數(shù)字分布式天線系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換調(diào)度設(shè)計(jì)

田有慶

摘要：數(shù)字智能分布式天線系統(tǒng)（DDAS）可以使手機(jī)用戶在上網(wǎng)時(shí)直接使作WIFI，而不是3G或4G下的無線數(shù)據(jù)，因此有明顯的優(yōu)勢，目前已在歐美等國多個(gè)城市使用，數(shù)字智能分布式天線系統(tǒng)不僅有效調(diào)度了無線數(shù)據(jù)，同時(shí)又將無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和WIFI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平衡，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：分布式天線系統(tǒng)；BBU；RRH；DDAS；WIFI；FPGA；DMA

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0228-02

目前在無線延伸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要有三種，一種是基于模擬信號傳遞方式的傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)，第二種BBU-RRH是基站到遠(yuǎn)端延伸方式，是數(shù)字的傳輸方式，傳輸協(xié)議采用CPRI，第三種是最近幾年才逐漸發(fā)展起來的新型改進(jìn)型的數(shù)字智能分布式天線系統(tǒng)（DDAS）。無論哪一種目前都采用光纖媒介進(jìn)行傳遞。相比前兩種，第三種不僅融合了第一，第二的技術(shù)，而且支持目前最為流行的WIFI技術(shù)，可以使手機(jī)用戶在上網(wǎng)時(shí)直接使用WIFI，而不是3G或4G下的無線數(shù)據(jù)，因此有明顯的優(yōu)勢。本文重點(diǎn)介紹如何充分利用光纖的帶寬和網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)支持DDAS下用戶的網(wǎng)絡(luò)和WIFI。

DDAS系統(tǒng)由DDAS主機(jī)和DDAS遠(yuǎn)端兩部分構(gòu)成，如圖1所示，其中主機(jī)可以通過同軸電纜和模擬基站相連，經(jīng)過下變頻將基站的射頻信號轉(zhuǎn)成模擬中頻信號，再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字信號處理（數(shù)字下變頻和數(shù)字濾波以及數(shù)字抽取等過程）變成適合在光纖上傳輸?shù)男盘?。BBU相連接受來自數(shù)字基站的信號，經(jīng)過接收端解碼后，進(jìn)行抽取或插值以及采樣寬度變換，將多個(gè)載波信號合成一個(gè)波段，并最終與來自模擬基站的信號合并，統(tǒng)一地傳送到遠(yuǎn)端。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器經(jīng)過RJ45或光纖收發(fā)器接入DDAS主機(jī)后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)包傳送到對應(yīng)的遠(yuǎn)端。同時(shí)在每個(gè)遠(yuǎn)端DDAS內(nèi)部都有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)包的切換以決定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包送到本地的WIFI ROUTER還是繼續(xù)傳送到下級DDAS遠(yuǎn)端設(shè)備，這種結(jié)構(gòu)充分利用WIFI數(shù)據(jù)頻譜利用率高和LTE數(shù)據(jù)覆蓋廣的特點(diǎn)，有效地平衡了手機(jī)用戶數(shù)據(jù)和無線網(wǎng)絡(luò)擁擠的矛盾。

1 DDAS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)

在無線數(shù)據(jù)服務(wù)中，數(shù)據(jù)服務(wù)已經(jīng)成為主流應(yīng)用，而通話業(yè)務(wù)變成移動通信中必不可少的一個(gè)功能而已。手機(jī)用戶上網(wǎng)一般在有WIFI鏈接時(shí)選用WIFI，沒有WIFI時(shí)會自動切換到無線服務(wù)，如LTE等。既然LTE能夠提供無線上網(wǎng)，為什么還要WIFI服務(wù)呢？這主要是在傳輸信道中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是原始數(shù)據(jù)的傳送，而LTE或WCDMA的信號在光纖傳輸時(shí)應(yīng)首先變成數(shù)字信號，這樣相比WIFI而言無線數(shù)據(jù)（LTE等）光纖傳輸?shù)膸捓寐示蜁秃芏?。其次充分利用網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)更能合理的使用光纖的帶寬，如遠(yuǎn)端01的兩個(gè)用戶在使用WIFI數(shù)據(jù)時(shí)可以直接使用WIFI router1內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行交換而共享數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)端01，11的兩個(gè)用戶雖然不在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，但也只要經(jīng)過遠(yuǎn)端01，11之間的一段光纖即可找到對方，可以充分利用P2P技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到點(diǎn)的訪問技術(shù)。由于目前DDAS主機(jī)和遠(yuǎn)端的交換和DSP處理都是由FPGA實(shí)現(xiàn)，因此網(wǎng)絡(luò)SWITCH的功能也是由FPGA實(shí)現(xiàn)的。由于遠(yuǎn)端的SWITCH和主機(jī)的SWITCH結(jié)構(gòu)相同，因此本文著重介紹主機(jī)端的SWITCH的設(shè)計(jì)。

圖2中，MCU是DDAS中主機(jī)控制器，它通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端主機(jī)相連實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制。Sever是DDAS的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并實(shí)現(xiàn)與外界的接口。Op1到Op8 是DDAS主機(jī)與遠(yuǎn)端主機(jī)相連的光纖，這里表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖輸入到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（From）或交換機(jī)已經(jīng)獲得目的地址對應(yīng)的物理端口，成功將數(shù)據(jù)送到該端口上（To…）。

為了充分利用FPGA資源，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)制采用哈希表查找機(jī)制，下面介紹哈希映射原理和哈希表的構(gòu)成。

2 哈希表

哈希表在深度方向由256個(gè)單元構(gòu)成，每個(gè)單元又分為16個(gè)子單元，總共4096個(gè)子單元，最多可以存放4096個(gè)MAC地址，子單元地址主要解決哈希地址沖突問題。由于MAC地址有48bit，而哈希表只有有限的地址，不能滿足一一對應(yīng)關(guān)系，因此利用散列實(shí)現(xiàn)48bits地址到256x16單元的映射。為了更好地散列MAC地址，本文采用CRC實(shí)現(xiàn)散列算法，即48bits MAC地址輸入，生成8bits CRC輸出作為哈希表的查找或?qū)W習(xí)地址（詳細(xì)過程參見后續(xù)哈希表的調(diào)度）。

哈希表單元內(nèi)容由4個(gè)字段構(gòu)成分別為48bits MAC地址，4bits 端口號，4bits TTL和8bits “保留”字段，總共64bits構(gòu)成，其中保留字段主要為將來擴(kuò)展使用，這里不做介紹。“MAC地址”字段主要存儲在學(xué)習(xí)階段獲得的MAC地址（源），“端口號”主要存儲MAC地址對應(yīng)的端口，即該數(shù)據(jù)包的來源，是從光纖OP1-OP8來的還是從MCU來的。TTL是生存周期，這里最大值設(shè)為5分鐘（可以根據(jù)具體情況確定），如果TTL為0，則說明該單元中的內(nèi)容已經(jīng)作廢。

1）初始化，清空哈希表，此時(shí)哈希表內(nèi)無任何內(nèi)容，因此所有的數(shù)據(jù)包一律廣播。

2）學(xué)習(xí)過程，讀取網(wǎng)絡(luò)包的源MAC地址，由哈希地址轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成哈希表地址，讀取該地址的哈希表的內(nèi)容。首先判斷TTL（初始化是預(yù)設(shè)為零）字段的值是否為零，如果為0說明該地址沒有存儲任何條目，或者雖有存儲但內(nèi)容已過期。此時(shí)直接修改表中的內(nèi)容即可。其次如果TTL的值不為零，則比較源MAC地址與表中的MAC地址是否一致，如果一致說明該表中已經(jīng)有該地址的存儲，直接修改端口號和TTL（直接修改成最大值）的值。如果比較的結(jié)果不一致說明該存儲單元已被其他的MAC地址占用，而且TTL還在有效期，因此保留該存儲單元的內(nèi)容，子地址加1，然后以同樣的方式處理該子地址的存儲單元，直到子地址已變成15仍找不到空余單元，則放棄此次學(xué)習(xí)的過程。

3）查找過程，就是由目的MAC地址查找端口的過程，首先由哈希地址轉(zhuǎn)換程序產(chǎn)生哈希表地址，讀取對應(yīng)表中的內(nèi)容，將表中的MAC地址與目的MAC地址比較，如果相同則查找成功，修改TTL為最大值，同時(shí)返回表中的端口號，主程序利用得到的端口號進(jìn)行單播DMA傳輸。如果比較的結(jié)果不同（由散列值沖突造成），哈希表的子地址加1，繼續(xù)查找直到子地址等于15仍得不到結(jié)果，返回查找失敗。主程序?qū)⒃摼W(wǎng)絡(luò)包廣播給每一個(gè)端口。

4）掃描過程，該過程由定時(shí)器每分鐘觸發(fā)一次，如果此時(shí)沒有學(xué)習(xí)或查找過程，則啟動掃描過程，掃描從0地址開始逐一掃描的最后一個(gè)單元，每個(gè)單元中的TTL如果不為0，則TTL =TTL-1，同時(shí)將修改后的TTL寫回表中，當(dāng)TTL的值為零時(shí)，該存儲單元的記錄就作廢了。這樣就清除了表中已學(xué)習(xí)到的MAC地址但最近較長時(shí)間沒有活動的地址，這樣就會給最近經(jīng)常活動的MAC地址存入表中的機(jī)會。

3 無線數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的調(diào)度

不失一般性，我們以4個(gè)波段從DDS主機(jī)到DDS 遠(yuǎn)端01為例進(jìn)行說明，如圖5 所示，數(shù)據(jù)是按照貞的方式在光纖中發(fā)送的。每一幀由貞頭，貞尾和五個(gè)時(shí)隙組成，其中貞頭包含貞同步、波段（或網(wǎng)絡(luò)）到時(shí)隙的映射等。貞尾一般是FEC（前向錯(cuò)誤檢查）。真正的數(shù)據(jù)是放在五個(gè)時(shí)隙中的，在組貞過程中是以時(shí)隙為基礎(chǔ)的，先從時(shí)隙1開始，掃描從波段1到波段4，4個(gè)波段中挑選出有足夠的數(shù)據(jù)可以填充該時(shí)隙的波段，把數(shù)據(jù)搬移到該時(shí)隙上。如果四個(gè)波段都沒有數(shù)據(jù)則查看網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖器，如果也沒有數(shù)據(jù)，則該時(shí)隙就填充零，并記下該時(shí)隙對應(yīng)的波段號或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。依次完成5個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)搬移或填充，最后處理貞頭和貞尾并形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包經(jīng)過加擾處理（scrambler）后送到10Gbps的光纖收發(fā)器上進(jìn)行傳送。接收端按照相反的順序依次處理依次解調(diào)。

結(jié)論：該網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)調(diào)度技術(shù)已經(jīng)在歐美地區(qū)多個(gè)城市布線并使用，不僅有效調(diào)度了無線數(shù)據(jù)，同時(shí)又將無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和WIFI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平衡，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。