CPRI接口板的完整的RRU測試框圖。
圖4基于R&S的EX-IQ Box配合信號源和信號分析儀的CPRI測試框圖
圖5基于EX-IQ Box和CPRI接口板的完整的RRU測試框圖
3.2基于ARB模式的經(jīng)濟型CPRI測試方案
EX-IQ Box也可以通過ARB選件(R&S?EXBOX-K90/-K91)來播放原先由WinIQSim2,Matlab或其他工具軟件生成的波形文件,并且在CPRI接口上同時可以支持多達4個不同的信號傳輸。另外,配置R&S的信號源和信號分析儀后,EX-IQ Box也可以直接利用信號源原有的功能(如數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)、衰落和AWGN等)和信號分析儀原有的功能(ACP,EVM等),因此在配置信號源及信號分析儀的基礎(chǔ)上可以根據(jù)客戶的需求靈活地配置測試解決方案。同時,EX-IQ Box也可以通過R&S?EXBOX-K94選件記錄數(shù)據(jù),然后用戶可以通過自己的分析工具如Matlab或C++等對測試信號進行分析。這樣,客戶無需任何分析選件即可完成相應(yīng)的分析,進而節(jié)約更多的成本。
目前,R&S的測試方案可以支持CPRI接口的BBU和RRU測試。圖6所示為基于R&S公司EX-IQ Box的RRU/BBU的測試方案。
圖6R&S公司EX-IQ Box的RRU/BBU的測試方案
4CPRI測試實例
基于R&S公司的CPRI測試方案,可以方便地完成商用RRU的CPRI測試,圖7為Radiocom公司RRU的測試框圖。被測RRU可以支持雙天線和Passive Link模式。
圖7Radiocom公司RRU的測試框圖
4.1基于CPRI測試方案的RRU下行測試
為了進一步驗證被測RRU的性能,測試信號采用LTE信號。對于被測RRU的下行CPRI信號測試:矢量源SMU基帶產(chǎn)生下行的LTE數(shù)字IQ信號,由TVR290數(shù)字接口輸出,通過EX-IQ Box和接口板將數(shù)字IQ轉(zhuǎn)換成符合CPRI協(xié)議的信號,然后通過光纖送到被測RRU的CPRI接口,再通過被測RRU轉(zhuǎn)換成射頻信號,最后由矢量信號分析儀上的LTE解調(diào)選件測試相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。測試實物圖參見圖8。
圖8CPRI 下行測試實物圖
4.2基于CPRI測試方案的RRU上行測試
對于RRU上行CPRI測試:矢量源SMU基帶產(chǎn)生上行LTE信號,由射頻口輸出,送至被測RRU將射頻信號轉(zhuǎn)換為CPRI接口輸出,再通過EX-IQ Box和CPRI接口板將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字IQ信號,最后矢量信號分析儀在LTE選件中通過TVR290數(shù)字接口分析其相應(yīng)指標(biāo)和性能。測試實物圖參見圖9。
圖9CPRI 上行測試實物圖
由于測試設(shè)備可能引入測試誤差,因此R&S的CPRI測試方案支持Loopback模式,圖10為Loopback模式設(shè)置框圖。在Loopback模式下,可以直接連接測試設(shè)備的數(shù)字IQ接口,由此可以判斷測試結(jié)果是否由被測設(shè)備引起,進而驗證測試的準(zhǔn)確性。此外,EX-IQ Box支持Passive Link模式。對于支持Passive Link模式的RRU,可以通過RRU本身的配置軟件控制被測設(shè)備而無需由DigIConf軟件發(fā)送相應(yīng)的C&M指令,完成相應(yīng)的CPRI接口測試。
圖10EX-IQ Box支持的Loopback模式設(shè)置框圖
5CPRI測試方案選件信息
圖11所示為R&S公司CPRI測試方案的選件信息。客戶可以根據(jù)不同的移動通信標(biāo)準(zhǔn)選擇相應(yīng)的ARB選件。此外,也可以配合已有的矢量源和矢量信號分析儀自帶的實時選件,完成相應(yīng)的CPRI測試。
圖11R&S公司EX-IQ Box的RRU/BBU的測試方案圖
6結(jié)束語
通過Radiocom公司商用RRU的測試實例表明:基于R&S公司的CPRI測試方案,用戶可以在研發(fā)、認證和生產(chǎn)階段直接通過CPRI接口對基站的RRU和BBU進行相應(yīng)的測試,同時可以支持3GPP FDD (包括 HSDPA,HSUPA,HSPA+),LTE,WiMAX 和cdma2000等通信標(biāo)準(zhǔn),也可以根據(jù)客戶的特殊需求通過手動的方式進行自定義配置,大大節(jié)約了產(chǎn)品發(fā)布的時間和人力資源?梢詽M足包括運營商、基站設(shè)備商和直放站廠商、檢測機構(gòu)的CPRI測試需求。