CPRI原理及测试解决方案

CPRI原理及测试解决方案（一）
摘要
分布式基站的基本结构与传统一体化基站有很大的不同，它将基站的基带部分(BBU/REC)和射频部分(RRU/RE/RRH)分离，分别作为单独的部分。

这种分布式结构具有配置灵活、工程建设方便、环境适应性强等优点，应用越来越广泛。

为了规范BBU和RRU 之间的接口标准，CPRI(Common Public Radio Interface)协议应运而生。

目前，CPRI 接口的测试已经成为业界关注的焦点。

R&S公司基于其强大的技术实力，于业界首先推出了基于CPRI接口的RRU和BBU测试解决方案，进一步完善了基站领域的测试需求，可以更好地为运营商、基站设备商、直放站厂商和检测机构提供相应的测试服务。

1 引言
基站是由多个功能部分组成的，其中最主要的两个部分是基带部分和射频部分。

但在实用传统基站部署的网络中，基站的扩容却是运营商头疼的大问题。

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，如果在基带单元资源紧张的情况下，需要进行扩容，增加基带单元的同时就必须增加射频单元，这将无法避免地导致射频部分的浪费。

而如果基站可以实现基站内的单元模块化，各模块之间各自独立，在上述情况下，就可以根据实际需要，实现只增加基带资源不增加射频资源的灵活配置，从而节省大量的设备成本。

现在新的3G/4G基站采用了开放架构，主要就是指基站的基带部分和射频部分之间采用了开放式的接口和标准协议，可分开放置；模块化则是开放架构概念的一种延伸，主要指基站的基带部分和射频部分无论从硬件还是软件上都自成一体，具有自己的功能，基带部分和射频部分相互独立。

图1所示为新一代开放式基站框图。

图1 开放式基站框图
2003年6月，爱立信，华为，NEC，西门子和北电共同发起成立了通用公共无线接口(Common Public Radio Interface，CPRI)标准化组织。

CPRI接口是指基站内部基带单元和射频单元之间的接口，该组织成立的主要目的就是制定这个接口的标准协议，从而使该接口开放化、公开化。

新一代基站可以把宏基站的部分载波通过标准的CPRI接口拉远实现分布式组网。

同时，新一代基站出现了一种崭新的基站形态——分布式基站，基带处理部分(BBU)和射频收发信机部分(RRU)设计成单独的模块，分布式基站不仅带来了快速、便捷的网络部署，而且有利于大幅降低运营商建网的成本，逐步成为运营商关注的焦点。

基于CPRI的广泛发展，如何进行CPRI接口测试已成为业界关注的焦点。

2 CPRI基本原理
2.1 CPRI的物理层定义
CPRI定义物理层(Layer 1)和数据链路层(Layer 2)协议，服务于用户、控制和管理以及同步平台信息在REC和RE之间或两个RE之间的传输。

图2所示为CPRI的结构。

图2 CPRI的结构
CPRI接口支持以下类型的信息流：
（1）IQ数据
用户平台信息所用的同相和正交调制下的数据(数字基带信号)格式。

（2）同步
用于帧和时间调整的同步数据。

（3）层1带内协议
与链路有关且直接被物理层传送的信号传输信息。

用于系统启动、物理层链路维护和与物理层用户数据密切联系的时间关键信息的传输。

（4）厂商特定信息
这种信息流是为厂商特定信息保留的。

用户平台信息以IQ数据模式传送。

不同的天线载波的IQ数据在电或光传输线上被时
分复用方案传输。

C&M数据被作为频带协议(时间关键信息化数据)或层3协议(非CPRI
规范所定义，位于适当的数据链路层顶部)传送。

CPRl支持两种不同的用于C&M数据传送的数据链路层协议——HDLC的子集和以太网。

一些附加的C&M数据与IQ数据一起定时多路传输。

最后，另外的时段可以用于传送任何类型的厂商特定信息。

目前，新一代基站中的基站基带单元和射频单元之间采用标准CPRI接口，通过光纤将基带单元和射频单元相连，使系统具有开放式的架构。

此外，基带部分由于采用了资源池设计，通过增加资源处理板的方式就可以支持平滑扩展。

由于射频和基带模块间的独立性，这两个模块的增加是完全可以分开进行的，不必涉及到另一个模块，从根本上节约了成本。

过去一直让运营商头疼的扩容问题，就这样简单地被解决了。

2.2 CPRI的基本帧结构
CPRI的链路层定义了一个同步的帧结构。

帧结构中最重要的概念是基本帧和超帧。

基
本帧的频率是3.84MHz，每个基本帧包含16个时隙，根据线路速率的不同，时隙的大小分别是1B，2B，4B。

基本帧的第1个时隙是特殊的控制时隙，它的具体作用在超帧中定义，而其余的15个时隙是IQ数据时隙，供基站安排需要传送的IQ复用流。

用户平台IQ 数据所要求的采样宽度依赖于应用层面。

该规范提供了通用的映射机制来实现所需采样宽度，上行链路数据宽度在4~l0b间可选，下行链路数据宽度在8~20b间可选。

定义超帧的目的是为CPRI协议增加控制和同步功能。

每256个基本帧构成一个超帧。

同时，每150个超帧可以构成一个无线帧。

256个基本帧的第0时隙共同构成矩形的超帧控制结构。

这个控制结构中，逐级嵌套的256个控制字按每4个字一组编为64个子信道。

子信道序号Ns=0～63，每个子信道里的控制字序号Xs=0～3，一个嵌套里的控制字序号X=Ns+64×Xs，即每个子通道内的相邻时隙，相互间隔是64个基本帧长度。

同步字节是固定的控制字符k28.5，在8b，10b编解码中作为超帧和基本帧的定位字符。

一旦解码模块发现了同步字节，可以根据基本帧与超帧的固定关系推导出时隙结构。

超帧号和基站帧号用于与基站的同步。

CPRl支持两种不同类型的C&M信道：
●C&M信道选项1：慢速C&M信道，基于高速数据链路控制(HDLC)。

●C&M信道选项2：快速C&M信道，基于以太网(Ethernet)。

慢速C&M子通道用于传送控制和管理类的HDLC帧。

CPRI规范定义的HDLC的链路速率最低达240kbit/s，最高达1920kbit/s。

线路告警字节主要发送远端告警、信号丢失、帧丢失等物理层的告警信息。

CPRI规范中同时定义了快速C&M通道，快速C&M通道的
起始子通道由以太网指针P字节来定义。

2.3 CPRI工作流程
从整个CPRI的工作过程而言，最重要的是如图3所示启动状态机的启动过程，不仅需要硬件支持，而且还要有软件的参与才能完成整个状态机的迁移过程。

图3 CPRI的启动过程
同时，作为室内单元(IDU)和室外单元(ODU)在实现上也会有所不同，IDU是Master 模式，负责主要参数的下发、协商等，ODU是Slave模式，负责对下发参数进行响应。

而且Master和Slave模式在上面状态机的处理上有所不同。

（待续）
3 R&S公司的CPRI测试解决方案
3.1 新版EX-IQ Box及CPRI接口板简介
传统的EX-IQ Box主要用于R&S仪表和客户设备之间通用的数字IQ接口转换，用户可以根据自己或R&S提供的接口板将自己的数字IQ格式转换为R&S的TVR290接口可识别的数字IQ格式。

而目前CPRI，OBSAI和DigRF 3G/4G等数字接口已经广泛应用于开放式基站、终端和其他高速应用场合，而且需要支持如MIMO这样多个数据流传输的应用模式。

为了满足相应的测试需求，R&S在更新后的EX-IQ Box上提供了关于CPRI，OBSAI和DigRF 3G/4G数字接口的测试解决方案。

更新后的EX-IQ Box比原先的版本具有更高的处理能力：除原有的应用之外，新的EX-IQ Box可以支持如CPRI、OBSAI 和DigRF 3G/4G等数字接口标准。

因为最新的数字IQ标准需要配置更多的参数，如果无法在信号源里进行直接设置，而控制电脑可以方便地通过USB接口用相应的控制软件对EX-IQ Box的数字接口进行配置。

加配B85（CPRI接口版）选件后，EX-IQ Box可以产生和接收符合CPRI协议标准的数字IQ数据。

R&S的测试方案可以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，也可以实时到插入CPRI协议规定的C&M信息。

对于CPRI接口板的配置主要通过R&S的DigIConf配置软件来完成。

图4为基于R&S的EX-IQ Box配合信号源和信号分析仪的CPRI测试框图。

新版的EX-IQ Box可以和矢量源与矢量信号分析仪连接完成RRU上/下行测试。

图5为基于EX-IQ Box和CPRI接口板的完整的RRU测试框图。

图4 基于R&S的EX-IQ Box配合信号源和信号分析仪的CPRI测试框图
图5 基于EX-IQ Box和CPRI接口板的完整的RRU测试框图
3.2 基于ARB模式的经济型CPRI测试方案
EX-IQ Box也可以通过ARB选件（R&S?EXBOX-K90/-K91）来播放原先由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。

另外，配置R&S的信号源和信号分析仪后，EX-IQ Box也可以直接利用信号源原有的功能（如数字通信标准、衰落和AWGN等）和信号分析仪原有的功能（ACP，EVM等），因此在配置信号源及信号分析仪的基础上可以根据客户的需求灵活地配置测试解决方案。

同时，EX-IQ Box也可以通过R&S?EXBOX-K94选件记录数据，然后用户可以通过自己的分析工具如Matlab或C++等对测试信号进行分析。

这样，客户无需任何分析选件即可完成相应的分析，进而节约更多的成本。

目前，R&S的测试方案可以支持CPRI接口的BBU和RRU测试。

图6所示为基于R&S 公司EX-IQ Box的RRU/BBU的测试方案。

图6 R&S公司EX-IQ Box的RRU/BBU的测试方案
4 CPRI测试实例
基于R&S公司的CPRI测试方案，可以方便地完成商用RRU的CPRI测试，图7为Radiocom公司RRU的测试框图。

被测RRU可以支持双天线和Passive Link模式。

图7 Radiocom公司RRU的测试框图
4.1 基于CPRI测试方案的RRU下行测试
为了进一步验证被测RRU的性能，测试信号采用LTE信号。

对于被测RRU的下行CPRI 信号测试：矢量源SMU基带产生下行的LTE数字IQ信号，由TVR290数字接口输出，通过EX-IQ Box和接口板将数字IQ转换成符合CPRI协议的信号，然后通过光纤送到被测RRU的CPRI接口，再通过被测RRU转换成射频信号，最后由矢量信号分析仪上的LTE 解调选件测试相关技术指标。

测试实物图参见图8。

图8 CPRI 下行测试实物图
4.2 基于CPRI测试方案的RRU上行测试
对于RRU上行CPRI测试：矢量源SMU基带产生上行LTE信号，由射频口输出，送至被测RRU将射频信号转换为CPRI接口输出，再通过EX-IQ Box和CPRI接口板将其转换为数字IQ信号，最后矢量信号分析仪在LTE选件中通过TVR290数字接口分析其相应指标和性能。

测试实物图参见图9。

图9 CPRI 上行测试实物图
由于测试设备可能引入测试误差，因此R&S的CPRI测试方案支持Loopback模式，图10为Loopback模式设置框图。

在Loopback模式下，可以直接连接测试设备的数字IQ接口，由此可以判断测试结果是否由被测设备引起，进而验证测试的准确性。

此外，EX-IQ
Box支持Passive Link模式。

对于支持Passive Link模式的RRU，可以通过RRU本身的配置软件控制被测设备而无需由DigIConf软件发送相应的C&M指令，完成相应的CPRI 接口测试。

图10 EX-IQ Box支持的Loopback模式设置框图
5 CPRI测试方案选件信息
图11所示为R&S公司CPRI测试方案的选件信息。

客户可以根据不同的移动通信标准选择相应的ARB选件。

此外，也可以配合已有的矢量源和矢量信号分析仪自带的实时选件，完成相应的CPRI测试。

图11 R&S公司EX-IQ Box的RRU/BBU的测试方案图
6 结束语
通过Radiocom公司商用RRU的测试实例表明：基于R&S公司的CPRI测试方案，用户可以在研发、认证和生产阶段直接通过CPRI接口对基站的RRU和BBU进行相应的测试，同时可以支持3GPP FDD (包括HSDPA，HSUPA，HSPA+)，LTE，WiMAX 和cdma2000等通信标准，也可以根据客户的特殊需求通过手动的方式进行自定义配置，大
大节约了产品发布的时间和人力资源。

可以满足包括运营商、基站设备商和直放站厂商、检测机构的CPRI测试需求。