多速率自适应技术在Ir协议中的应用

摘要：以TI公司的TLK10002为例，研究了多速率环境下的PRU设备自适应接入问题，给出了RRU设备速率自适应的流程图和方法。采用本方案的RRU设备，能够自动进行通信速率调整，极大地降低了网络建设难度和工作量，具有广阔应用前景。
关键词：Ir协议；RRU BBU；自适应；多速率；TD

    基于基带单元(BBU)加远端射频单元(RRU)的分布式基站架构以其低成本、环境适应性强、施工方便、节约基站站址资源等优势，在TD-SCDMA网络中已经被广泛使用。通常BBU和RRU之间采用光纤进行基带数据和信令信息传输，其常用的数据接口有CPRI和OBSAI两种标准。目前中国TD-SCDMA(以下简称TD)网络的BBU和RRU采用自主研制的Ir协议来传输基带数据和信令信息。Ir协议具有多种传输速率，如1．2288 Gbps(以下简称1．2 G)，2．4576 Gbps(以下简称2．5 G)和6．144 Gbps(以下简称6 G)等。由于TD网络建设是分阶段展开的，必然会出现不同速率接口设备混合组网的问题。因此研制具备对不同速率接口具有自适应能力的RRU设备具有重要意义。文中将以TI公司TLK10002为平台开展研究。

1 TD网络架构
1．1 TD分布式基站架构
    TD基站架构是由BBU和RRU设备构成。其核心思想是将基站的基带部分和射频部分分开，射频(PRU)部分可以根据需要灵活放置于任何地方，BBU设备集中放置使多个PRU设备共享基带资源，BBU通过光纤与建筑物内的多个RRU连接。基于这种架构的基站具有组网方式灵活、组网性能高和扩容灵活等优势。
    目前TD网络中，BBU和RRU之间的接口采用中国自行研制的Ir协议。该协议支持BBU和RRU设备之间的点对点链接，星形链接，链形链接，环形链接等多种方式。在工程应用中常见的是链形链接和星形链接的混合组网，如图1所示。

    在TD网络建设初期，由于用户数量较少，BBU和RRU之间的接口多采用1．2 G速率的Ir协议，可以实现24载扇数据传送。在TD网建设中期，随着用户数量增多和设备功能增强，Ir协议接口速率升至2．5 G，随之支持2．5 G的RRU设备大量应用于TD网络建设。目前部分TD基站Ir协议接口速率达到6 G。
    随着网络的扩容，高速接口设备与低速接口设备共同工作在同一个通信链路上，由于通信速率的不同，彼此无法进行正常的通信，所以多速率自适应技术成为TD基站混合组网问题的关键。
1．2 串行器／解串器功能
    图2是RRU光纤接口原理示意图。在下行方向，光纤收发器将光纤传送的光信号转换成电信号提供给串行／解串器，进行串并／并转换，将低速并行信号传送到FPGA，由其根据Ir协议要求将本级RRU所需要的数据提取出来，并将接收到的数据再转发至下联光纤接口，传送给下一级RRU；在上行方向，FPGA接收来自于下一级RRU的上行数据，并将本级RRU需要上传的数据根据Ir协议插入到相应的位置，再将重组后的低速并行数据帧发送给串行／解串器进行并／串转换，继而将高速串行电信号送给光纤收发器，由其将电信号转换成光信号，从光纤发送出去。

    图2所示的串行／解串器是光纤接口的核心器件。应具备以下功能：1)数据串／并转换和并／串转换功能，即将高速串行数据转换为低速并行数据，和将低速并行数据转换为高速串行数据；2)时钟提取功能，即将包含在数据中的时钟信息提取出来，供后续时钟电路使用；3)8B／10B编解码功能，在下行，进行8B／10B的解码，在上行，进行8B／10B的编码；4)线路的监测功能，串行／解串器位于RRU整个电路的前端，它能监测到线路上的变化，如8B／10B编解码错误，线路信号的恶化等。
1．3 TLK10002功能介绍
    TLK10002是TI公司推出的一款双通道的串行／解串器芯片，它具有以下主要特点：1)低速端数据速率范围为0．5Gbps至5 Gbps，高速端数据速率范围为1 Gbps至10 Gbps；2)支持所有的CPRI和OSBAI速率；3)支持8 B／10 B编解码功能：4)同一种参考时钟支持不同的光接口速率；5)信号丢失(LOS)检测功能。

    TLK10002可通过MDIO接口对其工作状态进行控制和读取，目前已大量应用在基站设备中。其功能框图如图3所示。

2 光纤接口多速率自适应方案
2．1 多速率自适应原理
    首先将Ir协议涉及的光纤接口通信速率逐一配置到串行／解串器，通过获取串行／解串器的状态判断是否检测到通信中约定的码特定型来进行通信速率动态调整。
    在通信系统中，一般要对所传输的数据进行一定的编码来达到特定功能，目前通信系统中所用的高速串行数据传输，一般采用8B／10B编码，Ir协议也如此。8B／10B中的K码由于其唯一性而作控制之用。K码的选择有其特殊性，在不同的速率情况下，保证不会被误判。只有在传输中，解码芯片识别到K码之后，才会认为通信链路已正常建立。
    当TLK10002芯片中的COMMA DETECT电路，检测到K码，并识别之后，会给出提示信号，表明通信链路同步已经建立，可以进行后续数据传输。本方案正是利用TLK10002的K码识别功能来进行多速率自适应设计的。
2．2 多速率自适应工作流程
    以使用TLK10002的RRU设备为例，在系统上电后首先从FPGA向TLK10002配置默认的1．2 G光纤接口通信速率，然后读取TLK10002通道同步状态置，如果同步成功，则建立后续通信，开始串／并转换；若失败，则从FPGA向TLK10002配置2．5G光纤接口通信速率，重复上述过程，直至Ir协议中所有通信速率均经过TLK10002的K码检测，并查询到匹配速率，建立后续通信。文中以1．2 G、2．5 G和6 G速率进行自适应匹配方法描述，其流程如图4所示。

    对光纤接口多速率白适工作流程可按如下几个步骤进行：
    1)判断光纤收发器是否存在。由图3可知，要检测光纤接口速率，首先是光纤收发模块已正常工作。所以在图4中，第一步是检测光纤收发器是否在位。只有在光纤收发器在位的条件下，以后的检测才有意义，如果收发器不在位，那么发送光纤收发器丢失指示信号。
    2)光纤收发器速率检测。由于大部分光纤收发器支持数字信息查询，可通过数字接口读取光纤收发器支持的速率信息。如果收发器速率信息为1．2 G，则表示此收发器最高能支持1．2 G光信号，RRU最高只能工作在1．2 G模式下，就不需要再进行后续的自适应了。如果读取后发现是2．5 G或6 G的收发器，则必须进行后续自适应工作。
    3)光纤收发器速率检测之后，需要检测本级RRU是否已接收到光信号。只有在已接收到光信号的时候，才可以进行速率自适应。LOS(信号丢失)信号表示收发器接收到的光功率不在收发器的正常工作范围之内。
    4)如果RRU已接收到上级设备发送的光信号，必须逐一匹配Ir协议规定的所有接口速率，文中先进行1．2 G光纤速率接口匹配。先将TLK 10002配置成1．2 G的速率。
    5)延时后，读取TLK10002的同步标志寄存器。如果这个寄存器状态为1，说明TLK10002已在数据流中找到了相应的COMMA信号，说明速率已适配成功。
    6)如果读取到的同步标志寄存器为0，表示速率未匹配。此时将TLK10002配置成另外一种速率即2．5 G进匹配，成功则建立通信链路，失败再进行6 G匹配，如果成功建立通信链路，如果失败通过状态指示灯进行报警，由人工进行相应处理。

3 效果验证
    通过在实验室以图1的方式进行十级RRU混合组网试验。BBU光纤收发装置为6 G，10个RRU光纤收发器为1．2G。将各级RRU光纤正确连接，经测试每级RRU告警指示灯亮，表明RRU未能正确匹配BBU速率。然后将BBU光接口配置为2．5 G，RRU的光收发器更换为6 G，重新连接，经测试每级RRU均自适应的工作在2．5 G。最后将BBU光接口配置为2．5G，4个RRU光收发器更换为2．5G，其他6个为6G，经测试每级RRU均自适应的工作在2．5 C。表明在混合组网下的多速率自适应接口设计是成功的。
    通过上述测试实验说明，文中所述的光纤接口多速率自适应方案已经具备一定的工程应用价值。

4 结束语
    随着光通信技术在移动通信领域的嫁接应用，基站设备供应商必须不断提高新设备对原有设备的自适应能力。本文就以TLK10002为例，对RRU光接口的多种速率自适应进行了探讨，并经过实验验证表明该方案可行。可以推广到更多的通信自适应设备中。