R&S無線前傳系統(tǒng)測試方案

唐松　羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

R&S無線前傳系統(tǒng)測試方案

唐松羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：無線前傳設(shè)備是為了滿足未來5G物聯(lián)網(wǎng)海量連接和增強(qiáng)覆蓋需求而生的一種新型基站前端數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司唐松所撰《R&S無線前傳系統(tǒng)測試方案》一文介紹了無線接入網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)的演進(jìn)和無線前傳的應(yīng)用需求，然后對R&S公司CPRI轉(zhuǎn)換模塊EX-IQ-Box配合信號與頻譜分析儀FSW測試無線前傳設(shè)備的測試方案和測試結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。隨著5G時代的到來，無線接入網(wǎng)基站必將迎來新的技術(shù)革新，各種技術(shù)也紛紛登場。由于海量終端需要接入，可以展望無線前傳設(shè)備在未來5G通信中具有廣泛的應(yīng)用。

無線前傳（WirelessFronghaul）設(shè)備是為了滿足未來5G物聯(lián)網(wǎng)海量連接和增強(qiáng)覆蓋需求而生的一種新型基站前端數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)。本文介紹了無線接入網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)的演進(jìn)和無線前傳的應(yīng)用需求，然后對R&S公司CPRI轉(zhuǎn)換模塊EX-IQ-Box配合信號與頻譜分析儀FSW測試無線前傳設(shè)備的測試方案和測試結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。

無線前傳；CPRI；EX-IQ-Box；信號與頻譜分析儀

1　無線接入網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)演進(jìn)概述

以前2G、3G通信時代的無線接入網(wǎng)基站架構(gòu)如圖1（左）所示，基站的射頻收發(fā)信機(jī)部分（RRU）和基帶處理部分（BBU）單元均放置在機(jī)房，室外天線和RRU之間采用同軸線連接。傳統(tǒng)基站部署網(wǎng)絡(luò)中，基站的擴(kuò)容是運(yùn)營商一個頭疼的大問題，這是由于傳統(tǒng)基站的各個模塊通常集成在一起，例如基帶單元和射頻單元通常是無法完全分離的。如果需要進(jìn)行擴(kuò)容，在基帶單元資源緊張的情況下，增加基帶單元的同時就必須增加射頻單元，導(dǎo)致無法避免地射頻單元的浪費(fèi)。此外，運(yùn)營商必須為機(jī)房配置UPS和空調(diào)冷卻，同軸線系統(tǒng)所需的放大器等器件的能耗也很大。

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，同軸線逐漸被光纖所取代。光纖不需要放大器等器件，并且?guī)捜萘看?，傳輸距離長。2003年6月，愛立信、華為、NEC、西門子和北電共同發(fā)起成立了CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線接口）標(biāo)準(zhǔn)化組織。CPRI是一種RFoverFibre的光纖通信技術(shù)，是基站內(nèi)部基帶單元和射頻單元之間的接口。BBU和RRU因此可以設(shè)計(jì)成單獨(dú)的模塊，基站接收到的載波數(shù)字化后通過標(biāo)準(zhǔn)的CPRI接口拉遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)分布式組網(wǎng)——即分布式基站，RRU從機(jī)房中移出，靠近天線放置在鐵塔上，如圖1（中）所示。分布式基站不僅帶來了快速便捷的網(wǎng)絡(luò)部署，而且光纖技術(shù)有利于大幅降低運(yùn)營商建網(wǎng)的成本。

圖1　傳統(tǒng)基站結(jié)構(gòu)（左），分布式基站結(jié)構(gòu)（中），云基站結(jié)構(gòu)（右）

借助于CPRI數(shù)據(jù)傳輸，一種新的C（entralized）-RAN出現(xiàn)了。它利用集中式BBU基帶池和分布式RRU的部署，通過CPRI接口在RRU和BBU之間傳輸數(shù)據(jù)。前傳（Fronghaul）就定義為基站RRU射頻前端將數(shù)字化后的基帶數(shù)據(jù)傳給基帶BBU進(jìn)行處理的鏈路。這種結(jié)構(gòu)可以經(jīng)濟(jì)而有效地降低無線接入網(wǎng)的建設(shè)和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的多點(diǎn)傳輸和接收技術(shù)、更靈活的多標(biāo)準(zhǔn)支持、更有效地應(yīng)對潮汐效應(yīng)，以及更好的RAN邊緣業(yè)務(wù)支持等。C（loud）-RAN是在C （entralized）-RAN的基礎(chǔ)上演進(jìn)的一種更優(yōu)化效率的結(jié)構(gòu)，基站部分物理層基帶信號處理（即前端）從集中化基帶池中分離，數(shù)字前端與RRU融合，回傳被集中協(xié)作處理的BBU取代，BBU基帶池對RRU來說成為虛擬的物理資源，形成“軟”基站，支持多標(biāo)準(zhǔn)通信和各種應(yīng)用層業(yè)務(wù)，即所謂的云化，如圖1（右）所示。一個集中式基帶池可以靈活擴(kuò)展支持10載波、100載波甚至更多，多個小區(qū)間可以靈活地進(jìn)行協(xié)作調(diào)度、處理以及分層協(xié)作，同時可以降低能源消耗、運(yùn)維成本。

如上文所述，前傳現(xiàn)在主要還是采用基于光纖的CPRI通信。但隨著5G時代的到來，大量的終端和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要通過基站接入網(wǎng)絡(luò)，終端龐大的數(shù)量會是4G時代的10倍以上，因此小基站和微基站部署的數(shù)量會呈爆發(fā)式增長。使用基于光纖的CPRI進(jìn)行數(shù)據(jù)前傳會導(dǎo)致部署成本高昂、布線擴(kuò)容復(fù)雜，于是采用無線前傳的需求應(yīng)運(yùn)而生。市場上現(xiàn)有的無線前傳設(shè)備一般工作在射頻（6GHz以下頻段）或毫米波（E-Band、V-Band）頻段，采用QAM高階調(diào)制方式進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)直射（LOS，Line of Sight）傳輸。以E Blink公司的無線前傳產(chǎn)品FL58為例，如圖2（右）所示，前傳設(shè)備和RRU、BBU連接的方式仍然采用CPRI接口，工作在5.8GHz頻段，在70MHz帶寬內(nèi)提供最高7.5Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。無線前傳擺脫了有線光纖的束縛，相當(dāng)于基站RRU的衍生和擴(kuò)展，并可以多級連接，覆蓋更多的熱點(diǎn)和建筑物盲區(qū)。

圖2　無線前傳的內(nèi)在需求（左）和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（右）

2　無線前傳設(shè)備的R&S測試方案

要使用通用的測量儀表對無線前傳設(shè)備進(jìn)行測試，首先需要解決CPRI接口轉(zhuǎn)換的問題。R&SEX-IQBox數(shù)字基帶接口模塊為R&S信號發(fā)生器和頻譜信號分析儀產(chǎn)品提供靈活的數(shù)字基帶輸入和輸出信號，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是將R&S的數(shù)字I/Q信號轉(zhuǎn)換成用戶自定義或標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號格式，或反之。EX-IQBox內(nèi)置任意波形發(fā)生器（ARB選件），能播放由R&S 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(dá)4個不同的信號傳輸。R&SEX-IQBox加配CPRI接口擴(kuò)展板選件后，EX-IQ-Box能產(chǎn)生和接收符合CPRI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字IQ數(shù)據(jù)，模擬BBU或RRU工作狀態(tài)。如圖3所示，EX-IQ-Box能單獨(dú)進(jìn)行上行或下行測試，也可以支持上/下行并行測試。此外，EX-IQBox也可以實(shí)時地插入CPRI協(xié)議規(guī)定的C&M信息。CPRI接口板的配置主要通過R&S的DigIConf配置軟件來完成。

無線前傳設(shè)備測試組網(wǎng)如圖4所示，使用EX-IQ-Box替代BBU（上行測試）或RRU（下行測試），發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的LTE和WCMDA信號，通過CPRI接口送進(jìn)無線前傳設(shè)備發(fā)射。在接收端可采用另一臺EXIQ-Box替代RRU或BBU，把CPRI信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶IQ信號后，通過數(shù)據(jù)基帶接口送進(jìn)信號分析儀（如R&SFSW信號與頻譜分析儀）進(jìn)行解調(diào)和分析，得到如頻譜圖、ACLR、EVM、信噪比和星座圖等典型發(fā)射機(jī)測試結(jié)果和指標(biāo)。

3　無線前傳設(shè)備測試典型設(shè)置和測試結(jié)果

首先在R&SWINSIM2波形文件制作軟件中產(chǎn)生LTE和WCDMA信號波形文件。由R&SWINSIM2產(chǎn)生的LTE和WCDMA波形文件，通過DigIConf配置軟件加載到信號發(fā)生側(cè)的EX-IQ-Box的內(nèi)置任意波形發(fā)生器中，具體參見圖5，最多可加載4個不同信號的波形文件。加載波形后可讀出采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)和信號峰均比。

在控制軟件“DigIConf”的“Downlink（TX）”設(shè)置標(biāo)簽頁中設(shè)置IQ電信號到CPRI光信號的映射（見圖6）。需要設(shè)置的參數(shù)較多，具體方法和步驟請參考R&S公司網(wǎng)站的應(yīng)用指南“CPRI RE Testing”（編號1GP78）。在這里加載了LTE和WCDMA兩個信號來模擬基站的多載波或多模的工作場景。分析側(cè)的EXIQ-Box需要把“Mode”切換為CPRIRECTest。由于使用信號分析儀解調(diào)，信號輸出接口選擇“DIGIQOUT 2”，其余的CPRI設(shè)置和信號發(fā)生側(cè)的EX-IQ-Box保持一致。最后，打開激活所有的設(shè)置即配置成功。

圖3　R&SEX-IQox替代RRU/BBU測試BBU/RRU的組網(wǎng)圖

圖4　R&SEX-IQBox替代RRU或BBU測試無線前傳設(shè)備的組網(wǎng)圖

圖5　R&SEX-IQBox模擬BBU或RRU產(chǎn)生信號的設(shè)備界面

圖6　R&SEX-IQBoxCPRI產(chǎn)生信號的設(shè)備界面

信號解調(diào)分析目前只支持同時對一個AoC的分析，多個AoC需要分時進(jìn)行。圖7（上）和（下）是EXIQ-Box將無線前傳設(shè)備接收側(cè)的CPRI信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字IQ信號后，信號與頻譜分析儀FSW對10MHz帶寬的LTE信號和WCDMA信號的基帶IQ頻譜測試和解調(diào)結(jié)果，信號的EVM經(jīng)無線前傳設(shè)備后仍然保持0.36％和0.17％。

4　結(jié)束語

隨著5G時代的到來，無線接入網(wǎng)基站必將迎來新的技術(shù)革新，各種技術(shù)也紛紛登場。由于海量終端需要接入，可以展望無線前傳設(shè)備在未來5G通信中具有廣泛的應(yīng)用。使用R&SEX-IQ-Box配合頻譜與信號分析儀能夠完成對無線前傳設(shè)備的研發(fā)和測試。

圖7　無線前傳設(shè)備測試結(jié)果——LTE（上）和WCDMA（下）