No.429

พงศ์พันธุ์ ปริยวงศ์

 

 

เทคนิคและการวิเคราะห์ที่ดี ย่อมทำให้เกิดความปลอดภัย ลดค่าใช้จ่ายซ่อมบำรุง แต่ยังคงไว้ซึ่งประสิทธิภาพที่สูงของเครือข่าย

 

     ในสถาปัตยกรรมของสถานีฐานแบบเดิมอุปกรณ์ส่งสัญญาณความถี่วิทยุส่วนใหญ่จะถูกติดตั้งอยู่ในตู้คาบิเนทบริเวณฐานของเสาส่ง การส่งสัญญาณจะทำผ่านสาย feeder ที่เป็นเคเบิลโคแอกเซียลเพื่อส่งสัญญาณอะนาลอกและสายไฟที่ส่งกระแสไฟเลี้ยงไปยังชุดขยายกำลัง ก่อนจะเชื่อมต่อไปยังจานสายอากาศแบบพาสซีฟด้วยสายโคแอกเชียลระยะสั้น แต่เนื่องจากค่าการลดทอนบนสายโคแอกเซียลมีสูงทำให้อุปกรณ์ transceiver จำเป็นต้องมีกำลังที่มากพอเพื่อชดเชยการสูญเสียและมีเหลือไปขับจานสายอากาศ เมื่อพิจารณาในเชิงประสิทธิภาพของการส่งสัญญาณ จะพบว่าการใช้สาย feeder ยังมีข้อจำกัดอยู่หลายประการโดยเฉพาะปัญหาที่เกิดจากสัญญาณรบกวนและการสูญเสียกำลังของสัญญาณ นอกจากนี้ในกรณีที่สภาพแวดล้อมมีผลกระทบกับคุณสมบัติของตัวต่อ (connector) และสายเคเบิล ก็อาจส่งผลให้เกิดภาวะการสะท้อนและอินเตอร์มอดูเลชันขึ้นได้

 

          ในปัจจุบันการออกแบบสถานีฐานได้ปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมไปสู่รูปแบบกระจาย โดยมีระบบการติดต่อสื่อสารเป็นแบบดิจิตอลบนตัวกลางเส้นใยแก้วนำแสงที่เชื่อมโยงไปยังจานสายอากาศหรือ FTTA (fiber-to-the-antenna) ซึ่งส่วนที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณความถี่วิทยุจะถูกแบ่งออกเป็น 2 อิลิเมนต์หลัก ได้แก่

 

          - ส่วนควบคุมอุปกรณ์วิทยุ (radio equipment control, REC) หรือหน่วยเบสแบนด์ (baseband unit, BBU) จะติดตั้งอยู่ที่พื้นล่าง มีหน้าที่ดำเนินการกับฟังก์ชันวิทยุบนโดเมนสัญญาณดิจิตอล อุปกรณ์ส่วนนี้จะต่อเข้ากับเครือข่ายแบ็กฮอลล์ผ่านระบบสื่อสารด้วยแสงหรือระบบไมโครเวฟ

 

          - อุปกรณ์วิทยุ (radio equipment, RE) หรือ RRH (remote radio head) จะติดตั้งอยู่ถัดจากจานสายอากาศ มีหน้าที่ดำเนินการกับฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับความถี่วิทยุบนโดเมนสัญญาณอะนาลอก มีการแปลงสัญญาณดิจิตอลไปเป็นอะนาลอกเพื่อขับจานสายอากาศแบบพาสซีฟผ่านสายเคเบิลโคแอกเชียล ดังนั้นสายที่ลากจากด้านล่างขึ้นไปยังเสาส่งจึงประกอบด้วยเคเบิลใยแก้วนำแสงกับตัวนำทางไฟฟ้า ซึ่งโดยปกติจะถูกห่อหุ้มรวมกันอยู่ภายในเคเบิลที่มีการป้องกันอีกชั้นหนึ่ง

 

         นอกจากนี้ด้วยเทคโนโลยีล่าสุด ผู้ผลิตได้มีการพัฒนาจานสายอากาศจากแบบพาสซีฟไปเป็นแบบแอกทีฟด้วยการรวม RRU เข้าไปในจานสายอากาศ ทำให้การเชื่อมโยงจาก BBU ที่อยู่ด้านล่างของเสาด้วยเคเบิลใยแก้วนำแสงกับสายไฟมีการต่อตรงไปยังจานสายอากาศ ซึ่งจะช่วยให้ส่วน fronthaul มีเสถียรภาพมากขึ้น เนื่องจากมีจุดการเชื่อมต่อลดลง สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์สถานีฐานไปยังจานสายอากาศแบบต่าง ๆ จะแสดงได้ดังรูปที่ 1

 

 

รูปที่ 1 การเชื่อมต่ออุปกรณ์สถานีฐานไปยังจานสายอากาศ

(ก) แบบดั้งเดิม (ข) แบบที่ใช้ในปัจจุบัน (ค) ระบบที่ใช้จานสายอากาศแบบแอกทีฟ

 

          การติดต่อระหว่างอิลิเมนต์ BBU กับ RRH  ในปัจจุบันมีหลายระบบที่ใช้การสื่อสารดิจิตอลผ่านอินเตอร์เฟสมาตรฐาน เช่น CPRI (common public radio interface) ซึ่งเป็นความร่วมมือของภาคอุตสาหกรรมในการระบุข้อกำหนดการเชื่อมต่อภายในสถานีฐานระหว่างชุดควบคุม (REC) กับอุปกรณ์วิทยุ (RE)

 

          รูปที่ 2 (ก) แสดงตัวอย่างองค์ประกอบการติดตั้งจานสายอากาศบนเสาส่ง ที่มีเส้นใยแก้วนำแสงกับสายไฟบรรจุอยู่ในเคเบิล ส่วนที่ยอดเสาจะมีกล่องแยกสาย (junction box) ซึ่งสายด้านขาออกส่วนหนึ่งจะต่อเข้ากับ RRU เพื่อไปยังจานสายอากาศแบบพาสซีฟและสายอีกส่วนหนึ่งจะต่อตรงไปยังจานสายอากาศแบบแอกทีฟ รูปที่ 2 (ข) แสดงภาพการเชื่อมต่อจานแบบพาสซีฟ ของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุค 2G ที่ใช้เคเบิลโคแอกเชียลกับระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุค 3G ที่ใช้เส้นใยแก้วนำแสงกับสายไฟ

 

          ในบางกรณีบนเสาต้นเดียวกันอาจมีการส่งสัญญาณไปขับจานสายอากาศครบทุกรูปแบบ ถ้ามีการใช้เสาร่วมกันระหว่างระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ยุค 2G กับยุค 3G/4G

 

รูปที่ 2 (ก) องค์ประกอบการติดตั้งจานสายอากาศบนเสาส่ง
(ข) การเชื่อมต่อจานแบบพาสซีฟ

 

          ในสภาพแวดล้อมการติดต่อสื่อสารของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ เช่น ในพื้นที่เมืองที่มีการติดตั้งเป็นเครือข่ายเซลล์ขนาดเล็กอย่างหนาแน่น ในอาคารขนาดใหญ่หรือสนามกีฬาที่อาศัยระบบจานสายอากาศแบบกระจาย โดยมี macrocell รองรับพื้นที่ส่วนใหญ่ของเมือง สัญญาณรบกวนจะเป็นปัญหาสำคัญสำหรับสื่อสัญญาณของระบบ ซึ่งผู้ให้บริการจำเป็นต้องคำนึงถึงและหาแนวทางการทดสอบเพื่อจะได้แก้ไขได้ทันท่วงที ซึ่งในบทความนี้จะได้กล่าวถึงหัวข้อสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบคุณสมบัติความถี่วิทยุจากการเชื่อมโยง FTTA

 

โปรโตคอล CPRI

 

          ในมาตรฐานอุตสาหกรรมจะระบุข้อกำหนด ซึ่งนำมาใช้กับอินเตอร์เฟสที่เชื่อมต่อระหว่างอิลิเมนต์ BBU กับ RRH ของสถานีฐาน โดยบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ที่เข้ามามีส่วนร่วมกับงานนี้ได้แก่ Ericsson, Huawei, NEC, Alcatel Lucent และ Nokia Siemens Network

      

          ข้อกำหนดที่คล้ายกันได้ถูกพัฒนาอยู่ในโปรโตคอล OBSAI (open base station architecture initiative) ซึ่งมีเนื้อหาระบุถึงกลุ่มของข้อกำหนดสถาปัตยกรรม คำอธิบายของฟังก์ชันและข้อกำหนดขั้นต่ำสำหรับโมดูลร่วมที่ถูกรวมเข้ามาทำงานด้วยกัน  รายละเอียดของข้อกำหนดทางเทคนิคที่สำคัญจะอยู่ในส่วนที่เรียกว่า RP3 (reference point 3) ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนสัญญาณข้อมูล signaling ระหว่าง BBU กับ RRH สำหรับบริษัทผู้ผลิตที่เข้ามาเกี่ยวข้องได้แก่ ZTE, NEC, Samsung, Alcatel Lucent และ Nokia Siemens Networks นอกจากโปรโตคอล CPRI กับ OBSAI ก็ยังมีองค์กร ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ที่กำหนดอินเตอร์เฟสวิทยุแบบเปิดหรือ ORI (open radio equipment interface) เพื่อขจัดปัญหาการระบุข้อกำหนดเฉพาะของแต่ละบริษัทผู้ผลิต ส่งผลให้อุปกรณ์ BBU กับ RRH ที่มาจากต่างผู้ผลิตสามารถทำงานร่วมกันได้ โดยข้อกำหนดของโปรโตคอลORI จะอ้างอิงตาม CPRI ที่มีส่วนขยายเพิ่มเติมเกี่ยวกับอินเตอร์เฟส

 

          ในโปรโตคอลCPRI มีการระบุข้อกำหนดของอินเตอร์เฟสระหว่าง BBU กับ RRH เพื่อให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีของแต่ละอิลิเมนต์อย่างอิสระ ซึ่งจะช่วยให้สถานีฐานมีสถาปัตยกรรมที่ยืดหยุ่นสามารถรองรับได้ทั้ง macrocell, small cell, ระบบจานสายอากาศแบบกระจาย (DAS) และเครือข่าย cloud radio access ในโพรโทคอลนี้จะครอบคลุมอินเตอร์เฟสที่จำเป็นสำหรับโทโปโลยีต่าง ๆ เช่น chain, tree และ ring ดังแสดงในรูปที่ 3

 

 

รูปที่ 3 โทโปโลยี (ก) chain (ข) tree (ค) ring

 

          ความแตกต่างของโทโปโลยีจะช่วยให้การออกแบบการเชื่อมโยงสถานีฐานของผู้ให้บริการเกิดความยืดหยุ่น สามารถรองรับสภาพแวดล้อมและเงื่อนไขที่หลากหลายดังตัวอย่างในรูปที่ 4(ก) ซึ่งเป็นภาพจำลองของการติดตั้งอุปกรณ์ BBU ที่เชื่อมโยงไปยัง RRU บนเสาส่งแต่ละต้นในโทโปโลยีแบบ chain และรูปที่ 4(ข) ภาพการดำเนินการของโทโปโลยีแบบ tree

 

รูปที่ 4 การดำเนินการโทโปโลยี (ก) chain (ข) tree

 

          ข้อสังเกตในโปรโตคอล CPRI ยังให้รายละเอียดเพิ่มเติมสำหรับการเชื่อมโยงในแต่ละโทโปโลยีเช่น เงื่อนไขจำนวน hop ขั้นต่ำของ RRH ขีดจำกัดความยาวสายของการเชื่อมโยง

 

          อินเตอร์เฟสดิจิตอลของโปรโตคอล CPRI จะนำพาข้อมูล 3 ส่วนคือ ระนาบผู้ใช้ (user plane), ระนาบควบคุมและจัดการ (control and management plane) และระนาบซิงโครไนซ์เซชั่น โดยภายในโปรโตคอล CPRI จะครอบคลุมชั้นดังรูปที่ 5 ได้แก่

 

          ชั้นที่ 1: ครอบคลุมมุมมองทางกายภาพของการรับส่งสัญญาณระหว่าง BBU กับ RRH รวมถึงตัวกลางทั้งที่ใช้กับสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณแสงซึ่งสอดคล้องกับอัตรา line

      

          กรณีการส่งสัญญาณแสงสามารถทำผ่านเส้นใยแก้วนำแสงโดยตรง หรือผ่านอุปกรณ์สื่อสัญญาณก็ได้เช่น DWDM/CWDM, ไมโครเวฟ หรือ CPRI over OTN ซึ่งจะให้ระยะทางการรับส่งสัญญาณได้ไกลมากถึง 40 km อย่างไรก็ตาม ผู้ทดสอบควรตรวจสอบการเชื่อมโยงด้วยพารามิเตอร์พื้นฐานต่างๆ ก่อน เช่น ระดับกำลังส่งแสง การตรวจวัดหาค่าดีเลย์ไปกลับภายในเส้นทาง การทดสอบ BER ด้วยรูปแบบ PRBS (ในโปรโตคอล CPRI จะต้องการ BER ที่ 10^-12)

 

          ชั้นที่ 2: เป็นการกำหนดการไหลของข้อมูลหลัก การควบคุม การบริหาร การซิงโครไนซ์และระนาบผู้ใช้ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการขนส่งองค์ประกอบสำคัญ คือ

• ข้อมูลสัญญาณความถี่วิทยุ in-phase และ quadrature หรือ IQ
• ข้อกำหนดเฉพาะที่เป็นของผู้ผลิต
• อีเทอร์เนตและ HDLC (High-level Data Link Control)
• โปรโตคอล L1 inband จะเป็นข้อมูล signaling ที่สัมพันธ์กับการเชื่อมโยงและที่ส่งผ่านไปบนชั้นกายภาพ

 

รูปที่ 5 โครงสร้างชั้นโปรโตคอลCPRI

 

          รายละเอียดของระนาบและสัญญาณ CPRI

 

          โปรโตคอลCPRI ได้ให้แนวทางการไหลของข้อมูล ซึ่งจะถูกมัลติเพลกซ์ก่อนส่งไปบนการเชื่อมโยงด้วยเส้นใยแก้วนำแสง ดังนี้

 

• ระนาบผู้ใช้ (user plane) ข้อมูลสำหรับ 1 จานสายอากาศ 1 พาหะ (ในหน่วยคอนเทนเนอร์ antenna –carrier, AxC) จะถูกส่งในรูปของ in-phase และ quadrature
• ระนาบควบคุมและจัดการ (control and management plane) ทำหน้าที่ดูแลข้อมูลที่แลกเปลี่ยนระหว่าง C&M entities ภายใน REC กับ RE การไหลของข้อมูลจะถูกส่งไปยังชั้นโพรโทคอลที่สูงกว่า เพื่อใช้กับกระบวนการ call และการบริหารข้อมูลสำหรับการดำเนินการและซ่อมบำรุงการเชื่อมโยงกับโหนด CPRI
• ระนาบซิงโครไนซ์เซชั่น ในการซิงค์โครไนซ์ของ CPRI ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่คล้ายกับ SyncE นั้น ชุด CPRI slave (RE/RRH) จะกู้สัญญาณซิงค์โครไนซ์ผ่านการเชื่อมโยง ซึ่งการไหลของข้อมูลจะส่งผ่านข้อมูลเวลาและข้อมูลการซิงโครไนซ์ระหว่างโหนด โดยในโปรโตคอล CPRI จะมีข้อกำหนดทางเวลาที่เข้มงวด อุปกรณ์ RRH จะต้องมีการซิงโครไนซ์กับชุดควบคุมและประมวลผลเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาสายหลุด

 

          ในขั้นตอนการทำงานจำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ข้อมูลบนระนาบผู้ใช้ที่เป็นสัญญาณความถี่วิทยุในรูปของ in-phase (I) และ quadrature (Q) ระหว่าง BBU กับ RRH ซึ่งจะมีข้อมูลการติดต่อที่เกี่ยวข้องกับผู้ใช้ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ โดยการวิเคราะห์นี้จะสำคัญต่อการพิจารณาสัญญาณรบกวนและการมอดูเลชัน

 

          การเชื่อมโยงผ่านโปรโตคอล CPRI ระหว่างอุปกรณ์วิทยุ RE ที่เป็น RRH ซึ่งติดตั้งอยู่ที่สถานีฐาน กับชุดควบคุม REC ที่เป็น BBU ในสถานี Hub จะมีการทำงานร่วมกันผ่านระนาบต่าง ๆ โดยเฉพาะระนาบซิงโครไนซ์เซชั่น โปรโตคอล CPRI จะช่วยให้เกิดการส่งสัญญาณซิงโครไนซ์ไปยัง RRH โดยอุปกรณ์ RRH จะสามารถดึงสัญญาณออกมาได้จากการไหลของบิต ทำให้ไม่ต้องติดตั้งชุดจานสายอากาศ GPS หรือไม่ต้องเตรียมการจ่ายสัญญาณซิงโครไนซ์แนวทางอื่นให้กับ RRH สำหรับ BBU ที่ติดตั้งอยู่ใน hub จะมีทางเลือกรับสัญญาณซิงโครไนซ์รูปแบบต่าง ๆ ได้อย่างหลากหลาย รวมถึง 1588 PTP หรือสัญญาณที่มาจากเครือข่ายแบ็กฮอลล์

 

 

รูปที่ 6 ลักษณะการทำงานร่วมกันผ่านระนาบบนการเชื่อมโยง CPRI

 

          สัญญาณในโปรโตคอล CPRI จะประกอบด้วยเฟรมพื้นฐาน (basic frame, BF) ที่ถูกจัดกลุ่มอยู่ใน hyperframe ดังรูปที่ 7 ในเฟรมพื้นฐานจะประกอบด้วย 16 words ซึ่งความยาวแต่ละword มีค่าอยู่ระหว่าง 8 - 128 บิต และจะมีค่าขึ้นอยู่กับอัตรา line ของโปรโตคอลCPRI อัตรา line มากก็จะมีจำนวน word ที่ยาว ซึ่งก่อนการส่ง word ระบบจะมีการเข้ารหัส 8b/10b ตามมาตรฐาน IEEE 802.3

 

          Word แรกจะใช้ในการควบคุม ส่วน word ที่เหลืออีก 15 word จะถูกใช้สำหรับข้อมูลระนาบผู้ใช้ ซึ่งนำพาข้อมูล IQ กลุ่มของ 256 เฟรมพื้นฐานที่เรียงกันมาตามลำดับจะแทน hyperframe โดย word ที่ใช้ในการควบคุมอันอื่นจะถูกใช้กับ

 

• โปรโตคอลL1 inband
• ช่องสัญญาณ O&M
• โมดซิงค์โครไนซ์เซชั่นกับ timing
• ค่าความถูกต้องและค่าที่ใช้ในการปรับเทียบเวลาล่าช้าของการเชื่อมโยง
• การดูแลรักษาการเชื่อมโยงชั้นกายภาพ

 

          ในโปรโตคอลCPRI ได้มีการกำหนดสัญญาณแจ้งเตือน โดยการระบุชนิดของสัญญาณแจ้งเตือนจะอาศัยบิตที่ถูกสำรองไว้เฉพาะใน hyperframe สำหรับสัญญาณแจ้งเตือนจะมีอยู่ 4 ชนิด ดังนี้

 

• LOS (Loss of signal)
• LOF (Loss of frame)
• RAI (remote alarm indication)
• SDI (SAP defect indication)

 

          ข้อสังเกตเฟรมวิทยุของ NodeB ประกอบด้วย 150 hyperframe

 

 

รูปที่ 7 โครงสร้างเฟรม CPRI

 

ฟังก์ชัน BBU กับ RRH

 

          BBU กับ RRH จะทำฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลสัญญาณ โดย BBU เป็นจุดอินเตอร์เฟสกับเครือข่ายโมบายล์แบ็กฮอลล์ มีหน้าที่รับผิดชอบ

 

• เข้ารหัสช่องสัญญาณด้าน downlink และถอดรหัสช่องสัญญาณด้าน uplink
• ทำมอดูเลชันด้าน downlink และดีมอดูเลชันด้าน uplink
• ประมวลผล MIMO
• ควบคุมกำลังส่ง
• บริหารจัดการเฟรมและการติดต่อกับ RRH

 

 

รูปที่ 8 ฟังก์ชัน BBU และ RRU สำหรับสื่อสัญญาณความถี่วิทยุ (ก) downlink (ข) uplink

 

          RRH จะทำฟังก์ชันในส่วนของจุดเชื่อมต่อ air interface กับผู้ใช้ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ มีหน้าที่เกี่ยวกับการประมวลผลสัญญาณ ดังนี้

 

• แปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอะนาลอกสำหรับด้าน downlink และแปลงสัญญาณอะนาลอกเป็นดิจิตอลสำหรับด้าน uplink
• แปลงความถี่ขึ้นสำหรับด้าน downlink และแปลงความถี่ลงสำหรับด้าน uplink
• มัลติเพล็กซ์คลื่นพาหะสำหรับด้าน downlink และดีมัลติเพลกซ์คลื่นพาหะสำหรับด้าน uplink
• ขยายกำลังสัญญาณสำหรับด้าน downlink และมีการควบคุมกำลังด้วย automatic gain control สำหรับด้าน uplink
• กรองสัญญาณความถี่วิทยุ

 

อัตรา line

 

          โปรโตคอลCPRI จะกำหนดอัตรา line บนเทคโนโลยี UMTS (3.84 MHz) เพื่อให้เกิดความยืดหยุ่นในการรองรับแบนด์วิดท์สัญญาณที่แตกต่างกันจนถึง 10.1 Gbps ดังตารางที่ 1 เช่น อัตรา line ทางเลือก 1 ที่กำหนดเป็น 614.4 Mbps (160 x 3.84 Mbps)

 

          อัตรา line จะมีการกำหนดจำนวน CPRI word ที่สามารถส่งไปบนการเชื่อมโยง รวมถึงแบนด์วิดท์ของระนาบผู้ใช้หรือจำนวนข้อมูล IQ (สัญญาณความถี่วิทยุ) ที่สามารถรองรับได้ แม้ว่าโปรโตคอล CPRI จะรองรับทั้งอินเตอร์เฟสไฟฟ้าและอินเตอร์เฟสแสง แต่การติดตั้งใช้งานส่วนใหญ่ก็จะเลือกใช้อินเตอร์เฟสแสง เนื่องจากมีการสูญเสียต่ำและรองรับแบนด์วิดธ์สูง

 

ตารางที่ 1 อัตรา line ของโปรโตคอลCPRI

 

 

การดูแลรักษาการเชื่อมโยง

 

          โปรโตคอล CPRI ได้กำหนดพารามิเตอร์การวัดสำคัญ ที่เกี่ยวข้องกับการดูแลรักษาการเชื่อมโยงดังนี้

 

• การสูญเสียสัญญาณ หรือ LOS ความสามารถในการตรวจหาและแจ้งเตือนเมื่อมีการสูญเสียสัญญาณ
• การสูญเสียเฟรมหรือ LOF ความสามารถในการตรวจหาและแจ้งเตือนเมื่อมีการสูญเสียซิงค์โครไนซ์เฟรม
• ตัวชี้สัญญาณแจ้งเตือนที่อยู่ไกล หรือ RAI ความสามารถในการแจ้งเตือน alarm ที่เกิดขึ้นฝั่งไกล ซึ่งถูกตอบกลับมาฝั่งส่ง เพื่อตอบสนองความผิดพลาดของการเชื่อมโยง (LOS และ LOF)
• ตัวชี้ความบกพร่อง SAP หรือ SDI (SAP defect indication) ความสามารถในการแจ้งเตือนจากฝั่งไกล เมื่อจุดเข้าถึงบริการไม่พร้อมใช้งาน เนื่องจากอุปกรณ์ทำงานผิดพลาด

 

 

รูปที่ 9 ตัวอย่างเงื่อนไขการวัดเพื่อดูแลรักษาการเชื่อมโยง

 

          ในการทำงานจำเป็นต้องมีการพิจารณาเงื่อนไขต่าง ๆ อย่างครบถ้วน เพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีสัญญาณแจ้งเตือนอื่นใดเกิดขึ้นอีก รวมทั้งค่าระดับกำลังแสงก็จะต้องเกินกว่าค่า threshold ที่กำหนดของ BBU และ RRH เช่น ระดับกำลังแสงต้อง มากกว่าค่า threshold ที่ -20 dBm

 

          ข้อสังเกต 

 

• การวัดเพื่อดูแลรักษาการเชื่อมโยง CPRI เป็นขั้นตอนพื้นฐานสำหรับใช้ตรวจสอบและปรับปรุงสถานะของการเชื่อมโยง
• การทดสอบในส่วนของระนาบผู้ใช้จะเริ่มทำได้เมื่อระบบมีการดำเนินการปกติ ไม่มีสัญญาณแจ้งเตือน

 

โครงสร้างเฟรม CPRI

 

          กระบวนการสร้างเฟรม CPRI จากสัญญาณอะนาลอก จะประกอบด้วย 4 ขั้นตอนดังรูปที่ 10 คือ การดึงตัวอย่าง (sampling) การจับวาง (mapping) การจัดกลุ่ม (grouping) และการสร้างเฟรม (framing) คุณสมบัติเหล่านี้จะอยู่บนเทคโนโลยีสื่อสัญญาณ RFoCPRI (RF over CPRI)

 

 

รูปที่ 10 โครงสร้างเฟรม CPRI

 

การดึงตัวอย่าง

 

          สัญญาณความถี่วิทยุจะถูกวิเคราะห์จากองค์ประกอบ I และ Q ซึ่งผ่านกระบวนการดึงตัวอย่างและกำหนดลักษณะทางดิจิตอลด้วยจำนวนบิตที่แทนข้อมูล หรือ sampling bit โดยอัตราการดึงตัวอย่างต่อคอนเทนเนอร์ antenna carrier (AxC) จะเป็นจำนวนเต็มเท่าของ 3.84MHz แต่ถ้าสัญญาณไม่ลงตัวพอดีกับจำนวนเต็มเท่าก็ต้องมีการเติมบิต stuffing เพิ่ม

 

          การกำหนดจำนวนบิตตัวอย่างของโปรโตคอลCPRI จะแบ่งตามประเภทของการเชื่อมโยง โดยด้าน uplink (M) จะเรียงจาก 4 – 20 บิต ส่วนด้าน downlink (M’) จะเรียงจาก 8 – 20 บิต

 

 

รูปที่ 11 กระบวนการดึงตัวอย่าง

 

การจับวาง

 

          จากกระบวนการดึงตัวอย่าง ข้อมูล I และ Q จะถูกนำมาจับวางเรียงลำดับอย่างต่อเนื่องเข้าไปในคอนเทนเนอร์ที่ถูกกำหนดเป็น antenna carrier (AxC) ซึ่งขนส่งโดยใช้เพียง 1 พาหะบน 1 จานสายอากาศ

 

          โปรโตคอลCPRI ได้กำหนดรูปแบบการจับวางไว้ 3 วิธีได้แก่ IQ sample based, WiMAX symbol based และ backwards compatible สำหรับวิธีการจับวางที่มีการนำไปใช้กับเครือข่ายระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่อย่างแพร่หลายก็คือ IQ sample based และ backwards compatible ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

 

• IQ sample based เป็นการจับวางที่เน้นการแพ็กแบบแน่นของข้อมูล IQ ด้วยเวลา latency ต่ำ ขนาดของ AxC จะถูกกำหนดดังสมการ

 

                              (1)

 

          เมื่อ Ceil คือ   ฟังก์ชัน ceiling

                M   เป็น  จำนวนบิตตัวอย่าง

                fs   คือ   อัตราการดึงตัวอย่าง

                fc   คือ   อัตรา chip ของ UMTS ที่ 3.84MHz

 

• Backwards compatible วิธีนี้จะกำหนดให้คอนเทนเนอร์ AxC หนึ่งชุดรองรับได้เพียง 1 ตัวอย่าง (หรือบิต stuffing ของสัญญาณ LTE และ GSM) ดังนั้นขนาดของ AxC จึงถูกกำหนดเป็น 2*M เมื่อ M = จำนวนบิตตัวอย่าง

 

ตารางที่ 2 การจับวางแบบ backwards compatible

 

 

          รูปที่ 12 แสดงแผนภาพกระบวนการจับวางสัญญาณ LTE 10MHz ด้วยบิตตัวอย่าง (M) จำนวน 15 บิต ซึ่งพิจารณาอัตราการดึงตัวอย่าง (fs) ตาม CPRI recommendation ที่ 15.36 (หรือ 4 เท่าของอัตราชิปที่ 3.84 MHz) และไม่มีบิต stuffing 

 

 

รูปที่ 12 กระบวนการจับวาง LTE 10MHz

 

การจัดกลุ่ม

 

          คอนเทนเนอร์ AxC หลายชุดจะถูกจัดกลุ่มเข้าเป็นเฟรมพื้นฐานของ CPRI โดยมีทางเลือกให้ดำเนินการได้ 2 แบบ

 

          1) Packed position แต่ละคอนเทนเนอร์ AxC จะถูกส่งออกเป็นลำดับมีลักษณะเพิ่มขึ้นติดต่อกันอย่างต่อเนื่อง โดยไม่มีบิตสำรองระหว่างการส่ง

 

          2) Flexible position แต่ละคอนเทนเนอร์ AxC จะถูกส่งออกด้วยตัวชี้ ซึ่งใช้ระบุจำนวนบิตสำรองที่มีอยู่ระหว่างแต่ละคอนเทนเนอร์

 

          นอกจากทางเลือกการจัดกลุ่มดังกล่าว สัญญาณต่าง ๆ ก็ยังสามารถถูกจัดกลุ่มเข้าไปอยู่ในกระแสข้อมูลของโปรโตคอลCPRI ตัวอย่างเช่น

 

• Multiple input multiple output (MIMO) ซึ่งมีลักษณะสำคัญอยู่ที่ความสามารถส่งสัญญาณที่หลากหลายระหว่างอุปกรณ์ด้วยพาหะความถี่เดียวกัน โดยในกรณีของโปรโตคอลCPRI กระแสข้อมูลของแต่ละจานสายอากาศจะถูกพิจารณาเป็นพาหะที่อิสระกัน

 

• Multiple carrier สเปกตรัมแบบกว้างจะให้ความสามารถในการส่งหลายพาหะไปบนความถี่ที่แตกต่างกัน ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่บนเทคโนโลยีเดียวกัน เช่น การรวมพาหะ LTE แต่ถ้าเป็นกรณีของพาหะที่แตกต่างและอยู่บนคนละเทคโนโลยีที่มาตรฐานเฉพาะ multi-standard radio รองรับ แต่ละพาหะเหล่านั้นก็จะถูกพิจารณาแยกกันอิสระพร้อมกับมีการจัดกลุ่มที่สัมพันธ์กัน

 

 

รูปที่ 13 LTE 10 MHz (ก) packed position (ข) flexible position

 

การสร้างเฟรม

 

          การสร้างเฟรม (framing) ในโปรโตคอล CPRI จะมีอัตราการดึงตัวอย่างของสัญญาณความถี่วิทยุที่ 3.84 MHz ดังนั้นความยาวของเฟรมพื้นฐานจึงมีคาบเวลาอยู่ที่ 260 ns (=1/3.84 MHz) และประกอบด้วย word จำนวน 128 บิต (16x8) ข้อมูลควบคุมจะถูกส่งไปใน 8 บิตแรกของแต่ละ word จำนวนของ word ในการเชื่อมโยง CPRI จะหาได้จากอัตรา line ที่ถูกกำหนดไว้ดังตารางที่ 3

 

ตารางที่ 3 องค์ประกอบของเฟรมพื้นฐาน

 

 

          รูปที่ 14 แสดงตัวอย่างรูปแบบเฟรมที่นำพาผ่านพาหะและจานสายอากาศ ตัวอย่างแรกเป็น 2 เฟรมพาหะของสัญญาณ UMTS บนการเชื่อมโยง CPRI ขนาด 1.2 Gbps ที่นำพา 2 word ส่วนตัวอย่างที่สองเป็นเฟรมพาหะของสัญญาณ LTE สำหรับจานสายอากาศ MIMO (2x) บนการเชื่อมโยง CPRI ขนาด 2.5 Gbps ที่นำพา 4 word

 

 

รูปที่ 14 (ก) ตัวอย่างเฟรม CPRI ของสัญญาณ UMTS (ข) ตัวอย่างเฟรม CPRI ของสัญญาณ LTE

 

          ขั้นตอนสุดท้ายของการส่งเฟรมพื้นฐานเข้าไปในเฟรม CPRI คือองค์ประกอบของ hyperframe และการเข้ารหัสสาย โดยการเข้ารหัส symbol แบบ 8 – 10 บิต จะถูกใช้เพื่อความสมดุลของไฟฟ้า DC และการกู้คืนสัญญาณซิงโครไนซ์ ซึ่งการเข้ารหัสสายในทำนองเดียวกันจะถูกนำมาใช้กับการส่งสัญญาณอีเทอร์เนตที่มีความเร็วต่ำกว่า 10 Gbps

      

ข้อสังเกต: อัตรา line ทางเลือกที่ 8 (10,137.6 Mbps) จะมาพร้อมกับการเข้ารหัส symbol ที่มีจำนวนโอเวอร์เฮดต่ำ

 

 

รูปที่ 15 เฟรม CPRI

 

การทดสอบสถานีฐานในสถาปัตยกรรมแบบกระจาย

 

          ในสถาปัตยกรรมใหม่ที่เป็นแบบกระจายสถานีฐาน จะมีข้อดีหลายประการที่ช่วยให้การทำงานของระบบมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ข้อดีอย่างหนึ่งจะอยู่ที่การใช้สาย feeder ในส่วนของ fronthaul ที่เป็นเส้นใยแก้วนำแสงแทนเคเบิลโคแอกเชียลหรือ FTTA (fiber-to-the-antenna) เพื่อลดการสะท้อนและการสูญเสียกำลังของสัญญาณที่ไปยังจานสายอากาศ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากยังต้องมีการดำเนินการกับฟังก์ชันความถี่วิทยุบน RRH ทำให้ต้องมีการวิเคราะห์และทดสอบสัญญาณรบกวนที่ส่งไปยัง RRH ที่ติดตั้งอยู่ด้านบนของเสา ซึ่งการทำงานตรงจุดนี้จะมีค่าใช้จ่ายสูงและต้องคำนึงถึงความปลอดภัยจากการปีนขึ้นไปทำงานร่วมด้วย

      

          ในเงื่อนไขการดำเนินการของสถาปัตยกรรมแบบกระจาย จะมีการเพิ่มขั้นตอนการวิเคราะห์และทดสอบสัญญาณของสถานีฐาน โดยรายละเอียดของการทำงานจะรวมอยู่ในการทดสอบทั้งที่เป็นส่วนของการติดตั้งและการดูแลรักษาดังนี้

 

• การติดตั้งสถานีฐาน ต้องมีการตรวจสอบสาย feeder ที่เป็นเคเบิลโคแอกเชียล หัวข้อของการตรวจสอบจะเกี่ยวข้องกับการสะท้อนของสัญญาณ ค่า return loss หรือค่า VSWR (voltage standing wave ratio) และกำลังส่งสัญญาณความถี่วิทยุ การทดสอบส่วนนี้จะทำร่วมกับการทดสอบคุณสมบัติด้านต่าง ๆ ของการเชื่อมโยงที่เป็นเส้นใยแก้วนำแสงเช่น การทดสอบระดับกำลังส่งแสง

 

• การดูแลรักษาสถานีฐาน นอกจากต้องมีการตรวจสอบในทำนองเดียวกับที่ทำในช่วงของการติดตั้งแล้ว ยังต้องมีการทดสอบสัญญาณที่เกิดขึ้นหลังการรวมระบบย่อย เพื่อยืนยันคุณภาพของการติดต่อสื่อสาร เช่น ลักษณะของสัญญาณความถี่วิทยุ การวิเคราะห์สัญญาณรบกวน คุณภาพของการมอดูเลชัน

 

          รูปที่ 16 แสดงตัวอย่างเครื่องมือทดสอบที่รองรับเทคโนโลยี RF over CPRI ซึ่งทำ demapping องค์ประกอบสัญญาณความถี่วิทยุจากการเชื่อมโยง CPRI ก่อนการวิเคราะห์ โดยเครื่องมือจะรองรับการทดสอบทั้งในส่วนของการติดตั้งและการดูแลรักษา นอกจากนี้ ผู้ดูแลเครือข่ายยังสามารถนำเครื่องมือมาตรวจสอบลักษณะของช่องสัญญาณความถี่วิทยุ  และคุณสมบัติของสัญญาณบนเส้นใยแก้วนำแสงได้อีกด้วย

 

รูปที่ 16 เครื่องมือทดสอบที่รองรับเทคโนโลยี RFoCPRI

 

การวิเคราะห์สัญญาณรบกวน RFoCPRI

 

          ในเทคโนโลยี RFoCPRI จะมีการตรวจสอบสัญญาณควบคุม CPRI และกระบวนการดึงทราฟฟิกระนาบผู้ใช้หรือข้อมูลสัญญาณความถี่วิทยุ (IQ) ที่ถูกส่งระหว่างชุดควบคุมอุปกรณ์หรือ BBU (base band unit) กับอุปกรณ์วิทยุหรือ RRU ส่งผลให้การดูแลและแก้ไขปัญหาสัญญาณรบกวนทำได้ทั้งด้าน uplink และ downlink

 

          นอกจากนี้การทำ demapping และวิเคราะห์ข้อมูลระนาบผู้ใช้ของเทคโนโลยี RFoCPRI ยังช่วยให้การดูแลรักษาส่วนของสัญญาณความถี่วิทยุสามารถทำได้สะดวกมากขึ้นที่ระดับพื้นดินผ่านการคาบเกี่ยวเส้นใยแก้วนำแสงที่ BBU และจะมีประโยชน์ดังนี้

 

• ขจัดปัญหาการปีนขึ้นเสาเพื่อดำเนินการ ทำให้ผู้ปฏิบัติงานมีความปลอดภัย
• ลดเครื่องมือทดสอบที่ต้องใช้
• ลดเวลาการดูแลรักษาและค่าใช้จ่ายในการดำเนินการ

 

 

 

รูปที่ 17 การดำเนินการ RFoCPRI

 

          สัญญาณรบกวน RF โดยปกติจะกระทบกับการส่งสัญญาณของอุปกรณ์ด้าน uplink ซึ่งมีข้อจำกัดกำลังส่ง โดยสัญญาณรบกวนที่เกิดนี้อาจมาจากแหล่งกำเนิดภายนอกหรือเกิดจาก PIM (passive intermodulation) ภายในเซลล์ที่เป็นผลลัพธ์จากสัญญาณความถี่วิทยุด้าน downlink

 

          เครื่องมือทดสอบบนเทคโนโลยี RFoCPRI จะมีความสามารถวิเคราะห์สัญญาณรบกวนได้โดยไม่ขัดจังหวะการให้บริการ เนื่องจากการติดตามสัญญาณ CPRI จะอาศัยคับเปอร์แสงพาสซีฟ (optical coupler) ซึ่งติดตั้งถัดจาก BBU โดยคับเปอร์จะรองรับช่องสัญญาณแสงได้หลายช่อง รูปที่ 18 แสดงภาพเปรียบเทียบการเชื่อมต่อเครื่องมือทดสอบเข้าที่คับเปอร์แสงพาสซีฟของ macrocell ที่มีการส่งแบบ 3 เซกเตอร์: alpha (α), beta (β) และ gamma (γ)

 

 

รูปที่ 18 (ก) เซกเตอร์ BBU (ข) เซกเตอร์ BBU ที่มาพร้อมกับคับเปลอร์แสง

 

          จากความยืดหยุ่นในการตั้งค่าโปรไฟล์ CPRI ทำให้การวิเคราะห์สเปกตรัมผ่านทาง RFoCPRI เพื่อทดสอบหาสัญญาณรบกวนสามารถทำได้กับทุกสัญญาณความถี่วิทยุ รวมถึงสัญญาณอื่น ๆ ของพาหะเดียวกัน เช่น MIMO และการส่งหลาย ๆ สัญญาณบนความถี่ที่แตกต่างกัน

      

          การรบกวนอินเตอร์มอดูเลชันในอุปกรณ์ด้าน uplink สามารถเกิดขึ้นภายในโครงสร้างพื้นฐานของสถานีฐาน เมื่อสัญญาณถูกส่งผ่านตำแหน่งที่มีข้อบกพร่องบนเส้นทางการเชื่อมโยง เช่น การคลายของตัวต่อ การโค้งของเคเบิล การกัดกร่อนที่เกิดจากตัวนำโลหะต่างชนิดตรงจุดเชื่อมต่อ ส่งผลให้มีสัญญาณใหม่ที่ไม่ต้องการเกิดขึ้น

      

          ตัวอย่างของอินเตอร์มอดูเลชัน เช่น ในสถานีฐาน LTE แบบเซลล์เดียว ซึ่งสัญญาณที่ส่งออกมาประกอบด้วยการรวมกันของพาหะย่อย (15 kHz) โดยสัญญาณ LTE 10MHz จะประกอบด้วยจำนวนพาหะย่อย = 9 MHz /15kHz = 600 พาหะ ถ้าสัญญาณนี้ถูกส่งไปบนระบบเคเบิลที่มีข้อบกพร่อง สัญญาณใหม่ที่เป็นผลจากการจับคู่กันของพาหะย่อยต่างๆ ของสัญญาณก็จะเกิดขึ้น และอาจไปอยู่ในความถี่แบนด์เดียวกับที่กำหนดให้เป็นการส่งสัญญาณด้าน uplink ส่งผลให้เกิดการรบกวนแบบ wideband ขึ้นได้

 

          รูปที่ 19 แสดงผลการวิเคราะห์สเปกตรัม RFoCPRI จากสถานีฐานที่ส่งสัญญาณ LTE 10 MHz บน 2 จานสายอากาศ (MIMO) มีลักษณะสำคัญที่แสดงให้เห็นถึงการเกิดอินเตอร์มอดูเลชันขึ้นภายในระบบ คือ มีระดับกำลังสูงเกิดขึ้นกับจานสายอากาศ #2 เมื่อเทียบกับจานสายอากาศ #1 และมีลักษณะการเปลี่ยนแปลงของระดับกำลังสูงที่ค่อย ๆ ลดลง

 

 

รูปที่ 19 การเกิดอินเตอร์มอดูเลชันของสัญญาณ LTE uplink 10MHz MIMO

 

          นอกจากนี้ สัญญาณรบกวนจากแหล่งกำเนิดภายนอกสามารถถูกตรวจจับได้ระหว่างการวิเคราะห์สเปกตรัม ดังแสดงในรูปที่ 20 ซึ่งแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจะมาจากระบบไมโครเวฟที่ติดตั้งอยู่ร่วมกันบนเสาส่ง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากธรรมชาติของสัญญาณที่แตกต่าง และลักษณะเฉพาะของสัญญาณรบกวน ทำให้ในการทดสอบจำเป็นต้องมีการปรับจูนพารามิเตอร์ให้เหมาะสมก่อน พารามิเตอร์เหล่านี้จะรวมไปถึง การทำ filtering (เช่น ความละเอียดแบนด์วิดธ์) การปรับระดับกำลังซึ่งจะมีทั้งการลดทอนหรือการขยายกำลังสัญญาณ เพื่อให้การตรวจจับและการวิเคราะห์สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 

 

รูปที่ 20 สัญญาณรบกวนจากแหล่งกำเนิดภายนอก

 

          สัญญาณรบกวนจากแหล่งกำเนิดภายนอกที่ไม่ได้อยู่บนเสาส่งต้นเดียวกัน ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นเป็นเวลาสั้นๆ จึงทำให้การตรวจจับทำได้ยาก ในกรณีนี้ความต่อเนื่องในการบันทึกผลการวัดจึงเป็นสิ่งสำคัญเช่นเดียวกับการวิเคราะห์สเปกตรัม

      

          การวัด spectrogram เป็นเทคนิคพื้นฐานที่ใช้ทั่วไปสำหรับตรวจจับสัญญาณรบกวนที่มาไม่ต่อเนื่อง โดยผู้ทดสอบสามารถติดตามและบันทึกสเปกตรัมตามเวลา เพื่อตรวจสอบการผันแปรของระดับกำลัง รูปที่ 21 แสดงตัวอย่างการวัด spectrogram ของ RFoCPRI ที่มาพร้อมกับสัญญาณรบกวน ซึ่งเกิดขึ้นไม่ต่อเนื่องกับ LTE ด้าน uplink

 

 

 

รูปที่ 21 การวัด spectrogram ของ RFoCPRI ที่มาพร้อมกับสัญญาณรบกวนบางช่วงเวลา

 

          จากที่กล่าวมาพอสรุปได้ว่าผู้ดูแลระบบจำเป็นต้องตระหนักถึงสัญญาณรบกวนที่ถูกสร้างขึ้นภายในสถานีฐานจากผลของอินเตอร์มอดูเลชัน ซึ่งจะไปรบกวนสัญญาณที่ส่งออกไปจากอุปกรณ์ของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ รวมถึงการใช้งานภาคส่งของระบบโทรคมนาคมต่าง ๆ ทั้งที่ได้รับใบอนุญาตอย่างเป็นทางการ เช่น ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ เครือข่ายไร้สาย และที่ไม่ต้องขอใบอนุญาตหรือระบบที่มีภาคส่งทำงานผิดปกติ แล้วส่งผลทำให้เกิดเป็นสัญญาณที่ไม่ต้องการเข้าไปรบกวนระบบอื่น

 

ความสามารถตรวจจับสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นกับสถานีฐานแบบเดิมจะทำได้ลำบากและมีค่าใช้จ่ายสูง การที่สถานีฐานได้ปรับไปใช้สถาปัตยกรรมใหม่ที่เป็นแบบกระจาย ซึ่งส่วนของสัญญาณความถี่วิทยุถูกแยกออกมาไว้ที่ RRH ร่วมกับการเชื่อมโยง fronthaul ผ่านเส้นใยแก้วนำแสงหรือ FTTA (fiber-to-the-antenna) และโปรโตคอลอินเตอร์เฟสระหว่างอิลิเมนต์ เช่น โปรโตคอล CPRI ทำให้สามารถใช้เครื่องมือทดสอบที่รองรับเทคโนโลยี RFoCPRI ตรวจวัดคุณสมบัติของสัญญาณความถี่วิทยุผ่านการเชื่อมโยง ส่งผลให้การปีนขึ้นไปบนเสาส่งน้อยลง ลดค่าใช้จ่าย และเพิ่มความปลอดภัยให้กับการดำเนินการ