應(yīng)用于CPRI基帶數(shù)據(jù)的Mu-law壓縮方法研究

現(xiàn)代無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)使用運行CPRI（普通公共射頻接口）協(xié)議的光纖傳輸頻率、相位、復(fù)合數(shù)據(jù)和控制信息。人們對無線數(shù)據(jù)的需求一直在呈指數(shù)式增加。運營商和設(shè)備供應(yīng)商都在努力設(shè)法減小在基帶單元和無線單元之間運行多根高數(shù)據(jù)速率光纖所需的資本投資和運維成本。

本文描述了一種針對高斯類波形使用Mu-law壓縮的方法——例如CPRI接口中使用的基帶IQ數(shù)據(jù)。Mu-law壓縮在音頻應(yīng)用中很常見，實現(xiàn)效率很高，但對基帶信號來說在保真度方面會有過多的損失。這種靈活的壓縮機制應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)LTE（長期演進）測試波形時具有2:1的壓縮比，而且誤差矢量幅度（EVM）不到1%。

引言

典型的LTE宏無線基站系統(tǒng)由兩部分組成：基帶處理和無線部分。這兩部分一般通過光纖通道連接，協(xié)議接口由名為CPRI的公開規(guī)范所確定。在這個規(guī)范中，這些塊被定義為無線設(shè)備控制器（REC）和無線設(shè)備（RE），見圖1。另外一種類似的接口是開放基站架構(gòu)計劃（OBSAI）。

CPRI定義了各種拓撲，包括點到點，點到多點，鏈和環(huán)。CPRI可以傳輸同步、控制和管理（C&M）和基帶IQ數(shù)據(jù)。

圖1：無線設(shè)備控制器到無線設(shè)備的接口。

背景

CPRI是由行業(yè)內(nèi)具有緊密合作關(guān)系的一些OEM廠商定義的。CPRI最早是針對3GPP UTRA（UMTS）開發(fā)的，但隨后經(jīng)擴展覆蓋了WiMAX、3GPP E-UTRA（LTE）和3GPP GSM。隨著無線標(biāo)準(zhǔn)的演進，IQ數(shù)據(jù)的帶寬需求有了極大地提高。

表1：不斷增長的帶寬需求。

采樣率、天線數(shù)量和無線設(shè)備數(shù)量的增加推動CPRI標(biāo)準(zhǔn)幾乎每兩年提高一倍的帶寬，見圖2和表1。這種帶寬的增加推高了數(shù)字實現(xiàn)（邏輯和收發(fā)器）和光學(xué)部分（激光器模塊和光纖）的成本。最新的CPRI V6.0版本標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)引入了10.1376Gbps鏈路，而且使用66b64b編碼代替其它線路速率使用的8b10b編碼提高了這種速率鏈路的效率。效率的提高是非常令人滿意的。

圖2：隨時間推移不斷上升的CPRI速率。

本文介紹了一種壓縮IQ數(shù)據(jù)的方法，它能減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時在保真度方面的損失相對較小。

Mu-law壓縮

Mu-law壓縮是一種在規(guī)定數(shù)字范圍內(nèi)重新分布數(shù)值的方法，當(dāng)隨后的量化執(zhí)行完成后，它能保證信號保真方面的損失最小。重新分布是用一個對數(shù)函數(shù)從零擴展數(shù)字完成的。擴展率通過選擇常數(shù)Mu_compand_val進行控制。

Mu-law壓縮常用于音頻壓縮方案中，是ITU-T建議G.711和G.191的推薦方法。在這些音頻壓縮方案中，規(guī)定了Mu_compand_val=255的上限值。它通過直接比特移位實現(xiàn)2n指數(shù)和分段線性近似，其中移位的數(shù)量取決于指數(shù)值（見表2）。圖3顯示了段數(shù)與8位輸出之間的關(guān)系。

表2：ITU-T建議G.711。

圖3：分段線性近似Mu_compand_val=255。

除了Mu-law外，ITU-T還推薦了一種非常類似的稱為A-law的方案。A-law映射到稍有不同的段，小數(shù)字時會產(chǎn)生稍有不同的結(jié)果。

3GPP測試和要求

蜂窩無線系統(tǒng)中的信號保真度是由3GPP定義的。測試規(guī)范TS 36.104用誤差矢量幅度（EVM）定義了信號保真度。EVM是指從理想星座點到被測點的矢量大小。對于64QAM信號來說，64QAM 的E-UTRA要求是

Mu-law/A-law 測試

將各種不同的Mu_compand_val數(shù)值用于壓縮和解壓縮。圖10顯示了Mu_compand_val與EVM的關(guān)系圖，其中藍線是A-law ，紅線是Mu-law。高的Mu值映射到數(shù)量以相同指數(shù)呈指數(shù)式增加的樣值，對64QAM數(shù)據(jù)來說將產(chǎn)生很差的結(jié)果。在Mu_compand_val=255點，EVM最差，只執(zhí)行一次簡單的量化。與ITU建議相比，這里明顯需要低得多的指數(shù)/擴展率。

圖10：不同Mu_compand_val時的誤差矢量幅度（%）。

當(dāng)Mu_compand_val約等于5時OFDMA信號出現(xiàn)最佳點。雖然Mu_compand_val=255顯示為高效的實現(xiàn)點，但對OFDMA波形來說EVM很差，需要低得多的值。

圖11：Mu_compand_val=8 （a）壓縮后的IQ星座 （b）建模后的誤差矢量幅度。

用Mu_compand_val=8建模Mu-law壓縮如圖11所示。Mu-law函數(shù)可以通過擴展數(shù)據(jù)填充更多的IQ可用數(shù)字范圍。從16位到8位的Mu-law壓縮可以產(chǎn)生0.55%的誤差矢量幅度。

3GPP測量

一旦實現(xiàn)完成，就可以使用3GPP測試模型和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備進行實際的3GPP測量。圖12顯示了E-UTRA解調(diào)波形。在這個特定結(jié)果中，使用實際硬件并將Mu_compand_val設(shè)為8可以測到0.791%的平均誤差矢量幅度。

圖12：3GPP的誤差矢量幅度測量。

IQ映射器自動生成工具

CPRI標(biāo)準(zhǔn)提供了一種將IQ數(shù)據(jù)映射到CPRI幀的幀結(jié)構(gòu)和通用方法，但沒有嚴格的標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商可以實現(xiàn)各種不同的方案。CPRI壓縮合成很難，因為可以使用不同的位寬。IQ映射器的實現(xiàn)非常獨特，每家供應(yīng)商都可以為這個模塊開發(fā)定制的RTL。Altera開發(fā)的一款工具可以極大地簡化這個過程。該工具基于Excel，用戶可以在里面選擇線速率，然后為每個IQ樣值在單元中填入AxC載波。填充比特用于完整地填充幀。一旦CPRI幀被填滿，VB宏將為特定映射結(jié)構(gòu)自動產(chǎn)生RTL代碼。如果要求多種用例，該工具可以用來自動產(chǎn)生多個IQ映射器實例。圖13和圖14分別顯示了帶3個AXC載波、每個載波有16位I和Q的IQ映射器以及帶8位I和Q的類似映射器。在工具產(chǎn)生RTL之后，代碼被簡單地追加到Altera CPRI宏核IP，用于產(chǎn)生完整的CPRI設(shè)計。

圖13：用于具有16位IQ數(shù)據(jù)的3個AxC的IQ映射器域。

圖14：用于具有8位IQ數(shù)據(jù)的3個AxC的IQ映射器域。

本文小結(jié)

使用分段近似方法實現(xiàn)從16位到8位的Mu-law壓縮只有0.79%的低保真損失。相比3GPP規(guī)定的8%，這種損失造成的性能劣化是相當(dāng)小的。延時和實現(xiàn)面積也可忽略不計。

CPRI壓縮和IQ映射器工具都已經(jīng)被集成進Altera最新的CPRI IP內(nèi)核v6.0中。

責(zé)任編輯：gt