Details

Abstrakt in Englisch

Mobile communication standards with each new generation have enabled a new set of technologies that better the everyday human experience, and for those pioneers treading the unknown - opportunities. The physical layer (PHY) specifications of the fifth generation of mobile communications introduce variable timing constraints in the form of variable transmission time interval, depending on the subcarrier spacing configuration, along with the expansion of the throughput requirements. With the sixth generation expected to continue stretching the breadth of these requirements - even stricter timing constraints and use case dependant highly variable throughput, the significance of efficient PHY implementations is likely to become an opportunity for differentiation in the modem chip market. One way to handle the increased variability in PHY processing is with the application of the flexible digital signal processor (DSP) technology. In that light, the thesis sets its primary goal to analyse the applicability of DSPs in adapting the PHY system to operational circumstances and specific performance requirements. The flexibility of the DSP as a platform enables a high degree of freedom in mapping the PHY functionality and allows a trade-off between latency and efficiency in an implementation given some performance requirements like varied PHY timing constraints and throughput. Therefore, the secondary goal is to analyse the benefits of the latency-efficiency trade-off in PHY mapping on DSPs in respect to PHY specification requirements. To enable an investigation into these two goals the thesis proposes a framework for implementation of PHY signal processing algorithms for the next generation of specifications. To connect the implementation aspects and the specification requirements the framework places every implementation (hardware architecture, clock frequency, software implementation, signal processing algorithm, and workload size combination) on a two-dimensional rate-latency diagram, proposed to be called kernel timing response. The kernel timing response is used as a tool that captures changes between different implementations and use case requirements to help select the best-suited implementation for the given use case constraints. Although this method is developed to help analyse the applicability of DSPs, it can be easily adapted for analysis and optimisation of implementation on other machines with varied use case latency and throughput requirements. The proposed framework is then applied to investigate the application aspects of a very long instruction word (VLIW) single instruction, multiple data (SIMD) DSP in the implementation of multicarrier modulation filtering and channel estimation PHY processing steps, given the requirements at the intersection of the fifth and the sixth generation mobile communications. The analysis shows that the programmable vector processor platforms, like the VLIW SIMD DSP, are indeed well suited for the implementation of some of the key PHY processing steps under high-end requirements. The findings point to a to a high utilisation of parallel processing functional units under a limited clock frequency envelope and ability to mitigate the impact of varying timing constraints on the required frequency clock through low-cost mapping of algorithmic optimisations to specific use cases on software.

Abstrakt in Deutsch

Mobile Kommunikationsstandards haben mit jeder neuen Generation eine neue Reihe von Technologien ermöglicht, die die alltägliche menschliche Erfahrung verbessern, und für jene Pioniere, die das Unbekannte betreten - bieten sich unternehmerische Chancen. Die Spezifikationen der Physical Layer (PHY) der fünften Generation der Mobilkommunikation führen variable Zeitvorgaben in Form von variablen Transport Time Interval ein, in Abhägigkeit von der Subcarrier Spac- ing Configuration, sowie eine Erhöhung der Durchsatzanforderungen. Mit der sechsten Generation werden diese Anforderungen voraussichtlich noch weiter erhöht - noch strengere Zeitvorgaben und ein vom Anwendungsfall abhängiger, hochgradig variabler Durchsatz - Effizientere PHY-Implementierungen werden, zur Differenzierung auf dem Markt für Modemchips an Bedeutung gewinnen. Einer Variante, zur Bewältigung der erhöhten Variabilität in der PHY-Verarbeitung, ist der Einsatz der flexiblen digitalen Signalprozessor (DSP) Technologie. Vor diesem Hintergrund ist das primäre Ziel dieser Arbeit das primäre Ziel, die An- wendbarkeit von DSPs bei der Anpassung des PHY-Systems an verschiedene Betriebsbedingungen und spezifischen Leistungsanforderungen zu analysieren. Die Flexibilität des DSP als Plattform ermöglicht ein hohes Maß an Freiheit bei der Abbildung der PHY-Funktionalität und ermöglicht einen Kompromiss aus Latenz und Effizienz in einer Implementierung bei Leistungsanforderungen sowie unterschiedliche PHY-Zeitvorgaben und Durchsatz. Das sekundäre Ziel dieser Arbeit ist daher die Analyse der Vorteile des Kompromisses zwischen Latenz und Effizienz bei der PHY-Abbildung auf DSPs, im Hinblick auf die Anforderungen der PHY-Spezifikation, zu analysieren. Um eine Untersuchung dieser beiden Ziele zu ermöglichen, schlägt die Arbeit ein Framework für die Implementierung von PHY-Signalverarbeitungsalgorithmen für die nächste Generation von Spezifikationen vor. Um die Implementierungsaspekte und die Spezifikationsanforderungen miteinander zu verbinden, stellt das Framework jede Implementierung (Hardware-Architektur, Taktfrequenz, Software-Implementierung, Signalverarbeitungsalgorithmus und Workload-Größenkombination) in ein zweidimensionales Raten-Latenz-Diagramm, das als Kernel Timing Response bezeichnet wird. Die Kernel-Timing-Response wird als Werkzeug verwendet, das Änderungen zwischen verschiedenen Implementierungen und Anwendungsfallanforderungen erfasst, um die Auswahl der am besten geeigneten Implementierung für den gegebenen Anwendungsfall zu unterstützen. Obwohl diese Methode entwickelt wurde, um die Anwendbarkeit von DSPs zu analysieren, kann sie leicht für die Analyse und Optimierung von Implementierungen auf anderen Architekturen mit unterschiedlichen Anforderungen an Latenzzeiten und Durchsatz angepasst werden. Das vorgeschla gene Framework wird angewandt, um die Anwendungsaspekte einesVery Long Instruction Word (VLIW) Single Instruction Multiple Data (SIMD) DSP bei der Implementierung von Mehrträgermodulationsfilterung und Kanalschätzungs-PHY-Verarbeitungsschritten, angesichts Anforderungen an der Schnittstelle zwischen der fünften und der sechsten Generation der mobilen Kommunikation zu untersuchen. Die Analyse zeigt, dass die programmierbaren Vektorprozessorplattformen, wie der VLIW SIMD DSP, tatsächlich gut für die Implementierung einiger der wichtigsten PHY-Verarbeitungsschritte unter High-End-Anforderungen geeignet sind. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Ausnutzung der parallelen Verarbeitungsein heiten, bei gleichzeitig begrenzter Taktfrequenz und die Fähigkeit der Reduzierung des Einflusses der benötigten Taktfrequenz durch eine günstige Abbildung von Software-Optimierungen für spezifische Anwendungsfälle.