WLAN 802.11ad及其后续发展

对于在无线网络上传输大量数据的需求快速增长的势头几乎看不到缓和的迹象，如今高清视频又在被4K和最终的8K所快速取代。下载和分享高清晰度视频需要占用巨大的带宽，而工作在2.4GHz和5GHz频段的传统WiFi网络已经到了疲于应付的阶段。虽然更新的WiFi标准也在不断提高数据速率，但这些新的应用动不动就要数十Gb/s的速度，这个速度在这些相对较低的微波频率是无法达到的。这一趋势推动了频率位于60GHz的新网络标准的出现，这个标准被称为IEEE 802.11ad。该标准可以与现有的WiFi信道一起工作，从而减轻对现有WiFi的压力。

这个标准也叫做WiGig，由WiFi联盟负责管理，目前正在做802.111ad设备之间的互操作性测试。

鉴于60GHz电磁波的传播特性，WiGig设备最适合在较短的距离范围内工作，比如在一个房间内，这使得WiGig设备非常适合用来将数据流传送到移动设备完成“同步转发”应用，或替代HDMI电缆，支持游戏或传送高清视频内容。它们也能支持公共交通工具上的娱乐网络，例如飞机、船舶、火车和公共汽车。利用3D视频和7.1音频实现接近现实用户体验的增强现实(AR)和虚拟现实(VR)系统也是这种技术的潜在应用。在无线计算领域，802.1ad可以用于无线扩展和显示器的连接、通过无线实现快速备份和同步、计算机和手持设备之间的文件传输。图1对这些用例进行了总结。


图1：WiGig/IEEE 802.11ad使用案例。

与2.4GHz和5GHz频段相比，60GHz频段具有更宽的可用频谱——带宽范围在7GHz和9GHz之间，虽然一般来说还有其它频率分配，而且不同地理区域的可用频率和带宽也有所变化。图2显示了用于无线组网的60GHz频段全球频率分配情况。这些频段被划分成2GHz信道。

这些更宽的带宽允许更宽的信道使用低功耗调制机制实现高达7Gbps的更快数据速率，如表1所示。然而，即使是这些数据速率也不足以满足上述应用所期望的要求，因此目前业界的工作专注于开发能够将数据速率进一步提升至30Gbps及以上的技术。


图2：针对WiGig/IEEE 802.11ad的全球频谱分配情况。

WiGig/IEEE 802.11ad规范

低功耗设计是IEEE 802.11ad规范描述的关键特性之一，包括先进的电源管理在内，用于支持手持移动设备和笔记本电脑更长的电池寿命。设备能够在60GHz工作和更低的2.4GHz与5GHz WiFi频率之间无缝地切换。除了HDMI的无线实现外，这种链路还能模拟DisplayPort、USB和PCIe连接。系统中还利用先进的加密算法集成了高等级的安全性。

更重要的是，802.11ad标准支持使用相位阵列天线(PAA)实现波束成形技术，从而最大限度地提高信号强度，实现距离超过10米的通信。

WiGig芯片市场

图2显示了ABI Research公司对不同种类的802.11芯片的出货量预测。到2018年，包含802.11ad的三频段芯片组市场有望达到每年15亿片左右的出货量，而所有种类802.11芯片的总市场规模也不到40亿片。在过去5年中，许多公司开发出了符合802.11ad的射频芯片，都是用的60GHz RF-on-CMOS技术——最初是65nm工艺，后来发展到40nm，如今正向28nm和SiGe过渡。这些产品包括IBM的60GHz PAA芯片、Silicon Image公司的60GHz第三代无线高清PAA芯片以及Wilocity的芯片，而Wilocity已经在交付用于笔记本电脑和移动手机应用的预认证WiGig芯片组。

尽管所有工作重点放在开发射频芯片方面上，以及克服毫米波频率消费设备的设计挑战方面，但在提供控制波束成形功能以及实现协议栈内的物理和MAC功能的能力方面基带同样重要。虽然波束成形本身是使用射频电路中的移相器完成的，但处理器也需要向移相器提供非常快速的指令才能实时控制这个过程。

调制解调器功能的运算强度很高，因为协议要求2Teraops/s以上的数字信号处理能力。在最初开发WiGig原型解决方案时，基带主要是在固定功能的硬件上实现的，但从那以后就向软件定义架构发展了，目的是提供更多的应用灵活性和可扩展性。

在单个处理器上实现2Teraops/s可能导致显著的散热问题(因为需要给这种处理器提供10GHz频率的时钟)，而在传统的多内核系统中，芯片面积将很大。WiGig还要求复杂的2.64GHz数字采样率，这个数值比以前的无线标准高了一个数量级，使得处理架构的最优选择进一步复杂化，因而自然导致考虑并行处理架构，以便支持与目前硅片技术兼容的时钟速度。

基带架构

Blu Wireless公司因此开发出了一种软件定义的基带，专门用于低成本和高功效的WiGig标准实现。虽然软件无线电(SDR)平台总是能提供宽频谱的基带标准来补偿技术开发的成本，但这种方法并不适合WiGig，因为高采样率要求大量的DSP处理。为了平衡成本/效率折衷，可以选择一种可编程性方法——这样就可以在不失去适应性的条件下提供有限范围的有用的WiGig可编程性，并为低成本产品实现接近最优化的解决方案。

Blu Wireless HYDRA基带技术(见图3)利用了异构多处理架构，将固定功能的DSP模块和高度优化的并行矢量DSP整合在一起。这种混合架构提供了一个族群结构的DSP处理器和固定功能模块池，用于优化数据流。每个簇群有一个异构控制器，可自动和最优地利用这些单元，并在执行任务之间关闭一些单元以节省功率。


图3：HYDRA WiGig调制解调器架构。



高层软件使用了一种线程式数据流模型，定义无线DSP管线的软件线程在那里作为一系列互锁线程式子任务中的一个“虚拟管线”按顺序派发。

控制器通过异构DSP资源实现线程式数据流的自动化。这些子任务在每个DSP单元上执行，并由在DSP单元间并行移动数据的数据流完成所驱动。所派发虚拟管线的任意组合可以被派发，而实时数据流定义了执行、时序和顺序。这种方法在使用率和功耗方面都很高效，因为每个独立单元的动态功耗控制可以确保空闲时间处于关闭状态，从而最大限度地减小功耗。

当用40nm CMOS工艺实现时，这种并行矢量DSP处理器的外形尺寸只有个位数的平方毫米面积，它在最优矢量化数据路径中将相当多紧密集成的DSP资源压缩得非常紧密。

这种面积效率是通过动态复用实现的，选择可编程域范围，提供能够在独立的收发DSP管线中动态复用的一定级别硅片资源；用SC、SC-FDE、OFDM、控制PHY以及所有调制编码方案(MCS)等。很高的指令级并行机制(ILP)也是提高芯片效率的关键。

与使用为了满足WiGig性能要求而经过调整了的普通SDR基带平台相比，这种技术在芯片面积和功效方面可以提供4倍以上的优势。