Implementazione software di un decoder di Viterbi per IEEE 802.15.4g

Smart-metering is generally identified as the utility smart-grid enabler. Although current solutions are mainly based on either wired or wireless proprietary links, the creation of a global standard facilitating very large scale Smart-metering Utility Network (SUN) is getting large consensus. In this direction, the recent IEEE 802.15.4g task group is amending the 802.15.4-2006 standard specifically to tackle low-power, outdoor, robust wireless smart-metering. The amendment proposes three different PHYs, each supporting convolutional error correcting codes. This thesis deals with the implementation of a multi-mode Viterbi decoder able to support all convolutional codes provided by the draft IEEE 802.15.4g standard. The need for such a flexibility inherently suggests to take advantage of Software De ned Radio (SDR), a concept that is emerging as a solid alternative to pure hardware design as far as the digital baseband implementation is concerned. To this end, after an extensive architectural exploration, a novel radix-2 Hybrid Trace-back Register-Exchange Viterbi decoder has been implemented and profiled over the Block Processing Engine (BPE), a customizable programmable platform expressly designed for telecommunications. To further improve execution time and power consumption, the BPE instruction-set has been extended with new coarse-grain domain-specific add-compare-select (ACS) instructions: these are connected in a mixed parallel/cascade structure to guarantee a continuous data flow.

Lo smart-metering è considerata l'applicazione che consente l'utilizzo delle smart-grid. Nonostante esistano soluzioni proprietarie sia cablate che wireless, la creazione di uno standard globale per la gestione di Smart-Metering Utility Network (SUN) su larga scala sta avendo un grande consenso. Per questo motivo il task group IEEE 802.15.4g sta creando un nuovo standard basato su 802.15.4-2006 in grado di fornire le caratteristiche di bassa potenza, robustezza e ampio raggio outdoor necessarie alla realizzazione di reti smart-metering wireless. La nuova definizione prevede tre diversi PHY, ognuno dei quali supporta codici a correzione d'errore convoluzionali. Questa tesi ha come scopo l'implementazione di un decoder basato sull'algoritmo di Viterbi in grado di supportare tutti i codici previsti dalla bozza dello standard IEEE 802.15.4g. La necessità di flessibilità suggerisce un approccio di tipo Software Defined Radio (SDR), un concetto che si sta consolidando come valida alternativa a soluzioni puramente hardware nel trattamento di segnali in banda base. Per questo motivo, dopo un'analisi architetturale approfondita, è stato implementato un decoder di Viterbi che utilizza un'architettura radix-2 e si serve di una tecnica ibrida Trace-back Register-Exchange per soddisfare i requisiti definiti dallo standard. Il dispositivo utilizzato per la realizzazione è il Block Processing Engine (BPE), una piattaforma programmabile espressamente progettata per le telecomunicazioni. Al fine di migliorare le prestazioni in termini di throughput e consumo di potenza, l'instruction set del BPE è stato esteso con istruzioni a granularità più grossa specifiche per la realizzazione del decoder. Queste ultime consentono di essere combinate in una struttura parallelo-seriale che garantisce un data flow continuativo, evitando le fasi di riordino della memoria altrimenti necessarie ad eseguire la decodifica ibrida.