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。