云無線接入網中CPRI協議的FPGA實現及性能測試

1、上海交通大學電子信息與電氣工程學院區(qū)域光纖通信網與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室015034910015 朱慶明工作基礎 from 李隆勝云無線接入網中CPRI協議的FPGA實現和性能測試2022-3-71匯報提綱1、研究背景及現狀2、系統(tǒng)設計與實現2022-3-72C-RAN架構 Why無線接入網現狀：不斷增長的數據流量需求 需要建設更多網絡基礎設施（接入點、基站） 基站間干擾更加嚴重資源利用率低，資本支出及運營支出大 移動通信接入網升級困難 提出C-RAN架構2022-3-73C-RAN架構 What內容：盡可能地將基帶處理資源集中在一起，形成一個基帶資源池并對處理資源進行統(tǒng)一管理與動態(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，更易于實現多點協作傳輸（CoMP）目標：實現低成本、高容量、高運營效率的接入網2022-3-74CPRI WhyC-RAN架構面臨的問題：分離開后的基帶單元（BBU）與遠端射頻前端（RRH）之間信息如何實現高速的傳輸RRH至BBU傳輸方案：1. Analog RoF優(yōu)點：需要帶寬小缺點：易受到光纖色散、互調失真等非線性效應的影響，傳輸距離短2. Digital RoF優(yōu)點：抗非線性失真能力強，傳輸距離長缺點：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字通信系統(tǒng)容易標準化（OBSAI、CPRI）2022-3-7

3、5Digital RoF 標準發(fā)展1. OBSAI（Open BaseStation Architecture Initiative ）開放式基站架構聯盟發(fā)起者：Hyundai, LG Electronics, Nokia, Samsung and ZTE2. CPRI （Common Public Radio Interface）通用公共無線電接口發(fā)起者：愛立信、華為、NEC、北電網絡及西門子公司OBSAI逐漸被淘汰，ZTE轉投CPRI2022-3-76CPRI What功能層及幀結構：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、協議本身的研究，如優(yōu)化層次結構提高速率等芯片廠商：正在致力于CPRI協議的芯片開發(fā)：1. 只實現物理層的芯片有SCAN25100，實現8B/10B編解碼、高速串并轉換。用戶需與FPGA或CPU配合，完成高層功能2. 使用專用ASIC芯片實現全部物理層鏈路層協議，商用芯片有PMC7830、PMC7832等,面向用戶提供應用層的接口3. 完全由FPGA實現。物理層高速收發(fā)器已經集成到芯片。Xilinx公司的Spartan，Virtex系列等都提供了CPRI的知識產權（IP）核。Altera的系列也已經有很多款支持CPRI IP核的FPGA芯片。靈活性最高2022-3-78匯報提綱1、研究背景及現狀

5、2、系統(tǒng)設計與實現2022-3-79研究目標在理解和掌握使用FPGA的CPRI IP核的基礎上，設計一個完整的Master Slave收發(fā)通信系統(tǒng)，并進行實驗，以驗證CPRI協議在BBU-RRH傳輸系統(tǒng)中應用的可行性。2022-3-710開發(fā)平臺及工具Altera Quartus: FPGA系統(tǒng)的設計Qsys：SOPC（可編程片上系統(tǒng)）的硬件配置工具Eclipse： 設計SOPC的軟件Modelsim：仿真工具2022-3-711實驗系統(tǒng)結構預期實驗結構框圖：實際實驗結構框圖：即只做電上B-t-B傳輸實驗，以驗證所設計的CPRI系統(tǒng)的正確性與可行性備注：FPGA開發(fā)板為Altera Strat

6、ix IV GT系列2022-3-712SOPC設計鏈路速率6.144Gbps2022-3-713部分實驗結果示波器測量信號傳輸波形2022-3-714實驗結論 仿真結果驗證了該FPGA系統(tǒng)支持CPRI的數字傳輸系統(tǒng)的所有功能，表明系統(tǒng)原理的正確性以及設計的可行性 但實際由于FPGA開發(fā)板的限制，無法實現實際傳輸2022-3-715參考文獻1姜大潔,何麗峰,劉宇超,謝芳,楊寧,胡臻平.5G：趨勢、挑戰(zhàn)和愿景J.電信網技術.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

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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. 基于決策樹的 TD-LTE 基站規(guī)劃方法研究J. 移動通信, 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