Das WLAN wächst und wächst, und die Analysten von ABI Research gehen davon aus, dass bis Ende 2019 die Zahl der WLAN-Access-Points im Consumerbereich auf 171,5 Millionen und im Enterprisebereich auf 25 Millionen steigen wird. Aus Unternehmenssicht ist BYOD (Bring Your Own Device) der treibende Faktor, wobei auch die Popularität des Cloud-Computing erheblich zu diesem Anstieg beiträgt. Auf der Verbraucherseite zeigt sich eine verstärkte Nachfrage nach dauerhafter Vernetzung im täglichen Leben, um mit Smartphones oder Tablets Videos zu streamen und herunterzuladen, auf Social-Media-Angebote zuzugreifen, online zu spielen oder Fotos zu teilen. Auch die weitreichende Umsetzung des Internet der Dinge (IoT) ist zukünftig zu berücksichtigen, wenn man eine Vielzahl von Dingen in der Industrie, in der Home- und Building-Automation sowie im Consumerbereich, beispielsweise in Form verschiedenster Wearables, einbeziehen muss.

Eckdaten

WLAN-Access-Points müssen künftig immer mehr Clients bedienen, sodass sich die riesigen Signalströme nur mit Technologien der nächsten Generation bewältigen lassen. Ceva hat hierfür eine Signalprozessor-Plattform entwickelt, der die Spezifikation 802.11ac Wave 3 unterstützt.

Um den Herausforderungen bei diesem Wachstum zu begegnen, sind die Erweiterung des Potenzials von WLAN und damit auch Technologien der nächsten Generation erforderlich, die auf der kommenden Wi-Fi-Spezifikation 802.11ac Wave 3 basieren.

Derzeit basieren WLAN-Access-Points vor allem auf der Spezifikation 802.11ac 4×4. Diese Technik wird jedoch bald veraltet sein, da die Bandbreiten-Anforderungen zunehmen, um mehr Daten handhaben zu können. Falls die Untersuchungen von Machina Research zutreffen, wird ein durchschnittlicher US-Haushalt gegen Ende dieses Jahrzehnts über 20 vernetzte WLAN-Geräte verfügen, die sich alle mit dem gleichen Access Point verbinden müssen. Die Enterprise-WLAN-Infrastruktur wird sich sogar noch rasanter weiterentwickeln und es kann hier durchaus möglich sein, dass jeder Access-Point eine noch größere Anzahl von Geräten abdecken muss. Mit dieser hohen Zahl an Clients benötigen Enterprise-Access-Points noch mehr Signalströme als Consumer-Access-Points. Daher finden sich immer mehr 8×8-Antennenkonfigurationen, die bestehende Einzel- oder Doppel-Antennenanordnungen ersetzen.

Neue WLAN-Technik

Die Spezifikation 802.11ac Wave 3 ist entscheidend, um die zu erwartenden Bandbreitenforderungen zu erfüllen. Diese Spezifikation unterstützt im Vergleich zur vorherigen Generation mit bis zu 160 MHz die doppelte Bandbreite, während 802.11ac Wave 1 auf 80 MHz beschränkt ist. Zudem verdoppelt sich mit 8×8-Anordnungen die Anzahl der Antennen, während Wave 1 und Wave 2 auf 4×4-Anordnungen beschränkt sind. Zudem bietet die neue Wi-Fi-Technik MU-MIMO (Multi User – Multiple Input Multiple Output), womit eine große Zahl von Geräteverbindungen möglich ist.

In einem System gemäß 802.11ac Wave 1 kann ein 4×4-Access-Point nur 1×1-, 2×2-, 3×3- und 4×4-Clients nacheinander vernetzen. Dies begrenzt den Durchsatz und die Netzwerkausnutzung, da sich nicht die gesamte 4×4-Kapazität nutzen lässt, vor allem wenn 1×1-Clients angeschlossen sind. In Wave-2-Systemen kann ein 4×4-Access-Point gleichzeitig bis zu vier 1×1-Clients betreuen, wobei jeder dieser Clients das Signal von einem der vier Signalströme erhält. Die Vorteile der 4×4-Funktion liegen in einer besseren Netzwerkausnutzung. Wave 3 geht nun noch einen Schritt weiter.

Design-Erwägungen für Access Points

OEM-Entwicklungsteams, die SoC-Lösungen (System-on-Chip) für aktuelle Wi-Fi-Anwendungen bereitstellen sollen, müssen hochintegrierte Bausteine liefern, die stromsparend und kostengünstig sind und nicht zu viel Platz auf der Leiterplatte einnehmen. Auch die speziellen Besonderheiten der verschiedenen Access-Point-Arten, wie sie im Industriebereich erforderlich sind, sind von den Teams zu berücksichtigen. Bei Enterprise-Access-Points sind durch die große Zahl vernetzter Geräte bis zu acht Signalströme erforderlich, während Domestic-Access-Points für Hausanwendungen, die den größten Markt in den kommenden Jahren repräsentieren, nicht so viel Bandbreite wie Enterprise-Access-Points benötigen, aber immerhin noch vier Signalströme. Für kostengünstige Mobile-Access-Points reichen normalerweise zwei Signalströme aus.

OEMs wollen nicht für jedes einzelne Systemdesign unterschiedliche ICs entwickeln. Es ist aus entwicklungstechnischer und wirtschaftlicher Sicht wesentlich sinnvoller, eine vielseitige Core-Technologie zu entwickeln, die sich an anwendungsspezifische Kriterien anpassen lässt. Damit kann man die vorhandenen Entwicklungsressourcen optimal nutzen, und OEMs können ihre Investitionen schützen, da ein erhebliches Maß an Skalierbarkeit über verschiedene Marktsegmente besteht. Infolgedessen bleiben die Entwicklungskosten und -risiken minimal.

Die SDM-Architektur von CEVA unterstützt die Spezifikation 802.11ac Wave 3.

Die SDM-Architektur von CEVA unterstützt die Spezifikation 802.11ac Wave 3. Ceva

Ein Lösungsansatz dafür ist skalierbares SDM (Software Defined Modem), wie beispielsweise die SDM-Architektur Riviera Waves Stream Wave 3 von Ceva. Diese Datenanbindungsplattform vereint alle notwendigen Hardware- und Softwareelemente, die für die zukünftige Umsetzung von Wi-Fi erforderlich sind. Die Plattform basiert auf einem Hybrid-Ansatz, der festverdrahtete Elemente mit programmierbaren DSP-Cores vereint, um eine Mischung aus hoher Leistungsfähigkeit, kompakter Größe und Flexibilität bereitzustellen. Sie wird zusammen mit einer Referenz-Steuerungs- und Verarbeitungssoftware ausgeliefert, was ein vollständiges, voll funktionsfähiges WLAN-Modem ergibt. Die skalierbare 802.11ac-Wave-3-Modem-Architektur ermöglicht einen 160-MHz-Betrieb, und die Antennenkapazität lässt sich von 2×2 bis zu 8×8 MU-MIMO skalieren.

Da die kritischen Signalverarbeitungsalgorithmen sehr rechenintensiv sind und sich nicht ändern, sind sie in spezieller Logik festverdrahtet, um maximale Leistungsfähigkeit zu garantieren. Die festverdrahteten Blöcke enthalten die Funkschnittstelle (RFU – Radio Interface Unit), die Zeit-/Frequenzeinheit (TFU – Time Frequency Unit), die Bit-Verarbeitungseinheit (BPU – Bit Processing Unit), die QR-Zerlegungseinheit und die MAC-PHY-Schnittstelle. Parallel dazu werden WLAN-Modem-Algorithmen in den DSP-Core integriert, was Flexibilität garantiert und Änderungen am System vereinfacht.

Die Funkschnittstelle steuert konfigurierbare Verarbeitungsblöcke.

Die Funkschnittstelle steuert konfigurierbare Verarbeitungsblöcke. Ceva

Die Funkschnittstelle ist eine mikrocodierte Zustandsmaschine, die konfigurierbare Verarbeitungsblöcke steuert, mit denen sich die Anpassung spezieller Funkimplementierungen vereinfacht.

Die Zeit-/Frequenzeinheit erleichtert den DSP-Ladevorgang.

Die Zeit-/Frequenzeinheit erleichtert den DSP-Ladevorgang. Ceva

Die Zeit-/Frequenzeinheit ist für die FFT/IFFT-Funktion verantwortlich, die den DSP-Ladevorgang erleichtert.

Die Verarbeitungseinheit umfasst eine Reihe von Funktionen auf Bit-Ebene.

Die Verarbeitungseinheit umfasst eine Reihe von Funktionen auf Bit-Ebene. Ceva

Die Bit-Verarbeitungseinheit führt eine Reihe von Befehlen auf Bit-Ebene durch. Im Empfangsmodus handhabt sie das De-Interleaving, Stream-Multiplexing, die Faltungsdekodierung und Teile der Entschlüsselung (Descrambling). Im Sendemodus hingegen führt sie eine Verschlüsselung (Scrambling), Faltungscodierung, Stream-De-Multiplexing und teilweises Interleaving durch.

Die Glättungseinheit filtert die Kanalschätzung im Frequenzbereich, um das Rauschen, das die aus der Präambel abgeleiteten Kanalkoeffizienten beeinträchtigt, zu verringern. Damit verbessert sich die Empfindlichkeit des Systems.

Die QR-Zerlegungseinheit unterstützt die Equalizer-Berechnung sowie die Umsetzung der SVD (Singular Value Decomposition) der Kanalschätzung, um die Strahlformung zu bewerkstelligen.

Das MAC-PHY-Interface ist für die MAC-Schnittstelle verantwortlich und führt verschiedene Operationen durch. Im Empfangsmodus bereitet sie den Rx-Vector der SIG-Felder vor und liefert diesen an den MAC. Im Sendemodus dekodiert der MAC den Tx-Vektor und stellt die enthaltene Information dem Modem bereit.

Die Software kommuniziert mit den festverdrahteten Blöcken über Register und Interrupts. Der Datenaustausch zwischen den festverdrahteten Blöcken und dem programmierbaren DSP-Core erfolgt über eine eigene speicherbasierte Verbindung unter Verwendung der DSP-eigenen Datenspeicherressourcen.

Mit der SDM-Plattform lässt sich eine 8x8-, 8-Stream-, 160-MHz-Architektur umsetzen.

Mit der SDM-Plattform lässt sich eine 8×8-, 8-Stream-, 160-MHz-Architektur umsetzen. Ceva

Auf der SDM-Plattform lässt sich beispielsweise mit zwei Ceva-XC4210 DSP-Cores ein 8×8-Wi-Fi-MU-MIMO-SDM umsetzen, um einen 160-MHz-Betrieb mit acht Signalströmen zu ermöglichen. Während des Betriebs legt man jede Datensymbol-Ausgabe der RIU in den Speicher der TFU-Hardware-FFT, die sie nacheinander an jeder Antenne aktiviert. Die Verarbeitung dieser FFT-Ausgangsabtastwerte erfolgt im DSP, der vor allem für das Phasen-Tracking, die MIMO-Entzerrung und LLR-Berechnungen verantwortlich ist und die Soft-Bits für De-Interleaving und Dekodierung schließlich an die BPU weiterleitet.