李晗，杜明玉

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

光纖分布系統(tǒng)中光口模塊和MAC控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

李晗1，杜明玉2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

在光纖分布系統(tǒng)中，為了解決射頻信號覆蓋和數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)膯栴}，提出用光纖作為傳輸媒介，通過MAC控制器將監(jiān)控數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)幀在光口上傳輸?shù)姆椒?。對光纖分布系統(tǒng)實際的組網(wǎng)需求、信號覆蓋和擴(kuò)展性問題進(jìn)行了研究，經(jīng)測試，驗證了使用FPGA模擬MAC控制器進(jìn)行底層鏈路設(shè)計的可行性。不但可以節(jié)約成本，在FPGA資源夠用的情況下，理論上可以無限擴(kuò)充MAC控制器的數(shù)量，大大增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，滿足了靈活的組網(wǎng)需求。

MAC控制器 FPGA 光纖分布系統(tǒng)

1 引言

現(xiàn)如今4G網(wǎng)絡(luò)已成為移動網(wǎng)絡(luò)的主流，其建設(shè)重點由廣度覆蓋轉(zhuǎn)向了深度覆蓋及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。光纖分布系統(tǒng)有助于解決目前網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及優(yōu)化問題，該系統(tǒng)可以直接把各種通信制式的無線信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳輸?shù)礁采w區(qū)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋。光纖分布系統(tǒng)一般由MU（Main Unit，近端單元）、EU（Extended Unit，擴(kuò)展單元）、RU（Remote Unit，遠(yuǎn)端單元）三部分組成。在MU和EU上均有兩個相同的光口模塊，RU只有一個光口模塊，所以1個MU主設(shè)備可以管理4臺RU從設(shè)備，因此光口數(shù)量是隨著從設(shè)備數(shù)量呈正比例增長的。為了便于今后設(shè)備的擴(kuò)容升級，設(shè)計光口MAC（Media Access Control，媒體介入控制）控制器時必須使其具備較好的擴(kuò)展性。在這些設(shè)備中，光纖是主要的傳輸媒介，MAC控制器是實現(xiàn)CPU封裝數(shù)據(jù)幀在光纖中傳輸?shù)谋匾疤?，在光纖分布系統(tǒng)中，CPU片內(nèi)外設(shè)的MAC控制器資源往往不夠用，為了滿足需求，時常需要增設(shè)外部MAC控制器的單芯片方案，但這種方式并不利于設(shè)備的擴(kuò)容和維護(hù)。本文旨在通過一種FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）片內(nèi)模擬MAC控制器的方式來實現(xiàn)對光口物理層的接入，從而實現(xiàn)各個設(shè)備之間的互通。理論上，只要FPGA的資源夠用，MAC控制器的數(shù)量就可以無限增加，則可高度滿足設(shè)備今后的擴(kuò)容需求，大大提高系統(tǒng)的靈活性。

2 總體設(shè)計方案

在光纖分布系統(tǒng)中，用戶需要給RU設(shè)備配置各種監(jiān)控數(shù)據(jù)。首先，用戶將PC上位機(jī)軟件通過以太網(wǎng)、串口或者2G/3G/4G Modem連接登陸到MU設(shè)備，然后在PC端設(shè)置各種監(jiān)控數(shù)據(jù)，發(fā)送給MU設(shè)備；近端通過光口將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送給EU；擴(kuò)展單元最后將各種監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到RU。所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)在各個設(shè)備之間都是依靠光口來傳輸?shù)模饪谀K接收功能是先將從光口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀，得到HDLC（High-level Data Link Control，高級數(shù)據(jù)鏈路控制）、DATA數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給PPC模塊，同時將得到的I、Q數(shù)據(jù)發(fā)送給DUC。發(fā)送功能是把PPC的HDLC和DATA數(shù)據(jù)，DDC的I、Q數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議組幀后發(fā)送到底層光口。該設(shè)計滿足CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）協(xié)議，實現(xiàn)了鏈路之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和上行求和以及下行廣播。其中HDLC和DATA數(shù)據(jù)是上層鏈路的數(shù)據(jù)。CPU主控制器與底層光口之間需要通過MAC控制器來進(jìn)行組幀、發(fā)送、接收、解幀，從而建立起標(biāo)準(zhǔn)的通信鏈路。光口模塊總體設(shè)計框圖如圖1所示。

MAC控制器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，主要由狀態(tài)模塊、控制模塊、MAC發(fā)送模塊、MII（Media Independent Interface，介質(zhì)無關(guān)接口）管理模塊、MAC接收模塊、主機(jī)接口模塊構(gòu)成。

光口模塊實現(xiàn)最底層數(shù)據(jù)流的封裝與解析，將監(jiān)控數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分開，而MAC控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，提供給CPU一個通用的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層接口。光口模塊和MAC控制器分別實現(xiàn)了對底層鏈路和上層協(xié)議的封裝，CPU即可在光纖這種載體上通過標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議來建立多個設(shè)備之間的鏈接，上層軟件研發(fā)人員則無需關(guān)心底層鏈路的傳輸媒介，有效降低了軟硬件之間的耦合性。

3 光口模塊設(shè)計

本設(shè)計既滿足了HDLC數(shù)據(jù)和Datalink數(shù)據(jù)的傳輸，還提供給了上一層MAC控制可以訪問的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的封裝性，同時給了軟件一個通用的訪問接口，有效降低了系統(tǒng)軟硬件之間的耦合度。

3.1 MUX模塊

MUX模塊的主要任務(wù)是檢測本機(jī)工作模式（包括正常狀態(tài)和環(huán)網(wǎng)），完成光口數(shù)據(jù)時鐘域的轉(zhuǎn)換，BFN、HFN的同步檢測，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。光口0和1的處理方法沒什么差別，通過FIFO（First Input First Output，先進(jìn)先出隊列）來實現(xiàn)時鐘域的轉(zhuǎn)換，F(xiàn)IFO的寫時鐘為光口的輸入時鐘，F(xiàn)IFO的讀時鐘為光口的處理時鐘。通過光口的BFN狀態(tài)可以檢測本機(jī)的工作模式，Link的BFN狀態(tài)正常則表示是環(huán)網(wǎng)模式，否則則是正常的組網(wǎng)方式（鏈性、星形組網(wǎng)等）。其中Link1表示MU，Link0表示RU。

3.2 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊需要完成包括解幀、IQ數(shù)據(jù)和HDLC數(shù)據(jù)的分離、IQ數(shù)據(jù)的解碼、HDLC數(shù)據(jù)的時鐘域轉(zhuǎn)換、光口誤碼檢測等。對于IQ數(shù)據(jù)處理部分，根據(jù)數(shù)據(jù)包幀格式，在同步狀態(tài)下把IQ數(shù)據(jù)分離出來，通過映射表對IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并同時解析出幀頭標(biāo)志和基幀指示。對于HDLC數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包幀格式在同步狀態(tài)下把HDLC數(shù)據(jù)分離出來。由于HDLC的鏈路速率和光口的處理時鐘速率不同，因此是通過FIFO來完成時鐘域的轉(zhuǎn)換的。圖4為數(shù)據(jù)接收模塊框圖。

圖1 光口模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 MUX模塊實現(xiàn)框圖

圖2 MAC控制器的系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 HDLC數(shù)據(jù)處理模塊

HDLC數(shù)據(jù)處理模塊由HDLC數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊構(gòu)成。

HDLC接收處理包括HDLC數(shù)據(jù)檢測，DATA數(shù)據(jù)檢測，SCC、PPC和HDLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。HDLC接收處理，其數(shù)據(jù)幀頭為3個字節(jié)連續(xù)的0x7F，幀尾為一個字節(jié)的0x7F；而DATA數(shù)據(jù)的幀頭為3個字節(jié)連續(xù)的0x58，幀尾為一個字節(jié)0x58。由于處理HDLC和PPC的時鐘不一樣，所以PPC在接收HDLC數(shù)據(jù)和DATA數(shù)據(jù)時都用FIFO來完成時鐘域的轉(zhuǎn)換從而實現(xiàn)同步。圖5即為HDLC數(shù)據(jù)接收處理模塊。

單光口的HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送的原理框圖如圖6所示，由圖可知，由于處理時鐘的頻率不相同，兩個FIFO是為了實現(xiàn)HDLC數(shù)據(jù)和DATA數(shù)據(jù)的時鐘域轉(zhuǎn)換與同步。之后將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過碰撞檢測后即可發(fā)送。在MU設(shè)備中沒有Link的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此只用進(jìn)行HDLC和DATA數(shù)據(jù)的碰撞檢測；而RU設(shè)備需要進(jìn)行Link數(shù)據(jù)的碰撞檢測。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

如圖7所示是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的原理框圖，包括IQ數(shù)據(jù)的組幀、求和、編碼和時鐘域的轉(zhuǎn)化等功能。由于HDLC數(shù)據(jù)是串行模式，而組幀的數(shù)據(jù)是并行模式，且工作速率也不一樣，因此需要FIFO來完成時鐘域的同步與串行并行之間的轉(zhuǎn)換。在MU設(shè)備中，Link0和Link1鏈路都會對IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。而在RU設(shè)備中，Link0會對來自Link1方向的IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行求和、編碼操作，而在Link1方向上和MU一樣，只進(jìn)行編碼，不求和。最后經(jīng)過既定的數(shù)據(jù)幀格式組幀，就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到底層光口上了。

4 MAC控制器設(shè)計

圖4 數(shù)據(jù)接收模塊框圖

圖5 HDLC數(shù)據(jù)接收處理

圖6 HDLC數(shù)據(jù)發(fā)送處理

由于FPGA具有較好的靈活性，因此，在光纖分布系統(tǒng)中，基于FPGA開發(fā)的MAC控制器能有效地提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。MAC控制器通常由狀態(tài)模塊、控制模塊、MAC發(fā)送模塊、MII管理模塊、MAC接收模塊、主機(jī)接口模塊構(gòu)成。其中狀態(tài)模塊和控制模塊都是控制和管理發(fā)送與接收功能的。MII管理模塊用于控制MAC與外部PHY之間的接口，用于對PHY（Physical Layer，物理層）進(jìn)行配置并讀取其狀態(tài)信息。主機(jī)接口模塊主要是用于以太網(wǎng)的上層協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議）與MAC控制器之間的數(shù)據(jù)交換，通過該接口，上層協(xié)議可以讀取MAC的狀態(tài)信息、設(shè)置MAC工作模式。MAC收發(fā)功能即是設(shè)計的核心，主要實現(xiàn)發(fā)送幀、接收幀、封裝幀、解封裝，功能框圖如圖8所示。其中幀計數(shù)功能表示按照發(fā)送、接收、幀長度、目的地址類型（單播、組播、廣播）分別統(tǒng)計包的數(shù)量。

4.1 發(fā)送模塊

MAC發(fā)送模塊從發(fā)送緩沖區(qū)讀取準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)800.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，對原始數(shù)據(jù)添加相應(yīng)的字段，包括前導(dǎo)碼、CRC（Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余校驗）校驗和填充字段等，通過這些操作將源數(shù)據(jù)封裝為以太網(wǎng)幀。根據(jù)以太網(wǎng)RMII（Reduced Media Independent Interface，簡化媒體獨立接口）接收的時序傳輸要求，將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送給光口模塊，然后經(jīng)過光口模塊的協(xié)議處理以及信號轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)即可在光纖中傳輸。與此同時，一幀數(shù)據(jù)實時的狀態(tài)信息也會一并通過MAC狀態(tài)模塊反饋給上層協(xié)議。MAC發(fā)送模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

發(fā)送端的主要功能包括：

◆判決幀長度。長度不足最短幀長度（64字節(jié)，包含F(xiàn)CS）時，補(bǔ)充數(shù)據(jù)至最短幀；長度大于1 518字節(jié)時，為巨幀，若不支持巨幀功能，則拋棄。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計框圖

圖8 MAC控制器系統(tǒng)框圖

圖9 發(fā)送模塊設(shè)計框圖

◆發(fā)送數(shù)據(jù)緩存。緩存大小一般最少配置成最大幀長度的兩倍，所以由是否支持巨幀功能決定，若支持巨幀，緩存要配置成很大；否則緩存只需大于“1 518×2”字節(jié)即可。

◆CRC32計算。計算得到4字節(jié)的校驗碼，補(bǔ)充到幀尾。

◆在幀頭處添加8字節(jié)前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼固定為“55555555555555D5”。

◆根據(jù)以太網(wǎng)接口情況，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換幀格式并發(fā)送。

4.2 接收模塊

MAC接收模塊的主要目的是完成數(shù)據(jù)幀的接收、解幀和錯誤校驗。首先從MII數(shù)據(jù)接口接收從底層光口發(fā)過來的數(shù)據(jù)，識別數(shù)據(jù)包中的前導(dǎo)碼和設(shè)備的目的地址，從而決定是否將當(dāng)前收到的數(shù)據(jù)交給接收緩沖區(qū)，并對這一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗。與此同時，MAC接收模塊還會監(jiān)測該過程中可能發(fā)生的各種狀況，并在接收結(jié)束后產(chǎn)生接收狀態(tài)信息rx_status，用戶可以通過讀取該狀態(tài)信息來得知該幀數(shù)據(jù)是否接收正常。MAC接收模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

接收端主要功能包括：

◆幀格式解析。按照輸入數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)接口協(xié)議解析以太網(wǎng)幀。

◆去掉幀頭處8字節(jié)前導(dǎo)碼。

◆CRC32計算。包含F(xiàn)CS的以太網(wǎng)幀通過CRC32計算后，結(jié)果輸出為0，若不為0則表示以太網(wǎng)幀在之前的傳輸中存在誤碼。存在錯誤的幀應(yīng)拋棄，正確幀則去掉FCS向后傳輸。

◆接收數(shù)據(jù)緩存，和發(fā)送端一樣。

◆目的地址判決。MAC需要解析以太網(wǎng)幀的目的地址（一般在多輸入的情況下發(fā)揮作用），再按照目的地址過濾掉不需要的包。同時，還有需求多種目的地址包的情況，則可以按照目的地址做簡單的優(yōu)先級判定，優(yōu)先放過需求的包。

圖10 接收模塊設(shè)計框圖

5 實驗仿真結(jié)果

對FPGA端MAC控制器的設(shè)計進(jìn)行了仿真，testbench文件在以太網(wǎng)端口模擬了以太網(wǎng)報文的發(fā)送，在CPU端用代碼模擬了CPU總線操作FPGA總線的過程，且在此處進(jìn)行了環(huán)回。以下是RGMII接口的仿真時序，發(fā)送功能仿真如圖11所示，接收功能仿真如圖13所示。

圖11、圖13是接口的RGMII收發(fā)時序仿真圖，通過對比標(biāo)準(zhǔn)的RGMII時序（圖12、圖14），圖11和圖13的時序仿真圖顯示，在上升沿和下降沿都采集了數(shù)據(jù)，上升沿發(fā)送RXD[3：0]和TXD[3：0]數(shù)據(jù)，下降沿發(fā)送RXD[7：4]和TXD[7：4]數(shù)據(jù)。在發(fā)送端，TX_EN管腳上處理TX_ER和TX_EN信號，TX_CLK管腳的上升沿發(fā)送TX_EN數(shù)據(jù)，下降沿發(fā)送TX_ER數(shù)據(jù)；同樣，接收時序也是滿足該設(shè)計要求的。這些都符合標(biāo)準(zhǔn)RGMII時序要求。經(jīng)過在FPGA內(nèi)部做時序約束后，在實際測試過程中是可以建立穩(wěn)定的通信鏈路的。綜上可知，該系統(tǒng)設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的RMII時序，因此MAC控制器設(shè)計符合802.3規(guī)范，是完全兼容單芯片MAC控制器方案的設(shè)計，滿足設(shè)計要求。

圖11 發(fā)送模塊時序仿真

圖12 標(biāo)準(zhǔn)RGMII接口發(fā)送時序圖

圖13 接收模塊時序仿真

圖14 標(biāo)準(zhǔn)RGMII接口接收時序圖

6 結(jié)束語

基于FPGA設(shè)計了一種符合802.3規(guī)范的MAC控制器以及符合CPRI協(xié)議的光口模塊。經(jīng)實驗表明，該設(shè)計可以滿足上層監(jiān)控數(shù)據(jù)通過光口傳輸?shù)囊?。提出的這種應(yīng)用于光纖分布系統(tǒng)中光口數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ肕AC控制器設(shè)計，舍棄了外部板載MAC控制器SOC（System-on-a-Chip，片上系統(tǒng)）的方案，將MAC控制器集成于FPGA內(nèi)部，通過IP核來實現(xiàn)MAC控制器模擬，降低了系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的擴(kuò)展性、靈活性，更加適用于光纖分布系統(tǒng)中底層光口通信的處理。

[1] 劉君,常明,秦娟,等. 基于硬件描述語言（VHDL）的數(shù)字時鐘設(shè)計[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報, 2007,23(4)： 40-41.

[2] IEEE Std802.3, 2000 Edition. Part3： Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD) access method and physical layer specif i cations[S]. 2000.

[3] 廖日坤. CPLD/FPGA嵌入式應(yīng)用開發(fā)技術(shù)白金手冊[M]. 北京： 中國電力出版社, 2003：212-218.

[4] 王開軍,姜宇柏. 面向CPLD/FPGA的VHDL設(shè)計[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006： 28-65.

[5] 吳善兵,羅家融,吳一純,等. 基于CP2200的嵌入式以太網(wǎng)模塊設(shè)計[J]. 微計算機(jī)信息,2009(35)： 54-55.

[6] 趙保經(jīng). 中國集成電路大全[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 1985.

[7] 高吉祥. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計[M].北京： 電子工業(yè)出版社, 2002.

[8] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京： 高等教育出版社,2002.

[9] 宋春榮. 通用集成電路速查手冊[M]. 濟(jì)南： 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 1995.

[10] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社, 1998.

[11] 高澤華,高峰,林海濤,等. 室內(nèi)分布系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計——GSM/TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2013.

[12] 李紅衛(wèi),吳靜怡,夏貴進(jìn),等. 光纖通信傳輸?shù)湫驮O(shè)備可靠性模型研究[J]. 半導(dǎo)體光電, 2015(5)： 796-799. ★

Design and Implementation of Optical Interface Module and MAC Controller in Optical Fiber Distribution System

LI Han1, DU Mingyu2
(1. Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications, Wuhan 430074, China;2. Wuhan Hongxin Communication Technology Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

In order to deal with RF signal coverage and high-speed data transmission in the optical fi ber distribution system,a method was proposed, in which fi ber is used as the transmission medium and the monitoring data is encapsulated into Ethernet frame by MAC controller to be transmitted on optical interface. The networking requirements, signal coverage and scalability of optical fi ber distribution systems were investigated. Based on tests, the feasibility that to use FPGA simulates MAC controller to design the underlying link was veri fi ed. This not only saves the cost, but also in fi nitely expands the number of MAC controller in theory, greatly increasing the system expandability and satisfying the fl exible networking requirements.

MAC controller FPGA optical fi ber distribution system

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.010

TN929

A

1006-1010(2017)17-0048-07

李晗,杜明玉. 光纖分布系統(tǒng)中光口模塊和MAC控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 48-54.

2017-06-26

責(zé)任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

李晗：碩士研究生就讀于武漢郵電科學(xué)研究院通信與信號系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)于武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司實習(xí)，主要從事嵌入式軟件開發(fā)，光纖分布系統(tǒng)無線覆蓋相關(guān)的應(yīng)用研究等工作。

杜明玉：高級工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)任職于武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，從事無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)備相關(guān)研究工作，主持過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫，并獲得了多個通信相關(guān)專利。