基于Xilinx器件的CPRI协议实现方法
基于xilinx器件的cpri协议实现方法
引言
目前，分布式基站主要采用两种开放式接口标准：无线设备和无线设备控制部分分离的cpri接口（common public radio interface）标准，还有基带处理、射频、网络传输和控制层面都分离的obsai接口（open base station architecture initiative）标准。
cpri主要针对wcdma标准，实现相对容易，支持厂商以ericsson、华为、siemens、nortel、nec等为代表；obsai接口研发有一定难度，标准完善相对复杂，支持厂商以nokia、samsung、中兴、alcatel、烽火、首信等。本文就是在cpri协议的基础上，介绍了一种在cdma系统中使用cpri的逻辑设计方法，并给出了仿真波形。
协议简介
针对rec（radio equipment control）和re（radio equipment）之间或者两个re之间的iq数据、控制和管理数据及同步信息的传送，cpri定义了l1和l2层协议，其架构见图1。
图1 cpri协议架构简图
图2 cpri在系统中的位置
在l2层上，cpri支持两种控制模式：hdlc协议和以太网协议，所有的这些控制命令都是和用户层面的iq数据交织在一起，以时分复用的形式在电传输线或者光纤中传输，另外协议还给厂家预留了一部分时隙，可以用来传输厂家自定义的信息。
cpri协议可支持四种数据速率，分别是614.4mb/s、1.2288gb/s、2.4576gb/s和3.0720gb/s，这里的速率指的是光纤中串行信号的速率。因为cpri主要是针对wcdma制定的，其基本帧周期是1/3.84mhz，而cdma基本帧为1/1.2288mhz，为了兼容cdma的速率，在使用cpri协议时需要进行调整，可以发现在25个cpri帧的时间内，可发送8个cdma基本帧，为了便于数据的对齐，参照图3的映射关系，在每3个cpri帧的时间内传送1个cdma帧，最后多余的第25个cpri帧用来传送rssi信息，这样就可以在cpri的3个基本帧中实现cdma多路载波的复用，根据协议，最多可支持21路载波的复用。
参照cpri协议，每256个cpri帧构成一个超帧，每150个超帧的长度为10ms，称为一个无线帧。协议规定每个超帧的起始字传输k码，利用k码来同步超帧和基本帧，并根据加入载波和控制字的位置进行解帧、组帧，本次设计中采用k28.5进行同步，每收到150个k码标志时的时间长度为10ms。
图3 cpri帧和cdma帧的映射关系
控制字命令在每个基本帧的首个16比特传输，cpri协议留有空余的位置，允许用户传输自定义的控制字，各个厂家的控制字可以不同。
逻辑实现
cpri在整个系统中的位置如图2所示，它是整个逻辑设计的最外层，直接与光口连接，其中光口0用来连接上一级re或者rec，光口1连接下一级re。在设计中采用支持serdes ip core的xilinx virtex5器件，每个serdes ip core可以支持两个光口，方便级联，在接收端，serdes可以直接将光电转换器传过来的串行差分信号转换为并行数据输出，并恢复出相对应的随路时钟，在发送端，serdes将随路时钟和并行数据转换为串行的差分信号输出，除此之外，还可以提供串并过程中的同步k码指示、接收信号错误指示、数据重新排列以及发送端数据的预加重等功能。
光纤中采用1.2288gb/s的传输速率，按照协议规定的帧格式，得出式1：
（1）
其中，fclk代表时钟的工作频率，之所以乘以（10/8）是因为在并串转换时需要进行8b/10b编码，导致位数增加，由式1求得时钟频率为61.44mhz，这个频率就是cpri模块以及serdes参考时钟的频率。
1 下行链路
cpri的下行链路模块的功能：对于本级re，主要完成载波和控制字的分离；对于下一级re，主要完成基带信号的透传。
数据的流程可以描述为下行链路模块从光口0接收基带或上一级re发送过来的数据，进行解帧，提取出本级re所需的控制字和载波数据，其中控制字送给本级cpu，载波数据发送给本级re的下行链路处理模块。此外，还要完成基带数据的转发，将接收到的基带数据进行处理后，通过光口1直接发送给下一级re，下行链路模块框图如图4所示。
图4 cpri下行链路设计
帧同步模块对serdes恢复的k码进行计数，同步出10ms无线帧标志，并根据此标志同步出超帧和基本帧的位号，其中超帧的位号范围是0～149，基本帧的位号范围是0～255。在完成同步后数据分为两路，一路送给本级re，指示后续的模块在对应的位置解出控制字和iq数据，其中控制字送到本级的cpu，cpu提取本级需要的控制字，对其他控制字则采取丢弃处理，iq数据则以1chip（1.2288mhz）速率以并行的方式送到下行链路模块进行处理；另一路直接通过光口1送给下一级re，根据系统的级联需要还可以加入re的id号或者其他的控制字。
2 上行链路
cpri上行链路模块相对比较复杂，从光口1接收下一级re送过来的数据，不仅要完成数据的解帧，分离出载波和控制字，还要插入本级上行的载波数据、rssi以及其他控制字，并通过光口0送到上一级re或者rec。不同于下行链路，上行链路需实现对所有控制字和数据的转发，除了本级的控制字和数据，还包括下级re传来的控制字和数据，上行链路模块框图如图5所示。
图5 cpri上行链路设计
仿真结果
图6 输入数据仿真波形
图7 下行解出10ms标志仿真波形
输入数据波形如图6所示，代表的是serdes串并转换后的数据，基本帧的首个16bit（s_rx_slot_cnt=0处）传送控制字，末尾的16bit（s_rx_slot_cnt=15处）不使用，载波数据均用“0xaabb”表示。
cpri下行同步模块在150个超帧后解出10ms标志，此时正好对应下一个超帧的开始，同样也是基本帧的开始，仿真波形如图7所示。
结语
在近几年内相继出现了cpri、obsai接口标准。由于其实现上的经济简便性，基于cpri协议标准的分布式基站产品陆续推出。本文按照实际的应用场景来设计，介绍了在cdma系统中实现cpri协议的方法，并给出了逻辑设计的框图和仿真波形，对于cpri协议的理解和cdma分布式基站的设计有一定的参考意义。
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cpri主要针对wcdma标准，实现相对容易，支持厂商以ericsson、华为、siemens、nortel、nec等为代表；obsai接口研发有一定难度，标准完善相对复杂，支持厂商以nokia、samsung、中兴、alcatel、烽火、首信等。本文就是在cpri协议的基础上，介绍了一种在cdma系统中使用cpri的逻辑设计方法，并给出了仿真波形。
协议简介
针对rec（radio equipment control）和re（radio equipment）之间或者两个re之间的iq数据、控制和管理数据及同步信息的传送，cpri定义了l1和l2层协议，其架构见图1。
图1 cpri协议架构简图
图2 cpri在系统中的位置
在l2层上，cpri支持两种控制模式：hdlc协议和以太网协议，所有的这些控制命令都是和用户层面的iq数据交织在一起，以时分复用的形式在电传输线或者光纤中传输，另外协议还给厂家预留了一部分时隙，可以用来传输厂家自定义的信息。
cpri协议可支持四种数据速率，分别是614.4mb/s、1.2288gb/s、2.4576gb/s和3.0720gb/s，这里的速率指的是光纤中串行信号的速率。因为cpri主要是针对wcdma制定的，其基本帧周期是1/3.84mhz，而cdma基本帧为1/1.2288mhz，为了兼容cdma的速率，在使用cpri协议时需要进行调整，可以发现在25个cpri帧的时间内，可发送8个cdma基本帧，为了便于数据的对齐，参照图3的映射关系，在每3个cpri帧的时间内传送1个cdma帧，最后多余的第25个cpri帧用来传送rssi信息，这样就可以在cpri的3个基本帧中实现cdma多路载波的复用，根据协议，最多可支持21路载波的复用。
参照cpri协议，每256个cpri帧构成一个超帧，每150个超帧的长度为10ms，称为一个无线帧。协议规定每个超帧的起始字传输k码，利用k码来同步超帧和基本帧，并根据加入载波和控制字的位置进行解帧、组帧，本次设计中采用k28.5进行同步，每收到150个k码标志时的时间长度为10ms。
图3 cpri帧和cdma帧的映射关系
控制字命令在每个基本帧的首个16比特传输，cpri协议留有空余的位置，允许用户传输自定义的控制字，各个厂家的控制字可以不同。
逻辑实现
cpri在整个系统中的位置如图2所示，它是整个逻辑设计的最外层，直接与光口连接，其中光口0用来连接上一级re或者rec，光口1连接下一级re。在设计中采用支持serdes ip core的xilinx virtex5器件，每个serdes ip core可以支持两个光口，方便级联，在接收端，serdes可以直接将光电转换器传过来的串行差分信号转换为并行数据输出，并恢复出相对应的随路时钟，在发送端，serdes将随路时钟和并行数据转换为串行的差分信号输出，除此之外，还可以提供串并过程中的同步k码指示、接收信号错误指示、数据重新排列以及发送端数据的预加重等功能。
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2 上行链路
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仿真结果
图6 输入数据仿真波形
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