Latenzverringerung in Basisbandprozessoren am Beispiel eines hochratigen OFDM-Kommunikationssystems

Latency reduction in baseband processors using a high-rate OFDM communication system as an example

  • In modernen digitalen Übertragungssystemen ist der gesamte Datendurchsatz nicht mehr allein durch die Datenrate – z. B. aufgrund der begrenzten Bandbreite – eingeschränkt. Stattdessen haben die bei der Verarbeitung entstehenden Latenzen einen immer größeren Einfluss auf die erzielbare Systemperformance. In der Fachliteratur beschriebene Untersuchungen zur Latenzverringerung in digitalen Basisbandprozessoren beschränken sich meist auf die Optimierung eigenständiger Module. Im Rahmen dieser Arbeit werden, basierend auf einer Untersuchung der Basisbandmodule auf ihren Latenzbeitrag und einer Darstellung der Latenzauswirkungen, bestehende Verfahren der Latenzverringerung evaluiert und neue Verfahren zur Latenzreduktion entworfen. Die praktischen Auswirkungen werden dabei anhand der Latenzmodellierung eines bestehenden 60 GHz-OFDM-Kommunikationssystems aufgezeigt. Die zur Anwendung der neu entworfenen Verfahren notwendigen strukturellen Änderungen in der Basisbandverarbeitung werden detailliert dargestellt. Weiterhin wird eine allgemeineIn modernen digitalen Übertragungssystemen ist der gesamte Datendurchsatz nicht mehr allein durch die Datenrate – z. B. aufgrund der begrenzten Bandbreite – eingeschränkt. Stattdessen haben die bei der Verarbeitung entstehenden Latenzen einen immer größeren Einfluss auf die erzielbare Systemperformance. In der Fachliteratur beschriebene Untersuchungen zur Latenzverringerung in digitalen Basisbandprozessoren beschränken sich meist auf die Optimierung eigenständiger Module. Im Rahmen dieser Arbeit werden, basierend auf einer Untersuchung der Basisbandmodule auf ihren Latenzbeitrag und einer Darstellung der Latenzauswirkungen, bestehende Verfahren der Latenzverringerung evaluiert und neue Verfahren zur Latenzreduktion entworfen. Die praktischen Auswirkungen werden dabei anhand der Latenzmodellierung eines bestehenden 60 GHz-OFDM-Kommunikationssystems aufgezeigt. Die zur Anwendung der neu entworfenen Verfahren notwendigen strukturellen Änderungen in der Basisbandverarbeitung werden detailliert dargestellt. Weiterhin wird eine allgemeine Methodik des latenzarmen Systementwurfs vorgestellt, die die Anwendung der neu entworfenen Verfahren beinhaltet. Bei der Darstellung von Verfahren zur Latenzverringerung liegt der Schwerpunkt auf der zur Durchsatzsteigerung üblicherweise verwendeten, aber noch nicht im Zusammenhang mit der Latenzverringerung beschriebenen Anwendung von parallelen Datenverarbeitungsstrukturen sowie auf der neu vorgeschlagenen Anwendung von Spekulation. Mithilfe der spekulativen Demodulation und der spekulativen Dekodierung lassen sich Latenzen aufgrund von Abhängigkeiten in der Datenverarbeitung einfach vermeiden. Die sich aus den spekulativen Verfahren ergebenden Auswirkungen auf die MAC-Ebene werden zum Schluss kurz diskutiert.show moreshow less
  • The total data throughput of modern communication systems suffers not only from the limited data rate of the physical interface, e.g. due to bandwidth restrictions. Instead, the latencies caused by the data and signal processing in the baseband processor have a higher and higher influence on the possible overall system performance. There are some investigations on reducing the latency of digital baseband processors described in the literature, but they mostly focus on optimizing individual modules without paying attention to the complete system. In this thesis, existing methods for latency reduction are evaluated and new methods are proposed, based on the analysis of baseband processing modules regarding to their latency contribution and a description of latency impacts. The reachable latency reduction with the proposed methods will be shown with the help of the latency modelling of an existing 60 GHz OFDM communication system. The necessary structural changes inside the baseband processing for the usage of the new methods areThe total data throughput of modern communication systems suffers not only from the limited data rate of the physical interface, e.g. due to bandwidth restrictions. Instead, the latencies caused by the data and signal processing in the baseband processor have a higher and higher influence on the possible overall system performance. There are some investigations on reducing the latency of digital baseband processors described in the literature, but they mostly focus on optimizing individual modules without paying attention to the complete system. In this thesis, existing methods for latency reduction are evaluated and new methods are proposed, based on the analysis of baseband processing modules regarding to their latency contribution and a description of latency impacts. The reachable latency reduction with the proposed methods will be shown with the help of the latency modelling of an existing 60 GHz OFDM communication system. The necessary structural changes inside the baseband processing for the usage of the new methods are described in detail. Furthermore, a general methodology for a low-latency system design including the proposed new methods is presented. The proposed new methods focus on the use of parallelism and speculation. While parallel data processing structures are usually used to increase the throughput of a system, but not described in the context of latency reduction, the proposed speculative methods were not mentioned before in literature. With the help of speculative demodulation and speculative decoding, it is possible to avoid latencies caused by dependencies in the data processing. The resulting influence of the new methods on the MAC layer is briefly discussed at the end of this thesis.show moreshow less

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Metadaten
Author: Markus Petri
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-26674
Referee / Advisor:Prof. Dr. Eckhard Grass
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2012
Date of final exam:2012/06/08
Release Date:2012/09/04
Tag:Basisbandprozessor; Latenzverringerung; OFDM; Parallelverarbeitung; Spekulative Verarbeitung
Baseband processor; Latency reduction; OFDM; Parallel processing; Speculative processing
GND Keyword:OFDM; Basisband; Latenzzeit <Informatik>
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Systeme
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