用低成本FPGA实现低延迟变化的CPRI

无线TEM（电信设备制造商）正受到布署基站架构的压力，这就是用更小体积、更低功耗、更低制造成本来建立，部署和运营。达到此目的的关键策略是从基站中分离出RF接收器和功率放大器，用它们来直接驱动各自的天线。这称为射频拉远技术(RRH)。通过基于SERDES的公共无线接口(CPRI)将基带数据传回到基站。本文主要阐述特定的低延迟变化的设计思想，在低成本FPGA上利用嵌入式SERDES收发器和CPRI IP（知识产权）核实现。

RRH的部署

从“Hotel”基站分离射率(RF)收发器和功率放大器的优点已经写得很多了，如图1所示。但最引人注目的是RRH在功耗、灵活部署、小的固定体积，以及整个低成本方面的优点。



图1 射频拉远技术(RRH)方案

随着RRH从基站里分散出来，运营商必须确保能够校准无线头和hotel BTS之间的系统延时，因为延时信息是用于系统校准的，必须使整个来回行程延时最短。随着级联的RRH，添加了每个RRH跳的变化，因此这个要求相应增加，针对单程和来回行程，CPRI规范处理这些链路时序的精确性。  

针对低延迟变化的FPGA实现

图2展示了现有的在传统SERDES/PCS实现中的主要功能块，加亮的部分突出了引起延时变化的主要部分（如例子中展示的RX路径）



图2 传统的CPRI接收器实现方案

延时变化来自几个单元，诸如模拟SERDES和数字PCS逻辑，以及实际的软IP本身。模拟SERDES有相对紧凑的时序；然而，字对齐和 桥接FIFO是两个主要的引起大的延时变化的原因。提出一个解决方案前，重要的是理解为什么字对齐和桥接FIFO有这么大的影响。如图3所示，字对齐功能会导致多达9位周期的延时变化，这取决于10位周期内字对齐指针的初始位置。如果10位采样窗很好地捕获了对齐字符，例如图3中的a）那就没有延时。然而如果采样窗没有与字符对齐，导致多达9位周期的延时，如图3中的b）所示。



图3 字对齐的延时变化

第二，采用基于SERDES的FPGA混合结构，还需要桥接FIFO（图4）来支持时钟域的转换，从高速PCS时钟到FPGA时钟域，可以引进多达2个并行时钟周期的延时变化。2.488Gbps的速率，PCS时钟以十分之一的速率运行，这个速率产生4ns左右的时钟周期。因此，可以看到在FIFO (Tx & Rx)的每个方向有+/-8ns变化的最坏情况，导致总的+/-16ns的变化。



图4 源于桥接FIFO的延时变化

设计者没有看到到这些延时变化时，这个情况会更糟糕。因为它们需要在系统级进行补偿，以支持多种Tx和GPS服务。

表1对CPRI规范（3.5节）做了延时变化的比较。可以很清楚地看到字对齐和桥接FIFO对大的延时变化起的主要作用，导致来回行程延时容差超过CPRI规范。



表1 在原设计中延时变化的元件

一旦确定了问题，就可以做一些较小的修改。某些实现中，通过访问寄存器的方式可以获得PCS中字对齐测量得到的延时信息，可以绕过时钟域FIFO，用FPGA逻辑来实现，在系统级可以针对延时变化进行补偿。图5说明了具有可补偿的关键延时变化的低延时设计。



图5 低延迟时间实现

现在做一个总结，当使用所推荐的实现方法时，引起大的延时变化的单元消失了，可以利用系统级补偿，以确保在传输期间预期的延时。当然模拟SERDES 和IP，或者客户设计仍然有延时，但是已经大大改进了整个精确性，现在可以在多跳应用中使用。表2说明了在这个配置中新的延时变化。现在时序满足了来回行程CPRI延时规范，对支持多跳的应用来说是足够的短。



表2 在低延迟实现中的延时变化

使用FPGA的另外一些优点

许多年来FPGA是无线工业获得成功的一部分。从简单的粘合逻辑功能到更复杂的功能，例如在如今RRH设计中所需要的数字上变频、数字下变频、峰值因子衰减和数字预失真，充分利用了FPGA的灵活性和产品快速上市的优点。支持CPRI互联的特性，诸如嵌入式DSP块、嵌入式存储器和高速串行I/O (SERDES)的特性已与无线设备供应商的新需求完美地吻合。现在基站设计者可以在低成本、低功耗可编程平台上，如用Lattice ECP3 FPGA集成系统级的功能。

总结

远程基站拓扑结构为系统供应商提供了许多优点，FPGA对实现这些需要是理想的方法。因此，使用可编程、低功耗、低成本中档FPGA解决方案是下一代BTS开发的最好的方法。