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以異質多處理架構打造下一代60GHz Wi-Fi

上網時間: 2015年01月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:波束成形  基頻  DSP  WiGig  802.11ad 

作者:Mark Barrett,Blu Wireless行銷長

對於以無線網路傳輸大量資料不斷成長的需求態勢幾乎不曾稍歇,如今高解析(HD)視訊又被4K和最終的8K快速超越。

下載和分享HD視訊都需要佔用巨大的頻寬,而工作在2.4GHz和5GHz頻段的傳統Wi-Fi網路已經走到疲於應付的階段了。雖然最近的Wi-Fi標準不斷提高資料速率,但許多新的應用動不動就要數十Gb/s的速度,這是相對較低的微波頻率無法達到的要求。因此,這一趨勢推動了60GHz頻率的網路新標準出現,這個標準被稱為IEEE 802.11ad,它能與現有的Wi-Fi通道一起工作,從而減輕對現有Wi-Fi的壓力。

這個標準也叫做WiGig,由Wi-Fi聯盟負責管理,目前正致力於802.111ad裝置之間的互通性測試。

由於60GHz電磁波的傳播特性,WiGig裝置最適合在較短距離的範圍內工作(例如在一個房間內),這使其非常適合用來將資料串流傳到行動裝置完成‘同步轉發’(Sync and Go)應用,或取代HDMI電纜以支援遊戲或傳送HD視訊內容。此外,還可用在飛機、船舶、火車和公共汽車等大眾運輸工具上的娛樂網路。利用3D視訊和7.1音訊實現接近現實用戶體驗的擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)系統也是這種技術的潛在應用。在無線運算領域,802.1ad可用於無線擴充基座和顯示器的連接、透過無線實現快速備份與同步,以及電腦和手持裝置之間的檔案傳輸。

圖1:WiGig/IEEE 802.11ad使用案例。
圖1:WiGig/IEEE 802.11ad使用案例。

相較於2.4GHz和5GHz頻段,60GHz頻段具有更寬的可用頻譜——頻寬範圍在7GHz和9GHz之間,雖然與其他的頻率分配一致,但不同地理區域的可用頻率和頻寬則有所變化。圖2顯示以60GHz頻段實現無線連網的全球頻率分配。這些頻段被劃分成2GHz通道。

圖2:針對WiGig/IEEE 802.11ad的全球頻率分配情況。
圖2:針對WiGig/IEEE 802.11ad的全球頻率分配情況。

這些更寬的頻寬可實現更寬的通道,利用低功耗調變機制實現高達7Gbps的更快資料速率,如表1所示。然而,即使是這樣的資料速率也不足以滿足上述應用所期望的要求,因此目前業界的工作專注於開發能夠將資料速率進一步提升至30Gbps及以上的技術。

表1:用於WiGig/802.11ad數據機的調變方案。
表1:用於WiGig/802.11ad數據機的調變方案。

WiGig/IEEE 802.11ad規範

低功耗設計是IEEE 802.11ad規範中的關鍵特性之一,並包括先進的電源管理,用於支援手持行動裝置和筆記型電腦所需的更長電池壽命。這些裝置能夠在60GHz作業以及更低的2.4GHz與5GHz Wi-Fi頻率之間無縫地切換。除了HDMI的無線建置以外,這種鏈路還能模擬DisplayPort、USB和PCIe連接。透過先進的加密演算法,還可為系統整合更高層級的安全性。

更重要的是,802.11ad標準支援使用相位陣列天線(PAA)實現的波束成形技術,從而最大限度地提高訊號強度,實現距離超過10公尺距離的通訊。

WiGig晶片市場

圖2顯示ABI Research公司對不同種類的802.11晶片出貨量預測。到2018年,整合802.11ad的三頻晶片組市場可望達到每年15億片的出貨量,而所有種類的802.11晶片的總市場規模也不到40億片。在過去5年中,許多公司開發出符合802.11ad的射頻晶片,均採用了60GHz RF-on-CMOS技術——最初是65nm製程,後來發展到40nm,如今正過渡至28nm和SiGe製程。這些產品包括IBM的60GHz PAA晶片、Silicon Image公司的60GHz第三代WirelessHD PAA晶片以及Wilocity的晶片;Wilocity已在出貨用於筆記型電腦和手機的預認證WiGig晶片組了。

儘管所有的工作重點都放在開發射頻晶片,以及克服毫米波頻率的消費裝置設計挑戰,但在提供控制波束成形功能以及在協定堆疊內建置PHY和MAC功能的基頻能力也同樣重要。雖然波束成形本身是使用射頻電路的移相器完成的,但處理器也需要為移相器提供非常快速的指令才能進行即時控制。

數據機的功能需要的是運算密集,因為協議要求2Teraops/s以上的數位訊號處理能力。在最初開發WiGig原型解決方案時,基頻主要是在固定功能的硬體上實現的,但從那以後就開始轉向軟體定義架構發展了,其目的在於提供更多的應用靈活度和可擴展性。

在單一處理器上實現2Teraops/s可能導致嚴重的散熱問題(因為必須為這種處理器提供10GHz頻率的時脈),而在傳統的多核心系統中,晶片面積將會變得更大。WiGig還要求複雜的2.64GHz數位取樣速率,這個數值比以前的無線標準更高了一倍,並使得選擇最佳化的處理架構更進一步複雜化,再者,它還會導致自然地考慮到平行處理架構,以便支援衛符合目前矽片技術的時脈速度。

基頻架構

Blu Wireless公司開發出一款以軟體定義的基頻技術,專門用於低成本和高功效的WiGig標準建置。雖然軟體無線電(SDR)平台能提供寬頻譜的基頻標準以補償技術開發的成本,但這種方法並不適合WiGig,因為高取樣率需要進行大量的DSP處理。為了平衡成本/效率折衷,可以選擇一種可程式的設計方法——這樣就能在不失去適用性的條件下提供有限範圍的WiGig可程式設計性,並為低成本產品實現接近最佳化的解決方案。

Blu Wireless HYDRA基頻技術(見圖3)利用異質多處理架構,將固定功能的DSP模組和高度最佳化的平行向量DSP整合在一起。這種混合架構提供了一系列的的DSP處理器和固定功能模組叢集,用於最佳化資料流程。每個叢集有一個異質控制器,可自動且最佳化地利用這些單元,並在執行任務之間關閉一些閒置單元以節省功率。

圖3:HYDRA WiGig數據機架構。
圖3:HYDRA WiGig數據機架構。

高階的軟體使用了一種執行緒式的資料流程模型,藉由軟體執行緒定義無線DSP管線,使一系列連鎖執行緒子任務中的 ‘虛擬管線’依序分派調度。

控制器透過異質DSP資源實現執行緒式資料流程的自動化。這些子任務在每個DSP單元上執行,並由資料流程完成DSP單元間同步移動資料所驅動。這些虛擬管線可以被任意組合分派,而即時資料串流則定義執行、時序和順序。這種方法在使用率和功耗方面都很高效,因為每個獨立單元的動態功率控制可以確保閒置時間處於關閉狀態,從而盡可能地降低功耗。

當採用40nm CMOS製程時,這種平行向量DSP處理器的外形尺寸只有幾平方毫米的面積,它在最最佳向量化資料路徑中將大量緊密整合的DSP資源極度地壓縮封裝。

這種面積效率是透過動態重用實現的,選擇可程式設計域範圍,提供能以獨立的收發DSP管線動態重用的矽晶資源,並可利用SC、SC-FDE、OFDM、控制PHY以及所有調變編碼機制(MCS)等。超高指令級平行機制(ILP)也是提高晶片效率的關鍵。

與相較於為了滿足WiGig性能要求而採用經調整的通用SDR基頻平台,這種技術在晶片面積和功效方面可以提供更高4倍以上的優勢。

超越802.11ad

為了達到即將成為未來主流需求的30Gb/s資料速率,WiGig標準還必須進一步發展。可以預期的是,未來必須採用更先進的技術來擴展802.1ad標準,特別是使用2 x 2 MIMO實現平行正交空間串流,以及一種通道綁定技術,它可匯聚多個2GHz通道以增加資料‘管線’的大小。

MIMO和通道綁定技術將會倍增目前WiGig標準所需要的處理能力。HYDRA基頻的可擴展性將促進WiGig系統的穩步演進,以便更有效控制這些新的功能。隨著製程技術邁向28nm節點,以及增加平行使用的PPU數量,透過可擴展的基頻技術,將能帶來控制這些功能所需的額外處理能力,而不至於明顯增加整體尺寸。





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