C-RAN組網時的CPRI時延抖動測試方法及分析

　　4G移動通信技術已經進入商用階段，運營商需要在有限的頻譜資源下提供更高的容量和數據傳輸速率。LTE中高帶寬及高階調制技術的引入，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。密集組網和基站間協作的要求帶來了基站站點數量擴容的巨大需求，相應地帶來了選址、功耗、海量光纖資源的巨大挑戰。因此，合適的組網和傳輸方案是推進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組網方式的研究。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域。這種組網方式大大減少了機房的數量，從而減少了建設、運維費用，同時可以采用協作化、虛擬化技術，實現資源共享和動態調度，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的組網方式(參考資料：www.c-ran.com)

　　圖1 C-RAN無線接入網組網方式

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

　　二、CPRI接口時延抖動的測試方法研究

　　CPRI接口傳統上只是用于BBU和RRU之間的直接光纖互聯，傳輸距離在幾百米左右，而采用C-RAN的組網方式后傳輸距離會加長到幾十公里。為了節省光纖資源，必須通過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、抖動小的優點;而OTN承載，即CPRI over OTN方式，是把CPRI數據按照ITU-T G.709要求映射到傳輸網上傳輸，所以可靠性高、組網靈活。

　　無論采用哪種承載方式，都需要對CPRI信號經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數據傳輸速率急速攀升，目前已經逐漸從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。經過對CPRI協議的研究，發現在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碼型標識發送，因此可以用這個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

　　CPRI傳輸時延抖動的測試組網如圖4所示，測試系統采用是德公司(原安捷倫公司電子測量儀器部)的高帶寬示波器和光電轉換器搭建。

　　正常業務從BBU下發的CPRI信號經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。圖4中所示是進行下行鏈路時延抖動測試的組網，也可以反過來進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

　　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。發送端的信號經光電轉換器后連接示波器通道1,接收端的信號經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境。

　　圖5 實際的CPRI傳輸時延抖動測試環境

　　四、時延測試步驟

　　時延測試的方法是測試BBU發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發生的時刻，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據。

　　注意：由于CPRI協議中每66.67us會有一個超幀的幀頭發送，因此同步字符會以66.67us為周期出現，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,已經超過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步的時間結果75us之后的第一個同步字符出現的時刻作為有效數據。