基于CPRI協(xié)議的光纖通訊設計與實(shí)現

摘要：針對分布式基站基帶處理單元和射頻拉遠單元之間的光纖連接，介紹了CPRI協(xié)議規范，討論了其基于FPGA的硬件實(shí)現方案。同時(shí)給出了基于FPGA與SCAN25100方案的設計，采用Verilog語(yǔ)言設計開(kāi)發(fā)FPGA。該方案開(kāi)發(fā)成本低，調試簡(jiǎn)單方便。通過(guò)實(shí)際測試表明，該設計方案能夠有效實(shí)現基于CPRI協(xié)議的光纖通訊傳輸，工作性能穩定。
關(guān)鍵詞：分布式基站；CPRI；光纖通訊；FPGA；SCAN25100

0 引言
2009年1月國內3G牌照正式發(fā)放，隨著(zhù)3G時(shí)代的到來(lái)，各大通信運營(yíng)商對3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )展開(kāi)了大規模建設，投入巨大，而基站是3G網(wǎng)絡(luò )建設中，數量最多及成本最高的設備。移動(dòng)通信領(lǐng)域日趨激烈的競爭，使得通信運營(yíng)商比以往更加關(guān)注建網(wǎng)成本，而分布式基站具備低成本、高性能、快速運營(yíng)等特性，能夠大大節省運營(yíng)商的建網(wǎng)與運維成本。因此分布式基站成為當前3G網(wǎng)絡(luò )建設的最主要選擇。
分布式基站核心理念，是把傳統宏基站基帶處理單元(BBU)和射頻拉遠單元(RRU)分離，二者通過(guò)光纖相連。網(wǎng)絡(luò )部署時(shí)，將BBU、核心網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制設備集中在機房?jì)?，與規劃站點(diǎn)上部署的RRU通過(guò)光纖連接，完成網(wǎng)絡(luò )覆蓋。
為了有效處理分布式基站BBU與RRU間的光纖連接，無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)形成兩個(gè)聯(lián)盟，分別制定了兩種接口標準：2002年諾基亞、LG、三星等宣布成立OBSAI(開(kāi)放式基站結構同盟)；2003年愛(ài)立信、華為、NEC、北電和西門(mén)子等聯(lián)合成立CPRI (通用公共無(wú)線(xiàn)接口組織)。本文主要介紹基于CPRI協(xié)議的光纖通訊。

1 CPRI協(xié)議概述
CPRI協(xié)議定義了兩個(gè)協(xié)議層。兩個(gè)協(xié)議層為物理層(L1)和數據鏈路層(L2)。在物理層中，將上層接入點(diǎn)的傳輸數據進(jìn)行復／分接，并采用8B／10B編解碼，通過(guò)光模塊串行收發(fā)數據。數據鏈路層定義了一個(gè)同步的幀結構，包含基本幀和超幀(由256個(gè)基本幀組成)，數據在L2層中，通過(guò)CPRI固定的幀結構形式進(jìn)行相應的成幀和解幀處理。
基帶處理單元(BBU)和射頻拉遠單元(RRU)之間可以通過(guò)一條或多條CPRI數據鏈路來(lái)連接，每條CPRI數據鏈路支持614．4Mbps、1228．8M-bps和2457．6Mbps三種比特率高速串行傳輸。當前工業(yè)界，通過(guò)將四條并行CPRI數據鏈路進(jìn)行相應串行化處理，可實(shí)現BBU與RRU之間通過(guò)光纖以近10Gbps(即4X2457．6 Mbps)速率超高速傳輸。

2 硬件方案
采用FPGA來(lái)設計實(shí)現基于CPRI協(xié)議的光纖通訊，可以有多種方案來(lái)實(shí)現，下面介紹兩種方案。
方案一：采用集成了RocketIO模塊的FPGA。RocketlO收發(fā)器是在Xilinx公司Virtex2 Pro以上系列FPGA芯片中，集成的功能可配置千兆位級串行收發(fā)器?？赏ㄟ^(guò)調用Xilinx公司的COREGenerator生成的IPCore來(lái)使用RocketIO收發(fā)器。該模塊的功能包括8B／10B編解碼，串并轉換，時(shí)鐘與數據流的綁定以及時(shí)鐘恢復等。使用此方案優(yōu)點(diǎn)是，可以使電路板尺寸較小、結構緊湊，可方便設置參數；缺點(diǎn)是，一般集成了RocketIO的FPGA芯片價(jià)格均較高，必然帶來(lái)開(kāi)發(fā)成本的提高，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期相對也較長(cháng)。
方案二：FPGA與SCAN25100相結合。SCAN25100是美國國家半導體專(zhuān)門(mén)為新一代基站結構推出的串行／解串器，其集成了高精度延遲校準測量(DCM)電路及獨立的發(fā)送和接收系統鎖相環(huán)路，還具備先進(jìn)的高速混合信號和時(shí)鐘管理以及信號調節等功能。同時(shí)芯片具備8B／10B編解碼、高速串并轉換、鎖定檢測、CPRI信號和幀丟失檢測等功能?？筛鶕@款芯片來(lái)構建多天線(xiàn)技術(shù)分布式基站光纖互連解決方案。此方案開(kāi)發(fā)成本較低，調試簡(jiǎn)單方便，性能穩定。
2．1 方案整體設計
本文主要針對方案二進(jìn)行介紹與討論。該方案設計，由FPGA完成CPRI協(xié)議的成幀、解幀、同步、傳輸數據復，分接等操作，以及與SCAN 25100相關(guān)接口設計，同時(shí)負責對SCAN25100與光模塊控制與狀態(tài)監控。SCAN25100負責實(shí)現8B／10B編解碼和高速串并轉換功能。
FPGA與SCAN25100之間通過(guò)使用并行數據線(xiàn)傳輸，SCAN25100的并行數據線(xiàn)支持8位和10位兩種模式，這里選擇用FPGA將SCAN25100配置成10位模式。SCAN25100完成8B／10B編解碼和高速串并轉換，與光模塊通過(guò)差分串行數據線(xiàn)相連。最后由光模塊完成光、電信號轉換，通過(guò)光纖與外部設備進(jìn)行數據傳輸，實(shí)現光纖通訊數據收發(fā)。其方案原理框圖如圖1所示。