Rekonfigurierbare Hardwareplattformen für die Sicherungsschicht in Mobilfunksystemen

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1 Rekonfigurierbare Hardwareplattformen für die Sicherungsschicht in Mobilfunksystemen Dipl.-Ing. Thilo Pionteck Professor Dr. Dr. h. c. mult. Manfred Glesner Technische Universität Darmstadt Institut für Datentechnik Lehrstuhl für Mikroelektronische Systeme Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Manfred Glesner Karlstrasse Darmstadt

2 Übersicht Projektvorstellung Problemstellung Eigene Vorarbeiten Ziele Projektplan Zusammenfassung

3 Problemstellung Schnelle Abfolge / Weiterentwicklung von Mobilfunkstandards Beispiel: OFDM basierte WLANs IEEE HiperLAN/2 MAC-Layer Physical-Layer Physical-Layer MAC-Layer CSMA Zugriffsverfahren.11e QoS Erweiterung.11a 5 GHz 54 Mb/s 5 GHz 54 Mb/s TDMA Zugriffsverfahren.11f Inter-AP Protokol/l Roaming.11g 2.4 GHz.11h Spektrum / Leistungs Management 54 Mb/s.11i Sicherheits / Authentifizierungs Erweiterung

4 Problemstellung Hardware-Entwurfsraum Flexibilität Granularität Grad der (dynamischen) (Re)konfiguration Einzelchiplösung / Hardwarebeschleuniger Rekonfigurierbarer Prozessor / Anwendungsspezifischer Entwurf Konfigurationsmanagement interne Kommunikationsstrukturen (NoC) CPU Rekonfigurierbare Hardware FPGA ASIC Auswahl der geeigneten Hardwareplattform Leistungsverbrauch Rechenleistung

5 Problemstellung Fragestellung: Welche Hardwarearchitektur eignet sich für die Realisierung des Physical- bzw. MAC - Layers? Der Physical-Layer von WLAN-Standards eines Übertragungsverfahrens (OFDM) unterscheidet sich nur marginal. Es wird nur eine eingeschränkte Flexibilität benötigt. Standardlösung : ASICs Es existieren bereits auch einige Lösungenvorschläge auf der Basis von rekonfigurierbaren Architekturen Die großen Unterschiede in den WLAN-Standards liegen in der Sicherungsschicht (MAC-Layer) Multistandardfähige Lösungen erfordern ein hohes Maß an Flexibilität Standardlösung : Software Geeignetes Anwendungsgebiet für den Einsatz rekonfigurierbarer Hardware

6 Eigene Vorarbeiten DReAM: Dynamisch rekonfigurierbare Architektur für CDMA-basierte Mobilfunksysteme Anwendungsbeispiel: Rake-Receiver

7 Eigene Vorarbeiten Hardwareentwurf für Mobilfunksysteme Orthogonal Frequency Division Multiplexing Aufbau und Simulation einer OFDM-basierten WLAN Simulationsstrecke mit CoCentric HiperLAN/2 Standard Evaluierung von neuen Konzepten. Bsp.: verbesserte Kanalschätzung/Entzerrung verschiedene Synchronisationsmetriken Hardwareentwurf Bitbreitenbestimmung Tradeoff zwischen Hardwareaufwand und Leistung Cosimulation von Hardware und Softwarelösung FPGA Prototyping

8 Eigene Vorarbeiten Funktionsspezifische dynamisch rekonfigurierbare Architektur für den OFDM-basierte WLAN Empfänger (Basisband)

9 Ziele Ziel: Methodische Untersuchung der Eignung (dynamischer) Rekonfigurierbarkeit für die Hardwarerealisierung einer flexiblen Sicherungsschicht Systematische Entwicklung standardunabhäniger Lösungsschemata Rekonfiguration: Ermöglicht die Multistandardfähigkeit einer Hardwareplattform Identifikation geeigneter gleichartiger Funktionen z.b.: Kanalzugriffsverfahren, Verschlüsselungsalgorithmen Dynamische Rekonfiguration: Ausnutzung des Potentials dynamisch rekonfigurierbarer Architekturen Reduzierung des Hardwareaufwandes Gewährleistung einer bestimmten Dienstgüte (QoS) Anwendung dynamischer Rekonfiguration» Anpassung des Zeitfensters (TDMA), Modulationsverfahrens... Vorteile des Einsatzes einer dynamisch rekonfigurierbaren Plattform gegenüber einer reinen Softwarelösung

10 Ziele Entwicklung eines rekonfigurierbaren Prototypen Rekonfigurierbare Hardwareplattform der Startphase MAC (Kanalzugriffsverfahren) TDMA DCF PCF (HiperLAN/2) (IEEE a)

11 Ziele Entwicklung eines rekonfigurierbaren Prototypen Mögliche Erweiterungen der Hardwareplattformen Verschlüsselungsalgorithmen MAC (Kanalzugriffsverfahren) TDMA DCF PCF (HiperLAN/2) (IEEE a)

12 Ziele Entwicklung eines rekonfigurierbaren Prototypen Mögliche Erweiterungen der Hardwareplattformen Dienstgüte Verschlüsselungsalgorithmen MAC (Kanalzugriffsverfahren) TDMA DCF PCF (HiperLAN/2) (IEEE a)

13 Ziele Entwicklung eines rekonfigurierbaren Prototypen Mögliche Erweiterungen der Hardwareplattformen Hardwarekomponenten der Sicherungsschicht Dienstgüte Verschlüsselungsalgorithmen MAC (Kanalzugriffsverfahren) TDMA DCF PCF (HiperLAN/2) (IEEE a)

14 Ziele Entwicklung eines rekonfigurierbaren Prototypen

15 Ziele Testumgebung Monitoring Software Basisband (OFDM) Radio Front-End MAC-Layer Dynamisch rekonfigurierbarer Prototyp Basisstation Mobilteil

16 Projektplan Aufteilung in 5 Arbeitspakete AP1: Klassifizierung und Charakterisierung von dynamisch rekonfigurierbaren Hardwarearchitekturen Entwicklung von Methoden zur Bestimmung von grundlegenden Charakteristika rekonfigurierbarer Architekturen für eine Anwendung Ausgehend von zu realisierenden Algorithmen Algorithmen der Sicherungsschicht Eingrenzung des Entwurfsraumes Ausgangspunkt für die nachfolgenden Arbeitsschritte

17 Projektplan AP2: Realisierung der Funktionalität der Sicherungsschicht Implementierung von ausgewählten Funktionen der Sicherungsschicht in Software Generierung von Soll-Performanzwerten Hardwarerealisierung der betrachteten Funktionen Vergleich mit den zuvor generierten Soll-Performanzwerten Bewertung der Hardwarerealisierung hinsichtlich Datendurchsatz Leistungsverbrauch Gatteranzahl Startkonfiguration für die zu entwickelnde dynamsich rekonfigurierbare Hardwareplattform

18 Projektplan AP3: Dienstgüteanforderungen und dynamische Rekonfigurierbarkeit Untersuchung hardware-orientierter Mechanismen zur Unterstützung der Dienstgüteanforderungen in der Sicherungsschicht Eingang Funktion F i e H i a H i Ausgang D H i Dynamisch rekonfigurierbare Hardware H H H H H H Q( ai ) = R( Di, Q( ei )) Dynamische Aufteilung der vorhandenen Hardwareressourcen zwischen unterschiedlichen Funktionen F i zur Gewährleistung einer bestimmten Dienstgüte Identifikation der Grenzen des dynamischen Raumes für Funktionen Latenzzeit, Datendurchsatz

19 Projektplan AP4: Ableitung von Kostenfunktion Ziel: Erkenntnisse aus Einzelfalllösungen verallgemeinern Unterstützung von automatisierten Werkzeugen Ableitung von Kostenfunktionen Bewertung der Implementierung von Funktionen mit Hilfe von rekonfigurierbaren Hardwareplattformen Vergleich unterschiedlicher Ansätze dynamischer Rekonfigurierbarkeit

20 Projektplan AP5: Entwicklung und Test eines Prototypen Zur Auswertung der Performanz der entwickelten dynamisch rekonfigurierbaren Lösung Nachbildung realistischer Übertragungsbedingungen Analyse verschiedener Übertragungsmodi Vergleich mit Softwarerealisierung Testsystem soll bestehen aus Basisstation und mindestens einem Mobilteil RF Front-End und Basisband (z.b. Intersil Chipsätze) Realisierung der dynamisch rekonfigurierbaren Hardware mit Hilfe von FPGAs

21 Zusammenfassung Methodische Untersuchung der Eignung dynamisch rekonfigurierbarer Architekturen für die Sicherungsschicht Realisierung von Funktionen der Sicherungsschicht auf einer zu entwickelnden rekonfigurierbaren Hardwareplattform Mögliche Kandidaten: Kanalzugriffsverfahren, Verschlüsselungsalgorithmen Unterstützung von Dienstgüteanforderungen durch dynamische Rekonfiguration Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung von rekonfigurierbaren Architekturen Ableitung von verallgemeinerten Entwurfmethoden und metriken Systematische Entwicklung Standardunabhäniger Lösungsschemata Zur Unterstützung eines automatisierten Entwurfsprozesses Entwicklung und Test eines Prototypen

22 Kooperationsmöglichkeiten Überschneidungen zu den Gebieten Entwurfsmethodik Basierend auf Erfahrungen beim Hardwareentwurf für die Sicherungsschicht soll eine Ableitung allgemeiner Entwurfmethoden erfolgen Von Anwendung auf Methode Analyse / Architekturen Ableitung von Kostenfunktion für eine Bewertung Architektur Mehraufwand der Flexibilität