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。

基帶架構(gòu)

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?？臻e時間處于關閉狀態(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。

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