云无线接入网中CPRI协议的FPGA实现及性能测试全解

用低成本FPGA实现低延迟变化的CPRI
无线TEM（电信设备创造商）正受到布署基站架构的压力，这就是用更小体积、更低功耗、更低创造成原来建立，部署和运营。

达到此目的的关键策略是从基站中分别出RF接收器和功率，用它们来挺直驱动各自的天线。

这称为拉远技术(RRH)。

通过基于SERDES的公共无线接口(CPRI)将基带数据传回到基站。

本文主要阐述特定的低延迟变幻的设计思想，在低成本上利用SERDES和CPRI IP（学问产权）核实现。

RRH的部署
从“Hotel”基站分别射率(RF)收发器和的优点已经写得无数了，1所示。

但最引人注目的是RRH在功耗、灵便部署、小的固定体积，以及囫囵低成本方面的优点。

图1 射频拉远技术(RRH)计划随着RRH从基站里簇拥出来，运营商必需确保能够校准无线头和hotel BTS之间的系统延时，由于延时信息是用于系统校准的，必需使囫囵往返行程延时最短。

随着级联的RRH，添加了每个RRH跳的变幻，因此这个要求相应增强，针对单程和往返行程，CPRI规范处理这些链路时序的精确性。

针对低延迟变幻的FPGA实现
图2展示了现有的在传统SERDES/PCS实现中的主要功能块，加亮的部分突出了引起延时变幻的主要部分（如例子中展示的RX路径）
图2 传统的CPRI接收器实现计划
延时变幻来自几个单元，诸如模拟SERDES和数字PCS规律，以及实际的软IP本身。

模拟SERDES有相对紧凑的时序；然而，字对齐和桥接FIFO是两个主要的引起大的延时变幻的缘由。

提出一个解决计划前，
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专利名称：一种基于FPGA的CPRI自适应解码系统及实现方法专利类型：发明专利
发明人：安涛,高海源,陈伟峰,李斌,张晓峰
申请号：CN201711330382.4
申请日：20171213
公开号：CN107846417A
公开日：
20180327
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于FPGA的CPRI自适应解码系统及实现方法。

系统包括SFP光模块和FPGA芯片，SFP光模块与FPGA连接。

SFP光模块将光信号转换为差分电信号，FPGA芯片完成对CPRI的数据恢复与解码。

FPGA芯片包括Transceiver模块、Frame_head模块和Descrambler模块，Transceiver模块与Frame_head模块连接，Frame_head模块与Descrambler模块连接。

本系统实现了同一厂家内部设备才能实现的CPRI解码功能。

所有数据及帧格式完全符合CPRI国际通用标准。

在基站数据处理控制单元、基站收发单元等各种CPRI设备中有广泛的应用价值。

申请人：天津光电通信技术有限公司
地址：300211 天津市河西区泰山路六号
国籍：CN
代理机构：天津中环专利商标代理有限公司
代理人：王凤英
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第34卷第1期2011年2月电子器件C h i n e s e J o u r n a l o f E l e c t r o nD e v i c e sV o l .34　N o .1F e b .2011收稿日期:2010-09-01 修改日期:2010-09-28I m p l e m e n t a t i o no f C P R I P r o t o c o l i nD i g i t a l F i b e r O p t i c R e p e a t e r o n F P G AW UB a o h e ,H U A N GS h i z h e n＊(C o l l e g e o f P h y s i c s a n dI n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ,F u z h o u U n i v e r s i t y ,F u z h o u 350002,C h i n a )A b s t r a c t :I n o r d e r t o a c h i e v e t h e s p e c i f i c a r e a o f l o wc o s t ,t h e w i r e l e s s b a s e s t a t i o n c o n t r o l s e c t i o n a n d t h e R F p a r t a r e s e p e r a t e d .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e C o m m o n P u b l i c R a d i o I n t e r f a c e p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n .A n d t h i s a r t i c l e p r e s -e n t s a n i m p l e m e n t a t i o n s c h e m e o f C P R I p r o t o c o l b a s e d o nL A T T I C ES e m i c o n d u c t o r C o m p a n y 's F P G Ac h i p .H a r d -w a r e D e s c r i p t i o n L a n g u a g e s V e r i l o g H D L i s u s e d t o d e s i g n e a c h f u n c t i o n s m o d u l e .L A T T I C E S e m i c o n d u c t o r C o m p a -n y p r o v i d e s s o f t w a r e p l a t f o r mI s p L E V E RP r o j e c t N a v i g a t o r .A V RM C Ug i v e s a r e a l t i m e m o n i t o r t o d a t a t r a n s f e r .T h e d a t a f r o mt h e s i m u l a t i o n d a t a r e c e i v e r a n d s e r i a l p o r t ,i n d i c a t e t h e a c c u r a c y o f d a t a t r a n s m i s s i o n .T h e a d v a n t a g e s o ft h i s m e t h o d a r e l o wc o s t ,f l e x i b l e a n de x t e n d e d .T h e e f f e c t i v e n e s s a n d s t a b i l i t y o f t h i s m e t h o d h a s p r o v e nb y s o m e e x p e r i m e n t s .K e y w o r d s :f i b e r o p t i c r e p e a t e r ;C P R I p r o t o c o l ;F P G A ;A V RM C U E E A C C :4125;6150M d o i :10.3969/j .i s s n .1005-9490.2011.01.024数字光纤直放站中C P R I 协议的F P G A 实现吴宝合,黄世震＊(福州大学物理与信息工程学院福建省微电子集成电路重点实验室,福州350002)摘　要:为了实现对特定地区的低成本覆盖,将无线基站的控制部分和射频部分分离。

数字直放站中CPRI协议的FPGA实现0 引言随着移动通信的发展。

通信网络覆盖范围已经成为衡量通信网络运行的重要标准，直接影响着运营商的经济效益。

而直放站的发展应用，已成为提高运营商网络质量，解决网络盲区或弱区问题，增强网络覆盖的主要手段之一。

一个基站可以与几个直放站相连，可以组成链状、星型、树型等灵活的拓扑结构，使基站的覆盖范围大大增加。

同时，既节省空间，又降低成本，提高了组网的效率。

但由于传统模拟直放站设备间没有统一的协议规范，无法满足系统厂商与直放站厂商的兼容，无法实现基站和直放站之间更有效的互通，从而限制了两者之间控制和数据的可靠传输。

2003年6年，由包括爱立信、华为、NEC、北电网络及西门子5大集团合力制定了CPRI(Common Public Radio Interface)接口。

该组织成立的主要目的是制定这个接口的标准协议，从而使该接口成为一个公共的可用的指标。

开放的CPRI接口为3G基站产品和2G 数字直放站在增加效益，提高灵活性方面提供了便利。

1 CPRI协议概述CPRI规范定义了物理层和链路层两层协议，能实现数字基带IQ信号传输时分复用，其协议结构图如图1所示。

物理层用千兆以太网的标准，传输的数据采用8 B／10 B编解码，通过光模块串行发送，为达到所要求的灵活度和成本效益，线路比特速率有614．4 Mb／s，1228.8 Mb／s和2 457．6 Mb／s三种。

链路层定义了一个同步的帧结构。

帧结构包括基本帧和超帧，每个基本帧的帧频为3．84 MHz，包括16个时隙，根据线路比特率的不同，每个时隙的大小分别为1 B。

2 B，4 B。

其中第一个时隙为控制时隙，其余15个时隙为I／O 数据时隙，用来传送I／O数据流。

超帧则由256个基本帧构成，256个基本帧的控制时隙共同构成超帧的控制结构(如图2所示)，同时，定义了快速C／M通道(以太网)和慢速C／M通道(HDLC)，用于传送控制类和管理类的数据，可以对直放站进行维护。

基于FPGA的多路CPRI测试系统设计与实现近年来随着移动通信的发展,5G的相关技术指标也在逐步研究、完善中。

在未来5G网络中,为实现网络的高速接入,天线端将采用大规模天线技术(Massive MIMO)的方式阵列,此时基带处理单元(Building Base band Unit,BBU)与射频拉远单元(Radio Remote Unit,RRU)之间的数据传输若仍采用过去的单路通用公共无线电接口(Common Public Radio Interface,CPRI),则无法满足庞大数据量与传输速率的需求。

基于此,本文采用多路CPRI接口,通过多路光纤连接使用FPGA 模拟的BBU发送端与RRU接收端,整体模拟基站的数据传输以满足未来需求。

本文采用FPGA、GTX高速收发器、CPRI协议等设备及接口协议,设计了一种模拟基站基带传输的误码率测试方案。

首先选用相应开发板及芯片,针对基站中BBU侧发射端,选用递增数和伪随机信号做BBU侧的源数据,并对CPRI组帧模块、GTX发送模块以及时钟生成模块进行了设计和整体的硬件实现与调试,验证了9.8Gbps线速率下CPRI发送端实现的可能性并保证了时钟精度控制在合理的抖动范围之内。

然后针对基站中RRU侧接收端,对GTX接收模块、CPRI解帧模块以及误码率计算、传输模块进行了设计和整体的硬件实现与调试,在接收端进行了超帧同步与slide同步,并将输出的误码计算值上传给使用Visual Basic语言编写的PC端软件,使得数据可被实时解析、显示。

最后针对实际环境中,时钟抖动对发射端天线以及接收端信号的影响,分析并通过查找相关资料给出了多通道抖动的消除方法。

本文使用Verilog硬件描述语言,通过FPGA模拟了2通道16×16架构的Massive MIMO数据流传输,建立了发送端和接收端多路CPRI接口的链接,并使用光纤实现了二者间的互通互联,从而模拟BBU与RRU之间数据的传输。

基于CPRI协议的光纤通讯设计与实现摘要：针对分布式基站基带处理单元和射频拉远单元之间的光纤连接，介绍了CPRI协议规范，讨论了其基于FPGA的硬件实现方案。

同时给出了基于FPGA与SCAN25100方案的设计，采用Verilog语言设计开发FPGA。

该方案开发成本低，调试简单方便。

通过实际测试表明，该设计方案能够有效实现基于CPRI协议的光纤通讯传输，工作性能稳定。

0 引言2009年1月国内3G牌照正式发放，随着3G时代的到来，各大通信运营商对3G移动通信网络展开了大规模建设，投入巨大，而基站是3G网络建设中，数量最多及成本最高的设备。

移动通信领域日趋激烈的竞争，使得通信运营商比以往更加关注建网成本，而分布式基站具备低成本、高性能、快速运营等特性，能够大大节省运营商的建网与运维成本。

因此分布式基站成为当前3G网络建设的最主要选择。

分布式基站核心理念，是把传统宏基站基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)分离，二者通过光纤相连。

网络部署时，将BBU、核心网、无线网络控制设备集中在机房内，与规划站点上部署的RRU通过光纤连接，完成网络覆盖。

为了有效处理分布式基站BBU与RRU间的光纤连接，无线通信行业形成两个联盟，分别制定了两种接口标准：2002年诺基亚、LG、三星等宣布成立OBSAI(开放式基站结构同盟)；2003年爱立信、华为、NEC、北电和西门子等联合成立CPRI (通用公共无线接口组织)。

本文主要介绍基于CPRI协议的光纤通讯。

1 CPRI协议概述CPRI协议定义了两个协议层。

两个协议层为物理层(L1)和数据链路层(L2)。

在物理层中，将上层接入点的传输数据进行复/分接，并采用8B/10B编解码，通过光模块串行收发数据。

数据链路层定义了一个同步的帧结构，包含基本帧和超帧(由256个基本帧组成)，数据在L2层中，通过CPRI固定的帧结构形式进行相应的成帧和解帧处理。

基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)之间可以通过一条或多条CPRI数据链路来连接，每条CPRI数据链路支持614．4Mbps、1228．8M-bps和2457．6Mbps三种比特率高速串行传输。