基于Xilinx器件的CPRI協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法

引言
目前，分布式基站主要采用兩種開放式接口標(biāo)準(zhǔn)：無線設(shè)備和無線設(shè)備控制部分分離的CPRI接口（Common Public Radio Interface）標(biāo)準(zhǔn)，還有基帶處理、射頻、網(wǎng)絡(luò)傳輸和控制層面都分離的OBSAI接口（Open Base Station Architecture Initiative）標(biāo)準(zhǔn)。

CPRI主要針對WCDMA標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)相對容易，支持廠商以Ericsson、華為、Siemens、Nortel、NEC等為代表；OBSAI接口研發(fā)有一定難度，標(biāo)準(zhǔn)完善相對復(fù)雜，支持廠商以Nokia、Samsung、中興、Alcatel、烽火、首信等。本文就是在CPRI協(xié)議的基礎(chǔ)上，介紹了一種在CDMA系統(tǒng)中使用CPRI的邏輯設(shè)計(jì)方法，并給出了仿真波形。

協(xié)議簡介
針對REC（Radio Equipment Control）和RE（Radio Equipment）之間或者兩個(gè)RE之間的IQ數(shù)據(jù)、控制和管理數(shù)據(jù)及同步信息的傳送，CPRI定義了L1和L2層協(xié)議，其架構(gòu)見圖1。

圖1 CPRI協(xié)議架構(gòu)簡圖

圖2 CPRI在系統(tǒng)中的位置

在L2層上，CPRI支持兩種控制模式：HDLC協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議，所有的這些控制命令都是和用戶層面的IQ數(shù)據(jù)交織在一起，以時(shí)分復(fù)用的形式在電傳輸線或者光纖中傳輸，另外協(xié)議還給廠家預(yù)留了一部分時(shí)隙，可以用來傳輸廠家自定義的信息。

CPRI協(xié)議可支持四種數(shù)據(jù)速率，分別是614.4Mb/s、1.2288Gb/s、2.4576Gb/s和3.0720Gb/s，這里的速率指的是光纖中串行信號的速率。因?yàn)镃PRI主要是針對WCDMA制定的，其基本幀周期是1/3.84MHz，而CDMA基本幀為1/1.2288MHz，為了兼容CDMA的速率，在使用CPRI協(xié)議時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整，可以發(fā)現(xiàn)在25個(gè)CPRI幀的時(shí)間內(nèi)，可發(fā)送8個(gè)CDMA基本幀，為了便于數(shù)據(jù)的對齊，參照圖3的映射關(guān)系，在每3個(gè)CPRI幀的時(shí)間內(nèi)傳送1個(gè)CDMA幀，最后多余的第25個(gè)CPRI幀用來傳送RSSI信息，這樣就可以在CPRI的3個(gè)基本幀中實(shí)現(xiàn)CDMA多路載波的復(fù)用，根據(jù)協(xié)議，最多可支持21路載波的復(fù)用。

參照CPRI協(xié)議，每256個(gè)CPRI幀構(gòu)成一個(gè)超幀，每150個(gè)超幀的長度為10ms，稱為一個(gè)無線幀。協(xié)議規(guī)定每個(gè)超幀的起始字傳輸K碼，利用K碼來同步超幀和基本幀，并根據(jù)加入載波和控制字的位置進(jìn)行解幀、組幀，本次設(shè)計(jì)中采用K28.5進(jìn)行同步，每收到150個(gè)K碼標(biāo)志時(shí)的時(shí)間長度為10ms。

圖3 CPRI幀和CDMA幀的映射關(guān)系

控制字命令在每個(gè)基本幀的首個(gè)16比特傳輸，CPRI協(xié)議留有空余的位置，允許用戶傳輸自定義的控制字，各個(gè)廠家的控制字可以不同。

邏輯實(shí)現(xiàn)
CPRI在整個(gè)系統(tǒng)中的位置如圖2所示，它是整個(gè)邏輯設(shè)計(jì)的最外層，直接與光口連接，其中光口0用來連接上一級RE或者REC，光口1連接下一級RE。在設(shè)計(jì)中采用支持SERDES IP CORE的Xilinx Virtex5器件，每個(gè)SERDES IP CORE可以支持兩個(gè)光口，方便級聯(lián)，在接收端，SERDES可以直接將光電轉(zhuǎn)換器傳過來的串行差分信號轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出，并恢復(fù)出相對應(yīng)的隨路時(shí)鐘，在發(fā)送端，SERDES將隨路時(shí)鐘和并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的差分信號輸出，除此之外，還可以提供串并過程中的同步K碼指示、接收信號錯(cuò)誤指示、數(shù)據(jù)重新排列以及發(fā)送端數(shù)據(jù)的預(yù)加重等功能。
光纖中采用1.2288Gb/s的傳輸速率，按照協(xié)議規(guī)定的幀格式，得出式1：
（1）
其中，fclk代表時(shí)鐘的工作頻率，之所以乘以（10/8）是因?yàn)樵诓⒋D(zhuǎn)換時(shí)需要進(jìn)行8B/10B編碼，導(dǎo)致位數(shù)增加，由式1求得時(shí)鐘頻率為61.44MHz，這個(gè)頻率就是CPRI模塊以及SERDES參考時(shí)鐘的頻率。

1 下行鏈路
CPRI的下行鏈路模塊的功能：對于本級RE，主要完成載波和控制字的分離；對于下一級RE，主要完成基帶信號的透傳。

數(shù)據(jù)的流程可以描述為下行鏈路模塊從光口0接收基帶或上一級RE發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解幀，提取出本級RE所需的控制字和載波數(shù)據(jù)，其中控制字送給本級CPU，載波數(shù)據(jù)發(fā)送給本級RE的下行鏈路處理模塊。此外，還要完成基帶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，將接收到的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過光口1直接發(fā)送給下一級RE，下行鏈路模塊框圖如圖4所示。

圖4 CPRI下行鏈路設(shè)計(jì)

幀同步模塊對SERDES恢復(fù)的K碼進(jìn)行計(jì)數(shù)，同步出10ms無線幀標(biāo)志，并根據(jù)此標(biāo)志同步出超幀和基本幀的位號，其中超幀的位號范圍是0～149，基本幀的位號范圍是0～255。在完成同步后數(shù)據(jù)分為兩路，一路送給本級RE，指示后續(xù)的模塊在對應(yīng)的位置解出控制字和IQ數(shù)據(jù)，其中控制字送到本級的CPU，CPU提取本級需要的控制字，對其他控制字則采取丟棄處理，IQ數(shù)據(jù)則以1CHIP（1.2288MHz）速率以并行的方式送到下行鏈路模塊進(jìn)行處理；另一路直接通過光口1送給下一級RE，根據(jù)系統(tǒng)的級聯(lián)需要還可以加入RE的ID號或者其他的控制字。

2 上行鏈路
CPRI上行鏈路模塊相對比較復(fù)雜，從光口1接收下一級RE送過來的數(shù)據(jù)，不僅要完成數(shù)據(jù)的解幀，分離出載波和控制字，還要插入本級上行的載波數(shù)據(jù)、RSSI以及其他控制字，并通過光口0送到上一級RE或者REC。不同于下行鏈路，上行鏈路需實(shí)現(xiàn)對所有控制字和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，除了本級的控制字和數(shù)據(jù)，還包括下級RE傳來的控制字和數(shù)據(jù)，上行鏈路模塊框圖如圖5所示。

圖5 CPRI上行鏈路設(shè)計(jì)

仿真結(jié)果

圖6 輸入數(shù)據(jù)仿真波形

圖7 下行解出10ms標(biāo)志仿真波形
輸入數(shù)據(jù)波形如圖6所示，代表的是SERDES串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，基本幀的首個(gè)16bit（S_rx_slot_cnt=0處）傳送控制字，末尾的16bit（S_rx_slot_cnt=15處）不使用，載波數(shù)據(jù)均用“0xaabb”表示。
CPRI下行同步模塊在150個(gè)超幀后解出10ms標(biāo)志，此時(shí)正好對應(yīng)下一個(gè)超幀的開始，同樣也是基本幀的開始，仿真波形如圖7所示。

結(jié)語
在近幾年內(nèi)相繼出現(xiàn)了CPRI、OBSAI接口標(biāo)準(zhǔn)。由于其實(shí)現(xiàn)上的經(jīng)濟(jì)簡便性，基于CPRI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的分布式基站產(chǎn)品陸續(xù)推出。本文按照實(shí)際的應(yīng)用場景來設(shè)計(jì)，介紹了在CDMA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)CPRI協(xié)議的方法，并給出了邏輯設(shè)計(jì)的框圖和仿真波形，對于CPRI協(xié)議的理解和CDMA分布式基站的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。