CN113765615B - Cpri接口的时分通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CPRI接口的时分通信系统，包括：一个近端机、多个远端机、光纤和光纤合路器，所述多个远端机上的第一光纤通过所述光纤合路器汇聚成一根第二光纤，所述第二光纤的一端与所述近端机相连以使用时分技术实现单根光纤一点对多点时分通信，同时实现上行和下行双向全双工通信，由中心节点的近端机执行集中式通信控制管理，每个待发送数据的远端机节点都将数据发送到中心节点的近端机，再由中心节点的近端机将数据送到目地节点。本发明中的近端机只需要耗费一个光口和一个光模块，即可连接多个远端机，降低了成本，特别适用于近端机所在机房只预留一根光纤的场合中实现系统架构的布置。
Description
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域，具体涉及一种新型CPRI接口的数据传输方法、设备接入方法及系统架构。
背景技术
通用公共无线接口（Common Public Radio Interface, 简称"CPRI" ) 规范是由行业内多家公司联合制定的关于无线电基站内部关键接口的规范，其定义了物理层和数据链路层协议，用于控制和管理无线设备控制中心( Radio Equipment Controller, 简称"REC" ) 和无线设备( Radio Equipment,简称"RE" ) 之间的数据传输， 也用于两个RE 之间的数据传输。
如图1所示，在传统的CPRI接口光纤通信系统中，近端机与远端机构成星型拓扑结构，此结构的弊端是近端机需要耗费多个光口，每个光口需要插入一个光模块，通过光纤连接一个远端机，成本高昂。另外有些应用场景近端机所在机房只预留1根光纤，无法实现系统架构的布置。
发明内容
本发明提供了一种CPRI接口的时分通信系统，以解决至少一个上述技术问题。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种CPRI接口的时分通信系统，包括：一个近端机、多个远端机、光纤和光纤合路器，所述多个远端机上的第一光纤通过所述光纤合路器汇聚成一根第二光纤，所述第二光纤的一端与所述近端机相连以使用时分技术实现单根光纤一点对多点时分通信，同时实现上行和下行双向全双工通信，由中心节点的近端机执行集中式通信控制管理，每个待发送数据的远端机节点都将数据发送到中心节点的近端机，再由中心节点的近端机将数据送到目地节点。
优选地，所述下行工作模式为常开，近端机一直发送下行帧供远端机接收同步，下行支持广播和点播方式，下行帧的信息字段有帧属性定义；其中，设置成广播时，所有远端机均可接收下行数据；设置成点播时，附上远端设备ID，只有ID相符的远端才接收下行数据，其它远端机则忽略下行数据。
优选地，上行采用突发帧burst模式，远端机只有在属于自己的时隙才发送，其它时隙关闭；各远端机按时分复用方式，所有远端机需要通过随机接入方式来分配一个工作时隙，成功接入网络后，才可以占用该时隙；远端除了接入成功所分配的时隙外，近端机可以为业务量需求大的远端机指定多个空闲时隙，以实现灵活调度，使远端机可占用多个时隙来传输更大带宽、更多业务数据。
优选地，所述单光纤时分通信系统承载的业务数据，可以是通信系统基带IQ数据，也可以是视频音频数据，或者以太网数据包等主营业务。
优选地，所述单光纤时分通信系统采用的帧头结构包括用于接收端同步的时隙头，时隙头包含一些固定的已知的特殊字段，同时包含校验信息，可以是CRC校验等常规校验算法，还包含透传数据通道、控制信息。
优选地，在单光纤时分通信系统启动初期，各远端机没有分配工作时隙，远端机在上电时只能采用随机接入方法入网，即远端机随机选择一个时隙来发送接入申请信号，如果此时其它远端机正好也在发送，那么就会产生冲突，信号发送碰撞，则近端机不会正确收到任何一个远端机的信号，导致接入不成功；那么远端机会随机再切换一个时隙，再次发送接入申请，直至发送成功为止；由于各远端机都是随机挑选，所以总会有不冲突的时候，最终通过这种随机时隙跳频的方法解决随机接入的冲突碰撞问题。
优选地，所述单光纤时分通信系统采用的交互式握手方法包括：
（1）接入方法采用先远端机申请，再近端机准许，最后远端机确认的双向交互方式；
（2）远端机接收下行帧，一直监听并搜索下行空闲时隙，解析下行帧头信息可以得到帧空闲标志位；搜索一帧后可以知道所有空闲时隙，并建立空闲时隙列表，采用LFSR算法产生随机数，并从空闲列表中随机挑选一个空闲时隙；在随机选定的空闲时隙发送上行接入请求，并附上本地设备序列号，该序列号是网络中唯一识别码，用于远端设备的区分；
（3）近端机接收上行帧，一直监听并搜索上行接入请求信号，解析上行帧头信息可以得到接入请求信号，同时得到请求接入的设备序列号；近端机收到接入请求，会检查远端机设备的合法性，如果合法，则分配时隙，同时在下行时隙发送准许接入信号，并附上准许接入的远端序列号，通知远端接入成功；
（4）远端机在规定的时间窗口监听下行近端机发送的准许接入信号，一般近端机在收到接入请求，会在相应时隙发送准许接入信号；如果在规定的时间窗口远端机没有收到准许接入信号，则认为接入超时，重新监听下行空闲时隙，随机切换一个时隙，再发送一次接入请求，如此重复；如果远端机收到了近端机发送的准许接入信号，并且准许的序列号是跟本地序列号一致，则接入得到确认，远端机确认接入成功，把该时隙作为本远端机的专用时隙。
优选地，近端机将所有成功接入的远端机设备制作成设备列表，并将对应占用的时隙和设备序列号绑定；
当近端机收到接入请求信号，会查看其合法性，会将请求的序列号与列表中设备序列号列表进行比对，看是否存在重复申请，如果重复，则忽略申请；同时看设备序列号是否是本网络允许的地址段范围，否则认为是非法设备，忽略请求；如果是新接入，列表中不存在，又是合法地址段，则认为是合法申请，然后分配时隙，添加到本地的设备列表；
如果近端机长时间没有收到远端机的上行信息，则认为该设备丢失，将其从设备列表中删除，将其移出网络，不再占用时隙资源，下次该设备进入网络，需要重新接入。
优选地，所述单光纤时分通信系统支持记忆功能，该功能一旦开启，所有远端机在成功接入网络后，将分配的时隙号存入本地ROM保存，下次上电可以不用随机接入，直接使用该时隙；近端机会将成功接入的RE设备列表存入本地ROM，下次上电后，列表里面的RE设备都认为是合法的，不用随机接入过程。
由于采用了上述技术方案，本发明中的近端机只需要耗费一个光口和一个光模块，即可连接多个远端机，降低了成本，特别适用于近端机所在机房只预留一根光纤的场合中实现系统架构的布置。
附图说明
图1为传统CPRI接口的多光纤通信系统架构；
图2为本发明的新型CPRI接口的时分通信系统架构；
图3为本发明的新型CPRI接口的帧结构定义；
图4为新型CPRI接口8个复数IQ的组合方式；
图5为新型CPRI接口帧头结构定义；
图6为伪随机数发生器LFSR的结构；
图7为交互式握手方法的操作时刻；
图8为远端设备在交互式握手过程的状态跳转图；
图9为近端设备在交互式握手过程的状态跳转图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明实施例公开了一种新型CPRI接口的数据传输方法、设备接入方法及系统架构，该接口主要包括：一点对多点的单光纤时分通信系统架构；上行和下行非对称帧结构，上行采用时分复用方式实现多点对一点的通信，下行采用广播和点播方式实现一点对多点；独特的帧头结构设计，引入校验信息和固定的已知的特殊字段，保证唯一性，避免误检测，同时支持透传通道，扩展应用；一种随机接入方法，使用随机时隙跳频方法解决接入冲突碰撞问题；一种交互式握手方法，包括发送接入请求、接收准许接入应答、接入确认；一种设备管理方法，建立设备列表，实时增加和删除设备，入网信息记忆功能，方便快速再次入网连接。实施本发明实施例，能够仅使用一根光纤实现一点对多点的传输，节约成本，同时解决光纤资源受限的应用场景的覆盖难题。
本发明中的新型CPRI接口，如图2所示，近端机只需要1个光口，即可实现多RE设备的连接覆盖，极大节约REC成本，使施工变的简单，在光纤资源受限的应用场景也能实现覆盖。
本发明的内容主要包括以下几个方面：
第一方面：本发明实施例提供一点对多点单光纤时分通信系统架构。
如图2所示，系统拓扑结构为特殊星型连接，所含设备包括：近端机REC、远端机RE、光纤、光模块、光合路器。所有远端机的光纤通过光纤合路器汇聚到一根光纤与近端机相连，该架构的优势在于使用时分技术实现单根光纤一点对多点时分通信。同时存在上行和下行双向全双工通信。定义从远端机RE到近端机REC的信号传输方向为上行，定义从近端机REC到远端机RE的信号传输方向为下行。该系统属于集中控制型系统，整个系统由中心节点近端机REC执行集中式通信控制管理，每一个要发送数据的RE节点都要将数据发送到中心节点REC，再由中心节点REC负责将数据送到目地节点。
第二方面：本发明实施例提供上行和下行非对称帧结构。
下行工作模式为常开，近端机一直发送下行帧，供远端机接收同步。下行支持广播和点播方式，下行帧的信息字段有帧属性定义。设置成广播，所有远端机均可接收下行数据。设置成点播，并附上远端设备ID，只有ID相符的远端才接收下行数据，其它远端忽略下行数据。
上行采用突发帧burst模式，远端机只有在属于自己的时隙才发送，其它时隙关闭。各远端机按时分复用方式，所有远端机需要通过随机接入方式来分配一个工作时隙，成功接入网络后，才可以占用该时隙。另外，远端除了接入成功所分配的时隙外，近端机可以为业务量需求大的RE指定多个空闲时隙，灵活调度，让远端机可以占用多个时隙来传输更大带宽，更多业务数据。
本发明所承载的业务数据，可以是通信系统基带IQ数据，也可以是视频音频数据，或者以太网数据包等主营业务。
第三方面：本发明实施例提供独特的帧头结构设计。
时隙头用于接收端同步，时隙头包含一些固定的已知的特殊字段，同时包含校验信息，可以是CRC校验等常规校验算法，还包含透传数据通道、控制信息。该时隙头结构的设计让接收端同步变的简单，不需要做同步运算和相关运算的检测，大大节省资源和功耗。由于采用时分方式，在没有发送信号时，接收端serdes会输出随机杂乱数据，容易引起误检测。所以引入校验信息和固定的已知的特殊字段，可以极大的增加接收机同步的鲁棒性，不会误检测，保证帧头的唯一性。固定的已知的特殊字段使得帧头易于识别。控制信息用于网络接入和网络控制。透传数据通道用于上层应用的开发支持和第三方的开发支持。
第四方面：本发明实施例提供一种随机接入方法。
在系统启动初期，各远端机没有分配工作时隙，RE在上电时只能采用随机接入方法入网，即RE随机选择一个时隙来发送接入申请信号，如果此时其它RE正好也在发送，那么就会产生冲突，信号发送碰撞，则近端机REC不会正确收到任何一个RE的信号，导致接入不成功。那么RE会随机再切换一个时隙，再次发送接入申请，直至发送成功为止。由于各RE都是随机挑选，所以总会有不冲突的时候，最终通过这种随机时隙跳频的方法解决随机接入的冲突碰撞问题。
第五方面：本发明实施例提供一种交互式握手方法。
接入方法采用先RE申请，再REC准许，最后RE确认的双向交互方式。
远端机接收下行帧，一直监听并搜索下行空闲时隙，解析下行帧头信息可以得到帧空闲标志位。搜索一帧后可以知道所有空闲时隙，并建立空闲时隙列表，采用LFSR算法产生随机数，并从空闲列表中随机挑选一个空闲时隙。在随机选定的空闲时隙发送上行接入请求，并附上本地设备序列号，该序列号是网络中唯一识别码，用于远端设备的区分。
近端机接收上行帧，一直监听并搜索上行接入请求信号，解析上行帧头信息可以得到接入请求信号，同时得到请求接入的设备序列号。REC收到接入请求，会检查RE设备的合法性，如果合法，则分配时隙，同时在下行时隙发送准许接入信号，并附上准许接入的远端序列号，通知远端接入成功。
RE在规定的时间窗口监听下行REC发送的准许接入信号，一般REC在收到接入请求，会在相应时隙发送准许接入信号。如果在规定的时间窗口RE没有收到准许接入信号，则认为接入超时，重新监听下行空闲时隙，随机切换一个时隙，再发送一次接入请求，如此重复。这种情况多半是因为多个远端机选择同一个时隙发送信号，从而发生了碰撞，信号冲突互相干扰，导致近端机未能正确收到接入请求。如果RE收到了REC发送的准许接入信号，并且准许的序列号是跟本地序列号一致，则接入得到确认，RE确认接入成功，把该时隙作为本RE的专用时隙。
第六方面：本发明实施例提供一种设备管理方法。
近端机将所有成功接入的远端机设备制作成设备列表，并将对应占用的时隙和设备序列号绑定。当REC收到接入请求信号，会查看其合法性，会将请求的序列号与列表中设备序列号列表进行比对，看是否存在重复申请，如果重复，则忽略申请。同时看设备序列号是否是本网络允许的地址段范围，否则认为是非法设备，忽略请求。如果是新接入，列表中不存在，又是合法地址段，则认为是合法申请，然后分配时隙，添加到本地的设备列表。
如果REC长时间没有收到RE的上行信息，则认为该设备丢失，将其从设备列表中删除，将其移出网络，不再占用时隙资源，下次该设备进入网络，需要重新接入。
另外，系统支持记忆功能，该功能一旦开启，所有远端机在成功接入网络后，将分配的时隙号存入本地ROM保存，下次上电可以不用随机接入，直接使用该时隙。近端机会将成功接入的RE设备列表存入本地ROM，下次上电后，列表里面的RE设备都认为是合法的，不用随机接入过程。
在一个实施例中，如图3所示，定义帧长度为M=100us，这是根据业务数据允许的最大时延和硬件允许的最大缓存来决定的。本实施例所传输的业务数据为通信系统基带IQ数据，采样率为51.2Mhz，所以一帧可承载5120个复数IQ采样点。帧采样率为153.6Mhz，帧数据宽度为32bit，定义3个连续32bit为一个资源块，可容纳8个复数IQ采样点。如图4所示，这8个复数IQ以独特的组合方式存放在一个资源块中。帧长100us内一共有15360个时钟周期，即5120个资源块。划分为N=7个时隙，每个时隙占731个资源块，时间长度为14.277us，另外多出的3个资源块用于帧保护间隔，时间长度为0.0586us。时隙个数由每个远端机所需的传输带宽和网络中远端机个数来决定。帧的末尾添加保护间隔，既可以保护信号，也可以将时隙划分后零散的时间碎片归纳其中，让帧长度M为整数。
时隙包含时隙头、业务数据、时隙保护三部分。
每个时隙的前2个资源块是时隙头，包含控制信息，用于k码同步、远端机上行时隙接入和近端机下行广播。中间640个资源块(12.5us)用于传输业务数据，本实施例所传输的业务数据为通信系统基带IQ数据。最后89个资源块(1.738us)用于时隙时间的保护，避免因为延时不对齐导致不同远端机之间的重叠冲突。硬件和射频器件的开启关闭都有延时，一般需要提前开启和滞后关闭，时隙保护就是用于过渡，保护信号体不受损伤。各远端的物理置位不同，光纤长度也不同，信号延时不同，汇聚在一起会造成混叠，时隙保护也能抵抗这种混叠干扰。如果时隙保护时间不够，可以考虑减少覆盖一个远端，分摊到其它6个时隙增加保护间隔，这取决于开启和关闭光模块的稳定时间。
对于下行的IQ数据，本发明实施例不是集中在1个时隙中发送，而是均匀分布在7个时隙中发送，这样各远端机在接收下行IQ数据时不需要额外的缓存buffer。下行IQ数据可以是广播形式，所有远端机都接收，也可以是点播形式，指定的远端机才接收。
在另一个实施例中，独特的帧头格式包括24个字节，即2个资源块。帧头结构如图5所示，帧头用于同步检测，并且承载透传数据通道、控制信息。固定的已知的特殊字段使得帧头易于识别。CRC校验信息和固定的已知的特殊字段，可以极大的增加接收机同步的鲁棒性，不会误检测，保证帧头的唯一性。控制信息用于网络接入和网络控制。透传数据通道可用于上层应用的开发支持和第三方的开发支持。帧头信息定义如下：
第0字节：Bit7-0：K码K28.5
第1-7字节： 控制信息
第8~15字节： 透传数据通道
第16~19字节：固定信息0xFEDCBA98
第20~21字节：固定信息0xBCBC
第22-23字节：CRC校验位
在另一个实施例中，在系统启动初期，各远端机没有分配工作时隙，RE在上电时只能采用随机接入方法入网，即RE随机选择一个时隙来发送接入申请信号，如果接入不成功，则切换到下一个随机时隙，随机时隙号是通过16位的LFSR产生的伪随机序列PRBS。线性反馈移位寄存器（linear feedback shift register, LFSR）是指，给定前一状态的输出，将该输出的线性函数再用作输入的移位寄存器。本发明采用最常见的异或运算作为单比特线性函数：对寄存器的某些位进行异或操作后作为输入，再对寄存器中的各比特进行整体移位。本发明使用多项式为1+X14+X15 ，其LFSR对应的结构如图6所示，长度为16，LFSR的初始值为每个RE设备的16位序列号，该序列号是网络中唯一的，因此每个RE产生的随机时隙号都不一样，有效的解决碰撞问题。
在另一个实施例中，近端机REC和远端机RE的交互式握手方法具体包括4个环节：
1.远端机RE搜索下行空闲时隙。
2.远端机RE随机选取空闲时隙，在上行时隙发送接入请求。
3.近端机REC发送准许接入信号。
4.远端机RE确认占用，在上行时隙开始发送业务。
交互式握手方法的4个环节在时间上的操作时刻如图7所示。
其中远端机RE的交互式握手流程的状态跳转如图8所示。超时时间定义为3个帧周期时间，即300us。其中近端机REC的交互式握手流程的状态跳转如图9所示。
在另一个实施例中，近端机REC的设备列表，用于记录已接入的远端机的数量、状态、序列号，占用时隙等信息。如表1所示，设备状态用3bit表示，指示远端机的接入状态。数值0表示正常接入并且正在网络中使用。数值1表示该设备已掉线，在规定时间窗口内没有收到该设备的上行数据，时间窗口设置为5帧时间，即500us。数值2表示非法设备，即申请接入的RE的地址段或序列号不在合法范围内，REC拒绝其接入网络。数值3表示记忆设备，即之前成功接入过，存储在ROM中，再次入网无序接入，直接使用该时隙，如本发明第六方面描述，该记忆功能需要开启后才能生效。占用时隙号用1字节长度表示，设备序列号用2字节长度表示，列表序号用1字节长度表示。
表1
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，包括：一个近端机、多个远端机、光纤和光纤合路器，所述多个远端机上的第一光纤通过所述光纤合路器汇聚成一根第二光纤，所述第二光纤的一端与所述近端机相连以使用时分技术实现单根光纤一点对多点时分通信，同时实现上行和下行双向全双工通信，由中心节点的近端机执行集中式通信控制管理，每个待发送数据的远端机节点都将数据发送到中心节点的近端机，再由中心节点的近端机将数据送到目地节点；
下行工作模式为常开，近端机一直发送下行帧供远端机接收同步，下行支持广播和点播方式，下行帧的信息字段有帧属性定义；其中，设置成广播时，所有远端机均可接收下行数据；设置成点播时，附上远端设备ID，只有ID相符的远端机 才接收下行数据，其它远端机则忽略下行数据；
在单光纤时分通信系统启动初期，各远端机没有分配工作时隙，远端机在上电时只能采用随机接入方法入网，即远端机随机选择一个时隙来发送接入申请信号，如果此时其它远端机正好也在发送，那么就会产生冲突，信号发送碰撞，则近端机不会正确收到任何一个远端机的信号，导致接入不成功；那么远端机会随机再切换一个时隙，再次发送接入申请，直至发送成功为止；由于各远端机都是随机挑选，所以总会有不冲突的时候，最终通过这种随机时隙跳频的方法解决随机接入的冲突碰撞问题。
2.根据权利要求1所述的CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，上行采用突发帧burst模式，远端机只有在属于自己的时隙才发送，其它时隙关闭；各远端机按时分复用方式，所有远端机需要通过随机接入方式来分配一个工作时隙，成功接入网络后，才占用该时隙；远端除了接入成功所分配的时隙外，近端机为业务量需求大的远端机指定多个空闲时隙，以实现灵活调度，使远端机可占用多个时隙来传输更大带宽、更多业务数据。
3.根据权利要求1所述的CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，所述单根光纤一点对多点时分通信承载的业务数据，业务数据是通信系统基带IQ数据，或是视频音频数据，或者以太网数据包。
4.根据权利要求1所述的CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，所述单根光纤一点对多点时分通信采用的帧头结构包括用于接收端同步的时隙头，时隙头包含一些固定的已知的特殊字段，同时包含校验信息，还包含透传数据通道、控制信息。
5.根据权利要求1所述的CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，所述单根光纤一点对多点时分通信采用的交互式握手方法包括：
(1)接入方法采用先远端机申请，再近端机准许，最后远端机确认的双向交互方式；
(2)远端机接收下行帧，一直监听并搜索下行空闲时隙，解析下行帧头信息得到帧空闲标志位；搜索一帧后知道所有空闲时隙，并建立空闲时隙列表，采用线性反馈移位寄存器算法产生随机数，并从空闲列表中随机挑选一个空闲时隙；在随机选定的空闲时隙发送上行接入请求，并附上本地设备序列号，该序列号是网络中唯一识别码，用于远端设备的区分；
(3)近端机接收上行帧，一直监听并搜索上行接入请求信号，解析上行帧头信息得到接入请求信号，同时得到请求接入的设备序列号；近端机收到接入请求，会检查远端机设备的合法性，如果合法，则分配时隙，同时在下行时隙发送准许接入信号，并附上准许接入的远端序列号，通知远端接入成功；
(4)远端机在规定的时间窗口监听下行近端机发送的准许接入信号，近端机在收到接入请求，会在相应时隙发送准许接入信号；如果在规定的时间窗口远端机没有收到准许接入信号，则认为接入超时，重新监听下行空闲时隙，随机切换一个时隙，再发送一次接入请求，如此重复；如果远端机收到了近端机发送的准许接入信号，并且准许的序列号是跟本地序列号一致，则接入得到确认，远端机确认接入成功，把该时隙作为本远端机的专用时隙。
6.根据权利要求1所述的CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，近端机将所有成功接入的远端机设备制作成设备列表，并将对应占用的时隙和设备序列号绑定；
当近端机收到接入请求信号，会查看其合法性，会将请求的序列号与列表中设备序列号列表进行比对，看是否存在重复申请，如果重复，则忽略申请；同时看设备序列号是否是本网络允许的地址段范围，否则认为是非法设备，忽略请求；如果是新接入，列表中不存在，又是合法地址段，则认为是合法申请，然后分配时隙，添加到本地的设备列表；
如果近端机长时间没有收到远端机的上行信息，则认为该设备丢失，将其从设备列表中删除，将其移出网络，不再占用时隙资源，下次该设备进入网络，需要重新接入。
7.根据权利要求1所述的CPRI接口的时分通信系统，其特征在于，所述单根光纤一点对多点时分通信支持记忆功能，该功能一旦开启，所有远端机在成功接入网络后，将分配的时隙号存入本地ROM保存，下次上电不用随机接入，直接使用该时隙；近端机会将成功接入的RE设备列表存入本地ROM，下次上电后，列表里面的RE设备都认为是合法的，不用随机接入过程。
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