关于S无线前传系统测试方案的介绍和应用

无线前传设备是为了满足未来5G物联网海量连接和增强覆盖需求而生的一种新型基站前端数据无线传输技术。本文首先介绍了无线接入网基站结构的演进和无线前传的应用需求。接下来介绍了R&S公司CPRI转换模块EX-IQ-Box配合信号与频谱分析仪FSW测试无线前传设备的测试方案和测试结果。

1．无线接入网基站结构演进概述

以前的2G、3G通信时代的无线接入网基站架构如下图一（左）所示，基站的射频收发信机部分（RRU）和基带处理部分（BBU）单元均放置在机房，室外天线和RRU之间采用同轴线连接。传统基站部署网络中，基站的扩容是运营商一个头疼的大问题，这是由于传统基站的各个模块通常是集成在一起的，例如基带单元和射频单元通常是无法完全分离的。如果需要进行扩容，在基带单元资源紧张的情况下，增加基带单元的同时就必须增加射频单元，导致无法避免地射频单元浪费。此外，运营商必须为机房配置UPS和空调冷却，同轴线系统所需的放大器等器件的能耗也很大。

随着光纤通信技术的发展，同轴线逐渐被光纤所取代。光纤不需要放大器等器件，并且带宽容量大，传输距离长。2003年6月，爱立信、华为、NEC、西门子和北电共同发起成立了CPRI(Common Public Radio Interface，通用公共无线接口)标准化组织。CPRI是一种RF over Fibre的光纤通信技术，是基站内部基带单元和射频单元之间的接口。BBU和RRU因此可以设计成单独的模块，基站接收到的载波数字化后通过标准的CPRI接口拉远实现分布式组网——即分布式基站，RRU从机房中移出，靠近天线放置在铁塔上，如图一（中）所示。分布式基站不仅带来了快速便捷的网络部属，而且光纤技术有利于大幅降低运营商建网的成本。

借助于CPRI数据传输，一种新的C(entralized)-RAN出现了。它利用集中式BBU基带池和分布式RRU的部署，通过CPRI接口在RRU和BBU之间传输数据。前传（fronghaul）就定义为基站RRU射频前端将数字化后的基带数据传给基带BBU进行处理的链路。这种结构可以经济而有效的方式降低无线接入网的建设和维护成本，实现先进的多点传输和接收技术、更灵活的多标准支持、更有效地应对潮汐效应、以及更好的RAN 边缘业务支持等。C(loud)-RAN是在C(entralized)-RAN的基础上演进的一种更优化效率的结构，基站部分物理层基带信号处理（即前端）从集中化基带池中分离，数字前端与RRU融合，回传被集中协作处理的BBU取代，BBU基带池对RRU来说成为虚拟的物理资源，形成“软”基站，支持多标准通信和各种应用层业务，即所谓的云化，如图一（右）所示。一个集中式基带池可以灵活扩展支持10载波、100载波甚至更多，多个小区间可以灵活地进行协作调度、处理以及分层协作，同时可以降低能源消耗、运维成本。

图一.传统基站结构（左），分布式基站结构（中），云基站结构（右）

如前文所述，前传现在主要还是采用基于光纤的CPRI通信。但随着5G时代的到来，大量的终端和物联网设备需要通过基站接入网络，终端庞大的数量会是4G时代的10倍以上，因此小基站和微基站部署的的数量会爆发式增长。再使用基于光纤的CPRI进行数据前传会导致部署成本高昂、布线扩容复杂。于是，采用无线前传的需求应运而生。市场上现有的无线前传设备一般工作在射频（6GHz以下频段）或毫米波（E-band、V-band）频段，采用QAM高阶调制方式进行点对点直射（LOS，Line of Sight）传输。以EBlink公司的无线前传产品FL58为例，如图二（右）所示，前传设备和RRU、BBU连接的方式仍然采用CPRI接口，工作在5.8GHz频段，在70MHz带宽内提供最高7.5Gbps的数据速率。无线前传摆脱了有线光纤的束缚，相当于基站RRU的衍生和扩展，并可以多级连接，覆盖更多的热点和建筑物盲区。

图二.无线前传的内在需求（左）和系统结构图（右）

2．无线前传设备的R&S测试方案

要使用通用的测量仪表对无线前传设备进行测试，首先需要解决CPRI接口转换的问题。R&S EX-IQ-Box数字基带接口模块为R&S信号发生器和频谱信号分析仪产品提供灵活的数字基带输入和输出信号，它的主要应用领域是将R&S的数字I/Q信号转换成用成用户自定义或标准化的数字信号格式，或反之。EX-IQ-Box内置任意波形发生器（ARB选件），能播放由R&S WinIQSim2、Matlab或其他工具软件生成的波形文件，并且在CPRI接口上同时可以支持多达4个不同的信号传输。R&S EX-IQ Box加配CPRI接口扩展板选件后，EX-IQ-Box能产生和接收符合CPRI协议标准的数字IQ数据，模拟BBU或RRU工作状态。如图三所示，EX-IQ-Box能单独进行上行或下行测试，也可以支持上下行并行测试。此外，EX-IQ Box也可以实时的插入CPRI协议规定的C&M信息。CPRI接口板的配置主要通过R&S的DigIConf配置软件来完成。

图三. R&S EX-IQ Box替代RRU/BBU测试BBU/RRU的组网图

无线前传设备测试组网图如图四所示的，使用EX-IQ-Box替代BBU（上行测试）或RRU（下行测试），发射标准的LTE和WCMDA信号，通过CPRI接口送进无线前传设备发射。在接收端可采用另一台EX-IQ-Box替代RRU或BBU，把CPRI信号转换为数字基带IQ信号后，通过数据基带接口送进信号分析仪（如R&S FSW信号与频谱分析仪）进行解调和分析，得到如频谱图、ACLR、EVM、信噪比和星座图等典型发射机测试结果和指标。

图四. R&S EX-IQ Box替代RRU或BBU测试无线前传设备的组网图

3．无线前传设备测试典型设置和测试结果

首先在R&S WINSIM2波形文件制作软件中产生LTE和WCDMA信号波形文件。由R&S WINSIM2产生的LTE和WCDMA波形文件，通过DigIConf配置软件加载到信号发生侧的EX-IQ-Box的内置任意波形发生器中，如图五所示，最多可加载四个不同信号的波形文件。加载波形后可读出采样率、采样点数和信号峰均比。

图五. R&S EX-IQ Box模拟BBU或RRU产生信号的设置界面

在控制软件“DigIConf”的“Downlink(TX)”设置标签页中设置IQ电信号到CPRI光信号的映射（图六）。需要设置的参数较多，具体方法和步骤请参考R&S公司网站的应用指南“CPRI RE Testing”(编号1GP78)。在这里我们加载了LTE和WCDMA两个信号来模拟基站的多载波或多模的工作场景。分析侧的EX-IQ-Box需要把“Mode”切换为CPRI REC Test。由于使用信号分析仪解调，信号输出接口选择“DIG IQ OUT 2”，其余的CPRI设置和信号发生侧的EX-IQ-Box保持一致。最后打开激活所有的设置即配置成功。

图六. R&S EX-IQ Box CPRI信号产生的设置界面

信号解调分析的目前只支持同时对一个AoC的分析，多个AoC需要分时进行。图七（上）和（下）是EX-IQ-Box将无线前设备传接收侧的CPRI信号转换为数字IQ信号后，信号与频谱分析仪FSW对10MHz带宽的LTE信号和WCDMA信号的基带IQ频谱测试和解调结果，信号的EVM经无线前传设备后仍然保持0.36%和0.17%。

图七. 无线前传设备测试结果——LTE（上）和WCDMA（下）

4．小结

随着5G时代的到来，无线接入网基站必将迎来新的技术革新，各种技术也纷纷登场。由于海量终端需要接入，可以展望无线前传设备在未来5G通信中具有广泛的应用。使用R&S EX-IQ-BOX配合频谱与信号分析仪能够完成对无线前传设备的研发和测试。