LTE基站基带处理板主备信号处理方法与流程

本发明涉及LTE-R无线移动通信基站领域，具体是一种LTE基站基带处理板主备信号处理方法。

背景技术：

随着中国铁路移动通信带宽需求迅猛增长，原有的GSM-R系统不再适应新的市场需求，而且随着GSM产业链的逐渐消亡，迫切需要对原有的GSM-R通信体制进行升级换代。参照GSM-R技术规范中国铁路正在制定LTE-R技术标准体系，采用最新的LTE技术作为下一代铁路移动通信体制。

LTE-R承载铁路的行车业务、运营维护业务、公共安全通信业务和旅客信息系统业务。行车业务包括了列车调度通信、机务调度通信、车辆调度通信、供电调度通信、综合维修调度通信和应急通信等，这些业务对铁路通信系统的稳定性、可靠性提出了极高的要求。为提高通信系统的可靠性，组网时必须考虑整个通信系统主备冗余设计。即采用两套通信系统，一套主用，一套备用，当主用系统故障时迅速切换到备用系统，这样来保证通信业务正常工作。

LTE无线通讯系统由终端、基站和核心网（EPC）组成。基站由基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）构成。BBU一般是多槽位机架式设备，内插中央控制板（CCU）、基带处理板（BPU）、交换板等，安装在机房内。BBU板卡级主备因为受制于机架结构、硬件方案、功耗、重量、成本、可操作性等，很难实现，或者只能实现部分板卡的主备冗余。BPU是BBU中最重要的板卡，采用高性能多核DSP芯片，完成物理层、MAC层和三层协议功能，面板出CPRI光接口和RRU通信。因为BPU的数据处理量巨大，一般的BPU主备冗余都是通过背板的网口将主用BPU的用户和控制面基本配置同步到备用BPU上，大量的用户和控制数据以及海量的物理层、链路层数据由于开销巨大无法同步，这样导致主备切换时业务中断，终端要重新发起随机接入申请，经过无线资源控制（ＲＲＣ）建立、无线接入承载（Ｅ－ＲＡＢ）建立等流程才能重新继续原来的业务。所以一旦ＢＰＵ主备切换，重新建立业务耗时很长，对于某些时间敏感的业务可能无法接受。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种LTE基站基带处理板主备信号处理方法，基于ＤＳＰ芯片的高速同步总线，在加上时序同步处理不仅解决主备ＢＰＵ切换时上层配置参数同步，实现了主备ＢＰＵ切换时原有业务不中断，瞬时切换，用户无感知。

本发明使用的ＢＰＵ主备切换设备由两部分构成：

（1）光路切换部分：光路切换部分实现ＢＰＵ和ＲＲＵ接口的ＣＰＲＩ光纤保护切换和光分，物理上可以做成一块光保护板插在ＢＢＵ机箱中。光保护板使用FPGA，不使用CPU，不安装操作系统，软硬件尽量简单，保证软硬件的可靠性。ＲＲＵ发送给ＢＰＵ的ＣＰＲＩ光信号经光分器，１：１分给主备两块ＢＰＵ，接到ＢＰＵ光模块的接收上，使主备两块ＢＰＵ收到同样的ＲＲＵ信号。光保护板通过判断主备两块ＢＰＵ状态，控制二选一光开关使ＲＲＵ接收的ＣＰＲＩ光信号切换到主用ＢＰＵ上。

（2）ＢＢＵ机箱部分：主备ＢＰＵ以板卡形式插在ＢＢＵ机箱中，机箱背板设计４条总线用以支持ＢＰＵ主备快速切换。包括：１、ＢＰＵ主备状态总线：检测对端ＢＰＵ在位及主备状态；２、ＤＳＰ节拍同步总线：同步主备ＢＰＵ上ＤＳＰ芯片的内部节拍，通过计算相位差使ＤＳＰ内部处理相位一致或恒定；３、以太网同步总线：使用ＳＧＭＩＩ总线同步主备ＢＰＵ的用户和控制面基本配置；４、高速同步总线：使用ＤＳＰ芯片自带的高速ｓｅｒｄｅｓ总线同步，主备ＢＰＵ海量用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据。

本发明提供的信号处理方法包括以下步骤：

1）正常工作时，LTE基站基带处理板信号处理如下：

1.1）上行数据：ＲＲＵ发出的上行数据经光分器后分成两束同时发给主备两块ＢＰＵ，主用ＢＰＵ按正常流程处理后，通过ＢＢＵ的网口发送给核心网，备用ＢＰＵ按照同步过来的主用ＢＰＵ的用户和控制面基本配置正常处理，物理层、链路层和网络层处理完后，数据不再通过ＢＢＵ的Ｓ１接口上传给ＥＰＣ，直到切换成主用后再上传；

1.2）下行数据：ＥＰＣ经Ｓ１接口下发的下行数据经过ＢＢＵ的交换网发给主用ＢＰＵ，ＢＰＵ正常处理后经ＣＰＲＩ光接口发送给ＲＲＵ。同时主用ＢＰＵ的ＤＳＰ芯片通过高速数据同步端口将主用ＢＰＵ收到的下行数据实时发给备用ＢＰＵ的ＤＳＰ芯片，备用ＢＰＵ处理后经ＣＰＲＩ接口发出，由于光保护板检测到主备ＢＰＵ的工作状态，将光路切向主用ＢＰＵ，所以ＲＲＵ收不到备用ＢＰＵ发出的ＣＰＲＩ光信号；

2）主备ＢＰＵ之间有一组主备状态信号，包括板卡在位、主备状态、心跳信号，档备用ＢＰＵ检测到主用ＢＰＵ不在位、切换成备用或心跳超时，LTE基站基带处理板进行如下切换：

2.1）主备切换：备用ＢＰＵ立即将自己设成主用，同时将对端ＢＰＵ设成备用，完成ＢＰＵ的主备切换，光保护板实时监视主备ＢＰＵ的状态，发现ＢＰＵ发生切换后控制光开关迅速切换到新的主用ＢＰＵ上；

2.2）主备状态同步：主备状态同步总线包括连接主备ＢＰＵ的以太网同步总线和基于ＤＳＰ芯片的高速同步总线，以太网同步总线使用ＳＧＭＩＩ总线，同步主备ＢＰＵ的用户和控制面基本配置，ＢＰＵ内部的ＤＳＰ芯片通过高速接口和高速同步总线相连，直接传输芯片的底层数据和寄存器状态，将大量的用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据通过高速接口同步到备用ＢＰＵ上；

2.3）ＤＳＰ节拍同步：主备ＢＰＵ的背板采用ＤＳＰ节拍同步信号连接，进行ＤＳＰ节拍同步，并通过背板上的１ＰＰＳ和ＴＯＤ信号进行辅助同步计算。

进一步改进，

本发明有益效果在于：

1、本专利使用基于ＤＳＰ芯片的高速同步总线，在加上时序同步处理不仅解决主备ＢＰＵ切换时上层配置参数同步，也解决海量用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据同步。由于保证了用户和控制数据的完整性，实现了主备ＢＰＵ切换时原有业务不中断，瞬时切换，用户无感知；

2、采用光开关＋光分器的光保护板设计，使ＢＰＵ切换时ＲＲＵ不必切换。这样节省RRU投资，也省去了ＲＲＵ的切换和业务建立时间，也保证了用户的无感知切换。

附图说明

图1为ＢＰＵ主备切换设备示意图。

图2为本发明主备切换方法示意图。

图3为TCI6638搭建的BPU系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明使用的ＢＰＵ主备切换设备如图1所示，由两部分构成：

（1）光路切换部分：光路切换部分实现ＢＰＵ和ＲＲＵ接口的ＣＰＲＩ光纤保护切换和光分，物理上可以做成一块光保护板插在ＢＢＵ机箱中。光保护板使用FPGA，不使用CPU，不安装操作系统，软硬件尽量简单，保证软硬件的可靠性。ＲＲＵ发送给ＢＰＵ的ＣＰＲＩ光信号经光分器，１：１分给主备两块ＢＰＵ，接到ＢＰＵ光模块的接收上，使主备两块ＢＰＵ收到同样的ＲＲＵ信号。光保护板通过判断主备两块ＢＰＵ状态，控制二选一光开关使ＲＲＵ接收的ＣＰＲＩ光信号切换到主用ＢＰＵ上。

（2）ＢＢＵ机箱部分：主备ＢＰＵ以板卡形式插在ＢＢＵ机箱中，机箱背板设计４条总线用以支持ＢＰＵ主备快速切换。包括：１、ＢＰＵ主备状态总线：检测对端ＢＰＵ在位及主备状态；２、ＤＳＰ节拍同步总线：同步主备ＢＰＵ上ＤＳＰ芯片的内部节拍，通过计算相位差使ＤＳＰ内部处理相位一致或恒定；３、以太网同步总线：使用ＳＧＭＩＩ总线同步主备ＢＰＵ的用户和控制面基本配置；４、高速同步总线：使用ＤＳＰ芯片自带的高速ｓｅｒｄｅｓ总线同步，主备ＢＰＵ海量用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据。

本发明提供的信号处理方法如图2所示，包括以下步骤：

1）正常工作时，LTE基站基带处理板信号处理如下：

1.1）上行数据：ＲＲＵ发出的上行数据经光分器后分成两束同时发给主备两块ＢＰＵ，主用ＢＰＵ按正常流程处理后，通过ＢＢＵ的网口发送给核心网，备用ＢＰＵ按照同步过来的主用ＢＰＵ的用户和控制面基本配置正常处理，物理层、链路层和网络层处理完后，数据不再通过ＢＢＵ的Ｓ１接口上传给ＥＰＣ，直到切换成主用后再上传；

1.2）下行数据：ＥＰＣ经Ｓ１接口下发的下行数据经过ＢＢＵ的交换网发给主用ＢＰＵ，ＢＰＵ正常处理后经ＣＰＲＩ光接口发送给ＲＲＵ。同时主用ＢＰＵ的ＤＳＰ芯片通过高速数据同步端口将主用ＢＰＵ收到的下行数据实时发给备用ＢＰＵ的ＤＳＰ芯片，备用ＢＰＵ处理后经ＣＰＲＩ接口发出，由于光保护板检测到主备ＢＰＵ的工作状态，将光路切向主用ＢＰＵ，所以ＲＲＵ收不到备用ＢＰＵ发出的ＣＰＲＩ光信号；

2）主备ＢＰＵ之间有一组主备状态信号，包括板卡在位、主备状态、心跳信号，档备用ＢＰＵ检测到主用ＢＰＵ不在位、切换成备用或心跳超时，LTE基站基带处理板进行如下切换：

2.1）主备切换：备用ＢＰＵ立即将自己设成主用，同时将对端ＢＰＵ设成备用，完成ＢＰＵ的主备切换，光保护板实时监视主备ＢＰＵ的状态，发现ＢＰＵ发生切换后控制光开关迅速切换到新的主用ＢＰＵ上；

2.2）主备状态同步：主备状态同步总线包括连接主备ＢＰＵ的以太网同步总线和基于ＤＳＰ芯片的高速同步总线，以太网同步总线使用ＳＧＭＩＩ总线，同步主备ＢＰＵ的用户和控制面基本配置，ＢＰＵ内部的ＤＳＰ芯片通过高速接口和高速同步总线相连，直接传输芯片的底层数据和寄存器状态，将大量的用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据通过高速接口同步到备用ＢＰＵ上；

2.3）ＤＳＰ节拍同步：主备ＢＰＵ的背板采用ＤＳＰ节拍同步信号连接，进行ＤＳＰ节拍同步，并通过背板上的１ＰＰＳ和ＴＯＤ信号进行辅助同步计算。

以TCI6638系统为例， BPU实现过程如下：

TCI6638是TI公司设计的多核DSP+ARM KeyStone架构高性能处理器，系统架构如图2所示。TCI6638用于大流量数据的高速处理、计算，在LTE基站上大量使用。TCI6638有8个TMS320C66x处理器，每个工作频率1G~1.2GHz，有4个Cortex A15 ARM处理器，每个工作频率1.4GHz，内部还有4个Turbo译码器、8个Viterbi 译码器、4个WCDA协处理器、6个FFT协处理器、位处理加速器等多种专用处理器，特别适合基站应用。有6个CPRI接口、2个HyperLink接口、2个10G以太网、4个千兆以太网接口方便外接RRU、交换机、EPC等设备。其中HyperLink接口由4组收发serdes总线组成，最高速率达50Gbps，可以用来传输用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据。

用TCI6638搭建的BPU系统框图如图3所示。1、TCI6638的AIF接口配成CPRI模式，通过光模块使用光纤和RRU连接。2、HyperLink配置成50G，通过4组serdes差分线经过背板和对端TCI6638的HyperLink接口连接，作为高速数据同步备份通道。3、TCI6638的网口比较多，取一个千兆网口通过SGMII模式经过背板与对端BPU的对应网口连接，同步主备ＢＰＵ的用户和控制面基本配置。4、TCI6638的IO端口用作主备BPU的主备状态检测和DSP时序同步信号，主用BPU将本板的在位和主用信号发给备用BPU，同时向备用BPU发送定时的心跳信号，备用BPU通过检测主用BPU板卡在位、主备状态、心跳信号来判断主用BPU工作是否正常，一旦发现异常，将本板置为主用，执行基带数据的处理功能。两块ＢＰＵ的主备数据同步过程中，尤其是用户数据、控制数据、物理层数据及链路层数据同步过程中，涉及到大量的关键时序相位同步，两片TCI6638时序同步信号用来保证数据处理中相位同相。CCU通过背板过来1PPS和TOD信号也可以辅助两片TCI6638的相位同步。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。