基于CPRI協(xié)議的光纖通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)分布式基站基帶處理單元和射頻拉遠(yuǎn)單元之間的光纖連接，介紹了CPRI協(xié)議規(guī)范，討論了其基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)方案。同時(shí)給出了基于FPGA與SCAN25100方案的設(shè)計(jì)，采用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)FPGA。該方案開(kāi)發(fā)成本低，調(diào)試簡(jiǎn)單方便。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)方案能夠有效實(shí)現(xiàn)基于CPRI協(xié)議的光纖通訊傳輸，工作性能穩(wěn)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(guó)內(nèi)3G牌照正式發(fā)放，隨著3G時(shí)代的到來(lái)，各大通信運(yùn)營(yíng)商對(duì)3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)了大規(guī)模建設(shè)，投入巨大，而基站是3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，數(shù)量最多及成本最高的設(shè)備。移動(dòng)通信領(lǐng)域日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，使得通信運(yùn)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(yùn)營(yíng)等特性，能夠大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)商的建網(wǎng)與運(yùn)維成本。因此分布式基站成為當(dāng)前3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最主要選擇。
分布式基站核心理念，是把傳統(tǒng)宏基站基帶處理單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)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(shè)備集中在機(jī)房?jī)?nèi)，與規(guī)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(biāo)準(zhǔn)：2002年諾基亞、LG、三星等宣布成立OBSAI(開(kāi)放式基站結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)鏈路層(L2)。在物理層中，將上層接入點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)／分接，并采用8B／10B編解碼，通過(guò)光模塊串行收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層定義了一個(gè)同步的幀結(jié)構(gòu)，包含基本幀和超幀(由256個(gè)基本幀組成)，數(shù)據(jù)在L2層中，通過(guò)CPRI固定的幀結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行相應(yīng)的成幀和解幀處理。
基帶處理單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)之間可以通過(guò)一條或多條CPRI數(shù)據(jù)鏈路來(lái)連接，每條CPRI數(shù)據(jù)鏈路支持614．4Mbps、1228．8M-bps和2457．6Mbps三種比特率高速串行傳輸。當(dāng)前工業(yè)界，通過(guò)將四條并行CPRI數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行相應(yīng)串行化處理，可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于CPRI協(xié)議的光纖通訊，可以有多種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(jí)串行收發(fā)器。可通過(guò)調(diào)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(zhuǎn)換，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)流的綁定以及時(shí)鐘恢復(fù)等。使用此方案優(yōu)點(diǎn)是，可以使電路板尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊，可方便設(shè)置參數(shù)；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(duì)也較長(zhǎng)。
方案二：FPGA與SCAN25100相結(jié)合。SCAN25100是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體專(zhuān)門(mén)為新一代基站結(jié)構(gòu)推出的串行／解串器，其集成了高精度延遲校準(zhǔn)測(cè)量(DCM)電路及獨(dú)立的發(fā)送和接收系統(tǒng)鎖相環(huán)路，還具備先進(jìn)的高速混合信號(hào)和時(shí)鐘管理以及信號(hào)調(diào)節(jié)等功能。同時(shí)芯片具備8B／10B編解碼、高速串并轉(zhuǎn)換、鎖定檢測(cè)、CPRI信號(hào)和幀丟失檢測(cè)等功能?？筛鶕?jù)這款芯片來(lái)構(gòu)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(diào)試簡(jiǎn)單方便，性能穩(wěn)定。
2．1 方案整體設(shè)計(jì)
本文主要針對(duì)方案二進(jìn)行介紹與討論。該方案設(shè)計(jì)，由FPGA完成CPRI協(xié)議的成幀、解幀、同步、傳輸數(shù)據(jù)復(fù)，分接等操作，以及與SCAN 25100相關(guān)接口設(shè)計(jì)，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)SCAN25100與光模塊控制與狀態(tài)監(jiān)控。SCAN25100負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)8B／10B編解碼和高速串并轉(zhuǎn)換功能。
FPGA與SCAN25100之間通過(guò)使用并行數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸，SCAN25100的并行數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換，與光模塊通過(guò)差分串行數(shù)據(jù)線(xiàn)相連。最后由光模塊完成光、電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過(guò)光纖與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)光纖通訊數(shù)據(jù)收發(fā)。其方案原理框圖如圖1所示。