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)。本文首先介紹了無線接入網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)的演進(jìn)和無線前傳的應(yīng)用需求。接下來介紹了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。
1.無線接入網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)演進(jìn)概述
以前的2G、3G通信時(shí)代的無線接入網(wǎng)基站架構(gòu)如下圖一(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(gè)頭疼的大問題,這是由于傳統(tǒng)基站的各個(gè)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(shí)就必須增加射頻單元,導(dǎo)致無法避免地射頻單元浪費(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)捜萘看螅瑐鬏斁嚯x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RF over Fibre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,如圖一(中)所示。分布式基站不僅帶來了快速便捷的網(wǎng)絡(luò)部屬,而且光纖技術(shù)有利于大幅降低運(yùn)營商建網(wǎng)的成本。
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)而有效的方式降低無線接入網(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,如圖一(右)所示。一個(gè)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(gè)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(shí)可以降低能源消耗、運(yùn)維成本。
圖一.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)
如前文所述,前傳現(xiàn)在主要還是采用基于光纖的CPRI通信。但隨著5G時(shí)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(shí)代的10倍以上,因此小基站和微基站部署的的數(shù)量會爆發(fā)式增長。再使用基于光纖的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EBlink公司的無線前傳產(chǎn)品FL58為例,如圖二(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7.5Gbps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)。
圖二.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&S EX-IQ-Box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)換成用成用戶自定義或標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號格式,或反之。EX-IQ-Box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(shí)可以支持多達(dá)4個(gè)不同的信號傳輸。R&S EX-IQ Box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)。如圖三所示,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-IQ Box也可以實(shí)時(shí)的插入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。
圖三. R&S EX-IQ Box替代RRU/BBU測試BBU/RRU的組網(wǎng)圖
無線前傳設(shè)備測試組網(wǎng)圖如圖四所示的,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EX-IQ-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&S FSW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)。
圖四. R&S EX-IQ Box替代RRU或BBU測試無線前傳設(shè)備的組網(wǎng)圖
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&S WINSIM2波形文件制作軟件中產(chǎn)生LTE和WCDMA信號波形文件。由R&S WINSIM2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,如圖五所示,最多可加載四個(gè)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。
圖五. R&S EX-IQ Box模擬BBU或RRU產(chǎn)生信號的設(shè)置界面
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(圖六)。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)。在這里我們加載了LTE和WCDMA兩個(gè)信號來模擬基站的多載波或多模的工作場景。分析側(cè)的EX-IQ-Box需要把“Mode”切換為CPRI REC Test。由于使用信號分析儀解調(diào),信號輸出接口選擇“DIG IQ OUT 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。
圖六. R&S EX-IQ Box CPRI信號產(chǎn)生的設(shè)置界面
信號解調(diào)分析的目前只支持同時(shí)對一個(gè)AoC的分析,多個(gè)AoC需要分時(shí)進(jìn)行。圖七(上)和(下)是EX-IQ-Box將無線前設(shè)備傳接收側(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%。
圖七. 無線前傳設(shè)備測試結(jié)果——LTE(上)和WCDMA(下)
4.小結(jié)
隨著5G時(shí)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&S EX-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。
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