WLAN 802.11ad及發(fā)展歷史簡(jiǎn)介

對于在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳輸大量數據的需求快速增長(cháng)的勢頭幾乎看不到緩和的跡象，如今高清視頻又在被4K和最終的8K所快速取代。下載和分享高清晰度視頻需要占 用巨大的帶寬，而工作在2.4GHz和5GHz頻段的傳統WiFi網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)到了疲于應付的階段。雖然更新的WiFi標準也在不斷提高數據速率，但這些新的 應用動(dòng)不動(dòng)就要數十Gb/s的速度，這個(gè)速度在這些相對較低的微波頻率是無(wú)法達到的。這一趨勢推動(dòng)了頻率位于60GHz的新網(wǎng)絡(luò )標準的出現，這個(gè)標準被稱(chēng) 為IEEE 802.11ad。該標準可以與現有的WiFi信道一起工作，從而減輕對現有WiFi的壓力。

這個(gè)標準也叫做WiGig，由WiFi聯(lián)盟負責管理，目前正在做802.111ad設備之間的互操作性測試。

鑒于60GHz電磁波的傳播特性，WiGig設備最適合在較短的距離范圍內工作，比如在一個(gè)房間內，這使得WiGig設備非常適合用來(lái)將數據流傳送到移動(dòng)設備完成“同步轉發(fā)”應用，或替代HDMI電纜，支持游戲或傳送高清視頻內容。它們也能支持公共交通工具上的娛樂(lè )網(wǎng)絡(luò )，例如飛機、船舶、火車(chē)和公共汽車(chē)。利 用3D視頻和7.1音頻實(shí)現接近現實(shí)用戶(hù)體驗的增強現實(shí)(AR)和虛擬現實(shí)(VR)系統也是這種技術(shù)的潛在應用。在無(wú)線(xiàn)計算領(lǐng)域，802.1ad可以用于無(wú)線(xiàn)擴展和顯示器的連接、通過(guò)無(wú)線(xiàn)實(shí)現快速備份和同步、計算機和手持設備之間的文件傳輸。圖1對這些用例進(jìn)行了總結。

圖1：WiGig/IEEE 802.11ad使用案例。

與2.4GHz和5GHz頻段相比，60GHz頻段具有更寬的可用頻譜——帶寬范圍在7GHz和9GHz之間，雖然一般來(lái)說(shuō)還有其它頻率分配，而且不同地理 區域的可用頻率和帶寬也有所變化。圖2顯示了用于無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)的60GHz頻段全球頻率分配情況。這些頻段被劃分成2GHz信道。

這些更寬的帶寬允許更寬的信道使用低功耗調制機制實(shí)現高達7Gbps的更快數據速率，如表1所示。然而，即使是這些數據速率也不足以滿(mǎn)足上述應用所期望的要求，因此目前業(yè)界的工作專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)能夠將數據速率進(jìn)一步提升至30Gbps及以上的技術(shù)。

圖2：針對WiGig/IEEE 802.11ad的全球頻譜分配情況。

WiGig/IEEE 802.11ad規范

低功耗設計是IEEE 802.11ad規范描述的關(guān)鍵特性之一，包括先進(jìn)的電源管理在內，用于支持手持移動(dòng)設備和筆記本電腦更長(cháng)的電池壽命。設備能夠在60GHz工作和更低的 2.4GHz與5GHz WiFi頻率之間無(wú)縫地切換。除了HDMI的無(wú)線(xiàn)實(shí)現外，這種鏈路還能模擬DisplayPort、USB和PCIe連接。系統中還利用先進(jìn)的加密算法集 成了高等級的安全性。

更重要的是，802.11ad標準支持使用相位陣列天線(xiàn)(PAA)實(shí)現波束成形技術(shù)，從而最大限度地提高信號強度，實(shí)現距離超過(guò)10米的通信。

WiGig芯片市場(chǎng)

圖2顯示了ABI Research公司對不同種類(lèi)的802.11芯片的出貨量預測。到2018年，包含802.11ad的三頻段芯片組市場(chǎng)有望達到每年15億片左右的出貨 量，而所有種類(lèi)802.11芯片的總市場(chǎng)規模也不到40億片。在過(guò)去5年中，許多公司開(kāi)發(fā)出了符合802.11ad的射頻芯片，都是用的60GHz RF-on-CMOS技術(shù)——最初是65nm工藝，后來(lái)發(fā)展到40nm，如今正向28nm和SiGe過(guò)渡。這些產(chǎn)品包括IBM的60GHz PAA芯片、Silicon Image公司的60GHz第三代無(wú)線(xiàn)高清PAA芯片以及Wilocity的芯片，而Wilocity已經(jīng)在交付用于筆記本電腦和移動(dòng)手機應用的預認證 WiGig芯片組。

盡管所有工作重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)射頻芯片方面上，以及克服毫米波頻率消費設備的設計挑戰方面，但在提供控制波束 成形功能以及實(shí)現協(xié)議棧內的物理和MAC功能的能力方面基帶同樣重要。雖然波束成形本身是使用射頻電路中的移相器完成的，但處理器也需要向移相器提供非常 快速的指令才能實(shí)時(shí)控制這個(gè)過(guò)程。

調制解調器功能的運算強度很高，因為協(xié)議要求2Teraops/s以上的數字信號處理能力。在最初開(kāi)發(fā)WiGig原型解決方案時(shí)，基帶主要是在固定功能的硬件上實(shí)現的，但從那以后就向軟件定義架構發(fā)展了，目的是提供更多的應用靈活性和可擴展性。

在單個(gè)處理器上實(shí)現2Teraops/s可能導致顯著(zhù)的散熱問(wèn)題(因為需要給這種處理器提供10GHz頻率的時(shí)鐘)，而在傳統的多內核系統中，芯片面積將很 大。WiGig還要求復雜的2.64GHz數字采樣率，這個(gè)數值比以前的無(wú)線(xiàn)標準高了一個(gè)數量級，使得處理架構的最優(yōu)選擇進(jìn)一步復雜化，因而自然導致考慮 并行處理架構，以便支持與目前硅片技術(shù)兼容的時(shí)鐘速度。

Blu Wireless公司因此開(kāi)發(fā)出了一種軟件定義的基帶，專(zhuān)門(mén)用于低成本和高功效的WiGig標準實(shí)現。雖然軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR) 平臺總是能提供寬頻譜的基帶標準來(lái)補償技術(shù)開(kāi)發(fā)的成本，但這種方法并不適合WiGig，因為高采樣率要求大量的DSP處理。為了平衡成本/效率折衷，可以 選擇一種可編程性方法——這樣就可以在不失去適應性的條件下提供有限范圍的有用的WiGig可編程性，并為低成本產(chǎn)品實(shí)現接近最優(yōu)化的解決方案。

Blu Wireless HYDRA基帶技術(shù)(見(jiàn)圖3)利用了異構多處理架構，將固定功能的DSP模塊和高度優(yōu)化的并行矢量DSP整合在一起。這種混合架構提供了一個(gè)族群結構的 DSP處理器和固定功能模塊池，用于優(yōu)化數據流。每個(gè)簇群有一個(gè)異構控制器，可自動(dòng)和最優(yōu)地利用這些單元，并在執行任務(wù)之間關(guān)閉一些單元以節省功率。

圖3：HYDRA WiGig調制解調器架構。

高層軟件使用了一種線(xiàn)程式數據流模型，定義無(wú)線(xiàn)DSP管線(xiàn)的軟件線(xiàn)程在那里作為一系列互鎖線(xiàn)程式子任務(wù)中的一個(gè)“虛擬管線(xiàn)”按順序派發(fā)。

控制器通過(guò)異構DSP資源實(shí)現線(xiàn)程式數據流的自動(dòng)化。這些子任務(wù)在每個(gè)DSP單元上執行，并由在DSP單元間并行移動(dòng)數據的數據流完成所驅動(dòng)。所派發(fā)虛擬管 線(xiàn)的任意組合可以被派發(fā)，而實(shí)時(shí)數據流定義了執行、時(shí)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(gè)獨立單元的動(dòng)態(tài)功耗控制可以確?？臻e時(shí)間處 于關(guān)閉狀態(tài)，從而最大限度地減小功耗。

當用40nm CMOS工藝實(shí)現時(shí)，這種并行矢量DSP處理器的外形尺寸只有個(gè)位數的平方毫米面積，它在最優(yōu)矢量化數據路徑中將相當多緊密集成的DSP資源壓縮得非常緊密。

這種面積效率是通過(guò)動(dòng)態(tài)復用實(shí)現的，選擇可編程域范圍，提供能夠在獨立的收發(fā)DSP管線(xiàn)中動(dòng)態(tài)復用的一定級別硅片資源；用SC、SC-FDE、OFDM、控制PHY以及所有調制編碼方案(MCS)等。很高的指令級并行機制(ILP)也是提高芯片效率的關(guān)鍵。

與使用為了滿(mǎn)足WiGig性能要求而經(jīng)過(guò)調整了的普通SDR基帶平臺相比，這種技術(shù)在芯片面積和功效方面可以提供4倍以上的優(yōu)勢。

超越802.11ad

為了達到很快會(huì )有需求的30Gb/s數據速率，WiGig標準還需要進(jìn)一步發(fā)展?？梢灶A期的是，將采用更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)擴展802.1ad標準，特別是使用一種名為信道捆綁的技術(shù)，它將兩個(gè)2×2 MIMO同時(shí)用于并行正交空間流，可將多個(gè)2GHz信道匯聚在一起，增加數據“管線(xiàn)”的尺寸。

MIMO和信道捆綁將倍增目前WiGig標準已經(jīng)需要的處理能力。HYDRA基帶的可擴展性將促進(jìn)WiGig系統的穩步演進(jìn)，以便更好地控制這些新的功能。轉向28nm工藝、增加并行使用的PPU數量將提供控制這些功能所需的額外處理能力，并且不會(huì )顯著(zhù)增加總體尺寸。