云无线接入网中CPRI协议的FPGA实现及性能测试

1、上海交通大学电子信息与电气工程学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室015034910015 朱庆明工作基础 from 李隆胜云无线接入网中CPRI协议的FPGA实现和性能测试2022-5-21汇报提纲1、研究背景及现状2、系统设计与实现2022-5-22C-RAN架构 Why无线接入网现状：不断增长的数据流量需求 需要建设更多网络基础设施（接入点、基站） 基站间干扰更加严重资源利用率低，资本支出及运营支出大 移动通信接入网升级困难 提出C-RAN架构2022-5-23C-RAN架构 What内容：尽可能地将基带处理资源集中在一起，形成一个基带资源池并对处理资源进行统一管理与动态分配

2、，提升资将基带处理资源集中源利用率，降低电能的消耗，更易于实现多点协作传输（CoMP）目标：实现低成本、高容量、高运营效率的接入网2022-5-24CPRI WhyC-RAN架构面临的问题：分离开后的基带单元（BBU）与远端射频前端（RRH）之间信息如何实现高速的传输RRH至BBU传输方案：1. Analog RoF优点：需要带宽小缺点：易受到光纤色散、互调失真等非线性效应的影响，传输距离短2. Digital RoF优点：抗非线性失真能力强，传输距离长缺点：需要带宽大选择Digital RoF的原因：光纤通信系统容量遵从的摩尔定律数字通信系统容易标准化（OBSAI、CPRI）2022-5-2

3、5Digital RoF 标准发展1. OBSAI（Open BaseStation Architecture Initiative ）开放式基站架构联盟发起者：Hyundai, LG Electronics, Nokia, Samsung and ZTE2. CPRI （Common Public Radio Interface）通用公共无线电接口发起者：爱立信、华为、NEC、北电网络及西门子公司OBSAI逐渐被淘汰，ZTE转投CPRI2022-5-26CPRI What功能层及帧结构：2022-5-27CPRI So what最新版本6.0，最高速率9.8304Gbps发起公司：正在致力于

4、协议本身的研究，如优化层次结构提高速率等芯片厂商：正在致力于CPRI协议的芯片开发：1. 只实现物理层的芯片有SCAN25100，实现8B/10B编解码、高速串并转换。用户需与FPGA或CPU配合，完成高层功能2. 使用专用ASIC芯片实现全部物理层链路层协议，商用芯片有PMC7830、PMC7832等,面向用户提供应用层的接口3. 完全由FPGA实现。物理层高速收发器已经集成到芯片。Xilinx公司的Spartan，Virtex系列等都提供了CPRI的知识产权（IP）核。Altera的系列也已经有很多款支持CPRI IP核的FPGA芯片。灵活性最高2022-5-28汇报提纲1、研究背景及现状

5、2、系统设计与实现2022-5-29研究目标在理解和掌握使用FPGA的CPRI IP核的基础上，设计一个完整的Master Slave收发通信系统，并进行实验，以验证CPRI协议在BBU-RRH传输系统中应用的可行性。2022-5-210开发平台及工具Altera Quartus: FPGA系统的设计Qsys：SOPC（可编程片上系统）的硬件配置工具Eclipse： 设计SOPC的软件Modelsim：仿真工具2022-5-211实验系统结构预期实验结构框图：实际实验结构框图：即只做电上B-t-B传输实验，以验证所设计的CPRI系统的正确性与可行性备注：FPGA开发板为Altera Strat

6、ix IV GT系列2022-5-212SOPC设计链路速率6.144Gbps2022-5-213部分实验结果示波器测量信号传输波形2022-5-214实验结论 仿真结果验证了该FPGA系统支持CPRI的数字传输系统的所有功能，表明系统原理的正确性以及设计的可行性 但实际由于FPGA开发板的限制，无法实现实际传输2022-5-215参考文献1姜大洁,何丽峰,刘宇超,谢芳,杨宁,胡臻平.5G：趋势、挑战和愿景J.电信网技术.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 V4.2M. 2

10、010-09-29. 7 Altera Inc. CPRI MegaCore Function User GuideM. San Jose.2013.8张国强. CPRI接口模块的硬件设计与实现D.北京.2013:4. 9王艳秋.基于CPRI协议的FPGA高速数据接口模块设计与实现D.北京.2014.10 吴宝合,黄世震. 数字光纤直放站中CPRI协议的FPGA实现J.电子器件.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 radio

11、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, 潘红艳. 基于决策树的 TD-LTE 基站规划方法研究J. 移动通信, 2014, 22: 007.13Cheng L, Liu C, Zhu M, et al. Optical CoMP transmission in millimeter-wave small cells f

12、or 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