现代无线基础设施系统使用运行 CPRI(普通公共射频接口)协议的光纤传输频率、相位、复合数据和控制信息。人们对无线数据的需求一直在呈指数式增加。运营商和设备供应商都在努力设法减小在基带单元和无线单元之间运行多根高数据速率光纤所需的资本投资和运维成本。

 

本文描述了一种针对高斯类波形使用 Mu-law 压缩的方法——例如 CPRI 接口中使用的基带 IQ 数据。Mu-law 压缩在音频应用中很常见,实现效率很高,但对基带信号来说在保真度方面会有过多的损失。这种灵活的压缩机制应用于标准 LTE(长期演进)测试波形时具有 2:1 的压缩比,而且误差矢量幅度(EVM)不到 1%。


引言

典型的 LTE 宏无线基站系统由两部分组成:基带处理和无线部分。这两部分一般通过光纤通道连接,协议接口由名为 CPRI 的公开规范所确定。在这个规范中,这些块被定义为无线设备控制器(REC)和无线设备(RE),见图 1。另外一种类似的接口是开放基站架构计划(OBSAI)。

 

CPRI 定义了各种拓扑,包括点到点,点到多点,链和环。CPRI 可以传输同步、控制和管理(C&M)和基带 IQ 数据。

 

图 1:无线设备控制器到无线设备的接口。

 

背景

CPRI 是由行业内具有紧密合作关系的一些 OEM 厂商定义的。CPRI 最早是针对 3GPPUTRA(UMTS)开发的,但随后经扩展覆盖了 WiMAX、3GPPE-UTRA(LTE)和 3GPPGSM。随着无线标准的演进,IQ 数据的带宽需求有了极大地提高。

 

不断增长的带宽需求。

 

采样率、天线数量和无线设备数量的增加推动 CPRI 标准几乎每两年提高一倍的带宽,见图 2 和表 1。这种带宽的增加推高了数字实现(逻辑和收发器)和光学部分(激光器模块和光纤)的成本。最新的 CPRIV6.0 版本标准已经引入了 10.1376Gbps 链路,而且使用 66b64b 编码代替其它线路速率使用的 8b10b 编码提高了这种速率链路的效率。效率的提高是非常令人满意的。

 

随时间推移不断上升的 CPRI 速率。

 

本文介绍了一种压缩 IQ 数据的方法,它能减少传输的数据量,同时在保真度方面的损失相对较小。

 

Mu-law 压缩

Mu-law 压缩是一种在规定数字范围内重新分布数值的方法,当随后的量化执行完成后,它能保证信号保真方面的损失最小。重新分布是用一个对数函数从零扩展数字完成的。扩展率通过选择常数 Mu_compand_val 进行控制。

 

 

Mu-law 压缩常用于音频压缩方案中,是 ITU-T 建议 G.711 和 G.191 的推荐方法。在这些音频压缩方案中,规定了 Mu_compand_val=255 的上限值。它通过直接比特移位实现 2n 指数和分段线性近似,其中移位的数量取决于指数值(见表 2)。图 3 显示了段数与 8 位输出之间的关系。

表 2:ITU-T 建议 G.711。

 

分段线性近似 Mu_compand_val=255。

 

除了 Mu-law 外,ITU-T 还推荐了一种非常类似的称为 A-law 的方案。A-law 映射到稍有不同的段,小数字时会产生稍有不同的结果。

 

3GPP 测试和要求

蜂窝无线系统中的信号保真度是由 3GPP 定义的。测试规范 TS36.104 用误差矢量幅度(EVM)定义了信号保真度。EVM 是指从理想星座点到被测点的矢量大小。对于 64QAM 信号来说,64QAM 的 E-UTRA 要求是

 

Mu-law/A-law 测试

将各种不同的 Mu_compand_val 数值用于压缩和解压缩。图 10 显示了 Mu_compand_val 与 EVM 的关系图,其中蓝线是 A-law,红线是 Mu-law。高的 Mu 值映射到数量以相同指数呈指数式增加的样值,对 64QAM 数据来说将产生很差的结果。在 Mu_compand_val=255 点,EVM 最差,只执行一次简单的量化。与 ITU 建议相比,这里明显需要低得多的指数 / 扩展率。

 

不同 Mu_compand_val 时的误差矢量幅度(%)。

 

当 Mu_compand_val 约等于 5 时 OFDMA 信号出现最佳点。虽然 Mu_compand_val=255 显示为高效的实现点,但对 OFDMA 波形来说 EVM 很差,需要低得多的值。

 

Mu_compand_val=8(a)压缩后的 IQ 星座(b)建模后的误差矢量幅度。

 

用 Mu_compand_val=8 建模 Mu-law 压缩如图 11 所示。Mu-law 函数可以通过扩展数据填充更多的 IQ 可用数字范围。从 16 位到 8 位的 Mu-law 压缩可以产生 0.55%的误差矢量幅度。

 

3GPP 测量

一旦实现完成,就可以使用 3GPP 测试模型和工业标准测量设备进行实际的 3GPP 测量。图 12 显示了 E-UTRA 解调波形。在这个特定结果中,使用实际硬件并将 Mu_compand_val 设为 8 可以测到 0.791%的平均误差矢量幅度。

 

3GPP 的误差矢量幅度测量。

 

IQ 映射器自动生成工具

CPRI 标准提供了一种将 IQ 数据映射到 CPRI 帧的帧结构和通用方法,但没有严格的标准,供应商可以实现各种不同的方案。CPRI 压缩合成很难,因为可以使用不同的位宽。IQ 映射器的实现非常独特,每家供应商都可以为这个模块开发定制的 RTL。Altera 开发的一款工具可以极大地简化这个过程。该工具基于 Excel,用户可以在里面选择线速率,然后为每个 IQ 样值在单元中填入 AxC 载波。填充比特用于完整地填充帧。一旦 CPRI 帧被填满,VB 宏将为特定映射结构自动产生 RTL 代码。如果要求多种用例,该工具可以用来自动产生多个 IQ 映射器实例。图 13 和图 14 分别显示了带 3 个 AXC 载波、每个载波有 16 位 I 和 Q 的 IQ 映射器以及带 8 位 I 和 Q 的类似映射器。在工具产生 RTL 之后,代码被简单地追加到 AlteraCPRI 宏核 IP,用于产生完整的 CPRI 设计。

 

用于具有 16 位 IQ 数据的 3 个 AxC 的 IQ 映射器域。

 

用于具有 8 位 IQ 数据的 3 个 AxC 的 IQ 映射器域。

 

本文小结

使用分段近似方法实现从 16 位到 8 位的 Mu-law 压缩只有 0.79%的低保真损失。相比 3GPP 规定的 8%,这种损失造成的性能劣化是相当小的。延时和实现面积也可忽略不计。

 

CPRI 压缩和 IQ 映射器工具都已经被集成进 Altera 最新的 CPRIIP 内核 v6.0 中。