云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中CPRI協(xié)議的FPGA實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)試

1、上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室015034910015 朱慶明工作基礎(chǔ) from 李隆勝云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中CPRI協(xié)議的FPGA實(shí)現(xiàn)和性能測(cè)試2022-3-71匯報(bào)提綱1、研究背景及現(xiàn)狀2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2022-3-72C-RAN架構(gòu) Why無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)現(xiàn)狀：不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求 需要建設(shè)更多網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（接入點(diǎn)、基站） 基站間干擾更加嚴(yán)重資源利用率低，資本支出及運(yùn)營(yíng)支出大 移動(dòng)通信接入網(wǎng)升級(jí)困難 提出C-RAN架構(gòu)2022-3-73C-RAN架構(gòu) What內(nèi)容：盡可能地將基帶處理資源集中在一起，形成一個(gè)基帶資源池并對(duì)處理資源進(jìn)行統(tǒng)一管理與動(dòng)態(tài)分配

2、，提升資將基帶處理資源集中源利用率，降低電能的消耗，更易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作傳輸（CoMP）目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)低成本、高容量、高運(yùn)營(yíng)效率的接入網(wǎng)2022-3-74CPRI WhyC-RAN架構(gòu)面臨的問(wèn)題：分離開(kāi)后的基帶單元（BBU）與遠(yuǎn)端射頻前端（RRH）之間信息如何實(shí)現(xiàn)高速的傳輸RRH至BBU傳輸方案：1. Analog RoF優(yōu)點(diǎn)：需要帶寬小缺點(diǎn)：易受到光纖色散、互調(diào)失真等非線(xiàn)性效應(yīng)的影響，傳輸距離短2. Digital RoF優(yōu)點(diǎn)：抗非線(xiàn)性失真能力強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)缺點(diǎn)：需要帶寬大選擇Digital RoF的原因：光纖通信系統(tǒng)容量遵從的摩爾定律數(shù)字通信系統(tǒng)容易標(biāo)準(zhǔn)化（OBSAI、CPRI）2022-3-7

3、5Digital RoF 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展1. OBSAI（Open BaseStation Architecture Initiative ）開(kāi)放式基站架構(gòu)聯(lián)盟發(fā)起者：Hyundai, LG Electronics, Nokia, Samsung and ZTE2. CPRI （Common Public Radio Interface）通用公共無(wú)線(xiàn)電接口發(fā)起者：愛(ài)立信、華為、NEC、北電網(wǎng)絡(luò)及西門(mén)子公司OBSAI逐漸被淘汰，ZTE轉(zhuǎn)投CPRI2022-3-76CPRI What功能層及幀結(jié)構(gòu)：2022-3-77CPRI So what最新版本6.0，最高速率9.8304Gbps發(fā)起公司：正在致力于

4、協(xié)議本身的研究，如優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)提高速率等芯片廠(chǎng)商：正在致力于CPRI協(xié)議的芯片開(kāi)發(fā)：1. 只實(shí)現(xiàn)物理層的芯片有SCAN25100，實(shí)現(xiàn)8B/10B編解碼、高速串并轉(zhuǎn)換。用戶(hù)需與FPGA或CPU配合，完成高層功能2. 使用專(zhuān)用ASIC芯片實(shí)現(xiàn)全部物理層鏈路層協(xié)議，商用芯片有PMC7830、PMC7832等,面向用戶(hù)提供應(yīng)用層的接口3. 完全由FPGA實(shí)現(xiàn)。物理層高速收發(fā)器已經(jīng)集成到芯片。Xilinx公司的Spartan，Virtex系列等都提供了CPRI的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核。Altera的系列也已經(jīng)有很多款支持CPRI IP核的FPGA芯片。靈活性最高2022-3-78匯報(bào)提綱1、研究背景及現(xiàn)狀

5、2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2022-3-79研究目標(biāo)在理解和掌握使用FPGA的CPRI IP核的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的Master Slave收發(fā)通信系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證CPRI協(xié)議在BBU-RRH傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。2022-3-710開(kāi)發(fā)平臺(tái)及工具Altera Quartus: FPGA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Qsys：SOPC（可編程片上系統(tǒng)）的硬件配置工具Eclipse： 設(shè)計(jì)SOPC的軟件Modelsim：仿真工具2022-3-711實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖：實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖：即只做電上B-t-B傳輸實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的CPRI系統(tǒng)的正確性與可行性備注：FPGA開(kāi)發(fā)板為Altera Strat

6、ix IV GT系列2022-3-712SOPC設(shè)計(jì)鏈路速率6.144Gbps2022-3-713部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果示波器測(cè)量信號(hào)傳輸波形2022-3-714實(shí)驗(yàn)結(jié)論 仿真結(jié)果驗(yàn)證了該FPGA系統(tǒng)支持CPRI的數(shù)字傳輸系統(tǒng)的所有功能，表明系統(tǒng)原理的正確性以及設(shè)計(jì)的可行性 但實(shí)際由于FPGA開(kāi)發(fā)板的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際傳輸2022-3-715參考文獻(xiàn)1姜大潔,何麗峰,劉宇超,謝芳,楊寧,胡臻平.5G：趨勢(shì)、挑戰(zhàn)和愿景J.電信網(wǎng)技術(shù).2013-9-9:21.2China Mobile Research Institute, C-RAN The Road Towards Green RAN M, White

7、 Paper, Version 2.5 (Oct, 2011):15.3 Chih-Lin I, Corbett Rowell, Shuangfeng Han, Zhikun Xu, Gang Li, and Zhengang Pan, Toward Green and Soft: A 5G Perspective J, IEEE Communications Magazine. February 2014:68.4Salem Bindhaiq, Abu Sahmah M. Supaat, Nadiatulhuda Zulkifli, Abu Bakar Mohammad, Redhwan Q

8、. Shaddad, Mohamed A. Elmagzoub, Ahmad Faisal, Recent development on time and wavelength-division multiplexed passive optical network (TWDM-PON) for next-generation passive optical network stage2 (NG-PON2) J. Optical Switching and Networking. 2014:64.5 Yao CHUN-HUI, Cheng XIN.Research of CPRI Protoc

9、ol Based on High-Speed Fiber LinkC.International Conference on Information Technology and Computer Science.2010.6 Ericsson AB, Huawei Technologies Co. Ltd, NEC Corporation, Alcatel Lucent, and Nokia Siemens Networks GmbH & Co. KG. Common Public Radio Interface (CPRI) Interface Specification V4.2

10、M. 2010-09-29. 7 Altera Inc. CPRI MegaCore Function User GuideM. San Jose.2013.8張國(guó)強(qiáng). CPRI接口模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.北京.2013:4. 9王艷秋.基于CPRI協(xié)議的FPGA高速數(shù)據(jù)接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.北京.2014.10 吳寶合,黃世震. 數(shù)字光纖直放站中CPRI協(xié)議的FPGA實(shí)現(xiàn)J.電子器件.2011年2月34卷:103. 11 Oliveira R S, Frances C R L, Costa J, et al. Analysis of the cost-effective digital ra

11、dio over fiber system in the NG-PON2 contextC/Telecommunications Network Strategy and Planning Symposium (Networks), 2014 16th International. IEEE, 2014: 1-6.12郭超, 潘紅艷. 基于決策樹(shù)的 TD-LTE 基站規(guī)劃方法研究J. 移動(dòng)通信, 2014, 22: 007.13Cheng L, Liu C, Zhu M, et al. Optical CoMP transmission in millimeter-wave small cel

12、ls for mobile fronthaulC/Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2014: W2A. 43.14Wake D, Nkansah A, Gomes N J. Radio over fiber link design for next generation wireless systems J. Lightwave Technology, Journal of, 2010, 28(16): 2456-2464.15Beas J, Castanon G, Aldaya I, Aragon-Zavala A. Millimeter Wave Frequency Radio Over Fiber Systems: A survey, IEEE Communications surveys & tutorials, 2013, 15(4): 1593 -1618.16Hall T J, Maldonado-Basilio R, Abdul-Majid S, et a