FPGA實現無線電信設備的低延遲變化CPRI

無線電信設備制造商正受到以更小體積、更低功耗、更低制造成本來布署基站架構的壓力。當通過WiMAX和LTE網絡開展新業務的同服務時，他們還面臨提高覆蓋范圍、帶寬和可擴展性的壓力。解決這些應用挑戰的關鍵策略是從基站中分離出RF接收器和功率放大器，并緊靠它們各自的天線重新設計，從而使簡化后的基站直接驅動天線。本文討論利用帶嵌入式SERDES收發器和CPRI鏈路IP內核的低成本FPGA，來實現電信系統低延遲變化設計的考慮因素。

無線電信設備制造商正受到以更小體積、更低功耗、更低制造成本來布署基站架構的壓力。當通過WiMax和LTE網絡開展新業務的同服務時，他們還面臨提高覆蓋范圍、帶寬和可擴展性的壓力。解決這些應用挑戰的關鍵策略是從基站中分離出RF接收器和功率放大器，并緊靠它們各自的天線重新設計，從而使簡化后的基站直接驅動天線。本文討論利用帶嵌入式SERDES收發器和CPRI鏈路IP內核的低成本FPGA，來實現電信系統低延遲變化設計的考慮因素。

實現這種系統的一個解決方法是利用通用公共無線接口(CPRI)，通過光纖傳送數字基帶數據到遠程無線頭(RRH)。根據CPRI規范，基站用作無線設備控制器(REC)，而RRH用作無線設備(RE)。在此方案中，所有的RE在指定的時間必須同步和傳輸，這樣，待解決的器件和系統級關鍵問題是如何使各種天線之間的傳輸時間變化最小。本文討論利用帶嵌入式SERDES收發器和CPRI鏈路IP內核的低成本FPGA，來實現電信系統低延遲變化設計的考慮因素。

RRH的部署

從駐點(hotel)基站分離無線頻率(RF)收發器和功率放大器的優點很多，如圖1所示。但最吸引人的優勢體現在功耗、部署的靈活性、更小的固定面積，以及更低的CAPEX(固定投資)和OPEX(運營費用)方面。

圖1：RRH網絡拓撲結構實例。

由于無線頭從主基帶模塊里分離出來，所以必須確保系統能校準無線頭和hotel BTS之間的所有延時，以便能遵從傳輸時間規范(即最大可接受的周期內對齊)。由于采用分集傳輸，公共數據經由不同的RE傳送，這意味著發送對齊誤差在各種RE之間是可知且可控，以取保正確運行。

通常，通過基于FPGA的CPRI鏈接的回路延遲取決于其發送路徑(包括串行器、物理編碼子層，橋接FIFO和FPGA結構)，和返回時的接收路徑(類似于發送路徑，不過是反向的)。圖2給出了一個例子。此外，這個延時需要再加上傳輸媒質(最常用的是光纖)導致的延時。

因為操作員將延時信息用于系統校準，比如為了使信號強度最大和改進跟蹤需要確定不同系統的地理位置，這必須確保通過整個來回路徑的延時變化在系統正常工作期間以及各種上電方案和情況時隨工藝、電壓和溫度變化最小。因為從每個RRH跳的變化是累加的，這個需求通過級聯RRH被放大，在延時變化規范方面導致甚至更小的容忍度。

CPRI規范對此特別關注，針對CPRI收發器的單向和來回行程延時，在3.5.3(R-19和R-20)條款做了清楚的說明。對于3GPP和WiMAX，這個規范為一跳的延時精確性是±16.276ns(來回行程，不包括傳輸媒質)，每增加一跳，減少這個數目(即2跳是±16.276除2，或者±8.138ns等)。

針對低延遲變化的FPGA實現

圖2給出了傳統SERDES/PCS實現中的主要功能塊，黃色部分是導致延時變化的主要功能塊。

圖2：傳統的CPRI接收器實現方案。

導致延時變化的模塊有好幾個，包括模擬SERDES、數字PCS邏輯以及實際的軟IP。模擬SERDES有相對緊湊的時序，百萬分之一秒的變化主要源于工藝、電壓和溫度的變化。因此對延時變化預算沒有很大的影響。

然而，字對齊和橋接FIFO是引起延時變化很大的兩個主要原因。如圖3所示，字對齊功能會導致多達9位周期的延時變化，這取決于10位周期內字對齊指針的初始位置。如果10位的采樣窗口能很好地捕獲對齊字符(如圖3a所示)，那就沒有延時。如果采樣窗口沒有與字符對齊，則將導致多達9位周期的延時(如圖3b所示)。對于工作頻率為2.488Gbps(400ps周期)的CPRI鏈路，這意味最壞延遲變化為±1.8ns。

圖3：字對齊導致的延時變化。

采用基于SERDES的FPGA混合結構，還需要橋接FIFO來支持從高速PCS時鐘到FPGA時鐘域的轉換。通過設計，這個FIFO可導致多達2個并行時鐘周期的延時變化。在2.488Gbps的線速下，PCS并行時鐘以該速率的十分之一運行，時鐘周期大約為4ns。因此，FIFO(TxRx)的每個方向上都有±8ns的最大延遲變化，這導致一共±16ns的延遲變化。

使情況變得更糟糕的是設計者沒有預見到這些延時變化。因此不能在系統級估計和補償這些變化，在支持諸如分集傳輸和GPS服務時，這是主要的問題。

圖4：橋接FIFO導致的延時變化。

針對基于FPGA的傳統嵌入式SERDES/PCS，表1總結了導致整個執行時間發生的主要因素，并與CPRI規范進行了比較。分析這些數目，可很清楚看到字對齊和橋接FIFO對大的延時變化起主要作用，導致超過規范的來回行程延時容忍度。

幸運的是，通過對傳統的實現做一些小的修改就可以解決這個問題。用戶可以繞過嵌入式數字PCS功能，在FPGA中實現這些邏輯。因為現在的邏輯運行在單個FPGA時鐘域中，所以這個方法不再需要橋接FIFO，并且設計者可以訪問導致延時的字對齊電路。在FPGA邏輯里可以通過訪問寄存器的方式來獲得字對齊電路測量到的延遲信息，而從在系統級針對延時變化進行補償。這些補償允許無線頭之間在指定的窗口內進行傳輸以支持前面提到的業務，諸如分集傳輸和GPS。圖5給出了低延遲設計的實現方案，關鍵元件都在FPGA邏輯中實現。

表1：在原設計中延時變化的元件。

如果采用這個推薦的實現方案，則不再需要導致大的延時變化的單元，即省去了橋接FIFO?？稍L問字對齊電路的寄存器使用戶能計算并進行系統級補償，以確保不同無線頭的傳輸都在規定的時序窗內進行。當然，模擬SERDES和CPRI IP，或者設計本身仍然存在延時，但此時整個配置的精確度已得到大大改善，可以在多跳應用中使用。該方案占用的器件資源很小，新的模塊只需幾百個LUT。表2列出了這個配置中新的延時變化?？梢钥吹娇偟难訒r變化大大下降。對單跳來說這很容易滿足來回行程延時規范，對支持多達4級的多跳應用是足夠的低。

圖5：低延遲設計的實現方案，其中關鍵元件都在FPGA邏輯中實現。

使用FPGA的另外一些優點

許多年來FPGA是無線工業獲得成功的一部分。從簡單的粘合邏輯功能和基帶濾波器到更復雜的功能，例如在如今RRH設計中所需要的數字上變頻、數字下變頻、峰值因子衰減和數字預失真，充分利用了FPGA的靈活性和產品快速上市的優點。嵌入式DSP塊、嵌入式存儲器和高速串行I/O(SERDES)的特性與無線設備供應商的新需求需要完美地吻合。隨著可實現CPRI功能的低成本器件的引進，例如LatticeECP2M FPGA系列，基站設計者有了有力的杠桿，在可編程平臺上集成了系統級的功能，還有除了技術功能以外的關鍵因素：低成本、低功耗和小的器件尺寸。

表2：低延遲實現中的延時變化。

本文小結

遠程基站拓撲結構在功耗、部署的靈活性、更小的固定面積，以及更低的CAPEX和OPEX方面系統供應商提供了許多優點。一個集成和靈活的低成本平臺能滿足新興且不斷變化的規范非常關鍵，低成本FPGA對滿足這些需要是理想的選擇。對基于FPGA的CPRI實現用于RRH拓撲結構有一些批評意見，主要是說它們不能夠符合CPRI所要求的精確鏈接規范。本文說明了事實并非如此，事實上，甚至可以輕松地支持多跳RRH拓撲結構。因此，可編程低功耗解決方案且非常誘人的價格是下一代BTS開發是最好的方法。