基于CPRI协议的FPGA高速数据传输模块设计与实现_王艳秋

一代宽带无线通信网”国家科技重大专项：TD-LTE 基站基带与射频模块间接口（Ir 接口）仿真与监测工具开发。本文为了测试基
带设备对 IQ 数据的处理能力，基于 FPGA 实现对用户数据（IQ 数据）的实时高速传输至上位机进行存储。通过比较现有高速数
据传输技术，提出采用分层化，模块化的设计思想，利用 FPGA 实现 UDP/IP 协议栈，通过千兆以太网传输至上位机。通过测试验证，
2）PCI Express PCI Express 是目前高速数据传输技术中最具优势的技术， 数据传输速率可达 10GB/s。主要应用于板卡间高速大容量数据 传输，基于 PCIE 协议的传输板卡采用统一的接口标准，需要驱 动支持。PCI Express 的高速数据传输性能在计算机主板，显卡 和高速数据采集卡中广泛使用。 3）快速 I/O 传输（Rapid I/O Transport） Rapid IO 是基于数据包交换的传输协议，包括并行 Rapid IO 和串行 Rapid IO 两种。Rapid IO 协议由逻辑层，物理层和传输层 组成，主要是提供嵌入式系统内部互连的数据传输，通过 Rapid IO 交换芯片实现，支持芯片到芯片，板到板之间的通讯。Rapid
IO2.x 协议规范数据传输速率可 达 6.25Gbps， 主 要 针 对 嵌 入 式 系统内部互连的高速数据传输。
2 高速数据传输模块设 计与 FPGA 实现
2.1 数据传输协议栈
图 2 Ir 接口系统连接示意图 Fig2 Ir interface system link diagram
位机进行存储
文章基于“新一代宽带无线通信网”国家科技重大专项的 子课题：TD-LTE Ir 接口一致性仿真与监测工具的开发。TD-LTE Ir 接口系统由一个基带设备和两个射频设备组成，通过光纤进行 连接，采用级联的方式进行数据通信如图 2 所示。基带设备作 为系统中的核心基带处理单元，在整个系统中起主要控制作用。
【Key words】communication system; IQ data; UDP/IP stack;FPGA
0 引言
随着通信技术不断的发展，对通信技术的研究工作逐步深 入。TD-LTE(Time Division Long Term Evolution) 是我国研发的 3G 通 信 技 术 标 准 TD-SCDMA(Time Division- Synchronization Code Division Multiple Access) 的长期演进技术，国家在“新一代宽带 无线通信网”计划中对 TD-LTE 研究做出了巨大投入。
1）以太网技术 在计算机网络体系结构中，基于以太网技术的高速数据传
网络协议通常分不同层次 进行开发，每一层分别负责不同 的通信功能。TCP/IP 协议栈是 一组不同层次上的多个协议的 组合。TCP/IP 协议栈的四层体 系结构分别为：应用层，传输层， 网络层和数据链路层。 应用层，负责处理特定的应用程序细节，包括 Telnet 远程登 录协议，FTP 文件传输协议，HTTP 协议，SMTP 简单邮件传送 协议 [4]，SNMP 简单网络管理协议 [4] 等。 传输层，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信， 包括两种传输协议：一个是提供可靠的，面向连接的传输控制 协议 TCP；另一个提供面向非连接的用户数据报协议 UDP。 网络层，处理分组在网络中的活动，网络层协议包括 IP 协 议（网际协议），ICMP 协议（Internet 互联网控制报文协议）， 以及 IGMP 协议（Internet 组管理协议）。 数据链路层，包括逻辑链路子层（LLC）和媒体访问控制子 层（MAC）[4]。TCP/IP 协议四层体系结构如图 3： 由于 TCP 协议提供可靠的端到端数据传输，具有拥塞控制， 流量控制等机制 [5]。采用 FPGA 实现 TCP 协议的难度很大，并 且 TCP 协议建立连接时需要的握手机制不适合用于本课题中的 实时数据传输，UDP 协议在实时点对点高速传输方面应用广泛， 采用面向非连接的 UDP 协议栈实现实时高速数据传输的实现具 有明显优势。
FPGA 以其优越的性能广泛应用于接口设计和复杂算法实现 技术上。全球领先的半导体解决方案提供商 Xilinx 公司和全球 市场份额第二的 Altera 公司均以开发出基于 FPGA 的适用于工 业，通信，网络等领域的专用接口解决方案，如 PCI（Peripheral Component Interconnect）、PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)、SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)、Rapid IO、CPRI 等接口。
1(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876,China) 2(China Telecommunication information department, Beijing 100032,China)
【Abstract】CPRI protocol as the communication technology unceasing development, gradually improve as a wireless base station interface specification, can support data rate continuously improve. This topic is based on "a new generation broadband wireless communication network" national science and technology major projects: the td-scdma baseband and rf module LTE base station indirect mouth interface (Ir interface) simulation and monitoring tool development. In this paper, in order to test the baseband equipment of IQ data processing capabilities, based on the FPGA implementation of user data (IQ) of real-time transmission first place machine for storage at a high speed. By comparing the existing high speed data transmission technology, put forward the method of layered and modularized design idea, using FPGA to realize the UDP/IP protocol stack, through the supremacy of gigabit Ethernet transmission machine. Through test validation, this module can realize the IQ real-time high-speed data transmission, meet the design requirement.
基站基带设备与射频设备之间接口称为 Ir 接口。Ir 接口协 议是依据通用公共无线接口 CPRI (Common Public Radio Interface) 协议规范制定的 [1]。通用公共无线接口联盟是一个工业合作组 织，致力于从事无线基站内部无线设备控制中心 REC（Radio Equipment Controller） 及 无 线 设 备 RE(Radio Equipment) 之 间 主 要接口规范的制定工作 [2]。CPRI 规范定义了 OSI(Open System Interconnect) 系统模型的物理层和数据链路层两层结构，物理层 支持电口和光口两种接入方式，并支持时分复用。数据链路层 可支持用户平台数据（IQ 数据），控制和管理平台数据，同步 平台数据三种数据流。CPRI 规范系统结构图如图 1 所示：
1 现有高速数据传输方案比较
数据传输技术伴随信息通信技术不断发展，现有数据传输 技术如：通用串口总线协议 USB，IEEE1394 数据传输技术，串 行高级技术附件 SATA 技术。这三种数据传输技术的数据传输速 率较低，其中 USB 最高可达 480Mbps；IEEE1394 数据传输速率 最高可达 3.2Gbps，但 IEEE1394 是专门用于数码摄录机和电脑 之间进行数据传输的技术，应用范围较小；SATA 每通道数据传 输速率可达 150Mbps，是专用于硬盘接口的数据传输技术。数据 带宽的不断增加，需要高速率的数据传输技术。为满足数据传输 高速性的要求，先进电信计算机架构 ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）定义了三种高速数据传输技术：以太网 技术，PCI Express，快速 I/O 传输（Rapid I/O Transport）协议 [3]。 下面主要介绍以上三种高速数据传输技术的实现方案。
本模块可实现对 IQ 数据的实时高速传输，满足设计要求。
关键词：பைடு நூலகம்信系统；IQ 数据；UDP/IP 协议栈；FPGA；
中图分类号：TP332
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.12.009
本文著录格式：[1] 王艳秋 , 李旭 , 高锦春 , 等 . 基于 CPRI 协议的 FPGA 高速数据传输模块设计与实现 [J]. 软件 ,2013,34(12): 36-40
CPRI Protocol Based FPGA High-speed Data Transmission Module Design and Implementation
WANG Yan-qiu1,LI Xu2,GAO Jin-chun1,TANG Bi-hua1,ZHANG Hong-guang1
软件 2013 年第 34 卷 第 12 期
基于 CPRI 协议的 FPGA 高速数据传输模块设计与实现
王艳秋 1，李旭 2，高锦春 1，唐碧华 1，张洪光 1
（1. 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876；2. 中国电信信息化部，北京 100032）
摘 要：随着通信技术不断发展，CPRI 协议作为无线基站的接口规范逐步完善，可支持的数据速率不断提高。本课题基于“新
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王艳秋 等：基于 CPRI 协议的 FPGA 高速数据传输模块设计与实现
图 1 CPRI 系统结构图 Fig1 CPRI system structure
输技术的实现依赖于传输控制协议 TCP/IP 技术。网络中的通信 实体通过以太网技术进行数据传输时，要实现 TCP/IP 协议栈四 层体系结构：应用层，传输层，网络层和数据链路层。这种数 据传输方式可实现面向连接和面向非连接两种数据传输模式， 应用于局域网的通信实体间数据传输。
在实际的基带设备中，基带设备需要将用户数据向其上层 的控制设备上报，以便完成对用户数据的处理。为验证本课题 中 Ir 接口对用户 IQ（In-phase Quadrature）数据的处理功能。需 要将基站设备中 CPRI 核解析出的 IQ 数据，实时高速传输至上
作者简介：王艳秋（1987-），女，硕士研究生，计算机硬件，数字电路设计 通信联系人：高锦春，教授，主要研究方向：无线通信关键技术，通信可靠性的研究及其产品的研发工作 .