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“ワイヤレス データ スループットの爆発的な増加に伴い、デジタル信号処理テクノロジと無線機器は、改善を迫られています。現在注目されているのは4G LTEです。 4G ネットワークは、世界中で大規模に展開されています。そして現在、5G ネットワークの初期の研究開発作業も開始されており、その目標は 4G ネットワークに基づいてデータ容量を数千倍に増やすことです。この新たな技術開発により、システム メーカーは、システム統合とシステム パフォーマンスを向上させ、システムの部品表 (BOM) コストを削減し、設計の柔軟性を高め、市場投入までの時間を短縮しなければならないという、新しく進化する要求を課されています。

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著者: Gu Yuan、ザイリンクス通信部門シニア マネージャー

ワイヤレス データ スループットの爆発的な増加に伴い、デジタル信号処理テクノロジと無線機器は、改善を迫られています。現在注目されているのは4G LTEです。 4G ネットワークは、世界中で大規模に展開されています。そして現在、5G ネットワークの初期の研究開発作業も開始されており、その目標は 4G ネットワークに基づいてデータ容量を数千倍に増やすことです。この新たな技術開発により、システム メーカーは、システム統合とシステム パフォーマンスを向上させ、システムの部品表 (BOM) コストを削減し、設計の柔軟性を高め、市場投入までの時間を短縮しなければならないという、新しく進化する要求を課されています。

従来の ASIC デバイスによって実現されるハードウェア ソリューションは、電力とコストの目標を達成できますが、付随的なエンジニアリング コスト (NRE) が高く、柔軟性が低く、市場投入までの時間が長くなります。これらの要件を満たし、これらの課題に対処するために、ザイリンクスは All Programmable SoC (APSoC) アーキテクチャを業界に導入し、それを Zynq-7000 製品ファミリに正常に実装しました。

図 1: Zynq-7000 All Programmable SoC アーキテクチャ

Zynq APSoC デバイスに基づいてワイヤレス アプリケーションを構築する場合、アプリケーションのニーズを満たすオペレーティング システムを選択する必要があります。この目的のために、さまざまなワイヤレス アプリケーションについて、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。

1. キャリアレベルの運用能力: キャリアレベルのシステムの場合、システムの信頼性は通常 99.999% に達する必要があります。ユニットの信頼性は、通常の運用時間中にこれほど高くなければなりません。運用上の観点からは、コールド/ウォーム スタート、障害監視、検出と処理、冗長性などのシステム機能のサポートを表します。

2. リアルタイム処理: リアルタイムとは、単に「非常に速い」だけでなく、予測可能な応答時間を意味します。リモート RF ユニットには、ワイヤレス バックホール処理とは異なるリアルタイム要件があります。無線機器の信号処理タスクは重く、信号処理をサポートするために使用されるプロセッサは、厳しいタイミング バジェット要件を満たす必要があります。

3. 診断: 現場診断と事後診断をサポートするために、大量のパフォーマンス測定データとログ データを収集して保存する必要があります。したがって、パフォーマンス測定と統計指標、CPU 使用率と障害監視指標、OS タスク切り替え指標、イベント履歴指標など、ワイヤレス アプリケーションにとって重要ないくつかの重要な指標を追跡および管理する機能が必要です。

4. ツールとプロトコルの統合: デバッグ環境と診断環境の完全な統合、および一部の OS ベンダーが提供する特定のネットワーク プロトコル スタックは、設計者が効果的なシステムを開発および維持するのに役立ちます。

Zynq SoC には、2 つの ARM Cortex A9 コアが統合されています。ソフトウェア アーキテクトは、現在サポートされている 2 つのマルチプロセッサ アーキテクチャ、SMP (対称型マルチプロセッシング) または AMP (非対称型マルチプロセッシング) から選択する必要があります。図 2 に示すように、SMP システム アーキテクチャでは、2 つ以上の同一のプロセッサがリソースを共有し、OS インスタンスを実行します。理論的には、このアーキテクチャは、同じ OS インスタンスの下ですべてのプロセッサを同等に扱います。対照的に、AMP アーキテクチャでは、OS インスタンスの有無にかかわらず、各プロセッサの扱いが異なり、プロセッサは互いに分離されています。 OS のないカーネルは、「ベア メタル」インスタンスと見なされるマイクロコードを実行している可能性があります。

一般に、SMP は、より高いレベルのアプリケーションに統合された OS プラットフォームを提供します。ソフトウェア アーキテクトは、2 つのコア間のリソース共有やプロセス間通信について考えることなく、OS 上にアプリケーションを構築します。さらに、SMP にはパフォーマンス オーバーヘッドがあり、タイム クリティカルなワイヤレス アプリケーションのパフォーマンスに悪影響を及ぼす可能性があります。 SMP と AMP を比較すると、OS インスタンスを実行する場合、AMP はより単純なソフトウェアを備えており、オーバーヘッドの問題はほとんどまたはまったくありませんが、プロセッサ リソースの共有とプロセッサ間通信を実現するには、慎重にカスタマイズされたソフトウェア設計が必要です。

図 2: SMP と AMP の比較

Zynq APSoC デバイスを使用すると、無線周波数やワイヤレス バックホールなどのさまざまな重要なワイヤレス アプリケーションを非常に効率的に実装できます。各ワイヤレス アプリケーションにはさまざまなパフォーマンス要件があり、OS がさまざまな機能をサポートする必要があります。 RF アプリケーションは、すべてのデジタル フロントエンドおよび処理機能をカバーする完全に統合されたハードウェアおよびソフトウェア ソリューションを Zynq が使用している好例です。

RF デジタル フロントエンド アプリケーションは、4G ネットワークにおける典型的なリモート無線ユニット (RRH) の主要コンポーネントです。このアプリケーションの処理要件は、信号処理と制御処理に分けることができます。信号処理では、Zynq を使用して、デジタル アップコンバージョン/ダウンコンバージョン用の高サンプル レート フィルター、クレスト ファクター リジェクション (CFR)、およびデジタル プリディストーション (DPD) を実装できます。 DPD は特殊なケースで、Zynq の PS と PL の両方が必要です。

DPD 処理は、高速データ パスと更新パスに分割できます。更新パスは、フィルター バンクの係数を定期的に更新するために使用され、ARM Cortex A9 コアでの実装に適しています。通常、係数の更新は数ミリ秒から数十ミリ秒以内に完了する必要があります。演算の複雑さを考慮すると、A9 コアと組み込みの NEON SIMD ベクトル演算ユニットを組み合わせて、必要な高性能を満たすことができます。さらに、Zynq PL はプロセッサ サイクルを集中的に使用する機能のハードウェア アクセラレーションをサポートしているため、Zynq PL、ARM A9 コア、および NEON コプロセッサを協調して使用できます。

無線の制御処理側は、通常、最初の無線キャリブレーション、構成、アラート、スケジューリング、およびネットワーク メッセージのダウンリンクに使用されます。これは通常、無線アプリケーションの高性能には必要ないため、Zynq の ARM A9 コアの 1 つを使用して簡単に管理できます。

DPD アプリケーションと制御処理アプリケーションをサポートする適切なアーキテクチャを選択することは、全体的なパフォーマンス、信頼性、および保守のしやすさを決定するため、重要です。

ワイヤレス RF アプリケーションに選択される一般的なアーキテクチャは AMP モードです。このモードでは、完全な ARM コアが DPD 処理専用のベア メタルを実行し、DPD 係数を更新するための時間要件を満たすために、より大きな計算マージンを提供します。制御や OAM などの他のアプリケーションは、OS によって制御される 2 番目の ARM A9 コアで実行されます。このアーキテクチャでは、OS は 2 つの ARM コアの 1 つだけを制御するため、OCM (オンチップ メモリ) や共有メモリなどを使用して、2 つの別個のコアで実行されるアプリケーション間でプロセッサ間チャネルを確立する必要があります。これは、DPD モジュールの状態を監視するために使用されるものなど、一部の重要な制御アプリケーションにとって重要です。このようなプロセス間通信 (IPC) ソリューションは非標準であり、AMP モードで個別に開発する必要があります。

SMP アーキテクチャは非常にシンプルで直感的で、単一の OS インスタンスを使用して 2 つの ARM コアを制御し、アプリケーション全体を制御します。 IPC、デバッグ、サポート ツールチェーンはすべて同じ OS の下にあります。リソースを DPD アプリケーション専用にするために、「コア アフィニティ」や「割り込みマスキング」などの特殊な手法をソフトウェア アプリケーションで使用できます。前者の場合、DPD アプリケーションは 1 つのコアのみで実行されます。つまり、他のタスクはリソースを共有しません (OS スケジューラのオーバーヘッドを除く)。後者の場合、割り込みサービス (DPD アプリケーション トリガーを除く) は、2 番目のコアで実行するように転送されます。このようにして、リソースは DPD アプリケーションによって完全に利用されます。

したがって、Zynq APSoC は AMP または SMP アーキテクチャをサポートする理想的なプラットフォームです。図 3 に示すように、Zynq はデュアル コア ARM プロセッサ、12.5Gb/s シリアル トランシーバー (SerDes)、信頼性の高い 500MHz+ DSP を統合し、DPD、CFR、DUC/ DDC および CPRI/JESD インターフェイス。このソリューションは、プロセッサと別の FPGA の間のインターフェイスを提供する必要をなくすことで、PCB 設計を簡素化します。

ディスクリート マルチチップ ソリューションから Zynq プラットフォーム上のシングルチップ統合ソリューションへの移行は、シンプルかつ直感的です。ザイリンクスは、Zynq へのスムーズな移行を促進するための包括的で包括的なハードウェアおよびソフトウェア ソリューションを提供します。これには、DUC、DDC、CFR、および DPD 用のデジタル信号処理 IP ライブラリが含まれます。さらに、デバイス ドライバー、ブートローダー、BSP テンプレート、共通ツールなど、さまざまな OS ソリューションがサポートされています。 Zynq プラットフォームに正常に移植されたソリューションは、システム パフォーマンスを大幅に向上させ、全体的な消費電力を削減し、部品表 (BOM) コストを削減できます。

図 3: ディスクリート ソリューションから Zynq ソリューションへの移行

この記事では、ワイヤレス アプリケーションのオペレーティング システムを選択する際に考慮すべき主な要素、ワイヤレス アプリケーションの実装アーキテクチャとその考慮事項 (AMP と SMP)、およびザイリンクス Zynq 7000 デバイスでの上記の直接的な適用について説明します。要約すると、ザイリンクスのこれらの高度なデバイスは、ワイヤレス ネットワーク インフラストラクチャの設計者がソフトウェアとハ​​ードウェアの完全なプログラマビリティを実現すると同時に、パフォーマンスを向上させ、システム統合を促進し、総部品表 (BOM) コストと総システム電力を削減するのに役立ちます。市場投入までの時間を短縮します。設計者は、デバイスをより迅速に開発できるだけでなく、デバイスの展開が完了した後もずっとフィールド アップデートを提供し続け、ASSP や ASIC などのデバイスに関連するリスクを回避できます。