基于Xilinx器件的CPRI協(xié)議實(shí)現方法

引言
目前，分布式基站主要采用兩種開(kāi)放式接口標準：無(wú)線(xiàn)設備和無(wú)線(xiàn)設備控制部分分離的CPRI接口（Common Public Radio Interface）標準，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）標準。

CPRI主要針對WCDMA標準，實(shí)現相對容易，支持廠(chǎng)商以Ericsson、華為、Siemens、Nortel、NEC等為代表；OBSAI接口研發(fā)有一定難度，標準完善相對復雜，支持廠(chǎng)商以Nokia、Samsung、中興、Alcatel、烽火、首信等。本文就是在CPRI協(xié)議的基礎上，介紹了一種在CDMA系統中使用CPRI的邏輯設計方法，并給出了仿真波形。

協(xié)議簡(jiǎn)介
針對REC（Radio Equipment Control）和RE（Radio Equipment）之間或者兩個(gè)RE之間的IQ數據、控制和管理數據及同步信息的傳送，CPRI定義了L1和L2層協(xié)議，其架構見(jiàn)圖1。

圖1 CPRI協(xié)議架構簡(jiǎn)圖

圖2 CPRI在系統中的位置

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(hù)層面的IQ數據交織在一起，以時(shí)分復用的形式在電傳輸線(xiàn)或者光纖中傳輸，另外協(xié)議還給廠(chǎng)家預留了一部分時(shí)隙，可以用來(lái)傳輸廠(chǎng)家自定義的信息。

CPRI協(xié)議可支持四種數據速率，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。因為CPRI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)行調整，可以發(fā)現在25個(gè)CPRI幀的時(shí)間內，可發(fā)送8個(gè)CDMA基本幀，為了便于數據的對齊，參照圖3的映射關(guān)系，在每3個(gè)CPRI幀的時(shí)間內傳送1個(gè)CDMA幀，最后多余的第25個(gè)CPRI幀用來(lái)傳送RSSI信息，這樣就可以在CPRI的3個(gè)基本幀中實(shí)現CDMA多路載波的復用，根據協(xié)議，最多可支持21路載波的復用。

參照CPRI協(xié)議，每256個(gè)CPRI幀構成一個(gè)超幀，每150個(gè)超幀的長(cháng)度為10ms，稱(chēng)為一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀。協(xié)議規定每個(gè)超幀的起始字傳輸K碼，利用K碼來(lái)同步超幀和基本幀，并根據加入載波和控制字的位置進(jìn)行解幀、組幀，本次設計中采用K28.5進(jìn)行同步，每收到150個(gè)K碼標志時(shí)的時(shí)間長(cháng)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(hù)傳輸自定義的控制字，各個(gè)廠(chǎng)家的控制字可以不同。

邏輯實(shí)現
CPRI在整個(gè)系統中的位置如圖2所示，它是整個(gè)邏輯設計的最外層，直接與光口連接，其中光口0用來(lái)連接上一級RE或者REC，光口1連接下一級RE。在設計中采用支持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可以直接將光電轉換器傳過(guò)來(lái)的串行差分信號轉換為并行數據輸出，并恢復出相對應的隨路時(shí)鐘，在發(fā)送端，SERDES將隨路時(shí)鐘和并行數據轉換為串行的差分信號輸出，除此之外，還可以提供串并過(guò)程中的同步K碼指示、接收信號錯誤指示、數據重新排列以及發(fā)送端數據的預加重等功能。
光纖中采用1.2288Gb/s的傳輸速率，按照協(xié)議規定的幀格式，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）是因為在并串轉換時(shí)需要進(jìn)行8B/10B編碼，導致位數增加，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。

數據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(guò)來(lái)的數據，進(jìn)行解幀，提取出本級RE所需的控制字和載波數據，其中控制字送給本級CPU，載波數據發(fā)送給本級RE的下行鏈路處理模塊。此外，還要完成基帶數據的轉發(fā)，將接收到的基帶數據進(jìn)行處理后，通過(guò)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下行鏈路設計

幀同步模塊對SERDES恢復的K碼進(jìn)行計數，同步出10ms無(wú)線(xiàn)幀標志，并根據此標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。在完成同步后數據分為兩路，一路送給本級RE，指示后續的模塊在對應的位置解出控制字和IQ數據，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數據則以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(guò)光口1送給下一級RE，根據系統的級聯(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雜，從光口1接收下一級RE送過(guò)來(lái)的數據，不僅要完成數據的解幀，分離出載波和控制字，還要插入本級上行的載波數據、RSSI以及其他控制字，并通過(guò)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)現對所有控制字和數據的轉發(fā)，除了本級的控制字和數據，還包括下級RE傳來(lái)的控制字和數據，上行鏈路模塊框圖如圖5所示。

圖5 CPRI上行鏈路設計

仿真結果

圖6 輸入數據仿真波形

圖7 下行解出10ms標志仿真波形
輸入數據波形如圖6所示，代表的是SERDES串并轉換后的數據，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，載波數據均用“0xaabb”表示。
CPRI下行同步模塊在150個(gè)超幀后解出10ms標志，此時(shí)正好對應下一個(gè)超幀的開(kāi)始，同樣也是基本幀的開(kāi)始，仿真波形如圖7所示。

結語(yǔ)
在近幾年內相繼出現了CPRI、OBSAI接口標準。由于其實(shí)現上的經(jīng)濟簡(jiǎn)便性，基于CPRI協(xié)議標準的分布式基站產(chǎn)品陸續推出。本文按照實(shí)際的應用場(chǎng)景來(lái)設計，介紹了在CDMA系統中實(shí)現CPRI協(xié)議的方法，并給出了邏輯設計的框圖和仿真波形，對于CPRI協(xié)議的理解和CDMA分布式基站的設計有一定的參考意義。