（电路与系统专业论文）基于obsai标准的wimax基带射频接口研究与设计.pdf

摘要 摘要 o b s a ir p 3 标准是目前广泛应用的一种基带射频接口标准。它既是连接基带 单元和射频单元的重要接口标准，又是分布式基站系统设计和实现的基础和关键， 因此研究和开发基于o b s a i 标准的基带射频接口十分重要和迫切。 本文首先根据协议基本内容和实现要求，分析了包括物理层、传输层、数据 链路层和应用层在内的四层结构，并对各层的基本原理进行了详细阐述。其次根 据基带射频接口的基本功能需求，进行了实现方案的设计和论证，对速率调整、 光纤延时测量、p p l s 传递和t d d 时序等关键技术进行了重点分析和设计。最后 采用v e r i l o gh d l 语言完成了协议四层结构的发送部分、接收部分和基带接口部分 的逻辑设计。对上述设计代码进行了功能仿真和测试验证，结果表明所设计的 o b s a i 系统符合o b s a ir p 3 协议，达到了设计目标。 总之，本文对基于o b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口进行了研究和开发， 提供了一种切实可行的设计、实现方案，故对于相关接口标准的研究、开发和应 用具有一定的参考、借鉴价值。 关键词：o b s a ir p 3 协议基带射频接口w i m a xf p g a a b s t r a c t a b s t r a c t o b s a ir p 3s t a n d a r di so n eo ft h ec o m m o n l ya p p l i e ds t a n d a r df o rab a s e b a n d r a d i of r e q u e n c yi n t e r f a c e ，w h i c hi sn o to n l yt h e i m p o r t a n ti n t e r f a c es t a n d a r df o r c o n n e c t i n gb a s e b a n du n i t sa n dr fm o d u l e s ，b u ta l s oc r u c i a lf o rt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fd i s t r i b u t e db a s es t a t i o ns y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h u si ti s i m p o r t a n ta n du r g e n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pb a s e b a n dr fi n t e r f a c eb a s e do nt h e o b s a is t a n d a r d b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fa g r e e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ef o u r - l a y e rs t r u c t u r ew h i c hc o n s i s to ft h ep h y s i c a ll a y e r , t r a n s p o r tl a y e r , d a t al i n k l a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r , a n dg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o nt oe a c ho ft h el a y e r s i t f u r t h e rp r o v i d e st h es o l u t i o nw i t ht h ea n a l y s i sa n dd e s i g no nt h e k e yt e c h n o l o g i e sf o r r a t ea d j u s t m e n t ，f i b e rt i m e - l a p s em e a s u r e m e n t ，p p1st r a n s m i s s i o na n dt d dt i m i n g a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fb a s e - b a n dr a d i of r e q u e n c yi n t e r f a c e v e r i l o g h d li s a d o p t e df o rt h el o g i cd e s i g no ft h ea g r e e m e n tf o rs e n d i n g ，r e c e i v i n ga n d b a s e b a n di n t e r f a c e t h ef u n c f i o n a ls i m u l a t i o na n dt e s tv e r i f i c a t i o no ft h e s el o g i cc o d e s s h o wt h a tt h eo b s a i s y s t e mm e e t so b s a ir p 3a g r e e m e n ta n dt h ed e s i g ng o a l s i naw o r d ，t h i sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ew i m a xw i t haf e a s i b l es o l u t i o n f o rt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n b a s e - b a n dr a d i of r e q u e n c yi n t e r f a c e - - u p o nt h e o b s a is t a n d a r da r eo fv a l u ef o rt h er e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h e r e l a t e di n t e r f a c es t a n d a r d s k e y w o r d s ：o b s a ir p 3s p e c i f i c a t i o nb a s e b a n dr fi n t e r f a c ew i m a xf p g a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期卫搏 日期盈弹 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及国内外现状 随着无线通信的发展及用户需求的变化，固定宽带接入服务和移动服务在技 术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为这两个领域技术 发展的趋势【l ，2 ，3 1 。 在移动宽带化方面，3 g p p 3 g p p 2 已经制订了l x e v - d o 、h s d p a h s u p a 等技 术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面，i e e e 8 0 2 工作组先 后制订了w l a n 和w i m a x 等技术规范，沿着固定、游牧便携、移动这样的演进 路线前进，其中w i m a x 1 , 2 , 3 1 是宽带移动化的重要里程碑。 1 1 1w i m a x 简介 w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 意即全球微波接入互操 作性，是基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的无线城域网技术，它可作为线缆和d s l 的无线 扩展技术，从而实现最后一英里宽带接入【1 , 2 l 。w i m a x 将提供固定、移动、便携 形式的无线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供移动无线 宽带连接。在典型的3 到1 0 英里半径单元部署中，获得w i m a x 论坛认证的系 统有望为固定和便携接入应用提供高达每信道4 0 m b p s 的容量，可以为同时支持 数百使用t - 1 连接速度的商业用户或数千使用d s l 连接速度的家庭用户的需求， 并提供足够的带宽。移动网络部署将能够在典型的3 公里半径单元部署中提供高 达1 5 m b p s 的容量【4 】。图1 1 是一个典型的w i m a x 整体系统框图。其中b s c 英 文为b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，b b u 英文为b a s eb a n du n i t ，r r u 英文为r e m o t e r a d i ou n i t ，b s s 英文为b a s es t a t i o ns u b s y s t e m 。 图1 1w t m a x 系统框图 2 基于o b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 1 1 2 接口标准的研究意义 伴随着全球用户数量的迅速增长，移动通信技术也在短短的2 0 多年间发生了 巨大的变化。从早期的第一代发展到今天的第二代，直至即将实现的第三代，每 一代的出现，都是一场技术上的革命。在这场技术革命的进行中，可以看到的是： 系统设备越来越趋向标准化和模块化，网络单元间的接口越来越趋向公开化，不 同厂商的产品实现越来越规范化【1 ，2 ，3 】。 这种技术趋势的好处是显而易见的：首先，它大大增强了不同网络和业务之 间的互通性，这是我们能够享受到今天“全球通”这样高效优质服务的基础；其次， 它降低了网络运营商的建网成本和技术复杂度，也使更多低收入客户享受到现代 通信服务成为可能。 另一方面，这种开放和标准化的技术发展趋势，也加剧了网络设备供应商之 间的竞争，那种依靠先发优势“占住一点即可拿下一片”的局面将很难重现。而随着 数量众多的中小设备供应商在统一的标准下加入部分网络设备制造行列，那些原 先居于寡头垄断地位的设备供应商的利润，也在迅速下降。相反的是，网络设备 的技术复杂性却是成倍增长，要求设备研发的投入也是成倍增加，这意味着系统 设备供应商的研发风险在增加。 在第三代系统，无线接入网和核心网内部的接口进一步开放，使运营商在组 建网络的时候有更多的选择。同时，子系统接口的开放，也使得那些资金和技术 并不很强的公司有可能加入到部分网络设备的开发制造中来，使得原来少数几个 大厂商的封闭独立的系统设备制造行为，更多地呈现出一种“社会化”的形态。 这种趋势的进一步发展，就是网络单元内部接口的开放。因为基站成本占到 了整个移动通讯系统设备成本的7 0 以上，所以降低基站成本，构建统一的无线 接入平台，就逐渐成为基站产品新的发展趋势。 在这种发展趋势下，分布式基站的理念逐渐形成。分布式基站无疑代表了“下 一代基站”的基本走向，它的优势主要体现在四个方面：第一，分布式基站结构采 用了模块化设计，模块间接口实现标准化，从而简化研发过程，削减研发成本， 并因规模化减少了设备生产成本；第二，由于体积小、重量轻，分布式基站可有 效解决站址选择问题，从而实现因地制宜、灵活部署的站址资源利用方式；第三， 分布式基站能充分利用基带资源；第四，新型移动通信技术标准高速演进必然会 带来一系列的基站升级问题，分布式基站的模块化结构具有功能丰富、系统扩容 升级方便的特点，符合新型移动通信网络面向未来的要求。 分布式基站一般由b b u ( 基带处理单元) 和r r u ( 射频拉远单元) 组成。其 中，r r u 就是一个射频子系统。它和主基站经过光纤或电缆连接。远端射频单元 r r u ( r a d i or e m o t eu n i t ) 是一种新型的分布式网络覆盖模式，它将大容量宏蜂窝基 第一章绪论 站集中放置在可获得的中心机房中，基带部分集中处理，采用光纤将b b u 中的射 频模块拉到远端射频单元，分置于网络规划所确定的站点上，从而节省了常规解 决方案所需要的大量机房，同时通过采用大容量宏基站支持大量的光纤拉远，可 实现容量与覆盖之间的转化。 随着移动通信网络的不断发展和分布式基站的要求，基站内部接口标准化成 了设备商、芯片供应商、运营商的共同要求，这种模块化基站结构可以有效降低 设备供应商在未来设备研发和生产中的风险，缩短产品研发和更新换代的周期。 移动基站内部接口的开放，也使得设备商能够将更多的资源投入集中到新技术、 新业务创新上来，从而提高产品的整体性能价格比，为用户带来更多的实惠。 1 1 3o b s a i 与c p r i 的比较及国内外现状 对于基带与射频之间的接口，目前业界主推o b s a i 和c p r i 两种不同的标准。 这两个标准的目标大体上相同，定义公用接口标准，建立一个开放的硬件市场， 降低传统上与建立新基站相关的开发成本，它使得产品间可以有灵活有效的差异， 也使得基站的各个部分都能更好地从各自领域的技术进步中获益。两种标准的成 立都有助于无线基站配套产品的规范化，使通信设备制造商能够有选择性的购买 无线基站子系统，从而提高产品的开发速度，缩短新产品上市时间，并保证产品 的丰富性。不过两种标准各有不同的支持阵营【5 , 6 , 7 】。 ( 1 ) c p 对 c p r i ，即通用公共无线接口联盟，是一个工业合作组织，由爱立信，华为， n e c ，北电网络及西门子公司于2 0 0 3 年6 月发起，致力于无线基站内部的无线设备 控制中心( 简称i 迎c ) 及无线设备( 简称i 也) 之间主要接口规范的制定工作。 不过对于c p r i 标准而言，仅仅定义的是基带与射频之间的通信接口。 ( 2 )o b s a i o b s a i ，成立于2 0 0 2 年1 0 月，由诺基亚，n e c ，l g 电子，s a m s u n g ，中兴发 起的开放式基站结构计划同盟。对于o b s a i 标准而言，定义的范围比c p 对标准更 广一些。针对下一代的基站，o b s a i 定义了一个模块结构，o b s a i 规范还对内部 模块接口定义了规范。包括基带与射频之间的r p 3 、基带与a b i s 网络接口板之间的 r p 2 、通信& 时钟模块与基带、射频之间的r p l 、电源接1 ：3 r p 4 。 两种标准出台后，国内外的基站供应商都致力于开发出符合标准的产品，以 期在3 g 牌照发放后能更快满足客户需要，占领市场。 o b s a i 和c p r i 虽然分别由不同的组织开发，但是他们也有一些共同点【6 7 1 。首 先，物理层都引用了千兆以太网的标准，以光纤传输为主，也可用电缆进行传输； 其次，直放站的链路层都采用了同步的帧结构，虽然帧结构定义方式不同但是都 4 基于o b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 通过冗余编码方式实现同步；最后，他们对高层网络控制管理的协议都没有定义， 而是留给了厂商。这些共同点体现了基站设计时应把握的一些原则，比如尽量使 用现在成熟标准，方便芯片的采购；对i q 数据的处理要以实时性为基本原则；控 制管理尽量简化，采用灵活的组网方式来实现不同的配置，降低设备开发成本。 但是这两种标准也有区别，具体区别如表1 1 【6 ，7 1 。 表1 1o b s a i 与c p r i 的比较 o b s a ic p i u 链路 用户数据( i q ) 8 0 9 3 7 5 控制数据( 0 & m ) 4 6 2 2 5 配置 同步码( k 码) 0 2 5 0 0 2 5 载波容量比较载波容量依赖于采样大小更多载波容量 r p 3 有帧头便于实现网络配置 用户自定义网络 r r u 网络设计 配置 r p l 帧同步和r t t 钡, j j 量便于厂家自定义系统 网络同步和校准同步 支持w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，不区分无线制式， 不同无线制式的支持 g s m ，w l a n ，w i m a x由基站自行确定 受3 6 芯插座限制单板能力有 设备规模限，但是支持交换结构，基站规没有限制 模不受限 根据以上对比可知，对于c p 标准而言，由于其只定义了基带与射频接口之 间的规范，实现起来相对容易，而o b s a i 标准由于其包括了多个接口标准定义， 因此研发有一定难度，标准完善相对复杂。 不过o b s a i 标准却深受w i m a x 等宽带无线接入阵营成员青睐，这主要是由 于o b s a i 标准定位高于现有技术，且o b s a i 协议栈分工很细，共分为应用层， 数据链路层，传输层和物理层四层结构【8 】进行设计，它可以通过只改变应用层和物 理层设计，保持其他层的链路设计不变来兼容不同场合不同需求的应用，这对于 应用灵活的w i m a x 4 】基站而言是一个非常好的特性。因此o b s a i 标准在w i m a x 基站中得到了广泛的应用，这也是本课题研究o b s a i 标准的重要原因。 o b s a i 标准在其建立和完善过程中，已经由最初的1 o 版本更新到4 1 版本。在 其发展过程中，不断增加对新技术的支持。从3 0 版本开始，增加了对w i m a x 的支 持，速率从先前的l x ，2 x 速率增加到兼容4 x ，8 x 速率，4 0 版本更是增加了对l t e 这个目前最热技术的支持。随着o b s a i 标准自身的不断完善，该标准将会得到更 广泛的应用。 第一章绪论 1 2 课题主要工作及论文安排 本文立足于当前通信行业迅猛发展的需求，着力研究基带( b b u ) 与射频 ( i 汛u ) 之间的一种接口标准，在对o b s a i 标准和c p r i 标准进行比较研究之后， 针对在w i m a x 基站中获得广泛应用的基于o b s a i 标准的基带射频接口一l 冲3 接 口进行重点研究。本文首先系统的阐述了o b s a ir p 3 协议及其延伸的r p 3 0 1 协 议的主要内容，详细分析了r p 3 协议的四层结构；然后根据接口功能需求提出并 论证了设计方案，对其中的关键技术进行了深入研究并提出改进方案；同时根据 具体的模块划分，进行模块单元的详细设计，并选用了x i l i n x 的f p g a 芯片进行 逻辑实现，最后采用仿真工具m o d e l s i m 和测试工具c h i p s c r o pp r 0 1 0 1 对该逻辑代 码进行功能仿真和测试验证，确保本方案满足设计要求。 本文的各章安排如下： 第一章绪论。本章首先介绍了w i m a x 基站系统的基本组成，然后说明了 o b s a i 标准在系统中的位置和作用，最后讨论了国内外相关领域的研究现状以及 本课题的工作内容和现实意义。 第二章o b s a ir p 3 协议研究和方案设计。本章首先对o b s a ir p 3 协议进行 详细分析，包括协议的拓扑结构、协议栈的分层解析。在深入学习协议内容之后， 根据接口功能需求进行相应的方案设计和关键技术分析，其关键技术主要包括速 率调整，光纤延时测量，p p l s 的传递，t d d 时序的分析和参数传递等。 第三章o b s a ir p 3 协议的f p g a 实现。本章主要根据第二章的设计方案对 o b s a ir p 3 协议各个模块进行详细设计，首先给出了各个模块的设计原理和实现 思路，与此同时，对每条链路的四层结构的信号时序和逻辑实现进行分析和设计。 根据数据传输的双向性，整个o b s a i 逻辑代码设计分为前向链路设计，反向链路 设计和与基带处理接口模块的设计。 第四章o b s a ir p 3 协议的设计仿真与验证。本章的主要工作是对逻辑代码作 资源评估、功能仿真、时序仿真和测试验证。仿真与测试结果表明，上述设计方 案能够实现预期的功能和性能 第五章工作总结和未来展望。本章总结了论文的工作，指出了工作中的不足 之处并对未来工作提出了进一步的改进建议。 第二章o b s a r p 3 协议研究和方寰设计 第二章0 b s a ir p 3 协议研究和方案设计 21o b s a i 标准概述 o b s a i ( o p e nb a s es t a t i o na r c c t u r ei m f i 砒i v e ) ，即自发开放式基站结构， 它定义了一个基本的无线基站模块化架构以及针对模块之间的内部接口的详细规 范【8 】。该规范将基站各部分按功能不同进行了细分，形成了4 个基本功能单元及其 相关接口，它们分别是传输单元、控制和时钟单元、基带单元、射频单元以及相 关接口。各个单元中引入了参考点( r p ) 的概念，其中基站模块与控制时钟模块 间的接口定义为l i p l ；传输模块与基带模块的接口定义为r p 2 ；基带模块与射频模 块的接口定义为r p 3 和r p 3 0 l ，下面将对各个参考点进行详细介绍。 一个典型的基于0 b s a i 标准的基站收发信机( b t s ) 框图如图21 口1 所示。 幽2 1 基丁o b s a i 标准的基站架构图 o b s a i 标准在划分功能单元的基础卜，主要通过参考点的标准化来实现基站 的标准化n 各单元的功能划分如下： ( 1 ) 传输单元( t r a n s p o r tb l o c k ) 根据与基站控制器的传输网适配数据与信令，把用户数据与信令透明地转发 给基带模块，配合控制模块完成奉地管理和控制。 ( 2 ) 控制和时钟单元( c o n t r o la n dc l o c kb l o c k l 完成本地的管理，向网管中心或基站控制器发送管理结果，发布本地同步时 钟，实现设备自身控制。 ( 3 ) 基带单元t l o ( b a s e b a n db l o c k ) 8 基于o b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 该单元对g s m 系统，w c d m a 系统，c d m a 2 0 0 0 系统和w i m a x 系统分别 对应不同的功能，本文主要讨论该单元在w i m a x 系统中的主要功能。该单元在 w i m a x 系统中实现的功能主要包括m a c ，信道编解码，交织和解交织，调制和 解调，c i n r ，组帧和解帧，i f f t 和f f t ，循环前缀的添加和移除，t d d 开关控 制，时域和频域同步，均衡，r p l 、r p 2 和r p 3 的消息收发，功率控制等等。 ( 4 ) 射频单元( r fb l o c k ) 和射频拉远单元( r e m o t er fb l o c k ) t 1 1 】 射频单元和射频拉远单元的区别在于是否需要光纤拉远，其实现的功能基本 相同，主要有a d 和d a 转换，上下变频，载波选择，线性功放，天线接口，发送 接收r f 滤波器，分集发送，分集接收，峰均比压缩，o a m & p ，空中接口时序控 制等等。 ( 5 ) 接口部分 接口部分包括外部网络接口、外部无线接口和内部接口，如图2 1 所示。这里 主要介绍内部接口，o b s a i 规范的内部接口包含r p l 、r p 2 、r p 3 、r p 3 0 1 和 r p 4 1 8 , 9 , 1 0 , 1 1 】，各个接口的主要功能如下： r p l 接口【1 2 】：r p l 接1 2 1 采用1 0 0 m b i t 以太网接口实现。控制和时钟单 元通过r p l 接口向各个单元传送控制信号和时钟信号，各单元模块通 过r p l 协议规定的数据格式与控制单元交换控制、功能、状态、警报 和协议数据。 r p 2 接口【1 3 j ：r p 2 接口通过1 g b i t 以太网实现。r p 2 用于在传输单元 和基带单元之间传送用户数据包。 r p 3 接口【8 】：r p 3 用于在基带单元和射频单元之间的空中接口传输数 据，不支持远程射频模块，其线性频率为7 6 8 m b p s 的整数倍。 r p 3 0 1 接口【8 】：o b s a i 组织后来补充定义的r p 3 0 1 接口支持远程射 频模块，可以通过r p 3 协议传输用户数据，也可以通过r p l - r p 3 的 映射传输控制信号。 r p 4 接e l 1 4 】：r p 4 定义各模块之间的电气连接关系以及它们和电源之 间的连接。 在实际的设备中，每个单元通过不同的电路板来实现，r p l 和r p 2 接口上的控 制、信令、用户数据的流量不大，采用标准的1 0 0 b a s e t 或8 0 2 3 a e 以太网已经能满 足时延和吞吐量的要求，一般都采用基于以太网+ i p 的模式实现，而r p 3 接口传输 的是数字化的基带i q 数据，其数据量大、实时性要求高，需要被设计成具有同步 帧结构的接口1 6 1 。因此本文重点研究r p 3 和r p 3 0 1 接口，对于近端的r r u 采用r p 3 接口，使用光纤连接远端r r u 时采用的是r p 3 0 1 接口。图2 2 1 8 】是r p 3 接口和r p 3 0 1 接口的典型应用。 第二章o b s a ir p 3 协议研究和方案设计 9 酐s ，l o c a lu n i tf 幽 i 鞋g l l o t or fu 嗽只r u 静孚们 ir p 绷 厂、 e d i 艮 ： r 陌卅 f b e r 娜口 r p 3 引 e t t o r f 复匈坞拥r r 陌甜i g a u 3 - 0 1 一 恤fi o ，圈i 糊 r p 3 捌j p m l u c o l卜嘲o c o l 。 e o 掰e f l 留 7 l = = c o r u t m 时 r 朗妇瞻d i lr p l 切脯毂 l ， 臼嘲诗膏m 哦 戮触一 ； l i 龇g l s 融t g t m o e k 图2 2 r p 3 0 1 接口的典型应用 2 2o b s a ir p 3 协议研究 2 2 1o b s a ir p 3 协议的拓扑结构 r p 3 接口用于连接基带单元和射频单元，在有多个基带单元和多个射频单元 时，它们之间的互相连接关系就存在不同的方式，也就是不同r p 3 的拓扑结构。 o b s a i 组织建议采用但不局限于以下两种：线网结构和集中组合分发结构【8 】。 1 线网结构 线网结构中基带处理模块与射频模块直接连接。线网结构又分为完全连接和 部分连接。完全连接结构表示每个基带单元都与所有的射频单元直接连接，每个 射频单元也都与所有的基带单元直接连接。 线网结构的完全连接示意图如下： 图2 3 线网结构示意图 完全连接结构的差分信号对数目最多，若一个r p 3 完全线网结构的b t s 有n 个基带单元、m 个射频单元，则共有n * m 对r p 3 单向差分信号连接。部分连接 的线网结构未连接的部分可以禁止使能以降低功耗。 基to b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 2集中分发组合结构 集中分发组合结构中基带处理单元和射频模块都与c d ( c e n ”a l i z e d c o m b i n e r a n dd i s t r i b u t o r ) 相连，该结构完全连接示意图如下： 图2 4 集中分发组合结构示意图 这里的c d 作为一个添加的冗余逻辑模块对基带处理模块和射频模块之间的 数据传输进行管理。未用的链路禁止使能以降低功耗。 实际使用中r p 3 接口的拓扑不仅仅限于以上两种，图2 5 【8 1 为实际中常用的拓 扑连接图。图中用到了m a s t e rp o r t ( 主端u ) 和s l a v ep o r t ( 从端口) 两个概念， 每个r r u 肯定有一个s l a v e p o r t ，m a s t e rp o r t 是可选，可以没有，也可以有1 个或 更多。s l a v ep o r t 用来直接连接或通过其他r r u 连接到b b u 上，m a s t e rp o r t 用来 连接链上的下一个r r u 。这两种端口部在r r u 启动的时候动态配置，第一个收到 b b u 消息的端口就是s l a v ep o r t ，其他的都是m a s t e r p o r t 。 本文研究的o b s a ir p 3 协议设计主要针对点对点的通信系统，未进行级联设 计，因此在进行方案设计时没有对拓扑结构作进一步的考虑。 酽匹磷荆i 刊h l i l f l _ 一三一。j l _ 日日 图2 5 常用拓扑连接图 第二章o b s a ir p 3 协议研究和方案设计 2 2 2o b s a ir p 3 协议栈的说明 o b s a ir p 3 协议总线是一种用于传输用户数据和控制信息的大容量串行总 线，其协议栈基于信息包概念，采用定长消息，分为四个协议层：应用层、传输 层、数据链路层和物理层【8 】。 其中应用层提供不同类型的包到载荷的映射，它主要将各种应用场景下的数 据映射为适合在r p 3 接口传输的数据流，该层在兼容多种场景的应用中起到重要 的转换作用。传输层负责消息的端到端传输，提供消息的路由，该层结构一旦设 计完成，在其他应用设计中也基本不变。数据链路层负责消息的成帧以及消息同 步，它的核心设计在发送状态机和接收状态机部分。物理层主要负责编码，串并 转换，以及数据传输。 协议栈结构图解【8 】如下： 应用层 传输层 物理层 图2 6 协议栈结构图 1 物理层 在物理层中采用8 b 1 0 b 编码构造数据格式，物理层图解鸭1 如下： 一据一觜l 篱i6 器d i 嚣i 嚣l 嚣i6 燃d i 嬲l 訾 图2 7 物理层图解 这个图可以被看作某一单元模块的数据流流向，数据流在进入模块后，先在 物理层进行8 b 1 0 b 解码，然后送至链路层，我们在传输层和应用层对数据进行解 析处理，提取有用信息，经链路层，最后8 b 1 0 b 解码后送入发送单元，串行数据 流被传送至下一单元模块。 在物理层，每个接收端口在与上层建立连接时自动调整输入信号相位。在传 输过程中，8 b 1 0 b 解码器检测无效信息，告知数据链路层，若数据链路层认为信息 有错，则8 b 1 0 b 编码器向下一链路发送k 3 0 7 符号。物理层的字节时钟( b y t ec l k ) 1 2 基于o b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 来自于b t s 系统时钟，取值为总线速率1 0 2 1 。 由于本设计选用的x i l i n x 的f p g a 芯片内含s e i e s ，能够实现物理层的基 本功能，因此在方案设计中不作深入考虑。 2 数据链路层 ( 1 ) 同步 数据链路层和物理层总线在传输数据之前必须进行同步，并且要连续监控帧 同步状态。数据链路层采用状态机进行同步，同时分为发送状态机和接收状态机 进行状态控制l 引。、 发送状态机 发送状态机包括o f f 、i d l e 和f r a m et x 三种状态。状态机初始化后，自 动转入o f f 状态，来自物理层的传输被禁止。当应用层设置t 蝌s m i t t e re n = 1 并且以下两个条件任一个成立时，状态从o f f 转入i d l e ： l o se n a b l e = o ，表示接收状态机对发送状态无影响； l o s e n a b l e = l ，l o s = 0 ( l o s - l o s so f s i g n a l ) 。 在o f f 状态下，禁止发送，发送端输出的数据状态不定。在i d l e 状态，发 送端不断发送k 2 8 5i d l e 来使接收端获得字节同步，发送状态机保持i d l e 状态 一定时间来保证相位调整的时间需求。在应用层更新了时延参数值之后，发送 状态机从i d l e 转入f r a m et x2 0 m s 内开始帧结构数据的传输。 发送状态机状态转换图利8 】如下： 图2 8 发送状态机转换图 接收状态机 接收状态机包括u n s y n c ( 异步) 、w a i l f o r k 2 8 7 一i d l e ( 等待边界i d l e 码) 、w a i t _ f o r f r a m e s y n c t ( 等待帧同步) 和f r a m e s y n c ( 帧同步) 第二章o b s a ir p 3 协议研究和方案设计 四个状态。接收状态机初始化为u n s y n c 状态；如果在u n s y n c 状态下有参数 s y n ct 个连续数据块经8 b 1 0 b 解码证明接收正确，则转入 w a i t f o rk 2 8 7i d l e s 状态；如果在w a i tf o rk 2 8 7i d l e s 状态检测到参 数k m g 个连续的k 2 8 7i d l e s ( 即检测到主帧界限) ，接收状态机转入 w a i tf o rf r a m es y n ct 状态；若在w a j tf o rf r a m es y n ct 状态参 数f r a m es y n ct 个连续数据被正确接收，则接收状态机转入f r a m es y n c 状态，否则转入w a i tf o rk 2 8 7i d l e s 状态并重新设置k 2 8 7i d l e s ( 值为 8 h f c ) 。接收状态机的每次状态转换总会产生一个中断，并且只有在u n s y n c 状 态下l o s = 1 。 接收状态机状态转换图示【8 】如下： h w 7 r e s e t 图2 9 接收状态机转换图 对w i m a x 而言，km g = i ，即接收状态机在w a i tf o rk 2 8 7i d l e s 状态 检测到k 2 8 7i d l e ( 值为8 h f c ) 并且状态检测为控制字节时，接收机转入 w a i tf o rf r a m es y n ct 状态。 ( 2 ) 消息格式 消息的每一字节经8 b 1 0 b 编码后才可通过r p 3 或r p 3 0 1 总线传输，传输自最 高位开始。消息格式如图2 1 0 【8 】所示： 1 4 基于o b s a i 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 1 3 h i t s 5 b i t z 6 t i t s 1 2 8 b i t s 共1 5 k 强i t s = 1 y t e z m s bo ra d d r e s s l s bo f a d d r e e m s bo f l _ y p e l s bo f t , 一p e m s bo ft - s t a m p l s bo f t - s t a m p m s 8o f 口ef i r s t b y t eo fp a y l o a d t r a n s m i s s i o n c o d eb i t0i s t r a n s m i t t e d 们r 科 ，一 f 。ljl1 j 日 ， 主 。 8 8 1 9 b | 也1 竿叫 i l b c d e l f g h j 、- - - 、 和聊鲁吖- - - p a y l o e c l r e c e p t i o n c o d eb 10 ： r e c e e , df i r s t 图2 1 0 消息格式及b i t 位说明 在上图中，向上行链路传输消息时，一个消息内的数据按字节获取，经8 b 1 0 b 编码后发送；接收下行链路数据时，先经8 b 1 0 b 解码，然后根据不同类型的数据 所占长度可恢复消息的各部分内容。1 9 字节的消息格式是r p 3 和r p 3 0 1 协议中 规定不可更改的格式。 在相关定义中，一个消息组( m g ) 中包含mm g ( 0 6 5 5 3 6 ) 个消息和km g ( o - 2 0 ) 个i d l e 字节；一个主帧( m f ) 定长为l o m s ，在线性速率为i * 7 6 8 m b p s 时，它包含i * n m g 个消息组，在选择i 、nm g 、mm g 几个参数时遵从 i * n m g 幸m m g 2 “。对w i m a x 而言，推荐参数设置为mm g = 2 1 、km g = 1 、 n m g = 1 9 2 0 ( 1 0 m s 定长的m f 中m g 的数量为i 1 9 2 0 ) ，则当线性速率为 1 7 6 8 m b p s 时，一个m g 的数据长度为( 2 1 木1 9 + 1 ) = 4 0 0 字节，一个m f 的数据 长度为4 0 0 * 1 9 2 0 = 7 6 8 0 0 0 字节，则线速率= 7 6 8 0 0 0 * 8 * 1 0 8 1 0 0 = 7 6 8 mb i t sp e r s e c o n d 。因此，对w i m a x 而言，o b s a i 标准的线性速率为i * 7 6 8 m b p s 。 若线性频率不为i * 7 6 8 m b p s 的倍数，m g 和m f 的参数需要更改，但值得注意 的是消息的格式和长度不可改变，同时需要考虑不同器件的接i z l 是否支持自由配 置，如d s po b s a i 接口。 以i = l ，即线性速率为7 6 8 m b p s 为例，o b s a ir p 3 规范定义的在w i m a x 系 统中应用的一个主帧结构如图2 1 1 【8 】所示： 串而 第二章o b s a il 冲3 协议研究和方案设计 m - 1 ， c mm l 芋 c o1 0 22 l 901 l gom g1 f r a l m m f m m 1 33i 3 10 口b 809 j3 3 3 1 0 8 8l 3 9 0 1 l g 1 9 9 fr硼 图2 1 1 主帧结构图 其中未标注的深灰色部分为i d l e 码，用k 2 8 5 ( 值为8 h b c ) 表示一个消息 组的结束，用k 2 8 7 ( 值为8 h f c ) 表示一个主帧的结束。在理想情况下，若线性 速率为2 * 7 6 8 = 1 5 3 6 m b p s ，则有效传输速率为1 5 3 6 ( ( 2 0 * 1 6 ) ( 2 1 1 9 + 1 ) ) = 1 2 2 8 8 m b p s 。实际中要考虑到b i t m a p 等因素，效率会更低。 数据链路层提供两个3 2 位计数器：数据消息计数器和控制消息计数器，它们 在一帧数据内对消息时隙计数。数据消息计数器在一个m f ( 主帧) 的第一个d a t a m e s s a g e 时刻清零，控制消息计数器在一个m f 的第一个c o n t r o lm e s s a g e 时刻清零， 数据消息计数器的计数范围为0 ( i ( mm g 1 ) nm g ) 1 = 0 i 3 8 4 0 0 1 ，控制 消息计数器的计数范围为0 - i * 1 9 2 0 1 。这样传输层可以对数据链路层的数据消息和 控制消息进行检索。 ( 3 ) 帧传输中的 在消息的传输过程中，节点之间存在延迟。可以由下式2 1 表示： = i i + d + b + p 式( 2 一1 ) 式中，兀表示接收端接收到一个完整m f 的最早时间，也被称为参考时间；d 为 接收端处理时延；b 表示一个数据链路层接收端的最大缓冲时间；p 表示节点反应 时间。 在初始化时配置，只有在发送状态机为i d l e 状态时才允许更新值，若在 b t s 运行中更新，必须将发送状态机转入o f f 状态，然后在i d l e 状态更新。 通常用字节时钟作为时钟，用1 6 位补码来表示，下一节点在收到后开始f r a m e t i m i n g ( 即b u s t i c k ) 。一个延迟的示意图i s 】如下所示： f r a m e ms l o t 谚c h i p 0 f r a m e m + i ，s l o t qc h i p 0 ，r b u s e 姚 图2 1 2a 的延迟示意图 图2 1 2 中，b u sf r a m et i c k s 表示总线帧定时标记，m a s t e rf r a m en 表示发送端 1 6 基于o b s a 标准的w i m a x 基带射频接口研究与设计 的数据的每个发送帧需要提前一个时间段，这样发送端的f r a m et i m i n g 才与接