Perspective - Wireless Application Virtex-IIによる4Gワイヤレス・システム James A. Watson / Manager, Applications Engineering, Xilinx Inc. [email protected] 4Gワイヤレス・システム・インフラストラクチャの設計者は、無線インターフェイス、暗号化プロトコル、衛星間 相互運用性などの基本システム・アーキテクチャの基準が明確になっていないことを含め、製品開発上難しい問題に 直面しています。このように未解決の問題がいくつかあることから、リスク管理には充分な配慮が必要です。 そうすれば、デザインを規格の変化に対応して進展させることができます。 Virtex®-II FPGAは、はっきりと形態が定まっていない発展途上 動作原理 の規格に基づいてデザインする場合に理想的なプラットフォーム OFDMは他の変調方式と基本的に異なります。実際のところ、 を提供します。Virtex-IIデバイスが本来持つ柔軟性、再プログラム AM、FM、QAM（Quadrature Amplitude Modulation：直交振 可能性、高性能（約0.6テラMAC）といった特長によって、種々 幅変調） 、その他の方法で送信することができるので、OFDMを変 の無線インターフェイス方式やその派生方式をイン・システムで 調方式とは考えない方が良いかもしれません。OFDMは、無線周 容易にテストすることが可能となり、さらにシステム性能を迅速 波を生成、復調するための洗練された数学的手法として定義され に評価することが可能です。また、Virtex-II FPGAを使用するこ たものです。その起源は第二次世界大戦まで遡りますが、無線通 とにより、マルチキャリアCDMAやQAM変調OFDMなどのハイ 信への応用は最近のことです。 ブリッド・システムの開発も容易に可能となります。 OFDMにおける副搬送波のパルス波形は矩形です。パルスの形 成と変調は簡単な逆離散フーリエ変換（IDFT）によって行われま 直交周波数多重分割方式（OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 現在注目を集めている主要な4G開発技術に、CDMAとOFDM すが、Virtex-II FPGA内ではこれを逆高速フーリエ変換（IFFT） として極めて効率的に行うことができます。送信を復号するため にレシーバが必要とするのは、FFTだけです。 があります。コード分割多重方式（CDMA: Code Division 図1を見て分かるように、副搬送波の周波数域は部分的に重なっ Multiple Access）はよく知られた規格であり、数年前から採用 ています。IFFTを使用することにより副搬送波の間隔は変化し、 されています。しかし、OFDMは比較的新しいもので、技術的に 受信信号のターゲット周波数（矢印で表わされた位置）では他の 変更を加えた多くの変更版があり、Nokia、Cisco、Lucent、 信号はゼロになります。これは「周波数直交」と呼ばれます。こ Philips Semiconductor各社が支持しています。このOFDMは周 れに対して、ダイレクト・シーケンスCDMAではWalshコードを 波数ホッピングCDMAやダイレクト・シーケンスCDMAに代わる 使用してコードの直交性を実現しています。 規格として注目され、次世代ワイヤレスLANや大都市ネットワー ク向きの優れた技術として位置付けられています。OFDMでは、 図1 複数のローカル・オシレータを使用することなく周波数利用効率 振幅 の 良 い 方 法 で マ ル チ パ ス 歪 み を 除 去 で き る こ と か ら、 I E E E 802.11aおよび802.16ワーキング・グループの支持を得てきま OFDMにより高い周波数利用効率が可能 割り当て帯域幅 ユーザ した。しかし、多くの主要企業が採用しているにもかかわらず、 OFDMはワイヤレス・システムの主流をなすには至っていません。 1 最近、Adaptive Broadband社のマーケティング担当副社長 2 3 4 5 6 Todd Carothers氏が次のように述べています。 「当社は、あるア プリケーション向けに商用OFDMシステムを開発しました。移動 体通信において真に有利なのはOFDMだというのが我々の考えで 周波数 すが、固定局については必ずしもそうではありません。一個の固 定局と複数の固定局の間の通信には、依然としてアダプティブ TDMA（Time Division Multiple Access）が最良の技術である と考えています。この技術による我々のシステムは最速であり、 最も広く使われています。 」 WiLAN社のPhilip Gee氏は次のように述べています。 「OFDM とCDMAが、現在いくつかの同じワイヤレス市場で争っている最 OFDMとVirtex-IIアーキテクチャ Virtex-II FPGAにはアーキテクチャ上の利点がいくつかあり、 これによって非常に効率的なOFDMシステムを実装することがで きます。 中であることは事実です。しかし我々としては、OFDMがいくつ かの点で非常に優位に立っていると考えています。 」 マルチプライヤ Virtex-II FPGAは、2の補数を使用する18×18符号付マルチプ ライヤをいくつも備えており、ブロックSelectRAMTMメモリと組 23-1 み合わされています。この組み合わせによって複素数の被乗数係 とができるのは、Virtex-II FPGAだけです。これに代る、より良 数への高速アクセスが可能になるため、極めて高性能な算術計算 いプラットフォームはありません。 を行うことができます。マルチプライヤが重要となる理由は、 本来の規格に、新たな内容のOFDMが加えられた場合を考えて FFTアルゴリズム自体の性質を考えれば解ります。すなわち、そ みます。これは充分に考えられることです。従来のASICでは、こ れは一連の乗算・累積演算に分解されるからです。 のパスのアップグレードに非常な困難が伴います。設備業者は電 柱に登ったりビルの屋上に上がったりして、基地局の基板を手作 デジタル・クロック・マネージメント 業で交換しなければなりません。これら基地局の多くは、世界中 OFDMをうまく実装するには、レシーバとトランスミッタを完 至るところに、通常は非常に高い位置に設置されています。基地 全に同期させる必要があります。トランスミッタのデータ・クロ 局に従来のASICを使用した場合は、このようにコストと危険が伴 ックとの同期は必ず取らなければなりませんが、搬送波のリカバ うパスのアップグレードも維持コストに加わってきます。 リが必要なのはコヒーレント検波レシーバの場合だけです。この ここで、Virtex-II Platform FPGAを使用した基地局を考えてみ レシーバでは、送信されたデータ・シンボルを適切なタイミング ましょう。セルラー基地局のコンフィギュレーション変更は、中 でサンプリングできる様にデータ・クロックをリカバリします。 央のオフィスから新しいVirtex-IIコンフィギュレーション・ファイ Virtex-IIデバイスでは、times-two、early-late、あるいはzero- ルを送信するだけで済みます。この方法はネットワークのどの部 crossingクロック・リカバリなどのアルゴリズム手法を実装する 分にでも利用できるので、ハードウェアを交換することなくネッ ことができます。これらの処理は、すべてデジタル・ドメインで トワーク全体のコンフィギュレーションを自動的に設定し直すこ 行われます。Virtex-IIのデジタル・クロック・マネージャ（DCM） とができます。このような機能によって、より迅速に市場に製品 を使用すれば、これらのアルゴリズム手法も問題なく実装するこ を送り出し、基地局の旧式化を防ぐことができます。 とができます。たとえば、Virtex-IIデバイスのDCMは、DDS Virtex-IIを使用したOFDM基地局は、使用するシリコンのエリ （Direct Digital Synthesis：ダイレクト・デジタル合成）コアと アと性能のトレード・オフが可能であるという、もう1 つの柔軟 共に、受信データを復調するために必要となる複素数の正弦曲線 性を備えています。上記に述べたビジネス上の成功要因を考えて を作成することができます。これら複素数の正弦曲線のタイミン みましょう。フィールドでのトライアルと顧客テストによって、 グや位相は、データ・リカバリ・クロックによって管理され、 平均的な顧客はそれほど大きな帯域幅を必要としないことが明ら DCMのタイミング制御によって簡単に調整することができます。 かになった場合は、OFDMアルゴリズムのターゲットを設定し直 DCMはこの他にも、クロックのスキュー除去や周波数合成を含め、 して、より汎用的なロジックを使うように変更することができま トランスミッタとレシーバの同期にとって極めて重要な処理を行 す。この変更をうまく行えば、同じデバイスでより多くのチャンネ います。 ルを使うことが可能になります。基本的にVirtex-II Platform FPGA DCMは、デジタル遅延を追加することにより、受信器のローカ ル周波数を基準にして受信信号のスキュー除去を行うこともでき は、シリコンのエリアと性能のトレード・オフを動的に行うこと が可能です。 ます。これによって、レシーバのローカル周波数に対し、遅延は 伴いますが位相が完全にアラインメントされた信号が得られます。 結 論 Virtex-II DCMは、グローバルなクロック・リソース、汎用ロ Virtex-IIファミリは、次世代ワイヤレス・ブロードバンド・サー ジックの相互接続、I/Oパッドを同時にドライブ可能で、ロジック ビスに必要とされる厳しいデジタル信号処理要求を満たす唯一の の配置において最大限の柔軟性を得ることができます。 製品です。高速マルチプライヤやDCMなど、専用高性能ロジック による、一連の強力な機能は、極めて柔軟な高性能汎用ロジック 高性能 先進的ワイヤレス・システム実装にあたってのVirtex-IIファミリ と相まって、ワイヤレス・デザイン用の最適ソリューションを提 供します。 の最も優れた特長は、処理能力が極めて高いことです。これによ って、ASICなど他の実装では望むことのできない非常に自由度の 高いデザインが可能になります。この利点をよく理解するために、 次の例を考えてみます。 OFDMのフィールド展開の例 この例では、無線サービスのプロバイダによってOFDMシステ ムが実験ベースで展開されているものとします。 システムは都市部に展開されていますが、この事業を成功させ るためには、以下に挙げるように解決しなければならないビジネ ス上の要因が多数あります。 ● 現在、新たに出現しているブロードバンド・ワイヤレス・サー ビスのうち、どのサービスの需要が高まるのか。 ●加入者ごとのバンド幅のピークはどのくらいか。 ●サービス別の加入者ごとの平均バンド幅はどのくらいか。 ●新しいサービスの差別化に利用できるのは、どのサービス品質 （QOS）要因か。 フィールドでのトライアルにおいてこれらの問題に対応するこ 23-2
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