使用OBSAI协议搭建多模基站的基带射频接口

基金项目：WiMAX BBUB系统开发项目

    3G标准原先就有宽带码分多址(WCDMA)、CDMA2000、时分同步码分多址(TD-SCDMA)3种，2007年WiMAX又跻身其中，使得3G标准就有4个，加上2G的GSM/CDMA、准4G的长期演进(LTE)标准等，目前在用和将要使用的无线标准有7个之多，同时支持这么多种标准，对许多设备商来说都是个负担，随着设备种类的增加，开发和维护都是问题，如果能将这些标准都融合在一个硬件平台上，那么无疑将大大减轻设备商的研发成本和设备成本。在这种背景下，多模基站应运而生。

    顾名思义，多模基站就是同时支持多种无线标准的基站。由于多模基站既可降低硬件成本，又便于运营商快速推出新业务，所以各个厂家都在集中精力研究多模基站，以便在未来竞争中占据先机。

    开发多模基站的一个“瓶颈”就在于基带-射频接口，这个接口其实就是基带单元和射频单元的一个数据传输链路，当然还有信令、定时信号等辅助信息。由于各种标准的数据格式、速率都不一样，因此如何将它们融合在一起传输是个难题。

    目前世界上使用最多的两种基带射频接口协议是通用公共无线电接口(CPRI)和开放基站架构协议(OBSAI)接口，通过研究这两个协议，发现OBSAI协议特有的帧结构和分层设计的理念非常适合同时传输多个无线标准的基带数据[1]。CPRI虽然也能同时传输多个标准的基带数据，但是由于它的单个数据帧很大，需要拆分成很多个小块传输，而且不同无线标准的基带数据速率不同，块的大小也不同，实现起来相对麻烦，所以需要使用OBSAI协议来搭建多模基站的基带射频接口。

1 协议简介
    OBSAI是由诺基亚、中兴通讯、三星等知名公司发起的一个标准化组织，它致力于在基带单元和射频单元之间搭建一个公共接口，不同厂家的设备可以通过这个接口互联。

    OBSAI协议的最小单位是消息(Message)，它包含目的地址、数据类型、时间戳和净荷4个部分，共19个字节。消息每个部分的长度及含义如表1所示。

    OBSAI协议将基带射频接口分为4层，从上至下分别是应用层、传输层、链路层和物理层。发送方向应用层负责将基带数据、信令数据插入Message；传输层负责将各个Message码流交叉、求和、复用，最后合成一路码流；链路层负责在这个码流上插入规律的特殊码，用来标记链路的好坏；物理层则负责8b/10b编解码、串并转换和串行传输等。接收方向是发送的逆过程，每一层把自己提取的数据传给上一层，最后提取出基带数据和信令数据。接收时没有求和处理，而发送时可能有，CDMA/WCDMA有求和，而WiMAX则没有。整个协议的结构如图1所示。

    基带单元和射频单元都包含完整的4层，因为它们要把基带数据提取出来，而中间的传输单元则不需要提取数据，只有底下3层就足够了。

    OBSAI规定了3种光纤速率，分别是768 Mbit/s、1 536 Mbit/s、3 072 Mbit/s，通常以1x、2x、4x来表示，两个1x码流可以通过Message交叉复用的方式变成一个2x码流，2个2x码流也可以同样的方式变成一个4x码流，由于1x码流速率低，处理方便，所以对于2x、4x的码流通常先解复用成几个1x码流，处理后再把相应的码流复用成2x、4x码流。

    光模块有几个固定的速率等级，如1.25 Gbit/s、2.5 Gbit/s、3.125 Gbit/s等，所以OBSAI的3个速率只能从这几款中挑选。由于不是恰好匹配，存在一定的带宽浪费，造成OBSAI传输效率较低。而CPRI的几个速率等级恰好跟光模块的速率匹配，所以传输效率高。实际开发时，通过调整参数也可以使OBSAI工作在CPRI的速率等级上，从而提高传输效率。开发时内部结构并不发生变化。

2 基本原理
    目前业界基带处理单元-射频拉远模块(BBU-RRU)分离基站的基带-射频连接形式有两种，一种是基带单元自己通过光口连接射频单元，另一种是多个基带单元将自己的数据送给交叉单元汇总后再通过光口连接射频单元。如果需要一根光纤上传输多种标准的数据，只能使用后者，因为只有这样才能把各种基带数据混在一起。两种连接形式如图2所示。图中光纤也可以是高速电缆。

    从资源共享、布线方便等角度考虑，多模基站很可能会采用后一种连接形式，所以本文就以这种连接形式为例讲解基于OBSAI协议的基带射频接口原理。

    一个基带单元支持几个扇区，每个扇区的数据速率、格式都相同，但是不同无线标准的基带数据的速率、格式不尽相同，如果要让它们使用相同的传输链路，不可能按照它们原有的格式传输，必须把它们封装在相同的容器里才有可能共用一个传输路径。OBSAI里的Message就可以作为这样的容器，存放不同标准的基带数据。各个Message作为一个独立的个体，可以任意交叉转发，真正脱离无线标准。

    对于CDMA/WCDMA来说，基带数据还需要求和处理，就是把几个基带单元送给同一个扇区的数据进行相加求和后送给射频单元，这样的好处是增加了这个扇区的基带处理资源，实现资源的共享和动态分配。以前的处理方式是直接对原始的基带数据进行求和，这在只有一个无线标准时没有问题，但是当几种标准共存的时候，就存在问题了。把相同标准的数据挑出来，兼容不同速率的数据，很难实现，但是如果把基带数据都承载在OBSAI的Message里，问题就迎刃而解了。OBSAI协议里有Message求和功能，即对目的地址、数据类型完全相同的Message进行求和，地址、类型不变，只把净荷数据进行求和。由于一个Message里可以承载4个采样点的数据，各个Message的格式相同，如果把具有相同的目的地址、数据类型的Message求和，结果跟直接对原始数据求和是一样的，所以根本不需要把净荷提取出来再求和，直接对Message求和就可以了，这样就大大简化了交叉单元的设计难度。

    再来看射频单元，如果一根光纤上同时承载多种标准的数据，按照老的方式，也是先解出净荷，再根据配置转发。只要想解出净荷，就不能跟无线标准脱离关系，而且只要承载的标准变了，相应部分功能模块就要改变，对版本的稳定性很不利。而使用OBSAI协议，就不需要解出净荷，直接根据目的地址就知道是否需要转发该Message，不用关心里面的净荷。只有发给本地的Message才需要解出净荷(基带数据)，送给中频、射频处理模块。后面如果挂其他无线标准的射频单元，也不会影响本单元，版本的稳定性得到了提高。

3 结构框图
    使用OBSAI协议搭建的多模基站框图如图3所示。

    图3中，基带单元1和基带单元2支持不同的无线标准，假设基带单元1是CDMA，基带单元2是WCDMA，射频单元1、射频单元2与基带单元1、基带单元2对应。两个基带单元分别将自己的基带数据适配进OBSAI码流里，传递给交叉单元。线路的速率跟基带数据的速率相匹配，不要求各线路的速率相等。基带单元的逻辑框图如图4所示(链路层以下都被省略)。

    图4中组帧模块将基带数据和信令数据适配进1x速率的OBSAI码流里，最多有4路1x码流送到复用(MUX)模块，MUX模块按照Message交叉的顺序将4路码流合并成一个4x的码流。如果基带数据速率用不了4x码流，那么只要使用前两个组帧模块就可以了。MUX模块将这两路1x码流复用成一个2x码流，这样就可以实现速率的灵活选择。

    各个基带单元的OBSAI逻辑框图都是一样的，唯一不同的是组帧模块，它跟基带数据的无线标准密切相关。CDMA和WCDMA还比较类似，各扇区数据同时送来，只是数据速率不同，数据格式都是一样的，所以组帧的方式也相同，都是轮流读每个扇区4个采样点的数据，并将他们插入一个Message里。WiMAX的基带数据格式明显不同，它是每个扇区的数据依次送过来，各有一个符号的宽度，所以OBSAI要先读完第一个扇区的数据，才能读第二个扇区的数据，设计时只要增加一个先入先出(FIFO)队列就可以实现这种操作。中兴通讯的WiMAX设备就是使用这种方式设计OBSAI模块的。

    组帧模块需要注意的一点就是要在每个Message的头部(Header)里插入这些基带数据的目的地址。目的地址根据扇区号就可以算出，以便下游单元的交叉转发。

    标准的OBSAI码流到达交叉单元。交叉单元是一个公共模块，各个无线标准的基带数据都在这里交叉、求和，然后转发到相应的光口上。所以必须把它设计成一个对无线标准无关的单元才能够同时支持多种标准。交叉单元的逻辑框图如图5所示。

    CH0～5表示来自6块基带单元的数据码流，这里以4x速率为例。这些码流首先经过解复用(DE-MUX)模块拆分成4个1x码流，然后路由器(ROUTER)模块根据Message Header将其路由给不同的光口，每个光口最多接受4个1x码流，最后经过MUX模块将这些码流合并成一条数据流经光纤发送出去。

    交叉单元只用到了OBSAI的底下3层，没有用到应用层，所以对净荷数据的格式不敏感，各种标准的基带数据都可以使用相同的交叉单元进行路由，转发到相应的光口上，这样各种标准的基带数据就可以混在一个光纤链路上传输，下游单元通过目的地址决定各个Message是交给本地还是继续向下转发。

    射频单元从光口接收到OBSAI码流，经过解复用模块分解成几个1x码流，然后再使用路由器模块控制这几个码流的去向。目的地址是本地的就送给本地的应用层提取出基带数据，否则就将该码流向下游转发。本地发出的码流也是几个1x码流，它向两个光口同时发送，与转发的码流一起复用到一条链路上发送出去。以4x速率的光口为例，模块框图如图6所示。

    为了减少逻辑设计的复杂度，1x码流最多拆分成两个0.5x码流，所以一个射频单元最少要占用一条0.5x码流，一条光纤链路最多可以支持8个射频单元的级联。

    图6中只有解帧模块和组帧模块与无线标准密切相关，其他模块全部都是公用模块，完全相同，可以大大加快开发支持新标准设备的速度。

4 结束语
    使用OBSAI协议搭建多模基站的基带射频接口，只需更换基带单元和射频单元即可支持新的无线标准，只要光口速率没有改变，其他单元的软件、硬件和逻辑都无需改动。即使是基带单元和射频单元，它们的底层传输模块也是相同的，可以借用已有模块，所以研发人员在研发过程中就可以把精力集中在无线标准的处理上，不用关心底层传输，既加快了进度，又提高了质量。

    目前使用OBSAI协议最大的缺点是传输效率较低，因为开销比较大。这是OBSAI使用率不如CPRI的原因。但是它的分层结构可以有效地隔离各种无线标准，很方便地实现在一个硬件平台、一根光纤上同时支持多种标准，所以从这个角度考虑，效率低一点不影响OBSAI在多模基站上的应用价值。

5 参考文献
[1] OBSAI reference point 3 Specification[R]. OBSAI SIG, 2005.

收稿日期：2009-12-15

[摘要] 开放基站架构协议(OBSAI)特有的帧结构可以很方便地传输不同无线标准的数据，以它为基础搭建多模基站的基带射频接口可以有效地隔离不同无线标准对数据传输链路的影响，真正实现在一个硬件平台上同时支持各种无线标准。使用OBSAI协议搭建多模基站的基带射频接口，只需更换基带单元和射频单元即可支持新的无线标准，只要光接口速率没有改变，其他单元的软件、硬件和逻辑都无需改动。

[关键词] 开放基站架构协议；通用公共无线电接口；多模基站；基带射频接口

[Abstract] The unique frame structure of OBSAI can facilitate the transport of different wireless-standard base-band data. The common interface between the base-band unit and radio unit (which is based on the base-band) can eliminate the impact of these standards on data transport link. This common interface allows one hardware platform to easily support every kind of wireless standard. When building the interface between the base-band unit and radio unit of a multi-mode base-station using OBSAI, the base-band unit and radio unit must be changed to support the new wireless standard. It is unnecessary to change the other software, hardware, or logic within the units if the optical interface rate stays the same.

[Keywords] OBSAI; CPRI ; multi-mode base-station; interface between BB and RF