基于CPRI協(xié)議的5G通信基帶數(shù)據(jù)傳輸方法

崔 嫻

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著不斷的技術(shù)創(chuàng)新與進步，通信技術(shù)自身發(fā)展的需要以及用戶需求的不斷增長，新一代通信技術(shù)迅速發(fā)展起來，智能終端設(shè)備的普及也導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量激增。5G通信的發(fā)展已經(jīng)提到日程，這是新一代通信技術(shù)的熱點，也是一個研究熱點。除能對低于6 GHz的頻率進行波形分析外，還需對微波、毫米波等進行分析。對于5G技術(shù)來說，最大的挑戰(zhàn)就是超高速傳輸速率會極大地增加信號帶寬和基帶信號處理速度，而對超高速數(shù)據(jù)流的實時處理和分析將使測試變得更加困難。目前，關(guān)于通信基帶數(shù)據(jù)傳輸方法的研究較多，也取得了一定的應(yīng)用效果，但是還存在一定的不足。

CPRI協(xié)議實現(xiàn)基帶信號的數(shù)字傳輸，數(shù)字接口分為標(biāo)準(zhǔn) CPRI接口和 OBSAI接口，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可直接用于直放站遠程數(shù)據(jù)傳輸，成為基站遠程通信系統(tǒng)。針對CPRI協(xié)議的特點，設(shè)計了一種基于 CPRI協(xié)議的5 G通信基帶傳輸方案，以解決目前存在的問題。實驗結(jié)果表明，此次研究的傳輸方法有效解決了目前存在的問題，滿足基帶數(shù)據(jù)傳輸需求。

1 基于CPRI協(xié)議的通信基帶數(shù)據(jù)壓縮

1.1 數(shù)據(jù)壓縮原理

首先提出數(shù)據(jù)壓縮原理，下位機模組輸出為12位二進制有符號數(shù)，該方法的特點是能夠去除不必要的冗余數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)壓縮。

1.2 壓縮樣點個數(shù)選取

在此部分，主要對壓縮樣點個數(shù)選取，對于壓縮方案，壓縮樣本量的選擇應(yīng)遵循如下原則。

（1）每次壓縮樣本量應(yīng)相對固定，從而簡化壓縮過程。

（2）壓縮的樣本點數(shù)目要適度，若樣本點過多，則不能實現(xiàn)精細(xì)壓縮，壓縮質(zhì)量較差，若樣本點數(shù)目過少，則降低編碼效率，壓縮率較低。

（3）TD-LTE的功率譜密度在有效頻帶內(nèi)接近于白噪聲。該 CPRI的基本幀頻率是3.84 MHz，有一個中等周期。鑒于振幅不能瞬時改變，考慮到信號的功率，該方案將1/3.84 μs壓縮為最小周期，因為每幀始終為1/3.84μs。這樣，確定每一次傳送的采樣點數(shù)量（6～7個采樣點），不僅不會增加提示接收機當(dāng)前幀中采樣點數(shù)量的開銷，而且還降低了設(shè)計復(fù)雜度[1]。

1.3 CPRI 協(xié)議組幀格式

在 CPRI協(xié)議中，數(shù)字下變頻模塊輸出兩個24.576毫秒/秒的12位 I/Q數(shù)據(jù)，其基本幀頻率為3.84 MHz，所以每隔5周要傳送32個樣本。本方案確定了采用“6 pm，6 pm，6 pm，7 pm”的方案，即前3個周期傳送6個采樣點，后2個周期傳送7個采樣點，每5個周期傳送一個采樣點。

通過上述過程對基于CPRI協(xié)議的通信基帶數(shù)據(jù)壓縮處理，為通信基帶數(shù)據(jù)傳輸提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 5G通信基帶數(shù)據(jù)調(diào)制

基于上述過程對通信基帶數(shù)據(jù)壓縮，在此基礎(chǔ)上對5G通信基帶數(shù)據(jù)調(diào)制，目的是降低5G通信基帶數(shù)據(jù)傳輸過程中的信噪比[2]。其中，以三維正交調(diào)幅技術(shù)為主，脈沖調(diào)幅是脈沖載波幅值隨基帶信號變化的調(diào)制方式，是最簡單的數(shù)字調(diào)制方式之一[3]。它的原理與 ASK相似，只不過 PAM是數(shù)字脈沖載波， ASK是模擬諧波載波。若 PAM所載波為脈沖序列，則采樣定理可視為脈沖幅度調(diào)節(jié)的工作原理[4]。按照這個原理，M階 PAM調(diào)制信號的符號或位誤差率可以表示為：

式中，θ表示接收信號的相位；Po(θ)d表示相位為θ的概率密度函數(shù)。

一般情況下，由于Po(θ)d的積分式比較復(fù)雜，不能簡化，難以解析計算。為此采用誤差函數(shù)進行代替：

式中，M表示誤差函數(shù)；N0表示調(diào)制符號所占用（包含）的基帶數(shù)據(jù)比特數(shù)；Es表示基帶數(shù)據(jù)的比特能量。

若基帶數(shù)據(jù)采用格雷碼，則 PAM調(diào)制信號誤碼率可近似表示為：

通過上述計算能夠?qū)?G通信基帶數(shù)據(jù)調(diào)制，以此實現(xiàn)基于CPRI協(xié)議的5G通信基帶數(shù)據(jù)傳輸。

3 實驗對比

為驗證此次研究的基于CPRI協(xié)議的5G通信基帶數(shù)據(jù)傳輸方法的有效性，進行實驗分析，并將傳統(tǒng)的傳輸方法與此次研究的方法對比，以保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性。通過行為模擬（Vivado2017.2軟件中的行為級模擬）進行仿真驗證，在此基礎(chǔ)上，又增加了其他模塊，構(gòu)成一個簡單的驗證系統(tǒng)。碼率選擇模塊將外部異步碼率選擇信號轉(zhuǎn)換為與 CPRI核心數(shù)據(jù)時鐘同步的信號，在第一周期內(nèi)改變節(jié)點 B幀。

以上述環(huán)境進行實驗驗證，主要對比兩種方法的數(shù)據(jù)傳輸時間，與數(shù)據(jù)傳輸后信源數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸時間對比

此次研究的傳輸方法與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法的數(shù)據(jù)傳輸時間對比結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸時間

通過表1能夠發(fā)現(xiàn)，此次研究的數(shù)據(jù)傳輸方法傳輸后，所花費的數(shù)據(jù)傳輸時間明顯減少，通過幾個測試點的對比結(jié)果可知，此次研究的傳輸方法的傳輸時間都少于傳統(tǒng)方法。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸后信源數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度對比

此次研究的基于CPRI協(xié)議的5G通信基帶數(shù)據(jù)傳輸方法與傳統(tǒng)方法處理后對于信源數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示。

表2 信源數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度對比

通過分析表2可知，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法在傳輸后存在信源數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度低的情況，在幾個數(shù)據(jù)的傳輸上，準(zhǔn)確度都低于此次研究的方法。傳統(tǒng)方法處理準(zhǔn)確度低的原因是在數(shù)據(jù)傳輸中造成了數(shù)據(jù)的丟失，降低了傳輸效果，而此次研究的基于CPRI協(xié)議的5G通信基帶傳輸方法效果較好的原因是，采用了CPRI協(xié)議對數(shù)據(jù)進行了壓縮處理，并提出了數(shù)據(jù)調(diào)制機制，從根本上提高了數(shù)據(jù)傳輸效果。

4 結(jié) 論

設(shè)計了一個基于CPRI協(xié)議的5G通信基帶數(shù)據(jù)傳輸方法，并通過實驗驗證了此次研究的方法的有效性。通過此次研究的方法能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，降低數(shù)據(jù)傳輸過程中丟失問題，通過提高數(shù)據(jù)傳輸速度，滿足了設(shè)計需求，具備一定的實際應(yīng)用意義。但是由于研究時間的限制，此次研究的數(shù)據(jù)傳輸方法還存在一定的不足，在后續(xù)的研究中還需要做進一步的處理，以提高數(shù)據(jù)傳輸效果，為相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒意義。