WLAN 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的互操作性測(cè)試及應(yīng)用發(fā)展

對(duì)于在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳輸大量數(shù)據(jù)的需求快速增長(zhǎng)的勢(shì)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(luò)已經(jīng)到了疲于應(yīng)付的階段。雖然更新的WiFi標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高數(shù)據(jù)速率，但這些新的應(yīng)用動(dòng)不動(dòng)就要數(shù)十Gb/s的速度，這個(gè)速度在這些相對(duì)較低的微波頻率是無(wú)法達(dá)到的。這一趨勢(shì)推動(dòng)了頻率位于60GHz的新網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被稱為IEEE 802.11ad。該標(biāo)準(zhǔn)可以與現(xiàn)有的WiFi信道一起工作，從而減輕對(duì)現(xiàn)有WiFi的壓力。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也叫做WiGig，由WiFi聯(lián)盟負(fù)責(zé)管理，目前正在做802.111ad設(shè)備之間的互操作性測(cè)試。

鑒于60GHz電磁波的傳播特性，WiGig設(shè)備最適合在較短的距離范圍內(nèi)工作，比如在一個(gè)房間內(nèi)，這使得WiGig設(shè)備非常適合用來(lái)將數(shù)據(jù)流傳送到移動(dòng)設(shè)備完成“同步轉(zhuǎn)發(fā)”應(yīng)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(lè)網(wǎng)絡(luò)，例如飛機(jī)、船舶、火車和公共汽車。利用3D視頻和7.1音頻實(shí)現(xiàn)接近現(xiàn)實(shí)用戶體驗(yàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)也是這種技術(shù)的潛在應(yīng)用。在無(wú)線計(jì)算領(lǐng)域，802.1ad可以用于無(wú)線擴(kuò)展和顯示器的連接、通過(guò)無(wú)線實(shí)現(xiàn)快速備份和同步、計(jì)算機(jī)和手持設(shè)備之間的文件傳輸。圖1對(duì)這些用例進(jìn)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(lái)說(shuō)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(wú)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(jī)制實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(yīng)用所期望的要求，因此目前業(yè)界的工作專注于開(kāi)發(fā)能夠?qū)?shù)據(jù)速率進(jìn)一步提升至30Gbps及以上的技術(shù)。

圖2：針對(duì)WiGig/IEEE 802.11ad的全球頻譜分配情況。

WiGig/IEEE 802.11ad規(guī)范

低功耗設(shè)計(jì)是IEEE 802.11ad規(guī)范描述的關(guān)鍵特性之一，包括先進(jìn)的電源管理在內(nèi)，用于支持手持移動(dòng)設(shè)備和筆記本電腦更長(zhǎng)的電池壽命。設(shè)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)線實(shí)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(jìn)的加密算法集成了高等級(jí)的安全性。

更重要的是，802.11ad標(biāo)準(zhǔn)支持使用相位陣列天線（PAA）實(shí)現(xiàn)波束成形技術(shù)，從而最大限度地提高信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)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(duì)不同種類的802.11芯片的出貨量預(yù)測(cè)。到2018年，包含802.11ad的三頻段芯片組市場(chǎng)有望達(dá)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(chǎng)規(guī)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(jī)應(yīng)用的預(yù)認(rèn)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(fèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)方面，但在提供控制波束成形功能以及實(shí)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?？焖俚闹噶畈拍軐?shí)時(shí)控制這個(gè)過(guò)程。

調(diào)制解調(diào)器功能的運(yùn)算強(qiáng)度很高，因?yàn)閰f(xié)議要求2Teraops/s以上的數(shù)字信號(hào)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(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(yīng)用靈活性和可擴(kuò)展性。

在單個(gè)處理器上實(shí)現(xiàn)2Teraops/s可能導(dǎo)致顯著的散熱問(wèn)題（因?yàn)樾枰o這種處理器提供10GHz頻率的時(shí)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(fù)雜的2.64GHz數(shù)字采樣率，這個(gè)數(shù)值比以前的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，使得處理架構(gòu)的最優(yōu)選擇進(jìn)一步復(fù)雜化，因而自然導(dǎo)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(shí)鐘速度。

基帶架構(gòu)

Blu Wireless公司因此開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。雖然軟件無(wú)線電（SDR）平臺(tái)總是能提供寬頻譜的基帶標(biāo)準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償技術(shù)開(kāi)發(fā)的成本，但這種方法并不適合WiGig，因?yàn)楦卟蓸勇室蟠罅康?u>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(yīng)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(xiàn)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(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(gè)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(gè)簇群有一個(gè)異構(gòu)控制器，可自動(dòng)和最優(yōu)地利用這些單元，并在執(zhí)行任務(wù)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(wú)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(wù)中的一個(gè)“虛擬管線”按順序派發(fā)。

控制器通過(guò)異構(gòu)DSP資源實(shí)現(xiàn)線程式數(shù)據(jù)流的自動(dòng)化。這些子任務(wù)在每個(gè)DSP單元上執(zhí)行，并由在DSP單元間并行移動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流完成所驅(qū)動(dòng)。所派發(fā)虛擬管線的任意組合可以被派發(fā)，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流定義了執(zhí)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?yàn)槊總€(gè)獨(dú)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(dāng)用40nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)時(shí)，這種并行矢量DSP處理器的外形尺寸只有個(gè)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(dāng)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(fù)用實(shí)現(xiàn)的，選擇可編程域范圍，提供能夠在獨(dú)立的收發(fā)DSP管線中動(dòng)態(tài)復(fù)用的一定級(jí)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(jí)并行機(jī)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(guò)調(diào)整了的普通SDR基帶平臺(tái)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(shì)。

超越802.11ad

為了達(dá)到很快會(huì)有需求的30Gb/s數(shù)據(jù)速率，WiGig標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步發(fā)展。可以預(yù)期的是，將采用更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)擴(kuò)展802.1ad標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)“管線”的尺寸。

MIMO和信道捆綁將倍增目前WiGig標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)需要的處理能力。HYDRA基帶的可擴(kuò)展性將促進(jìn)WiGig系統(tǒng)的穩(wěn)步演進(jìn)，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(huì)顯著增加總體尺寸。