WLAN 802.11ad及發(fā)展歷史簡介

對于在無線網(wǎng)絡上傳輸大量數(shù)據(jù)的需求快速增長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(tǒng)WiFi網(wǎng)絡已經(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(shù)據(jù)速率，但這些新的 應用動不動就要數(shù)十Gb/s的速度，這個速度在這些相對較低的微波頻率是無法達到的。這一趨勢推動了頻率位于60GHz的新網(wǎng)絡標準的出現(xiàn)，這個標準被稱 為IEEE 802.11ad。該標準可以與現(xiàn)有的WiFi信道一起工作，從而減輕對現(xiàn)有WiFi的壓力。

這個標準也叫做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(nèi)工作，比如在一個房間內(nèi)，這使得WiGig設備非常適合用來將數(shù)據(jù)流傳送到移動設備完成“同步轉(zhuǎn)發(fā)”應用，或替代HDMI電纜，支持游戲或傳送高清視頻內(nèi)容。它們也能支持公共交通工具上的娛樂網(wǎng)絡，例如飛機、船舶、火車和公共汽車。利 用3D視頻和7.1音頻實現(xiàn)接近現(xiàn)實用戶體驗的增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)系統(tǒng)也是這種技術(shù)的潛在應用。在無線計算領(lǐng)域，802.1ad可以用于無線擴展和顯示器的連接、通過無線實現(xiàn)快速備份和同步、計算機和手持設備之間的文件傳輸。圖1對這些用例進行了總結(jié)。

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，雖然一般來說還有其它頻率分配，而且不同地理 區(qū)域的可用頻率和帶寬也有所變化。圖2顯示了用于無線組網(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(diào)制機制實現(xiàn)高達7Gbps的更快數(shù)據(jù)速率，如表1所示。然而，即使是這些數(shù)據(jù)速率也不足以滿足上述應用所期望的要求，因此目前業(yè)界的工作專注于開發(fā)能夠?qū)?shù)據(jù)速率進一步提升至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(guī)范

低功耗設計是IEEE 802.11ad規(guī)范描述的關(guān)鍵特性之一，包括先進的電源管理在內(nèi)，用于支持手持移動設備和筆記本電腦更長的電池壽命。設備能夠在60GHz工作和更低的 2.4GHz與5GHz WiFi頻率之間無縫地切換。除了HDMI的無線實現(xiàn)外，這種鏈路還能模擬DisplayPort、USB和PCIe連接。系統(tǒng)中還利用先進的加密算法集 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(PAA)實現(xiàn)波束成形技術(shù)，從而最大限度地提高信號強度，實現(xiàn)距離超過10米的通信。

WiGig芯片市場

圖2顯示了ABI Research公司對不同種類的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有望達到每年15億片左右的出貨 量，而所有種類802.11芯片的總市場規(guī)模也不到40億片。在過去5年中，許多公司開發(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，后來發(fā)展到40nm，如今正向28nm和SiGe過渡。這些產(chǎn)品包括IBM的60GHz PAA芯片、Silicon Image公司的60GHz第三代無線高清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手機應用的預認證 WiGig芯片組。

盡管所有工作重點放在開發(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(zhàn)方面，但在提供控制波束 成形功能以及實現(xiàn)協(xié)議棧內(nèi)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 快速的指令才能實時控制這個過程。

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

在單個處理器上實現(xiàn)2Teraops/s可能導致顯著的散熱問題(因為需要給這種處理器提供10GHz頻率的時鐘)，而在傳統(tǒng)的多內(nèi)核系統(tǒng)中，芯片面積將很 大。WiGig還要求復雜的2.64GHz數(shù)字采樣率，這個數(shù)值比以前的無線標準高了一個數(shù)量級，使得處理架構(gòu)的最優(yōu)選擇進一步復雜化，因而自然導致考慮 并行處理架構(gòu)，以便支持與目前硅片技術(shù)兼容的時鐘速度。

Blu Wireless公司因此開發(fā)出了一種軟件定義的基帶，專門用于低成本和高功效的WiGig標準實現(xiàn)。雖然軟件無線電(SDR) 平臺總是能提供寬頻譜的基帶標準來補償技術(shù)開發(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)品實現(xiàn)接近最優(yōu)化的解決方案。

Blu Wireless HYDRA基帶技術(shù)(見圖3)利用了異構(gòu)多處理架構(gòu)，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(gòu)提供了一個族群結(jié)構(gòu)的 DSP處理器和固定功能模塊池，用于優(yōu)化數(shù)據(jù)流。每個簇群有一個異構(gòu)控制器，可自動和最優(yōu)地利用這些單元，并在執(zhí)行任務之間關(guān)閉一些單元以節(jié)省功率。

圖3：HYDRA WiGig調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)。

高層軟件使用了一種線程式數(shù)據(jù)流模型，定義無線DSP管線的軟件線程在那里作為一系列互鎖線程式子任務中的一個“虛擬管線”按順序派發(fā)。

控制器通過異構(gòu)DSP資源實現(xiàn)線程式數(shù)據(jù)流的自動化。這些子任務在每個DSP單元上執(zhí)行，并由在DSP單元間并行移動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流完成所驅(qū)動。所派發(fā)虛擬管 線的任意組合可以被派發(fā)，而實時數(shù)據(jù)流定義了執(zhí)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(tài)功耗控制可以確保空閑時間處 于關(guān)閉狀態(tài)，從而最大限度地減小功耗。

當用40nm CMOS工藝實現(xiàn)時，這種并行矢量DSP處理器的外形尺寸只有個位數(shù)的平方毫米面積，它在最優(yōu)矢量化數(shù)據(jù)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動態(tài)復用實現(xiàn)的，選擇可編程域范圍，提供能夠在獨立的收發(fā)DSP管線中動態(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(diào)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。

與使用為了滿足WiGig性能要求而經(jīng)過調(diào)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

為了達到很快會有需求的30Gb/s數(shù)據(jù)速率，WiGig標準還需要進一步發(fā)展。可以預期的是，將采用更先進的技術(shù)來擴展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2×2 MIMO同時用于并行正交空間流，可將多個2GHz信道匯聚在一起，增加數(shù)據(jù)“管線”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WiGig系統(tǒng)的穩(wěn)步演進，以便更好地控制這些新的功能。轉(zhuǎn)向28nm工藝、增加并行使用的PPU數(shù)量將提供控制這些功能所需的額外處理能力，并且不會顯著增加總體尺寸。