R&S無線前傳系統測試方案

唐松　羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術專欄

R&S無線前傳系統測試方案

唐松羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

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

無線前傳（WirelessFronghaul）設備是為了滿足未來5G物聯網海量連接和增強覆蓋需求而生的一種新型基站前端數據無線傳輸技術。本文介紹了無線接入網基站結構的演進和無線前傳的應用需求，然后對R&S公司CPRI轉換模塊EX-IQ-Box配合信號與頻譜分析儀FSW測試無線前傳設備的測試方案和測試結果進行了分析和研究。

無線前傳；CPRI；EX-IQ-Box；信號與頻譜分析儀

1　無線接入網基站結構演進概述

以前2G、3G通信時代的無線接入網基站架構如圖1（左）所示，基站的射頻收發信機部分（RRU）和基帶處理部分（BBU）單元均放置在機房，室外天線和RRU之間采用同軸線連接。傳統基站部署網絡中，基站的擴容是運營商一個頭疼的大問題，這是由于傳統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。如果需要進行擴容，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，導致無法避免地射頻單元的浪費。此外，運營商必須為機房配置UPS和空調冷卻，同軸線系統所需的放大器等器件的能耗也很大。

隨著光纖通信技術的發展，同軸線逐漸被光纖所取代。光纖不需要放大器等器件，并且帶寬容量大，傳輸距離長。2003年6月，愛立信、華為、NEC、西門子和北電共同發起成立了CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線接口）標準化組織。CPRI是一種RFoverFibre的光纖通信技術，是基站內部基帶單元和射頻單元之間的接口。BBU和RRU因此可以設計成單獨的模塊，基站接收到的載波數字化后通過標準的CPRI接口拉遠實現分布式組網——即分布式基站，RRU從機房中移出，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絡部署，而且光纖技術有利于大幅降低運營商建網的成本。

圖1　傳統基站結構（左），分布式基站結構（中），云基站結構（右）

借助于CPRI數據傳輸，一種新的C（entralized）-RAN出現了。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之間傳輸數據。前傳（Fronghaul）就定義為基站RRU射頻前端將數字化后的基帶數據傳給基帶BBU進行處理的鏈路。這種結構可以經濟而有效地降低無線接入網的建設和維護成本，實現先進的多點傳輸和接收技術、更靈活的多標準支持、更有效地應對潮汐效應，以及更好的RAN邊緣業務支持等。C（loud）-RAN是在C （entralized）-RAN的基礎上演進的一種更優化效率的結構，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，數字前端與RRU融合，回傳被集中協作處理的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，支持多標準通信和各種應用層業務，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展支持10載波、100載波甚至更多，多個小區間可以靈活地進行協作調度、處理以及分層協作，同時可以降低能源消耗、運維成本。

如上文所述，前傳現在主要還是采用基于光纖的CPRI通信。但隨著5G時代的到來，大量的終端和物聯網設備需要通過基站接入網絡，終端龐大的數量會是4G時代的10倍以上，因此小基站和微基站部署的數量會呈爆發式增長。使用基于光纖的CPRI進行數據前傳會導致部署成本高昂、布線擴容復雜，于是采用無線前傳的需求應運而生。市場上現有的無線前傳設備一般工作在射頻（6GHz以下頻段）或毫米波（E-Band、V-Band）頻段，采用QAM高階調制方式進行點對點直射（LOS，Line of Sight）傳輸。以E Blink公司的無線前傳產品FL58為例，如圖2（右）所示，前傳設備和RRU、BBU連接的方式仍然采用CPRI接口，工作在5.8GHz頻段，在70MHz帶寬內提供最高7.5Gbit/s的數據速率。無線前傳擺脫了有線光纖的束縛，相當于基站RRU的衍生和擴展，并可以多級連接，覆蓋更多的熱點和建筑物盲區。

圖2　無線前傳的內在需求（左）和系統結構圖（右）

2　無線前傳設備的R&S測試方案

要使用通用的測量儀表對無線前傳設備進行測試，首先需要解決CPRI接口轉換的問題。R&SEX-IQBox數字基帶接口模塊為R&S信號發生器和頻譜信號分析儀產品提供靈活的數字基帶輸入和輸出信號，它的主要應用領域是將R&S的數字I/Q信號轉換成用戶自定義或標準化的數字信號格式，或反之。EX-IQBox內置任意波形發生器（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4個不同的信號傳輸。R&SEX-IQBox加配CPRI接口擴展板選件后，EX-IQ-Box能產生和接收符合CPRI協議標準的數字IQ數據，模擬BBU或RRU工作狀態。如圖3所示，EX-IQ-Box能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，EX-IQBox也可以實時地插入CPRI協議規定的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。

無線前傳設備測試組網如圖4所示，使用EX-IQ-Box替代BBU（上行測試）或RRU（下行測試），發射標準的LTE和WCMDA信號，通過CPRI接口送進無線前傳設備發射。在接收端可采用另一臺EXIQ-Box替代RRU或BBU，把CPRI信號轉換為數字基帶IQ信號后，通過數據基帶接口送進信號分析儀（如R&SFSW信號與頻譜分析儀）進行解調和分析，得到如頻譜圖、ACLR、EVM、信噪比和星座圖等典型發射機測試結果和指標。

3　無線前傳設備測試典型設置和測試結果

首先在R&SWINSIM2波形文件制作軟件中產生LTE和WCDMA信號波形文件。由R&SWINSIM2產生的LTE和WCDMA波形文件，通過DigIConf配置軟件加載到信號發生側的EX-IQ-Box的內置任意波形發生器中，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、采樣點數和信號峰均比。

在控制軟件“DigIConf”的“Downlink（TX）”設置標簽頁中設置IQ電信號到CPRI光信號的映射（見圖6）。需要設置的參數較多，具體方法和步驟請參考R&S公司網站的應用指南“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。分析側的EXIQ-Box需要把“Mode”切換為CPRIRECTest。由于使用信號分析儀解調，信號輸出接口選擇“DIGIQOUT 2”，其余的CPRI設置和信號發生側的EX-IQ-Box保持一致。最后，打開激活所有的設置即配置成功。

圖3　R&SEX-IQox替代RRU/BBU測試BBU/RRU的組網圖

圖4　R&SEX-IQBox替代RRU或BBU測試無線前傳設備的組網圖

圖5　R&SEX-IQBox模擬BBU或RRU產生信號的設備界面

圖6　R&SEX-IQBoxCPRI產生信號的設備界面

信號解調分析目前只支持同時對一個AoC的分析，多個AoC需要分時進行。圖7（上）和（下）是EXIQ-Box將無線前傳設備接收側的CPRI信號轉換為數字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頻譜測試和解調結果，信號的EVM經無線前傳設備后仍然保持0.36％和0.17％。

4　結束語

隨著5G時代的到來，無線接入網基站必將迎來新的技術革新，各種技術也紛紛登場。由于海量終端需要接入，可以展望無線前傳設備在未來5G通信中具有廣泛的應用。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備的研發和測試。

圖7　無線前傳設備測試結果——LTE（上）和WCDMA（下）