CPRI基带数据的低损压缩

        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3GPP UTRA(UMTS)开发的，但随后经扩展覆盖了WiMAX、3GPP E-UTRA(LTE)和3GPP GSM。随着无线标准的演进，IQ数据的带宽需求有了极大地提高。


表1：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CPRI V6.0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。


图2：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。


图3：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TS 36.104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。


图10：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。


图11：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。


图12：3GPP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Altera CPRI宏核IP，用于产生完整的CPRI设计。


图13：用于具有16位IQ数据的3个AxC的IQ映射器域。


图14：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CPRI IP内核v6.0中。