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組網時的CPRI時延抖動測試的方法，並根據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。

一、前言

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中高帶寬及高階調製技術的引入，使得對於信噪比要求更高，因此單個LTE基站的覆蓋範圍會比采用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是基於集中化處理(Centralized Processing)、協作式無線電(Collaborative Radio)、實時雲計算構架(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，並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）


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信號經過傳輸後的時延抖動是否還滿足CPRI規範的要求。

二、CPRI接口時延抖動的測試方法研究

CPRI接口傳統上隻是用於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的組網方式後傳輸距離會加長到幾十公裏。為了節省光纖資源
，必須通過合適的傳輸方式把多條CPRI鏈路數據複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方式複用在一起，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信號經過傳輸後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協議本身對於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範圍。關於抖動的要求可以參考CPRI的規範，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）。


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。目前市麵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誌。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。

[page]

三

、測試組網

CPRI傳輸時延抖動的測試組網如圖4所示，測試係統采用是德公司（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係統。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。

從被測係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
，然後用高帶寬的DSA90000X實時示波器進行測量。


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的機箱裏才可工作

，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的機箱裏可以同時插入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，但是由於光電轉換增益僅為110 V/W，為了保證最後輸出的電信號進入示波器後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係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，固有抖動小於150fs，同時可以捕獲4條CPRI接口的信號並進行物理層解碼。發送端的信號經光電轉換器後連接示波器通道1
，接收端的信號經光電轉換器後連接示波器通道3。測試中用實時示波器捕獲發端和收端的信號並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。

[page]

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，並分別搜索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中後續的同步字符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。即傳輸係統時延＝-41.52044482us -（-59.90911203us）＝ 18.38866721us。

此ci時shi測ce量liang出chu的de時shi延yan為wei光guang纖xian時shi延yan加jia上shang傳chuan輸shu設she備bei造zao成cheng的de時shi延yan，可ke以yi減jian去qu光guang纖xian長chang度du造zao成cheng的de時shi延yan得de到dao傳chuan輸shu設she備bei時shi延yan。如ru果guo測ce試shi環huan境jing允yun許xu也ye可ke以yi直zhi接jie采cai用yong0km光纖進行測試，以得到傳輸設備本身的時延數據。

注意：由於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步中應選擇相對於第3步的時間結果75us之後的第一個同步字符出現的時刻作為有效數據。

[page]

五、抖動測試步驟

當進行完係統的時延測試時，下一步是進行CPRI信號經傳輸後抖動的測量。這需要進行一段時間內的多次連續測量並比較輸入信號和輸出信號間時延的相對變化範圍。測試步驟如下：

1）根據前麵時延測量結果，對兩路信號間的固有時延在示波器裏進行補償，如圖8所示。可以看到進行補償後輸入和輸出信號基本重合。


2）設置示波器對通道CH1的K28.5同步字符觸發並進行多次波形采集，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。如果係統有抖動，通道CH3的K28.5同步字符的發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同步字符發生的時刻
，可以明顯看到時延的變化情況。


3）在示波器的Trigger Action裏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。隨後用戶可以對測量結果進行整理和統計分析。

[page]

六、測試結果分析

采用前述的測試方法在機房環境理對市麵上4家主流的設備廠商的無線接入網設備進行了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的真實業務。每次測試都是在約3分鍾的時間內進行30次測量並對結果進行統計分析。

測試結論如下：

采用OTN傳輸方案時，端到端由於設備造成的時延（扣除光纖時延以後）普遍在幾個us左右，抖動約在2～4ns不等。這可能由於有OTN的成幀解幀過程會造成一定的時延和抖動。收發端進行精確的時鍾同步可能有助於減小時延抖動。

采用彩光直驅方案時，端到端由於設備造成的時延（扣除光纖時延以後）普遍在幾百ns左右，抖動都<300ps。這可能由於直驅方式沒有數據處理
，所以時延和抖動都較小。

在機房環境下的短時間測量中
，改變不同的光纖長度造成的隻是絕對時延的變化
，對於抖動的影響幾乎很小（<100ps）。實際運營情況下由於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規範的8ns的要求。彩光直驅時由於設備本身造成的時延和抖動相比OTN傳輸時都要小一個數量級。采用 OTN方案時要重點關注在不同時鍾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。不過由於資源和時間所限，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境。

七、測試方案優缺點分析

這種基於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於150fs，考慮到解碼精度帶來的誤差總體測量精度小於1個數據bit周期（對於9.8304G的CPRI信號來說相當於約100ps）。yinci，zhezhongceshifangankeyizaimuqianmeiyouchengshuchuanshuceshiyibiaodejieduanyouxiaowanchengjingquedeshiyandoudongceliang，fangbianshebeichangshangzaiyanfajieduanjinxingshijiceshi，yekegongyunyingshangzaiqianqiguihuajieduanduibutongzuwangfanganjinxingpinggu。

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於BBR和RRU內部電路如SFP+

、PCIE、DDR、時鍾等接口的調試。

目(mu)前(qian)這(zhe)套(tao)測(ce)試(shi)方(fang)案(an)的(de)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu)還(hai)不(bu)是(shi)全(quan)自(zi)動(dong)的(de)參(can)數(shu)測(ce)試(shi)。測(ce)試(shi)前(qian)還(hai)需(xu)要(yao)手(shou)動(dong)進(jin)行(xing)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)設(she)置(zhi)，測(ce)試(shi)後(hou)還(hai)不(bu)能(neng)自(zi)動(dong)對(dui)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)統(tong)計(ji)分(fen)析(xi)。

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階段進行CPRI時shi延yan抖dou動dong進jin行xing摸mo底di測ce試shi的de需xu要yao
，以yi推tui動dong綠lv色se無wu線xian接jie入ru網wang的de商shang用yong化hua進jin程cheng。未wei來lai隨sui著zhe測ce試shi需xu求qiu的de進jin一yi步bu增zeng多duo，也ye有you可ke能neng把ba這zhe套tao測ce試shi方fang案an開kai發fa成cheng自zi動dong測ce試shi軟ruan件jian。

                                                                                                                                                                                          是德科技（中國）有限公司      李凱

相關閱讀：

借4G時代的光，遠程移動醫療成為可能

熱點探討！數字技術能否掌控4G基礎設施？