3G數字基站射頻拉遠CPRI規范的實(shí)現

基站技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展緊密不可分，移動(dòng)通信技術(shù)走過(guò)了從模擬技術(shù)到數字技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，也實(shí)現了從窄帶到寬帶的發(fā)展，移動(dòng)通信基站技術(shù)的發(fā)展趨勢主要是從模擬向數字發(fā)展、從窄帶向寬帶發(fā)展、向標準化和模塊化發(fā)展。

在3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )建設中，網(wǎng)絡(luò )覆蓋效果的好壞決定了未來(lái)發(fā)展用戶(hù)的速度和運營(yíng)商在該網(wǎng)絡(luò )上的收益，甚至是整個(gè)3G網(wǎng)絡(luò )能否健康運行的決定性因素，而決定3G網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量的關(guān)鍵就在于如何實(shí)現密集城區的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋。傳統密集地區的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建網(wǎng)方式是在該類(lèi)地區全部采用宏基站設備作為主覆蓋設備，在規劃的3G站點(diǎn)地區建設無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用的機房和相關(guān)配套設施，而且還需要在原有的傳輸網(wǎng)基礎上建設新的連接3G站點(diǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò )。傳統建網(wǎng)方式的主要問(wèn)題是運營(yíng)商不得不花費大量時(shí)間和費用在機房的租用方面，而且大量理想站點(diǎn)機房因為要遠離住宅而無(wú)法獲得，也拖延了網(wǎng)絡(luò )的建設速度。特別是那些新的移動(dòng)運營(yíng)商，如果在不具備足夠的機房資源的情況下使用這種建網(wǎng)方式，必然會(huì )導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )建設周期很長(cháng)，網(wǎng)絡(luò )覆蓋不好。

新型的網(wǎng)絡(luò )覆蓋理念的核心思想就是把傳統的宏基站的基帶處理和射頻部分分離，分成基帶處理和射頻拉遠兩個(gè)設備，在兩者之間采用光纖連接，其結構如圖1所示。在設備部署方面則是把核心網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制和基帶池設備集中于一個(gè)地點(diǎn)，在規劃的站點(diǎn)上部署射頻拉遠設備以實(shí)現無(wú)線(xiàn)覆蓋。采用該解決方案無(wú)需任何機房和傳輸資源，既可滿(mǎn)足運營(yíng)商對3G網(wǎng)絡(luò )建網(wǎng)速度的要求，也可保證3G網(wǎng)絡(luò )建網(wǎng)和維護成本達至最低。其優(yōu)勢主要有：將繁瑣的維護工作簡(jiǎn)化到基帶處理端;一個(gè)無(wú)線(xiàn)基帶控制可以連接幾個(gè)射頻拉遠，既節省空間，降低設置成本，又提高了組網(wǎng)效率;連接兩端之間的接口采用光纖，損耗減少，并可大幅度降低電力消耗。

圖1 基于射頻拉遠的新型建網(wǎng)方案

為了有效處理基帶處理和射頻拉遠兩部分的連接，工業(yè)界形成了兩種接口規范，一個(gè)是公共無(wú)線(xiàn)接口規范CPRI(Common Public Radio Interface)，它是由愛(ài)立信、華為、NEC、北電網(wǎng)絡(luò )與西門(mén)子等公司發(fā)起的，另一個(gè)是OBSAI規范(Open Base Station Architecture Initiative)，它是由諾基亞、LG電子、三星電子等公司成立的聯(lián)盟。CPRI適用于多種空中接口，本文以UMTS網(wǎng)絡(luò )為例，介紹CPRI的實(shí)現。

公共無(wú)線(xiàn)接口規范

UMTS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)接入系統由核心網(wǎng)(CN)、無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(UTRAN)和用戶(hù)裝置(UE)三部分組成。在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)內部，又分成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制(RNC)和基站(Node B)。整個(gè)UMTS的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)接入系統結構框圖如圖2所示：

圖2 UMTS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)接入系統系統結構框圖

基站通過(guò)Iub接口連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制，再通過(guò)Uu接口連接到用戶(hù)設備。Uu接口分為三個(gè)協(xié)議層：物理層(L1)，數據鏈路層(L2)和網(wǎng)絡(luò )層(L3)。在射頻拉遠技術(shù)中，基帶處理和射頻拉遠兩個(gè)設備也分成兩個(gè)協(xié)議層：物理層(L1)和數據鏈路層(L2)。在物理層中，將上層接入點(diǎn)的數據進(jìn)行復/分接和物理層的編碼。在數據鏈路層，對上層接入點(diǎn)的I/Q數據、物理層協(xié)議數據和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議數據(包括以太網(wǎng)數據、高層數據鏈路協(xié)議數據)進(jìn)行相應的處理。

數字基站的下行基帶處理部分主要由擴頻、交織、信道編碼和發(fā)送功率控制單元組成，上行基帶處理部分主要由發(fā)送功率控制、信道解碼、解交織、解擴頻單元組成。下行射頻拉遠部分主要由上變頻、降峰均比、數字預失真、數字上變頻、數模變換和高功率放大器單元組成，上行射頻拉遠部分主要由低噪聲放大器、模數變換和數字下變頻單元組成，如圖3所示：

圖3 基帶處理單元和射頻拉遠單元基本功能

由圖3可知，基帶處理部分和射頻拉遠部分通過(guò)一條或若干條CPRI鏈路來(lái)連接，每條CPRI鏈路都是高速的串行數字傳輸鏈路，可選擇614.4Mb/s、　　　1228.8Mb/s、2457.6Mb/s三種碼率之一將數據以串化的數字信號形式從基帶部分發(fā)送到射頻拉遠部分，數據包括用戶(hù)I/Q數據、控制管理數據和同步數據，在發(fā)送端，通過(guò)CPRI固定的幀結構形式將這三部分數據復接到三種數據流之一，再經(jīng)過(guò)物理層的8B/10B編碼后，由光模塊發(fā)送出去;在接收端經(jīng)過(guò)物理層的10B/8B解碼后，通過(guò)固定幀結構形式將三部分數據進(jìn)行分接，再提取出時(shí)鐘信號，交給上層網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行處理，CPRI模塊設計系統框圖如圖4所示。

圖4 CPRI模塊設計框圖

CPRI要求設備至少支持三種數據流之一以進(jìn)行傳輸，而在發(fā)送端具體采用何種速率是通過(guò)軟件和接收端進(jìn)行協(xié)商的。接收端的時(shí)鐘恢復單元是通過(guò)8B/10B編碼來(lái)實(shí)現的，該編碼可以確保被編碼數據中有足夠的高低電平的翻轉，從中可以提取出時(shí)鐘信號。

CPRI的幀單元可分成基本幀單元和超幀單元?；編瑔卧膸l是3.84M，每幀可分成16個(gè)字。隨著(zhù)碼率的不同，字的長(cháng)度分別為8比特、16比特和32比特。每幀的第1個(gè)字填入控制信號，后15個(gè)字填入I/Q用戶(hù)數據。I/Q用戶(hù)數據的寬度也是有定義的，下行鏈路的I/Q數據寬度是8比特～20比特，上行鏈路的I/Q數據寬度是4比特～10比特，過(guò)采樣率可選擇是2或4。若在614.4Mb/s的數據傳輸率下，一條CPRI鏈路可以支持的載波數至少是：

614.4×8×15/(10×16×3.84)/(20+20)=3

因此，在多載波系統中，可以選擇用一條CPRI鏈路來(lái)傳輸多載波I/Q數據，或是通過(guò)多條CPRI鏈路分別傳送不同載波的數據。

超幀單元是由256個(gè)基本幀單元構成的，其中，第1個(gè)基本幀單元里的控制信號寫(xiě)入K28.5特殊字用標志一幀的開(kāi)始，K28.5是8B/10B里的特殊控制字。其余的255個(gè)基本幀單元里的控制信號按規定順序分別填入幀號、基站幀號、版本號、控制管理字、HDLC、廠(chǎng)商特定字，并留出了一些做為保留字節。

通過(guò)適當的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，可以使用基帶處理和射頻拉遠設備的級聯(lián)、星形、樹(shù)形和環(huán)形的組網(wǎng)方式，而具體采用何種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，則由廠(chǎng)商自己決定。

公共無(wú)線(xiàn)接口規范的FPGA實(shí)現

在公共無(wú)線(xiàn)接口規范的實(shí)現中，最關(guān)鍵的一環(huán)是千兆比特收發(fā)器的實(shí)現和串/并、并/串轉換器(SEDES)的實(shí)現。在當前主流的FPGA中，Alter、Xilinx均將千兆比特收發(fā)器和SEDES硬件電路集成到了FPGA芯片中，像Altera的Stratix GX系列FPGA可以提供4路～20路的高速串行收發(fā)器接口，每個(gè)接口支持的最高速率可達3.1875Gb/s，并支持全雙工。CPRI鏈路的最高速率為2.4576Gb/s，因此，本文討論的方案就是在Stratix GX芯片上實(shí)現公共無(wú)線(xiàn)接口規范。本系統涉及到的時(shí)鐘較多，多時(shí)鐘系統會(huì )引起時(shí)鐘速率抖動(dòng)和時(shí)鐘/數據關(guān)系相位變化，甚至毛刺會(huì )嚴重降低設計性能或完全破壞設計所能實(shí)現的功能，并對高速串口造成致命的影響，因此，對于多時(shí)鐘系統的設計應盡量減少亞穩態(tài)狀態(tài)的產(chǎn)生。下面分模塊進(jìn)行討論：

(1)可調節的時(shí)鐘模塊的實(shí)現。由于信道最多支持三種數據碼率，在初始上電時(shí)碼率需要進(jìn)行協(xié)商并能自動(dòng)調節。在Stratix GX里有增強型鎖相環(huán)(EPLL)和快速鎖相環(huán)(Fast PLL),由EPLL的分頻和倍頻可以從輸入的低速時(shí)鐘產(chǎn)生高速的系統工作時(shí)鐘。GX里還提供了可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)重配置EPLL的IP核，因此，可以通過(guò)改變其控制寄存器的值，來(lái)實(shí)時(shí)重新配置EPLL，以得到不同的系統工作時(shí)鐘。

(2)開(kāi)機初始化模塊的實(shí)現。由于發(fā)送端和接收端開(kāi)機初始時(shí)的工作時(shí)鐘不一定相同，因此需要通過(guò)初始化達到統一的工作時(shí)鐘，并確定物理層的傳輸速率和相應的協(xié)議。

(3)I/Q用戶(hù)數據和鏈路層數據的碼率調整模塊實(shí)現。進(jìn)入基帶處理部分的I/Q數據是3.84M或3.84M的倍數速率，需要通過(guò)二端口異步RAM，一端在低速時(shí)鐘下寫(xiě)入RAM，另一端在高速時(shí)鐘下從RAM中讀取數據至成幀模塊。

(4)8B/10B編解碼和成幀/解幀模塊的實(shí)現。該模塊的實(shí)現是通過(guò)GX里的GXB(Gigabit Transceiver Bblock)集成電路模塊來(lái)完成的。

(5)接收端時(shí)鐘的恢復模塊的實(shí)現。由于在高速串行數字接口中，時(shí)鐘信息和數據信息是疊加在一起的，保持接收端和發(fā)送端的時(shí)鐘同步，并從數據信息中提取出時(shí)鐘信號是接收端正常工作的關(guān)鍵。在GXB模塊里，有時(shí)鐘數據恢復單元(CRU)，CRU用外部參考時(shí)鐘從進(jìn)入的數據信號里恢復出它的時(shí)鐘，并且該時(shí)鐘和數據是同相位的?；謴统鰜?lái)的時(shí)鐘即用做接收端的系統工作時(shí)鐘，進(jìn)行下一步的數據處理。

高速數字信號傳輸的仿真

在硬件實(shí)現中，數字信號在614.4Mb/s、1228.8Mb/s、2457.6Mb/s三種碼率之一下的傳輸質(zhì)量將會(huì )受到很多因素的影響，設計人員很難保證一次性成功，必須在設計硬件前進(jìn)行全面的系統級仿真，然后再去布板調試改善。充分利用分析工具來(lái)實(shí)現準確的性能預測是提高高速產(chǎn)品設計質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

對Stratix GX進(jìn)行布板時(shí)，為了保證較好的性能，現用圖5的8層布板方案來(lái)進(jìn)行仿真。高速傳輸線(xiàn)采用差分信號線(xiàn)，從頂層經(jīng)過(guò)孔到第五層，再通過(guò)過(guò)孔到頂層。該走線(xiàn)經(jīng)歷了兩次過(guò)孔和兩次45度拐角。

圖5 八層布板方案

發(fā)送端和接收端均采用3.3V低電壓差分接口(LVDS)，altera提供了LVDS的輸入輸出緩沖模型(IBIS)，該模型屬于形為級描述模型，它包含了輸入輸出緩沖的I-V數據和V-T數據，包括了上升沿下降沿。IBIS模型可以用來(lái)進(jìn)行PCB上信號完整性分析，還可以進(jìn)行某些算法分析，比如預加重或者均衡。

差分信號到達開(kāi)路終端后，將會(huì )碰到一個(gè)很大的阻抗并反射回來(lái)，如果不對此反射加以控制，它將可能超出噪聲容限引起超額噪聲。減小反射的一種常用辦法就是在差分對末端加上一個(gè)與差分阻抗匹配的電阻性阻抗。用ADS仿真出LVDS的輸出阻抗，加入串聯(lián)終端匹配，再仿真出輸出緩沖模型和信道模型的綜合模型的輸出阻抗，對接入匹配的端接電阻進(jìn)行系統仿真，測試序列為K28.5(0011111010)，優(yōu)化后的系統框圖如圖6所示：

圖6 系統仿真框圖

優(yōu)化后的差分電壓時(shí)域仿真波形圖如圖7所示，差分電壓眼圖如圖8所示，和未優(yōu)化前進(jìn)行比較，如圖9、圖10所示，從對比可知，加了終端匹配和端接匹配后，過(guò)沖現象有較大改善，但是接收電平值有所下降，信號眼圖略微收縮，即系統的抗干擾能力有一定的下降。

圖7 差分電壓時(shí)域仿真波形

圖8 差分電壓仿真眼圖

圖9 未匹配的差分電壓時(shí)域仿真波形圖

圖10 未匹配的差分電壓仿真眼圖

結論

基帶處理和射頻拉遠兩部分設備之間的標準化接口是有效實(shí)現控制與數據傳輸的保證，可以為運營(yíng)商節約成本、加速網(wǎng)絡(luò )建設、提高網(wǎng)絡(luò )容量，按照固定的成幀解幀方式的標準化設計有利于不同產(chǎn)品間的兼容。