作者：Ajinder Singh，德州儀器 (TI) 產品定義部

高端、時尚的智能手機及其與之相關的領域都表明這樣一個事實：廣大消費者需要能夠幫助他們無縫地獲取信息和聯系家人及朋友的移動寬帶和應用。因此，移動寬帶毫無疑問就成為當今電信業增長的引擎。[1, 2]近幾年，盡管經濟發展出現下滑，但電信運營商們在無線數據收入方面卻獲得了巨大的增長。上網本和HSDPA-USB道爾芯片的急劇增長也表明消費者需要隨處可得的移動寬帶，而不僅僅是在家里和辦公室。

今天的移動互聯網缺少的是“沃 (wow)”精彩體驗。消費者在其移動設備上訪問數據時，仍然對下載速度或低質量的圖片感到失望。諸如視頻博客和在線游戲的應用都需要有更快的連接速度和更短的延遲。更快速且可靠的連接將有助于開發基于云計算的應用，從而讓我們的移動辦公體驗不再受限于移動設備的硬件處理能力。

移動運營商們依靠的是即使在現在的43億無線用戶中仍然約有 80% 的語音 GSM 用戶。因此，未來五到十年，增長機會就是抓住那些會定制移動寬帶的 30 億用戶。[2]增長也可能會來自于另一類設備，例如：IPTV、數碼相機等，這些設備擁有移動寬帶接入功能，并能提供一些新型服務，從而為移動運營商帶來更多的收入。

為了緊跟這種高漲的需求，提供更快速、可靠和低延遲的網絡接入，全世界的網絡運營商們都期望部署 4G 網絡，而長期演進 (LTE) 是一個全球領跑者。

• 有時LTE也被稱為第四代通信技術 (4G)，其設計旨在提高移動電話網絡的容量和速度。LTE 規范擁有至少 100 Mbps 的下行（正向鏈路）峰值速率，至少50 Mbps的上行（反向鏈路）峰值速率，以及低于10ms的無線接入網絡 (RAN) 往返延遲。[1]
• LTE還利用一些諸如波束形成等先進天線技術概念，實現更廣的覆蓋范圍。通過多層天線解決方案（例如：2x2或4x4多輸入多輸出 (MIMO)），可獲得高峰值數據速率。

擁有一種新標準的所有優異特性是一方面，但無線和移動網絡運營商們都面對投入資金和建設網絡的不斷挑戰，這些網絡在滿足帶寬爆炸性需求方面都要多多少少地“面向未來”。網絡運營商必須選擇較具成本效益的 4G 網絡演進方案。基于如 LTE 等 4G 標準部署網絡所需的網絡升級，必須不僅僅要平衡新頻譜的使用限制，而且還要利用現有的頻譜。[3]為了有效地控制標準的演進復雜性，一種分布式開放基站構架概念隨著這些標準一同發展，其旨在提供一種靈活、低成本和高可擴展模塊化的無線接入演進管理環境。

如圖 1a 所示，傳統的基站部署要求在一個外殼 (enclosure) 中將射頻設備控制 (REC) 和射頻設備 (RE) 與天線塔安裝在一起。實事表明，這種方法體積大、功耗高，從而帶來較高的部署成本，因此并不利于網絡提供商。[6]這種構架還會在連接天線和 RE 的線纜上產生信號損耗。

如圖 1b-1c 所示，分布式基站構架 (DBSA) 消除了 RF 收發器對基站其他部分的依賴。這種構架允許 RE 遷至靠近其各自天線的地方，這樣便將 RE 和天線之間的電氣損耗降低到較小（請參見圖1b），從而降低 RF 功率放大的成本。DBSA 還允許使用各種 RE 網絡拓撲結構，例如：鏈狀、環狀或樹狀（如圖 1c 所示）。由于射頻設備可以相互組網在一起，無需每個 RE 都連接一個 REC，因此這種方法保證了一種相對較小的網絡部署尺寸。

圖 1a 傳統基站

圖 1b 分布式基站

圖 1c 分布式基站拓撲

開放式基站構架聯盟 (OBSAI) 和通用公共無線接口 (CPRI) 標準可滿足射頻設備控制和射頻設備以及 DBSA 中射頻設置組網之間的基帶數據通信。通過標準化 REC 和 RE 之間的接口，來自不同廠商的 REC 和 RE 設備均可以混合使用和匹配。與此同時，支持 2G/3G/4G 的 REC 可以與不同的 RE 通信，從而實現組合、并發多標準運行，并減少設備升級需求。[3]

CPRI 和 OBSAI 在射頻設備控制和射頻設備之間規定了一種高速串行接口，可進行基帶數據傳輸（I/Q 數據），并使用相同接口實現通信命令/控制和同步（主要針對 RE 網絡）信息。

圖 2 顯示了 DBSA 的信號流。觀察正向鏈接的 RE，OBSAI/CPRI 數據被一個串行器/去串行器 (SerDes) 恢復，其將高速串行數據轉換為并行數據，然后將該數據傳輸給一個 FPGA。FPGA 對 OBSAI/CPRI 邏輯進行處理，并將 I/Q 基帶采樣傳輸給一個數字上變頻器（專用邏輯），其將該 I/Q 基帶采樣調制到一個數字 IF 載波上。之后，上變頻后的數據通過一個數據處理引擎，以降低波峰因數（專用邏輯），并以數字方式前置補償（專用邏輯）信號，從而對功率放大器中的旁瓣生成進行補償，同時確保功率放大器能夠運行在線性區域。[4]

在反向鏈接中，射頻單元包含所有模擬功能，以下變頻 RF 頻帶至中頻，然后數字下變頻各個載波至基帶同相正交 (I/Q) 對采樣。多路復用基帶采樣 (I/Q) 與正向和反向鏈接中的控制和管理數據，均通過一個 SerDes 器件（例如：TI 的 TLK3134等）被串行化，然后通過光纖光纜傳輸。

圖 2 分布式基站構架信號流

在 4G 演進以及提供更快、更可靠數據接入的迫切需求方面對 DBSA 進行分析，便引出了另外一個問題。隨著正向鏈接和反向鏈接數據速率的增長，以及越來越多的網絡用戶轉向高帶寬應用（如：電視點播等），REC 和 RE 之間的串行數據速率也相應增長。REC 和 RE [ 5] 之間的串行數據速率 (SDR) 計算可以使用方程式1：

其中，SDR=REC 和 RE 之間的串行數據速率

表 1 基于信道帶寬要求的采樣率

信道帶寬 (MHz) 采樣率（M 采樣/s/載波） 5 7.68 10 15.36 15 21.04 20 30.72

利用方程式 1 和表 1，四個 W-CDMA 載波 20 MHz 射頻頻率、雙天線系統、7.68 （M采樣/s/載波）采樣率以及 4 比特/采樣 I-Q 采樣寬度條件下，原始串行速率如方程式 2 所示：

同樣，使用方程式 1和表 1，四天線 LTE 系統、一載波/天線、30.72（M采樣/s/載波）采樣 20 MHz LTE 載波以及 16 比特/采樣 I-Q 數據采樣寬度條件下，原始串行速率如方程式 3 所示：

對于一個八天線波束形成 LTE 系統來說，方程式 3 的 SDR 會增加一倍，達到 9.8 Gbps。因此，I-Q 采樣寬度、信道帶寬或者天線載波數的增加，都會直接帶來 REC 和 RE 之間串行數據速率的增長。對于那些制造設備的網絡設備廠商而言，使用 LTE 演進必須將串行數據速率從普通的 614.4 Mbps 速率提高至 9.8 Gbps 或12.2 Gbps，認識到這一點非常重要。DBSA 的高 SDR 在光纜的兩端都要求更高性能的 SerDes，旨在獲得穩健的時鐘數據恢復，并符合 CPRI 或 OBSAI 標準的抖動規范。為了深入挖掘 4G 的 SerDes 和數據處理期望值，讓我們對 CPRI/OBSAI 的協議棧進行分析。

圖3a顯示了 CPRI 協議層棧。一般而言，物理層由固定功能組成，其在多個協議中都很常見。CPRI/OBSAI 協議層的固定功能物理層部分實施為一個硬宏，以滿足苛刻的時序收斂要求。但是，邏輯層往往具有更高的可定制性。[6]邏輯層升級是為了緊跟新標準演進，以及滿足網絡設備廠商想通過專有功能創造其自有增值特性的愿望。FPGA 一般會在實施 CPRI/OBSAI 接口的邏輯層部分，提供理想的靈活性。可以對 FPGA 的邏輯元件編程，以支持自定義邏輯層。

隨著網絡設備廠商轉向 4G 部署，他們將要面對的狀況是，他們不僅僅要求實現邏輯層所需的相同靈活性，而且要求能夠滿足高 SDR 所需的高 SerDes 性能。網絡設備廠商們可選擇購買一種集成串并轉化器 (serdes) 的 FPGA，或者購買一個 FPGA 和分立 SerDes 然后連接它們，如圖 3b 所示。

圖 3a CPRI協議層棧

圖 3b CPRI協議層棧（外部 SerDes 分組）

慮在分立 SerDes-FPGA 與集成 SerDes-FPGA 之間做出決定的一些可能的決定性關鍵因素：

• 分立 SerDes + FPGA 成本與集成 SerDes 型 FPGA 成本對比
• 分立 SerDes 性能與集成 SerDes 型FPGA 性能對比
• 對特殊 FPGA 平臺的熟悉程度
• 轉向集成 SerDes 型 FPGA 的面積節省

圖 4 顯示了一個實例，例子中一個 2G/3G/4G 基站或 REC 被連接到三個服務于三個部分的 RE。本實例中的三個 CPRI 鏈路在614.4 Mbps、3 Gbps 和 9.8 Gbps 線速率下獲得配置，其假設 9.8 Gbps 為更新的 SDR，以支持 4G。

圖 4 連接到三個 RE 的2G/3G/4G REC

情況 A：考慮這樣一種情況，即網絡設備廠商正使用一個集成了分立 SerDes 的FPGA，并在這種 FPGA 平臺學習周期中投入了時間和資源。要在這種情況下支持 9.8 Gbps，方法如下：

• 廠商升級 SerDes，并繼續使用相同熟悉的 FPGA 平臺。優點：獲得規模經濟，因為圖 4 所示的所有三個 RE 部分均可具有類似的 FPGA，并且仍然工作在不同的 SDR 下。利用這種方法，廠商不必改變 FPGA 平臺，