モバイルWiMAX端末向けハンドセットモジュール/システムデザインキット

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たみえあわたけ
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Handset Module and System Design Kit for Mobile WiMAX Terminals あらまし富士通のモバイルWiMAX 向けチップセットを搭載したハンドセットモジュール (HSM) とシステムデザインキット (SDK) をFDK 株式会社と共同で開発した HSMは富士通が開発したWiMAX 用

5 mmである一方,SDKは, お客様による前記チップセット搭載 HSMの評価作業やチップセットを用いた製品開発を支援するこのSDKを使えば主要な通信システム動作状況やインストールしたアプリケーションをパソコンからモニタできる本稿では,HSMとSDKのハードウェアおよびソフトウェアの概要を紹介するとともに, WiMAX 端末開発への適用例を示す Abstract

collaboration with FDK CORPORATION. The HSM is composed of a WiMAX system-on-a-chip, a radio-frequency chip, and a dedicated power-supply chip, all developed by Fujitsu. It supports the 2.

The SDK is intended to help customers evaluate the HSM and to support the development of products using this chipset.

1 Handset Module and System Design Kit for Mobile WiMAX Terminals あらまし富士通のモバイルWiMAX 向けチップセットを搭載したハンドセットモジュール (HSM) とシステムデザインキット (SDK) をFDK 株式会社と共同で開発した HSMは富士通が開発したWiMAX 用 SoCチップおよびRFチップさらに専用電源チップを搭載したモジュール構成で, 対応周波数としては2.3/2.5/3.5 GHz 帯をサポートしている外形寸法は mmである一方,SDKは, お客様による前記チップセット搭載 HSMの評価作業やチップセットを用いた製品開発を支援するこのSDKを使えば主要な通信システム動作状況やインストールしたアプリケーションをパソコンからモニタできる本稿では,HSMとSDKのハードウェアおよびソフトウェアの概要を紹介するとともに, WiMAX 端末開発への適用例を示す Abstract Fujitsu has developed a handset module (HSM), which incorporates its mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) chipset, and an accompanying system design kit (SDK) in collaboration with FDK CORPORATION. The HSM is composed of a WiMAX system-on-a-chip, a radio-frequency chip, and a dedicated power-supply chip, all developed by Fujitsu. It supports the 2.3-, 2.5-, and 3.5-GHz bands. Its external dimensions are mm. The SDK is intended to help customers evaluate the HSM and to support the development of products using this chipset. It enables the operating state of most of the communications system and installed applications to be monitored using a personal computer. In this paper, we provide an overview of the hardware and software of the HSM and SDK and give an example of using them to develop a WiMAX terminal. 渡辺保信 ( わたなべやすのぶ ) 富士通マイクロソリューションズ ( 株 ) 第四開発統括部モバイル第二開発部所属現在,WiMAX 向けLSIチップ開発およびモジュール開発に従事山本祥二 ( やまもとしょうじ ) 富士通マイクロソリューションズ ( 株 ) 第四開発統括部モバイル第二開発部所属現在,WiMAX 向けLSIチップ開発および省電力制御に従事 38 FUJITSU. 60, 1, p (01, 2009)

2 まえがき富士通は2005 年から, ベースバンドSoC (System-on-a-Chip) と高周波信号処理 LSIを備えたモバイルWiMAX(IEEE 規格 e) (1)-(5) 向けチップセットの開発に取り組んでいる開発に当たっては, 無線ベースバンド信号処理ハードウェアファームウェアなど技術の粋を集めたワイヤレス通信機器の開発においては, 機器の開発と並行して信号処理ファームウェアを効果的に開発評価するためのサポートツールが必要となるさらに,WiMAX 通信システムはワイヤレス通信の公衆網に使用されるため, 移動端末機 (MS:Mobile Station) と基地局 (BS:Base Station) 間の相互運用性を保証することが必須となるそのため, 基地局との接続機能および接続状態のモニタ解析機能を備えた相互運用性試験のための移動端末機, つまりワイヤレス通信機器を用意することが必要であるワイヤレス通信機器を開発するお客様にとっては, チップセットが容易に評価でき, またチップセットを使った製品を容易かつ効率的に短期間で開発することが重要となるそのためには, チップセット評価に必要な機能を備えたハードウェアとソフトウェアツールをお客様に提供しなければいけないさらに, 設計情報の基礎となる参考データやアプリケーション開発のためのプラットフォームを用意することが重要であるこのプラットフォームとして, ハンドセットモジュール (HSM) をFDK 株式会社と共同開発したこれにより, お客様は短期間で製品開発をすることが可能である富士通は,WiMAXモバイル端末とアプリケーションを効率的に開発するためのツールを2 種類開発したここでは, 詳細は省略するがチップエバレーションキット (CEK) は, システム動作のモニタリングや開発したアプリケーションの端末へのインストールなど効率的で有効な機能を数多く備えているこれはチップ設計評価, およびソフトウェア開発者のためのデバックツールとなる一方, システムデザインキット (SDK) を使えば, 主な通信システム動作状況やインストールしたアプリケーションをパソコン (PC) からモニタすることができるこれにより, お客様は容易にHSMを使ってシステム試験を実施することが可能である本稿では, まずHSMとSDKの概要を紹介し, つぎにHSMとSDKのハードウェアおよびソフトウェアの構成についてそれぞれ説明する最後に, WiMAX 端末の開発への適用例を示す表 -1 HSM 機能諸元項目内容通信周波数 2.3/2.5/3.5 GHz 通信帯域 3.5/5/7/10/20 MHz 1 FFTサイズ 512/1024/2048 通信速度 DL( 独立型 ):20 Mbps( 最大 ) 2 UL( 独立型 ):8 Mbps( 最大 ) 2 送信出力 PowerClass2 (+23 dbm<=ptx,max<+27 dbm QPSK) ホストインタフェース SDIO/SPI,GPIO,UART,BT 干渉保護 I/F 対応ホストOS Symbian/Linux/Windows Mobile/ Windows Vista 寸法 mm 動作温度範囲 0~60 ( 性能保証 ) -20~70 ( 機能動作保証 ) 入力電圧範囲 2.7~5.5 V 1 総務省で免許方針案を策定中 2 周波数帯域 :10 MHz 時表 -2 SDK 機能インタフェースパッケージ付属品項目内容 RFポート 2 GHz 帯 TRX,2 GHz 帯 RX,3 GHz 帯 TRX, 3 GHz 帯 RX ホストI/F SDIO/SPI,UART,GPIO,BT Coexist I/F カスタムI/F 付属ソフトウェア付属品 HSM と SDK の概要 HSMは, 富士通のWiMAX 用ベースバンドSoC MB86K22 およびRF LSI MB86K52, さらに専用電源 LSI MB39C316 を搭載したモジュールから成り立ち, 開発支援をするためにSDKがある主な仕様をそれぞれ表 -1と表-2に示す製品装置およびモジュール開発者のニーズを考慮に入れ, チップセットを搭載した製品開発に必要な機能ならびにソフトウェアを盛り込んでいる HSM WiMAXモバイルシステムに対応した製品開発をお客様が行う場合, リファレンスデザインとなる HSMのみを提供することでシステム通信試験が可 USB,JTAG(ARM ICE) Flash 書込みソフトウェアアプリケーション制御ソフトウェア USBケーブル MicroSD 延長ケーブル ACアダプタ取扱い説明書 FUJITSU. 60, 1, (01, 2009) 39

3 能となるお客様は, 簡単なカスタマイズを行うだけで短納期での製品開発が可能である HSM 内部構造を図 -1に示す (1) ハードウェアのアーキテクチャ HSMのハードウェア構成を図 -2に示すこのモ図 -1 HSM の内部構造 Fig.1-HSM internal structure. ジュールに搭載している3 個の主要 LSI 機能を簡単に説明するベースバンドSoC は, モバイル SDRAM ( 128 M ビット ) とSIP ( System in Package) を統合している MAC(Media Access Control) レイヤ処理部,PHY(Physical) レイヤ処理部さらにADC,DACのアナログ回路を備えているこれらに65 nm 低リークテクノロジと電源制御機能を内蔵することで低消費電力化を実現している RF LSIは,90 nmのcmosテクノロジを適用することで高品質なrf 性能が得られた WiMAX フォーラム認証プロファイルの多重周波数帯域をサポートしている電源 LSIは,LDO(Low Drop Out) が5 ch,dc/dcが3 ch( カレントモード方式同期整流降圧 2 ch, 昇降圧 1 ch) 搭載しているまた,I2Cバスに準拠した通信インタフェースを有し内部状態通知および電源制御が可能である HOST 側との通信インタフェースには,SDIO ( Secure Digital Input/Output ) /SPI ( System Packet Interface) インタフェースおよびGPIO BPF: Band-Pass Filter PA: Power Amplifier SiP: System in Package PMM: Power Management Module BB SoC: Base Band System-on-a-Chip VCTCXO: Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator X TAL: Crystal 図 -2 HSM のハードウェア構造 Fig.2-Hardware structure of HSM. 40 FUJITSU. 60, 1, (01, 2009)

(General-Purpose Input/Output) インタフェースを備えているさらに, デバック試験用として,JTAG(Joint Test Action Group) インタフェースおよびUART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)- HOSTインタフェースを用意しているまた, Bluetooth/WLAN

4 (General-Purpose Input/Output) インタフェースを備えているさらに, デバック試験用として,JTAG(Joint Test Action Group) インタフェースおよびUART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)- HOSTインタフェースを用意しているまた, Bluetooth/WLAN 共存干渉除去インタフェースも備えている (2) 主要な開発要素 HSMは, 最新の高密度実装や設計方法を採用することで, 小型化や高密度化での各種ノイズ源によるRF 性能低下を防いでいる具体的には, デジタル回路を介してアナログ回路に混入するノイズ影響を抑える配線分離した実装設計を行っているまた, 発熱を極力抑える放熱パターン設計や実装レイアウトを注意深く検討している結果として, ノイズによる機能低下や発熱に対する影響を排除された性能が得られた (3) ソフトウェアのアーキテクチャ HSMの使用目的に合わせたシステム組込み向けとPC 直結向けの富士通提供リファレンスソフトウェアを準備しているただし,LSIチップセットを要求するお客様には最終形態に合わせたソフトウェア開発が別途必要となる HSMはSDKに組み込んだ状態で関連ソフトウェアを起動して各種性能評価が可能となる例えば, メンテナンスツールを使うことで,RF 送受信性能試験 ( 送信電力, 送信スペクトラム, 送信スペクトラムマスク, 受信感度など ) を確認することができる MB86K22 が持つ基本的なシステム動作機能をモニタ制御するためのインタフェースを装備しているさらに, 富士通のWiMAX 用 RF LSI MB86K52 やパワーアンプなどのRFフロント回路も装備している SDKの主要インタフェースは, 先に説明したHSMのハードウェアアーキテクチャで示されたインタフェースにコネクタを介してPC と接続することができるまた, 使い勝手を考えて AC100 V 入力に対応しているなお, インタフェースについて以下に説明する (1) ホストインタフェース USB2.0 規格に準拠したインタフェースをホストインタフェースとして基板上に実装している HSMとは,UART-USB 変換回路を介してPCと接続することができる (2) RFインタフェース周波数ごとに分離されたSMA(Sub Miniature Type A) コネクタポートを四つ用意している多重化した2.3 GHz/2.5 GHz 帯と3.5 GHz 帯用の送受信信号をRFインタフェースにそれぞれ接続するさらに,2.3 GHz/2.5 GHz 帯と3.5 GHz 帯用の受信信号をRFインタフェースにもそれぞれ接続するこれらはSMAコネクタを介して測定装置につなぐことで無線インタフェース信号の性能を評価することができる (3) プロセッサデバック用インタフェース WiMAX 用 SoCのプロセッサをデバックするためのインタフェースは,JTAG I/F によるARM ( Advanced RISC Machines, ICE : In-Circuit SDK SDKは,HSMを使った開発中のWiMAX 端末およびソフトウェアアプリケーションを対象にお客様が実施する機能性能評価ならびにシステム評価を行うために設計された機能評価ボードである SDKの外観を図 -3に示すまた,SDKハードウェア構造とSDKソフトウェアのアーキテクチャをそれぞれ図 -4と図-5に示すハードウェアのアーキテクチャ SDKは,HSM 実装ソケットとUART-USB 変換回路および各種インタフェースコネクタで構成している HSM は, 富士通の WiMAX 用 SoC 図 -3 SDK 外観写真 Fig.3-General view of SDK photograph. FUJITSU. 60, 1, (01, 2009) 41

5 GPIO: General-Purpose Input/Output SDIO: Secure Digital Input/Output SPI: System Packet Interface 図 -4 SDK ハードウェア構成 Fig.4-Hardware structure of SDK. HSM 図 -5 SDK ソフトウェアのアーキテクチャ Fig.5-Architecture of SDK software. Emulator)-ICEポート,UARTポートから成り, いずれも基板上に実装している SoCの基本ファームウェアは,SDKを使ってデバックすることができる (4) メンテナンスポート性能評価, メンテナンスおよび障害の切分けを行うために,SDKにはデバック用ポートをいくつか装備しているこれらのポートは, システムパラメ 42 FUJITSU. 60, 1, (01, 2009)

タを変更する場合にも使うことができるモバイル端末の機能はシステムパラメタ値によって制御されるこの値はフラッシュROMに格納され, この値を変更することによってモバイル端末の機能を制御することができるシステムパラメタには, 端末の MACアドレスのほかに, タイマリトライ回数 RF 出力電力などの制御値があるソフトウェアのアーキテクチャ図

6 タを変更する場合にも使うことができるモバイル端末の機能はシステムパラメタ値によって制御されるこの値はフラッシュROMに格納され, この値を変更することによってモバイル端末の機能を制御することができるシステムパラメタには, 端末の MACアドレスのほかに, タイマリトライ回数 RF 出力電力などの制御値があるソフトウェアのアーキテクチャ図 -5に示すように,SDKはSymbian/Linux/ Windows Mobile/Windows VistaのPC 上で動作するソフトウェアツールを4 種類用意しているすなわち, 制御ドライバ, 制御アプリケーション, メンテナンスツール, およびこれ以外のツールとなるこれらを以下に説明する (1) 制御ドライバ PCのSDIO/SPIインタフェースに対応したサンプルドライバが付属している (2) アプリケーション制御 SDKには, アプリケーションソフトウェアの開発に役立つサンプルプログラムをいくつか用意しているこれらのプログラムは, 端末に関する情報を取り出して表示するAPI(Application Program Interface) を活用しているこのようなプログラムの利用によって, お客様は自社のアプリケーション開発に専念することができる (3) メンテナンスツール富士通のモバイルWiMAX 向けチップセットの機能や性能を評価するメンテナンス用ソフトウェアが SDKには付属しており, 無線特性やプロトコル評価作業をお客様は容易に実施することができるメンテナンスツールを使った場合の操作画面を図 -6に示す (4) そのほかのツールお客様のシステムカスタマイズを支援するソフトウェアツールとして, 上記以外にもフラッシュメモリメンテナンスツール, フラッシュメモリ書換えツール,MACアドレス設定ツール, システムパラメタ設定ツールの四つを付属するこれらのツールを使えば, 工場量産時のファームウェア実装や工場出荷後のファームウェアアップデートに要する時間を短縮することができる WiMAX 機器適用に向けた取組み本章では, お客様がHSMを使った機器装置の開発を進めるために必要となる富士通が取り組む支援をハードウェアとソフトウェアそれぞれの観点に分けて簡単に示す (1) ハードウェア WiMAXのように開発と標準化が同時進行する新しい技術の場合, 相互運用性の確認や開発した製品に関する情報をお客様に提供することが重要となる相互運用性の確認に関して, 富士通はWiMAX フォーラムのPlugFestに参加するほか, 主要な基地局メーカと協力しながら社内の相互運用性試験を積極的に実施しているまた, 主要なお客様に対して展示会やプレゼンテーションあるいは個別デモを適時実施している図 -7に示すような動作デモでは, 20 Mbps 以上の伝送能力を他社に先駆けて実証したほか,WiMAX アプリケーションの可能性や WiMAX 用 SoCの優位性を示している点から富士通はモバイルWiMAX 製品に関して優位な位置にある富士通は今後もシステム通信品質の向上に向けた基地局との接続試験を実施していく多くの基地局メーカとの接続試験を行うことは, 富士通のチップセットが有効であることを証明することになる (2) ソフトウェアモバイル通信端末向けソフトウェア開発の規模と複雑さは現在増大しており, 開発に必要となるお客様の負担が高まっている通信事業者のモバイル端図 -6 メンテナンスツール画像 Fig.6-Maintenance tool image. FUJITSU. 60, 1, (01, 2009) 43

7 図 -7 動作デモ風景 Fig.7-Operation demonstration scenery. あり, 新規提案が次々に発表され規格化されているまた, 移動体通信市場の需要は利用ユーザの要求条件に従って変化しているこの傾向を受け, 富士通は今後もSoC 機能のアップグレードに取り組むとともに, さらに小型化と低消費電力化を目指していくまた, 市場の要求に応じてHSMとSDKを発展させる必要がある一例として,WiMAX 向け製品開発を更に加速するために,USB ドングルおよび Expressカードに対応したチップセットやHSMを開発する計画を持っているこのようなリファレンスデザインの提供を通じて, 今後もWiMAX 製品の拡大に貢献するとともに, 予測されるマーケットトレンドに応じて利便性をさらに追求する予定である末 ( とくにWiMAX 製品 ) は,WiFi ( Wireless Fidelity) の場合と違って様々なサービスに対して複雑なプロトコル通信処理が必要とされるさらに, ソフトウェア開発の内容は通信事業者ごとに異なっているそのため, 事業者の要求すべてに応えるために必要なソフトウェアを開発する必要がある富士通は, 従来より移動通信システム用の携帯電話端末および基地局の開発を通して, 通信事業者向けモバイル製品技術に関する経験を積んでいるその経験を生かすことでお客様が必要とするソフトウェアツールおよびWiMAXモバイル端末開発の参考となるサンプルプログラムを提供することができるそのようなソフトウェアを参考として, WiMAXモバイル端末の開発期間を大幅に短縮することができるむすび本稿では,WiMAXモバイル端末の開発を効率化するHSMとSDKの概要について述べた WiMAX モバイル端末の評価および開発に当たってお客様が必要とするソフトウェア環境とソフトウェアツールを提供し, お客様の製品開発期間を短縮させる WiMAXシステムの標準化作業は現在も進行中で参考文献 (1) IEEE Std :IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16 : Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Oct (2) IEEE Std e-2005 and IEEE Std /Cor : IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16 : Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment 2 : Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands and Corrigendum 1.Feb (3) IEEE P Rev2/D2 : Draft Standard for Local and Metropolitan Area Networks,Part 16: Air Interface for Broadband Wireless Access Systems.Dec (4) WiMAX Forum Mobile System Profile,Release 1.0:Approved Specification(Revision 1.5.0).Nov (5) WiMAX Forum Mobile Radio Conformance Tests ( MRCT ) Release 1.0 : Approved Specification (Revision 2.0.0).December, FUJITSU. 60, 1, (01, 2009)

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