TWI647920B - 適用於行動通訊之積體電路及相關行動運算裝置 - Google Patents

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Abstract

一種適用於行動通訊的積體電路被揭露。該電路包含有：一第一裝置層，其由一第一半導體材料所形成並具有至少一第一電路部分；以及一第二裝置層，其由一不同於該第一半導體材料之第二半導體材料所形成並具有至少一第二電路部分；其中該等第一和第二裝置層被整合地形成，並且該第一電路部分被電氣耦合到該第二電路部分以容許執行使用第一和第二無線通訊協定的行動通訊。一相關的行動運算裝置也被揭露。

Description

適用於行動通訊之積體電路及相關行動運算裝置
本發明係有關於適用於行動通訊之積體電路及相關行動運算裝置。
在智慧型手機之間直接的裝置對裝置(D2D)通訊已經透過WiFi的自組模式(Ad-hoc mode)行之有年，但因為建立D2D必須要修改作業系統，所以D2D的使用一直都沒有真正的起步，直到最近“WiFi Direct”標準的採用為止。視訊共享、檔案共享、以及多人遊戲正開始利用WiFi Direct。顯然地，有一些對等網路的應用受益於D2D通訊較快的回應時間；這些應用從附近的智慧型手機收集使用者輸入和感測器資料，在原地執行運算，並且以較高的回應性來提供結果及使用者介面更新。然而，現存的D2D通訊僅適用於短距離和低行動性的情況。WiFi使用正在挑戰長距離或高行動性的情況。WiFi Direct使得裝置對裝置網路之建置更為容易，但一裝置需要當作一接取點(即該群組所有者)，然後所有的其他裝置即透過該接取點進行通訊，這意味著具有快速變化拓樸架構之高度行動性網路並不被支援。這 把WiFi Direct應用大大地限制在一些智慧型手機之間的近範圍、以及靜態的部署。“LTE Direct”被視為一有前途之新的D2D技術，但因為它利用了LTE基礎架構，故LTE Direct要求要修改LTE基地台，此會妨礙廣泛的採用。
車對車(V2V)通訊是一種D2D通訊的形式，並隨著世界各地採用IEEE 802.11p DSRC標準而展開發展。在交通領域中眾多的V2V應用已經被提出或布署，諸如行動多媒體、安全性、道路收費、和其他。這些應用充分地利用802.11p於下一代交通應用中之高行動性、遠距離範圍和快速回應時間。在802.11p規格中所允許之增加的發射功率可使更遠距離的通訊變得可能，但802.11p無線電的高功耗一般會使它們無法整合到非車輛的行動裝置中。
根據本發明的一第一方面，提供了一種適用於行動通訊的積體電路，包含有一第一裝置層，其係由一第一半導體材料所形成並具有至少一第一電路部分；以及一第二裝置層，其係由一不同於該第一半導體材料之第二半導體材料所形成並具有至少一第二電路部分，其中該等第一和第二裝置層被一體地形成，並且該第一電路部分電耦合到該第二電路部分以容許使用第一和第二無線通訊協定來作行動通訊。
所提出的積體電路可使用一種單石集積程序來有利地實現，用以把一III-V族基體和一矽基基體粘合在一起，以大大地減少電路所需的晶粒面積及其相關的功耗， 其使得802.11p通訊得以以一種適於引入至智慧型手機中之形狀因子來實現，以允許高行動性、低延遲時間、和遠距離手機對手機(或裝置對裝置)通訊。此外，使用積體電路的一功率放大器(PA)，用III-V族半導體材料來形成，在一智慧型手機上透過應用層級的功率控制，功率降低是可實現的，這可保持其在較低輸出功率的高效率性。
較佳地，該第一半導體材料可以包括一基於矽的材料。
較佳地，該第二半導體材料可包括一III-V族材料。
較佳地，該III-V族材料可以包括GaN、GaAs、AlGaAs或InGaAs。
較佳地，該積體電路可被一體地形成為一單一晶粒或一半導體封裝體。
較佳地，該等第一和第二無線通訊協定可包括正從IEEE 802.11協定中所選出的。
較佳地，該第一無線通訊協定可以包括IEEE 802.11a協定。
較佳地，該第二無線通訊協定可以包括IEEE 802.11p協定。
較佳地，該第二電路部分可包括一GaN功率放大器和一SPDT。
較佳地，該GaN功率放大器可由GaN HEMT來形成。
較佳地，該第一電路部分可以包括由該第一半導體材料所形成的一RF放大器。
較佳地，該第二電路部分可以包括由該第二半導體材料所形成的一RF放大器。
較佳地，該GaN功率放大器可以被組配成以該IEEE 802.11p協定所指定的一時脈頻率和一通道頻率來運作。
較佳地，該第一電路部分可更包含有一收發機和一數位基頻處理器。
較佳地，該數位基頻處理器可被組配成在第一和第二時脈頻率之間自適應性地操作，該第一時脈頻率使用在當該電路被組配成經由該第一無線通訊協定來執行通訊時，並且該第二時脈頻率使用在當該電路被組配成經由該第二無線通訊協定來執行通訊時。
較佳地，該第二時脈頻率可以是該第一時脈頻率減半。
較佳地，該收發機可被組配成在第一和第二通道頻率之間自適應性地操作，該第一通道頻率使用在當該電路被組配成經由該第一無線通訊協定來執行通訊時，並且該第二通道頻率使用在當該電路被組配成經由該第二無線通訊協定來執行通訊時。
較佳地，該第一通道頻率可包括由IEEE 802.11a協定所指定的一頻率，並且第二通道頻率包括由IEEE 802.11p協定所指定的一頻率。
根據本發明的一第二方面，提供了一種行動運算裝置，其包含有基於該第一方面的該積體電路。
較佳地，該運算裝置可以包括一智慧型手機。
根據本發明的一第三方面，提供了一種適用於行動通訊的積體電路，其包含有：一第一電路部分，其被設置成經由第一和第二無線通訊協定來執行通訊；以及一第二電路部分，其被設置成配合該第一電路部分經由第一和第二無線通訊協定來執行通訊，其中該等第一和第二電路部分被電氣耦合以容許使用該等第一和第二無線通訊協定來作行動通訊。
應顯而易見的是，有關於本發明之一方面的特徵也可以適用於本發明的其他方面。
參照以下將描述的實施例，本發明的這些和其他的方面將變得顯而易見並且得到闡述。
100‧‧‧相片
102‧‧‧前端模組(FEM)
200‧‧‧SOI晶圓
202‧‧‧Si-CMOS裝置
204‧‧‧Si-CMOS/GaN在Si上晶圓
206‧‧‧GaN窗口
208‧‧‧GaN HEMT裝置
300‧‧‧通訊電路
302‧‧‧RF FEM(PA &被動)
304‧‧‧RF收發機
306‧‧‧數位通訊處理器
308‧‧‧應用處理器
350、1000、1300‧‧‧表
400‧‧‧積體電路
402‧‧‧第一電路部分
404‧‧‧802.11p PA & SPDT(III-V族)
406‧‧‧應用處理器(CMOS)
4022‧‧‧802.11a PA(CMOS或III-V族)
4024‧‧‧802.11a收發機(CMOS)
4026‧‧‧802.11 MAC/基頻(CMOS)
500‧‧‧CMOS發射機
502‧‧‧GaN PA
600‧‧‧M1
602‧‧‧M2
603‧‧‧M3
604‧‧‧M4
606‧‧‧L1
700、750、1800‧‧‧顯微照片
800‧‧‧FPGA
802‧‧‧LEAP抽象層
804‧‧‧封包產生器
806‧‧‧Tx增益控制
808‧‧‧802.11p Airblue基頻
810‧‧‧低通濾波器
812‧‧‧Android
814‧‧‧DAC
816‧‧‧RF前端
900‧‧‧TX管線
902‧‧‧Tx控制器
904‧‧‧IFFT
906‧‧‧循環字首***
1100、1110、1120‧‧‧示意圖
1200、1210、1220‧‧‧評估結果
1230‧‧‧分布圖
1400‧‧‧系統原型
1500、1600‧‧‧地圖
1510‧‧‧照片
1520、1610‧‧‧效能結果
1700‧‧‧模擬圖
參照附圖，本發明的實施例將在以下被揭露，其中：圖1是根據習知技術之一AppleTM iPhone 4的RF前端模組(FEM)的相片；圖2包括圖2a至2d，顯示出根據習知技術之一III-V族基體和一CMOS基體的LEES程序整合；圖3a是根據習知技術用於一典型行動電話的一通訊電路之方塊圖；圖3b係一表，其列出IEEE 802.11p和802.11a協定的規格 參數；圖4係根據一實施例適用於行動通訊的一積體電路之一方塊圖；圖5顯示出圖4之積體電路的結構簡圖；圖6顯示出圖4之積體電路的一第二電路部分的結構簡圖；圖7包括圖7a和7b，其顯示圖4該積體電路之第一和第二電路部分之製造晶粒的個別顯微照片圖；圖8顯示出一FPGA系統的示意圖，其被用來有助於實現圖4該積體電路以做效能評估；圖9顯示出一802.11p Airblue傳輸(TX)管線的示意圖；圖10係一表，其列出使用在圖4該積體電路的效能評估中一封包產生器的功能參數；圖11a和11b分別顯示出沒有/有使用一低通濾波器對於圖8該FPGA系統之DAC模組在頻譜輸出上的影響，而圖11c顯示出在時域中對應的影響；圖12中之圖12a至12c顯示出有關於圖4該積體電路的第一電路部分之SSB抑制的評估結果，而圖12d顯示出圖4該積體電路的第二電路部分的一輸出頻譜；圖13係一表，其比較在傳統的AB類功率放大器和圖4該積體電路的第二電路部分之間的各種效能參數；圖14係結合有圖4的該積體電路之一系統原型的相片；圖15a係一地理區域的地圖，其中RoadRunner應用程式被部署來為圖14該系統原型做效能評估； 圖15b係一連接到一AndroidTM智慧型手機的802.11p DSRC無線電的相片，其被使用在圖15a的效能評估設置中；圖15c顯示出有關於RoadRunner V2V符記交換於有/無自適應功率控制下平均功耗的對應效能結果；圖16a係一地圖，其顯示出美國劍橋的一路線，其中SignalGuru iPhoneTM應用程式被部署來為圖14該系統原型做效能評估；圖16b顯示出有關於SignalGuru UDP廣播於有/無自適應功率控制下平均功耗的對應效能結果；圖17顯示出商用的和LEES GaN模型之間做比較的模擬圖；以及圖18係一運用LEES PDK設計用於圖4該積體電路的一電路佈局的一顯微相片圖。
1.簡介
首先參考圖4，一適用於行動通訊的積體電路400(根據一實施例)的示意圖，其包括第一和第二裝置層(圖中未示出)，分別由第一和第二半導體材料所形成。該第一和第二裝置層分別包括第一和第二電路部分402、404，如圖4中所描繪。為了便於說明，在圖4中該等第一和第二電路部分402、404係顯示成分開地佈置。第一電路部分402包括一RF發射器，而第二電路部分404包括至少一個GaN功率放大器(PA)。具體而言，第一電路部分402被組配為使用第一和第二無線通訊協定執行通訊，而第二電路部分404被組配成 (與該第一電路部分402配合)使用該等第一和第二無線通訊協定執行通訊。也就是說，為了闡明，該等第一和第二電路部分402、404可被組配為一起經由該等第一或第二無線通訊協定執行通訊(將在以下進一步闡述)。該等第一和第二無線通訊協定可從IEEE 802.11系列協定中選出，但不應被解釋為限制性的。在這情況中，該等第一和第二無線通訊協定分別是IEEE 802.11a和802.11p協定(並將在下文中被如此地例示)。另外，該等第一和第二裝置層被整合(一體)地形成，並且該第一電路部分402電氣耦合到該第二電路部分404，以容許使用該等第一和第二無線通訊協定作行動通訊(由該積體電路400執行)。「被整合(一體)地形成」在這裡的定義係指從一單一晶粒予以單石地形成。此外，第一和第二裝置層被形成在各自的分別平面上。如此的原因為該等第一和第二裝置層是如前述說明由一單一晶粒被集體地形成(在不同階段中)。舉例來說，第一裝置層的平面可能疊置在第二裝置層的平面上。具體而言，該積體電路400被形成為一單一處理器(即一晶片)或為一處理器的一整合的部分。該第一半導體材料包括一基於矽的材料(或一不同於矽的材料)，且在這情況中，CMOS被使用來作為一實例。該第二半導體材料包括一III-V族材料，而氮化鎵(GaN)被使用來作為在本實施例中的一實例。其他的III-V族材料包括GaAs、AlGaAs或InGaAs。該功率放大器係使用III-V族材料(例如GaN)來實現，因為III-V族裝置是以可在較低的輸出功率下維持高效率聞名，這對於實現一使用在行動裝置上的 晶片來執行802.11p通訊(其需要高功耗)是有利的。特別地說，在行動運算裝置(例如智慧型手機)上實現該802.11p協定的該可行性，是匯集諸多材料、裝置、電路、和系統研究人員才實現的。這種發展因而把D2D通訊擴延到更廣泛類型的應用，以使得行人、乘客、和司機的行動裝置得以低延遲時間和高頻寬互連，允許高度互動的行動應用。
在一通訊系統的幾個建構方塊之間，RF前端係最為關鍵者之一，具有III-V族半導體裝置(例如，GaN、GaAs、InGaAs)會比基於CMOS的裝置顯現有更好的功率密度和效率。圖1是多個RF前端模組(FEM)102的一張相片100，該等模組用以在一AppleTM iPhone 4中啟用多種通訊標準(根據習知技術)；一起地，該等FEM 102佔據了iPhone 4晶粒面積很大的一部分。此外，每一個FEM 102內包括多個半導體晶粒，而更不理想地增加了一區域佔用面積、功率、以及成本。
在本實施例中，一種稱為LEES(低能量電子系統)程序的程序被利用，其中CMOS和III-V族半導體裝置一起被製造在一單一晶粒上，以形成圖4的該積體電路400。優點是，該LEES程序可把合適的III-V族裝置經由金屬互連體介接予以接合到一傳統CMOS裝置層。在一小型形狀因子情況下和在一智慧型手機實現態樣吃緊的功率預算範圍內，這種單一晶粒整合為802.11p規格提供其所需的卓越效能。在以下的第2節中，將會說明該LEES程序如何被使用來縮小具有第二裝置層(即，其被佈置為包括一802.11p RF前端 電路)的整個積體電路400，以及該第二電路部分404如何被組配來介接在一智慧型手機上通常會有的通訊子系統電路。更具體地說，第二裝置層與第一裝置層被單石地整合，使得形成之該所得積體電路400的總晶粒面積/佔用面積比起使用傳統解決方案來整合兩個(第一和第二)裝置層實質上會小得多。
將被理解的是，LEES裝置和相關支援的體半導體程序正配合一商轉的CMOS晶圓代工廠被開發，目標為在未來的幾年內可以公佈原型裝置和電路。與此同時，針對LEES裝置之裝置模型化和對p-cell佈局也正在進行，以開發出一套PDK，這是一整合的CMOS和III-V族設計套件，可讓電路設計者使用一傳統的設計流程來創建創新的電路。為了要在該LEES程序被商轉引入之前證明晶片的功能，一系統原型1400(基於該積體電路400)的一參考FEM，如圖14中所示，被設計並使用標準商用0.18微米CMOS和0.25微米GaN技術在獨立的晶粒上被製造。該參考FEM包括之電路設計能實現802.11p所要求之高發射功率(即，28.8dBm，大約4倍或19倍於WiFi)，並具有低功耗的優點。
此外，與現有智慧型手機相容性的證明是透過在一FPGA上模擬一802.11p基頻(使用一改版的802.11a基頻處理器)以及以一製造的802.11p發射器(對應為積體電路400之第二電路部分404的一部分)介接該FPGA。具體地說，該系統原型1400被安排為一發射機鏈，其包含有用標準的CMOS和GaN技術所設計的多個FEM、在一FPGA板上 的一基頻處理器，該板透過USB介接到一智慧型手機(例如，基於Android的)，所有均為802.11p相容。802.11p發射機發射功率的應用層級自適應控制是經由一增益控制介面來達成的，該介面係由一Android應用程式(安裝在該智慧型手機上)啟用以調諧該發射功率(並因此調諧其相關的功率消耗)來匹配一實際所需的D2D通訊距離。聯合的軟硬體功率最佳化使得更大幅度的功率降低變得可能，使得該系統原型1400可滿足智慧型手機咄咄逼人的功率預算。
2.背景 2.1 LEES程序和設計流程
為了使CMOS與III-V族材料的單石整合變得可能，對於那些積體電路設計出現了本質上不同的新挑戰。有了這個動機，激勵了對可最佳利用單石、垂直整合程序之新應用驅動器的探索，從而產生LEES程序。具體地說，LEES程序係基於一商轉晶圓代工廠之傳統的前端矽CMOS處理，接著在把該處理後的晶圓送回到該商轉晶圓代工廠進行後端矽CMOS處理之前於一不同的設施上做III-V族的整合和加工處理。圖2中之圖2a到2d整體地說明了一III-V族實例結構，其與使用LEES程序所形成的CMOS/矽裝置進行單石整合。將被理解的是，對於本實施例，GaN HEMT被使用作為該III-V族半導體裝置的一實例，因為GaN HEMT特別適用於形成執行802.11p通訊所需要的高功率RF電路。簡要地說，圖2a顯示出一具有製成的Si-CMOS裝置202的矽在絕緣體上(SOI)晶圓200，而圖2b描繪出一由一種兩 步驟接合技術來實現的Si-CMOS/GaN在Si上晶圓204。圖2c則顯示出一裝置隔離用的GaN窗口206的開設，而圖2d顯示出單石整合GaN HEMT裝置208的一示意性橫截面圖，其具有製成的HEMT和Si-CMOS裝置208、202的最終金屬互連。
由於LEES程序係基於一商轉的CMOS晶圓代工廠，故CMOS電路設計能夠充分地利用由該晶圓代工廠所提供之現有的CMOS PDK。然而，一晶粒使用的III-V族部分需要一新的PDK，其包括III-V族裝置模型、佈局p-cell、以及在III-V族和CMOS裝置之間的互連模型。新的PDK已被開發成有III-V族裝置(即GaN HEMT)之一種基於物理的緊密模型，該裝置可和由裝置和程序研究人員所定義的裝置佈局、大小和間距規則相耦合，使得使用傳統CAD工具和佈局之具有III-V族電路模擬的CMOS可用於該晶粒之該等CMOS和GaN兩部分。這種整合的CAD流程使得聯合CMOS與III-V族電路設計變得可能，並簡化LEES程序往最終商業化的進程。
2.2手機通訊電路
通常，一智慧型手機的通訊子系統包含有各種雙向通訊無線電，包括WiFi(即IEEE 802.11a/b/g/n/ac)、藍牙、和蜂巢式無線電(例如GSM/CDMA/WiMAX標準)。蜂巢式無線電不支援D2D通訊，並只與蜂巢式基地台進行通訊，該基地台協調對接取媒體的接取動作。WiFi Direct是一種最近的標準，其允許智慧型手機之間的D2D通訊，並可使用具星形拓樸結構的網路，但不允許網狀型或完全對等網路 拓樸結構。自組WiFi係一先前存在的標準，其允許直接D2D通訊而無需指定一裝置作為一中央化控制器/一接取點，但並不在主要的行動作業系統之間被廣泛地支援，因此需要作核心修改。將被理解的是，WiFiDirect使用與自組WiFi相同的硬體來實現(利用一類比前端、PHY、和MAC)，並藉由指定一裝置作為該接取點而(在群組中的)其他的裝置為客戶，而很容易建置客戶AP連接。
每一個通訊無線電通常包含以硬體實現的一PHY(即實體層)和MAC(即媒體接取控制)，且較高的MAC層和更高的網路層在裝置驅動程式中、作業系統和應用層級處以軟體實現。PHY負責處理RF傳輸、以及調變和編碼方案，而MAC負責協調多個裝置對一共享的無線媒體之接取動作。因此，MAC的一設計確定一網路是否需要一基地台或一接取點，或多個裝置是否能夠以一種分散式的方式，沒有中央化控制器仲裁無線媒體接取動作的方式進行對等通訊。
圖3a顯示出一傳統智慧型手機的一典型通訊電路300，它包括佈置來處理無線通訊的各種硬體模組，即：一RF FEM 302、一RF收發機304、一數位通訊處理器306(其包括MAC和基頻處理，以及一ADC/DAC)、和一應用處理器308(網路層和較高MAC層以及應用軟體被實現於其中)。除了RF FEM 302之外，該等硬體模組(302-308)的大部分逐漸地與標準的CMOS程序整合。雖然有一些電路研究正朝向CMOS功率放大器進行以使得整個通訊電路的更高階 整合變得可能，然而，當前CMOS裝置其本質性的低功率密度和效率仍是個挑戰。如在圖1中所示，一用於執行各種通訊標準的功率放大器仍是使用III-V族技術所製成的一單一晶片，以使之有更高的輸出功率和效率，但其會令整體系統形狀因子變差。因此，將可被理解的是，RF FEM 302和RF收發機304可透過使用一III-V族半導體材料被製造以受益於可獲得比採用CMOS來製作還要好的功率密度和效率。
LEES程序可有利地使該積體電路400其形狀因子之再降低得以實現，基本上係藉由實質移除矽和III-V族晶粒之間的接合線和接合墊。LEES程序藉由避免在RF頻率上互連寄生電感和電容來達到改進的效能。由於在一智慧型手機中由RF FEM 102所佔據的晶粒面積是不可忽略的(即參照圖1)，由LEES程序所提供的高整合程度可使一較小形狀因子的行動裝置變得可能，也釋放了在母板中的晶粒面積以嵌入其他的功能，如果需要的話。除了小形狀因子，功率消耗課題也為該積體電路400做了小心的處理，因為所有的行動裝置往往都受限於電池中有限的電能儲存量(這就是為什麼大多數智慧型手機都配置有獨立的電源管理/控制晶片組)。藉由使用LEES程序，一III-V族的功率放大器可在一單一晶粒中隨同CMOS控制電路來實現，故可實現更高效率之硬體層級的電源控制並結合應用層級的管理以延長電池壽命。
2.3 802.11p與802.11a的相容性
IEEE 802.11p DSRC最初被提出用於車輛對車輛(V2V)和車輛對基礎設施(V2I)的通訊，從而實現真正的分散式網狀的D2D網路連結，諸如自組WiFi。圖3b係表350，其比較802.11p和802.11a的規格參數。正如可從表350看到的，802.11p採用與802.11a相同的OFDM調變，但其時域參數兩倍於802.11a，以緩和具高行動性和嚴重衰減的車輛環境。除此之外，802.11p指定了一156kHz(相對於在802.11a中的312kHz)的保護頻寬，以避免都卜勒擴展效應(即載波間干擾，ICI)以及相關聯的保護間隔是1.6微秒(相對於在802.11a中的0.8微秒)以減輕多重路徑衰減(即符號間干擾，ISI)。因此，當一數位基頻處理器針對802.11p被實現時，用於802.11a的硬體可依原樣使用，但被組配成執行在原來一半的時脈頻率(下面將被詳述)。
對於較長距離的V2V通訊，隨著所需增加發射功率和穩健性，802.11p無線電的高功耗已經在傳統上排除了它們在智慧型手機中的使用。經由LEES程序這個課題有被處理，其中係透過有利的CMOS/III-V族的整合，其最佳化高功率密度III-V族裝置在特定應用中的效能，並把III-V族裝置與CMOS整合在一單一晶粒上。LEES程序結合了一種提出的電路設計，伴隨將被使用之來自相關應用軟體的自適應增益控制，從而使得可在一智慧型手機中實現一種低功率和小形狀因子之基於802.11p的D2D解決方案。
正如所提到的，圖4顯示出該積體電路400。其包括第二電路部分404和第一電路部分402，其中該第二電路 部分404包括一802.11p RF前端電路和一SPDT(一單極雙投)開關。將被理解的是，在某些情況下，該第二電路部分404還可包括一LNA以提高接收器效能。因此，該802.11p RF前端電路被組配成是以由IEEE 802.11p協定所指定的一時脈頻率和一通道頻率來運作。該802.11p RF前端電路本身包括一GaN PA，而GaN之所以會被選擇為所選擇材料的原因為GaN適合於實現一高功率和較高效率的PA。以下，為簡單起見，提及該802.11p RF前端電路時可能係指該第二電路部分404。將該理解的是，該第一電路部分402簡單地包括在一智慧型手機上現有的WiFi晶片組和應用處理器(使用該積體電路400)。該第一電路部分402係基於圖3a該通訊電路300的模型。所以，第一電路部分402包括(至少)一802.11a PA 4022、一802.11a收發機4024、和一802.11 MAC/基頻處理器4026(其被設置來與一應用處理器406進行通訊)。802.11a收發機4024被組配成可通訊地耦合到第二電路部分404。將被理解的是，802.11a PA 4022可以使用CMOS或III-V族材料來製造，而802.11a收發機4024和802.11 MAC/基頻處理器4026是使用CMOS來製造。因此，這意味著802.11a PA 4022可擇一地被形成在第一裝置層中(在這裡的情況是用CMOS做出)或在第二裝置層中(在這裡的情況是用一III-V族材料做出)，取決於該積體電路400的需求。但是，為便於在本實施例中討論起見，該802.11a PA 4022被選擇為被形成在第一裝置層中(並且不應採限制性解釋)。
802.11 MAC/基頻處理器4026被組配為可在第一 和第二時脈頻率之間自適應地進行運作，當積體電路400被組配為經由第一無線通訊協定(即IEEE 802.11a協定)來執行通訊時使用該第一時脈頻率，而當積體電路400被組配為經由第二無線通訊協定(即IEEE 802.11p協定)來執行通訊時使用該第二時脈頻率。特別是，該第二時脈頻率被組配成為該第一時脈頻率的減半。將被理解的是，對於要執行802.11a通訊的第一電路部分402來說，需要一天線開關(即SPDT開關)以取用一佈置在第二電路部分404處的天線(在這個實施例中，其被佈置成在第一和第二電路部分402、402之間共享)。也就是說，對於要執行802.11a通訊的該積體電路400來說，第一電路部分402被組配成至少與第二電路部分404的SPDT開關共同工作以執行所需要的通訊。當然，在換成802.11a PA 4022係被形成在第二裝置層的實施例中，則第一電路部分402也被組配成與用於802.11a通訊的802.11a PA 4022(其位於該第二裝置層中)共同工作。因此，參考圖4，該802.11a PA 4022(其係一RF放大器)、802.11a收發機4024、802.11的MAC/基頻處理器4026、和(第二電路部分404的)SPDT開關都有需要，以執行802.11a通訊。
在另一方面，對於要執行802.11p通訊的該積體電路400來說，第一電路部分402被組配成與802.11p RF前端電路以及該第二電路部分404的SPDT開關兩者共同工作以執行所需要的通訊。同樣地，在換成802.11a PA 4022係被形成在第二裝置層的實施例中，則第一電路部分402也被組配成為了802.11p通訊而與802.11a PA 4022(其位於該第二 裝置層中)共同工作。因此，參考圖4，802.11a PA 4022、802.11a收發機4024、802.11的MAC/基頻處理器4026、以及802.11p RF前端電路和(第二電路部分404的)SPDT開關都有需要，以執行802.11p通訊。
此外，802.11a收發機4024被組配成可在第一和第二通道頻率之間自適應地進行運作，當該積體電路400被組配為經由第一無線通訊協定(即IEEE 802.11a協定)來執行通訊時使用該第一通道頻率，而當該積體電路400被組配為經由第二無線通訊協定(即IEEE 802.11p協定)來執行通訊時使用該第二通道頻率。當然，該第一通道頻率包括由IEEE 802.11a協定所指定的一頻率，而第二通道頻率包括由IEEE 802.11p協定所指定的一頻率。
為了闡明，802.11p RF前端電路404操作時所用之該等時脈頻率和通道頻率值都與針對該等第二時脈頻率和第二通道頻率所指定的值相似(如以上所討論的)。將被理解的是，802.11p通訊要求802.11 MAC/基頻處理器4026和802.11a收發機4024的運作時脈頻率和通道頻率需要進行調整，因為在大致相同的5GHz頻段中(即802.11a通訊的5.8GHz對比於802.11p通訊的5.9GHz)，802.11p通訊允許使用比802.11a通訊更高的輸出功率。
再進一步的闡明，802.11a PA 4022、802.11a收發機4024、和802.11 MAC/基頻處理器4026和SPDT開關係整體地操作以使積體電路400可以執行802.11a通訊。在另一方面，802.11a PA 4022、802.11a收發機4024、802.11 MAC/ 基頻處理器4026、SPDT開關以及802.11p RF前端電路404則是整體地操作以使積體電路400可以執行802.11p通訊。所以對於802.11p通訊而言，802.11 MAC/基頻處理器4026的工作頻率被組配為802.11a通訊通常使用之第一時脈頻率的一半，而802.11a收發機4024被設置為以允許802.11p通訊的第二通道頻率工作。也就是說，積體電路400可根據需要自適應地運作以進行802.11a通訊或802.11p通訊。
3.系統原型設計
正如所解釋的，系統原型1400(即參見圖14)被實現為一發射器鏈，其包含有(並如圖8用以下的順序電氣連接)：一Android智慧型手機812、一FPGA系統800和802.11p RF前端電路404，使之有符合802.11p的信號傳輸和用於節電的應用層級增益控制。一USB以太網適配器被使用以允許Android智慧型手機812和FPGA系統800之間的通訊。為了把FPGA系統800上的一基頻處理器介接到802.11p RF前端電路404，商用的DAC評估板被使用來把類比I/Q信號饋入802.11p RF前端電路404。正如之前在2.2節中所提及的，所有數位和ADC/DAC組件可與現有的WiFi通訊電路共享，且藉由稍微延展其最大工作載波頻率範圍從5.875GHz到5.925GHz，單一802.11p RF前端電路404可以容易地同時支援802.11a和802.11p。為了證明該802.11p實現方式的可行性和與現有WiFi解決方案(用於採取實際的功耗測量)相關聯的相容性，一RF發射機500(的一實例)(被包含在第一電路 部分402中)和一GaN PA 502(用於802.11p RF前端電路404)被設計和使用商轉的代工廠來分開製造，然後在把FPGA系統800介接到Android核心之前，現有的802.11a IP被利用來實現在FPGA系統800上的802.11p基頻。
3.1 RF前端
圖5顯示出RF發射機500和GaN PA 502的示意圖。將被理解的是，RF發射機500包括分別為802.11a PA 4022和802.11a收發機4024(其為結合的一RF發射機和一RF接收器)相關部分的電路部分。如此，RF發射機500的一部分可被擇一地形成在該第一或第二裝置層中，取決於該802.11a PA 4022被形成於何處。也就是說，RF發射機500可以完全地被形成在第一裝置層中，或是RF發射機500的一部分可被形成在第一裝置層中而RF發射機500的另一部分可被形成在第二裝置層中。該RF接收器未被顯示出。具體地說，RF發射機500包括一基頻濾波器/VGA鏈、正交混合器、和一驅動器放大器。一簡單的CMOS接收器電路(圖中未示出)也被設計用於校準以增強交互耦合的中和電容器來提高線性度，伴隨一中央抽頭之在晶片上的電感器用於電源退化。一中央抽頭之在晶片上的變壓器被使用以免除一外部貝楞(balun)電路的需求。RF發射機500和接收器電路以0.18微米CMOS技術製造，並佔據大約1.4平方毫米晶粒面積，其包括一完整的發射器鏈和一接收器用於I/Q不匹配校準，但不包括焊墊區域，如圖7a中的顯微照片700所示。 但將被理解的是，RF發射機500中的接收器路徑在這裡的情況中僅是用於校準的目的，因此RF發射機500被組配為一發射器，其還包括在GaN PA 502之前被配置的該802.11a PA 4022。更要被強調的是，為了說明簡單起見，圖5中所示的GaN PA 502可能不完全地表現802.11p RF前端電路404，並且還因為第二電路部分404可能包括其他的相關電路，諸如SPDT開關(未在圖5中示出)。RF發射機500被組配為以現狀被同時使用於802.11a和802.11p通訊，只需必要的通道頻率調整用以進行特定的通訊，這意味著該802.11a收發機4024也可被共享於802.11a和802.11p通訊兩者。
圖6顯示出GaN PA 502的提議電路示意圖。為了實現一滿足EVM要求的28.8dBm輸出功率，一功率結合技術被提出，其採用AB類和C類偏壓裝置600、602(即在圖6中標示為M1和M2，並在下文如此稱呼)。相同的RF輸入信號被施加到M1 600和M2 602的電晶體閘極，其具有不同的C類和AB類之DC偏壓且直接連接M1 600和M2 602的電晶體汲極，透過運用一公用的負載拉挽方法，其顯著地減少輸入和輸出網路的複雜性。兩個尾部裝置603、604(即在圖6中標示為M3和M4，並在下文如此稱呼)，充當一電流鏡使來自M1 600和M2 602之兩個同相信號，由於在該電流鏡中在M3 603和M4 604之間有一固有的線性電流關係，而保持被線性地組合。M3 603和M4 604總是被自偏壓在一飽和區，無論M1 600和M2 602的偏壓為何，因為GaN HEMT係具有一負夾止電壓的空乏型裝置。因此，GaN PA 502需要 外部的負偏壓。一小型電感器606(圖6中標示為L1，並在下文如此稱呼)被使用在C類PA中以降低輸入電容變化。此外，L1 606確保兩個汲極電壓波形是同相的，使得來自M1 600和M2 602的兩個電壓會在汲極處被有效地結合。
在此實施例中為了評估的目的，GaN PA 502被設計並使用一商用0.25微米“GaN在SiC上”程序製造。圖7b顯示出所製造的GaN PA 502的顯微照片750，其約佔1.28平方毫米晶粒面積(包括焊墊)。製成的GaN PA 502被組配成約在5.9GHz運行。總之，所提出GaN PA 502能夠實現跨越輸出功率層級的線性和效率，同時消除在傳統功率放大器中所面臨的複雜設計問題。
3.2 FPGA子系統
對於設計複雜的無線電基頻實施態樣原型以達即時、提供高效能、低功耗、和便攜性，比起其他的軟體無線電平台，FPGA提供了一理想的平台。FPGA系統800在系統原型1400中執行兩個功能：基頻處理和在Android智慧型手機812上所安裝的一應用軟體和經由DAC 814的類比/RF電路之間提供一介面。FPGA系統800(舉例來說)使用在XUPV5開發板上的一Xilinx XC5VLX110T FPGA來實現。使用FPGA系統800來實現之對應於該積體電路400之一完整發射器鏈被描繪在圖8中。該FPGA系統800包括一LEAP抽象層模組802，其可並行地通訊式耦合到一封包產生器804和一增益控制模組806，而封包產生器804被耦合到一802.11p Airblue無線基頻處理器808(為簡便起見，以下簡稱 為Airblue基頻模組)，後者則接著耦合到一數位低通濾波器810。Android智慧型手機812耦合到該LEAP抽象層模組802(經由以太網路)。低通濾波器810耦接到一外部的DAC 814，其可被通訊式地耦合到一RF FEM 816。將被理解的是，RF FEM 816表示(圖4之)該802.11a PA 4022、802.11a收發機4024和802.11p RF前端電路404的組合。資料封包從Android智慧型手機812被發送，經由RRR抽象層和以太網路，到802.11p Airblue基頻模組808。所得的基頻輸出被傳過低通濾波器810，並在提供給DAC 814之前被縮放調整。低通濾波器810減少在40MHz頻譜範圍內因該取樣效應所造成的任何雜訊。但將被理解的是，在圖8中所有的組件802-814(除了RF FEM 816之外)可被對映到圖4的802.11 MAC/基頻處理器4026和應用處理器406。在系統原型1400中，一介面需要被實現(即，LEAP抽象層模組802被實現在FPGA中，而Android智慧型手機812中的USB到以太網路介面是經由一Android手機來實現)，因為整個應用程式被分割在於一獨立的智慧型手機上執行軟體的一應用處理器和執行數位基頻處理的FPGA系統800之間。但將被理解的是，封包產生器804被圖示為一簡單的MAC功能方塊(其被組配在802.11 MAC/基頻處理器4026中)，而被組配成用於波形/頻譜整形的低通濾波器810可被視為基頻功能方塊的一部分。
該Airblue基頻模組808執行所需的基頻處理，並會在第3.2.1節中討論。但將被理解的是，FPGA 800內所有 其他的模組802-810是成功地橋接由Android智慧型手機812所發送的資料和由RF FEM 816所看到之實際類比信號所需之一介面支援的部分。LEAP抽象層會在3.2.3節中討論，該層允許FPGA系統800上的硬體將會以一種有系統的方式被取用。
該Android智慧型手機812能夠取用FPGA系統800中的兩個功能：封包產生器804和增益控制模組806。封包產生器804負責組配參數、緩衝、同步化和處理的基頻傳輸。具體地說，封包產生器804被組配來在轉送資料封包到Airblue基頻模組808之前會緩衝資料等待直到Android智慧型手機812提供了一完整的資料封包，從而確保基頻處理機制之適當的定時和同步化。封包產生器804控制基頻傳輸參數，包括資料傳輸速率、OFDM封包標頭資訊和在傳輸之間退避(延遲)的時間。該封包產生器控制和一功能列表會在第3.2.3節末進行討論。增益控制模組806允許Android智慧型手機812能夠直接組配RF FEM 816上的功率設置。FPGA系統800接收來自Android智慧型手機812的功率控制命令，解碼該等接收到的命令，並經由一並列針介面施加適當的設置到RF FEM 816。這種控制機制使得節電能力可以從安裝在Android智慧型手機812上的應用軟體來套用。有關於FPGA系統800和RF FEM 816之間介面的進一步細節會在第3.2.4節中描述。
3.2.1 Airblue無線平台
正如所提到的，系統原型1400中所使用的基頻設 計係Airblue基頻模組808。Airblue基頻模組808是WiLIS的一部分(基於文獻)，為設計用於無線系統協定的探索之一基於FPGA的混成硬體軟體系統。Airblue基頻模組808的軟體方面係以Bluespec SystemVerilog(以下簡稱為Bluespec)寫成，它是一種高階合成語言，支援廣泛的靜態闡述和檢查，宣告和參數化使得Airblue基頻模組808為高度可組配、模組化和可重複使用。Bluespec採用謹慎的基元動作(規則)來行為式地就硬體進行模型化。謹慎的基元規則也允許高效率且有時間考量的硬體產生，因為該等規則僅產生組合邏輯，除非另有指明。
將被理解的是，Airblue基頻模組808最初被設計為滿足802.11a標準規格。作為一無線系統協定探索工具，WiLIS允許Airblue基頻模組808的客製化以滿足系統原型1400所希望的需求(在這裡的情況中，即執行802.11p標準)。由於802.11a和802.11p標準除了發射頻率之外大致相同，Airblue基頻模組808被運行在原來時脈頻率的一半(即10MHz)以實現與802.11p標準的相容性。值得注意的是，對於實際的802.11p部署，會比802.11a需要更嚴格的輸出頻譜整形。這意味著Airblue基頻模組808可被佈置為在執行802.11a和802.11p兩通訊時被共享。
圖9係802.11p Airblue OFDM傳輸(TX)管線900(以下簡稱為TX管線)的一資料流示意圖。該TX管線900所有的階段均以10MHz運行，並明確地在每一個階段之間組配緩衝。簡要地說，一TX控制器模組902處理OFDM標頭的 資訊，其包括一封包長度、調變和傳輸率。TX控制器模組902產生一控制符記，其被傳遞過整個TX管線900，以使在控制路徑上的動態決策可以沿著TX管線900做成。一IFFT模組904進行一種折疊式的蝶型運算以節省面積和共享硬體資源(如DSP區塊)。一種循環字首***模組906接收輸出自IFFT模組904的資料，並附加短的和長的前置碼的硬編碼值，其係在實際的輸出被發送之前被設置。
該Airblue基頻模組808還利用Bluespec的參數化能力以允許任意的基頻處理位元精確度和數字的表示，這有利於允許FPGA系統800其資源利用和信號品質的探索和最佳化。Airblue基頻模組808的可重新組配特性也允許傳輸資料率(即6Mbps至54Mbps)和調變類型(即BPSK、QPSK、16-QAM、或64-QAM)的組配可以在運行時進行。
3.2.2 FPGA介面開發
Asim Architect’s Workbench(AWB)是用來經由FPGA來實現該積體電路400之混成硬體軟體設計可用的開發環境。AWB係一種效能模型化基礎架構，具有隨插即用的特性以提升模組性和程式碼重複使用性。在AWB中FPGA支援的提供是經由用於應用程式編程之基於邏輯的環境(LEAP)架構，其提供遠端請求響應(RRR)架構，它是一抽象化的通訊層。
3.2.3系統RRR抽象介面
Airblue基頻模組808最初被安排來與一高效能運算平台耦合，該平台執行一軟體應用程式並經由PCI Express介面進行通訊。然而，PCI Express通訊並不適合嵌入式應用，包括具有嚴格功耗限制的所提議的系統原型1400(圖14)。因此，一提議的十億位元(Gigabit)乙太網路介面，使用專用的狀態機器和緩衝用以與Android智慧型手機812進行通訊，被使用作為一替代品。因為Airblue設計被緊密地耦合到AWB和LEAP架構，以太網路擴展被加入作為在AWB中一新的實體通道選擇的一部分。這種方法讓RRR架構保持完整，使FPGA系統800和Android智慧型手機812能可靠地通訊。因此，Android智慧型手機812能夠援用可經由以太網路把資料傳輸到FPGA系統800上之一特定硬體區域(即Bluespec功能)的功能。這種機制使得圖8中所描繪的封包產生器804和增益控制模組806能夠實現。圖10中描繪的表1000列出了封包產生器804的實例功能和它們各自的目的。
3.2.4系統DAC介面
除了Android智慧型手機812和Airblue基頻模組808間的連接性之外，FPGA系統800還介接RF FEM 816。與DAC規格的相容性是很重要的，因可確保信號的完整性和正確性。依據DAC規格，基頻資料被調整到一10位元之無符號整數表示型態，並經由一並列針介面以40MHz的時脈頻率來傳送。
3.2.5低通濾波器的實現
低通濾波器810被包括來並被組配來減少Airblue基頻模組808在40MHz頻譜範圍內的取樣效應。一完全並列 的實現方式是不可行的，因為在FPGA系統800上可用的空閒DSP區塊數量有限。因此，執行在數倍於該取樣時脈率的一種半並列FIR濾波器被使用來把DSP的比率減少相同的量。低通濾波器810被組配來以280MHz運行，比40MHz的輸出取樣率快約七倍，由此使得可對FPGA系統800上有限數量的可用DSP區塊進行時間多工和資源共享。所提議的半並列濾波器方式能夠把七十個FIR係數/延遲對(tap)映射到僅十個DSP區塊上。圖11中的圖11a和11b分別為示意圖1100、1110，其顯示出頻譜在經過低通濾波器810之前和之後的差異，而圖11c顯示出在時域中對應效應的另一示意圖1120。
3.3手機與FPGA之間的介面
Android智慧型手機812被介接到FPGA系統800，方式係透過USB以太網路適配器經由以太網路連接到FPGA系統800，並經由USB On-the-Go(OTG)介面連接到Android智慧型手機812。為了使Android智慧型手機812能識別並列舉(計算)USB以太網路適配器，Android智慧型手機812的Linux核心被重新編譯以包括被組配在USB以太網路適配器中的特定ASIX AX88178和SMSC 7500晶片組所需之USB以太網路驅動程式。重新編譯的核心然後被載入到Android智慧型手機812上，取代預設的核心。這使得Android智慧型手機812可變成一USB主機端，並可把連接的USB以太網路適配器識別為一經由USB OTG連接線的USB從屬端。
4.評估 4.1電路測量
為了對單獨的CMOS和GaN電路做效能評估，具有10MHz頻寬之標準802.11p OFDM I/Q信號是從一向量信號產生器產生，其為RF發射機500提供正交和差分類比基頻信號，以及為GaN PA 502測量提供RF複合信號。對於RF發射機500，在校準之後一個-52dB之單一旁邊帶(SSB)抑制被達成，如圖12a-12c之評估結果1200~1220中所描繪。以相同的校準設置和使用IEEE 802.11p基頻I/Q信號，-36.5dB的EVM則會在發射機輸出達成。由於作了校準，隨著SSB抑制作用被最佳化，EVM獲改善。
將被理解的是，一具10MHz頻寬的IEEE 802.11p OFDM信號被使用於所有的EVM和效率測量。GaN PA 502實現了橫跨一個十倍輸出功率範圍之-30.5dB EVM和22%的汲極效率，具有28.8dBm的最大輸出功率。將被理解的是，前述的電路特性適合於在所有的輸出功率準位下高效率地進行系統層級的節電，而不像一傳統PA發生效率隨著輸出功率下降呈現指數型態下降的狀況。圖12d則給出了28.8dBm的輸出功率頻譜和分布圖1230，使用802.11p 64-QAM信號，其滿足D類STA傳輸功率。
在超過5MHz的偏移頻率處為了滿足最嚴格的D類頻譜遮罩，數位預失真(DPD)是必需的。DPD還可以進一步改善EVM效能。所提議合併的最佳組合為深的AB類和淺的C類PA。這是因為淺的C類PA會保留某一程度的線性與改 善的效率。因此，圖13係一表1300，其比較傳統AB類功率放大器和GaN PA 502(如圖4積體電路400的一部分)之間的各種效能參數，說明比起具有相同大小裝置的一傳統AB類PA，此GaN PA 502能夠在退避(back-off)輸出功率下實現更高的效率，同時滿足EVM要求。圖13的表1300也表明GaN PA 502仍然能夠在較低的輸出功率下保持高效率。考慮到一PA通常會工作在一比最大功率要低的功率，系統設計者可因此可受益於GaN PA 502，把發射功率調適到應用的需求。這種電路特性適合於在所有的輸出功率準位下高效率地進行系統層級的節電，不像一傳統PA會有效率隨著輸出功率下降呈現指數型態下降的狀況。雖然以傳統工商用0.25微米GaN程序，供應電壓增加到30伏特，但隨著裝置尺寸在LEES程序中縮小，它將相容於CMOS供應電壓，所以一適當的DC-DC轉換器可被設計來控制GaN PA 502的供應電壓。
4.2系統原型評估
如同之前所言，圖14顯示出所提議系統原型1400的一種建置狀況，其清楚地表明Android智慧型手機812、FPGA系統800和商用的DAC評估板被介接到RF發射機500和GaN PA 502之個別的PCB板(以整體地模擬圖4之積體電路400)。(例如)用一Virtex-5 FPGA所實現之一符合802.11p的數位基頻，伴隨一TI雙重12位元DAC，DAC2902，取樣率為40MHz，把類比I/Q基頻信號饋入到RF發射機500。安裝在Android智慧型手機812的一Android應用程式控制封包 產生/傳輸和RF增益。
由於發射模式占了功耗的部分，一完整的發射器鏈被設計和實現來驗證該LEES程序的可行性以及透過應用層級自適應功率控制(ALAPC)之潛在的功率降低狀況。而且，在802.11p中，用一複合調變方案像OFDM，GaN PA 502的DC電力會超過整個發射器功率的90%，因為GaN PA 502肇因於它的高PAPR信號而需要有退避措施，且因此隨著輸出功率從一飽和點降低，功率效率會顯著地降低。因此，GaN PA 502的功率管理是很重要的，以在一智慧型手機嚴格的功率預算中配合802.11p RF FEM。
在以下的小節中，會確定ALAPC，結合在所有輸出功率準位下該GaN PA 502改善的功率效率，可以達到顯著的功率降低。此刻，該系統原型1400尚未被部署，因為其需複雜的系統組態，加上獨立的FPGA和DAC板的使用，以及用於發射機和PA板的多個電源供應器。然而，延續自初始採用現成的D2D通訊的兩個行動應用程式(即RoadRunner和SignalGuru)先前部署的作法，可被使用來評估把COTS D2D無線電替換為所提議之圖4的該積體電路400時可實現之潛在系統功率節省效果。
4.2.1 RoadRunner評估
RoadRunner是一種用於道路擁塞控制的車載Android應用程式，並為駕駛人提供轉彎提示的導航指示，像現今的導航系統，同時藉由在背景中分配符記給車輛來實施道路空間配給。符記允許一車輛行駛在一特定路段 上，並且透過一蜂巢式網路(LTE)從一伺服器分配到車輛，或透過802.11p DSRC在車輛之間直接交換。
原始部署---原始部署發生在美國麻州劍橋的多個地理區域(即，參見圖15a的地圖1500)中。該部署使用十台車輛行駛在多個可能的有擁塞控制的路線上，其中一些要求一系列的符記將會由RoadRunner來獲取。三種不同的方案被評估：僅使用蜂巢式網路作為一基準線的RoadRunner；額外使用自組WiFi用於V2V通訊；以及額外使用802.11p DSRC用於V2V通訊。使用802.11p時，每台智慧型手機都經由USB栓繫到一現成的802.11p DSRC無線電(如圖15b中的照片1510所示)。每台智慧型手機經由USB栓繫以一USB以太網路適配器的身分被附列到相關聯的802.11p DSRC無線電，而每個802.11p DSRC無線電包括一執行一橋接應用程式的應用程式處理器，此應用程式在智慧型手機的以太網路介面和無線DSRC介面之間轉送封包。
使用啟用802.11p的網路，比起蜂巢式網路可得到高達80%的響應時間改善，且蜂巢式網路使用率降低可達到84%。自組WiFi的效能並不充足：使用自組WiFi，在29.2公尺的平均距離只發生五個V2V通訊會談，從而導致只有6.8%的請求從蜂巢式網路卸載到V2V；而若使用802.11p，在175.7公尺的平均距離會發生有四十七個V2V通訊會談，卸載43%的請求。這個原始部署從而促使採用802.11p作為用於智慧型手機之一種行動D2D通訊標準，而把一COTS 802.11p無線電栓繫到一智慧型手機之麻煩的設 定，則自然地會促使採用圖4提議的積體電路400。
自適應功率控制---RoadRunner軌跡的取得和假設是使用自適應功率控制，每個V2V通訊會談(即符記交換)是以可到達另一輛車所需之最低功率來傳輸。這是與作為一基準線而把每一個V2V符記交換以全無線電功率進行的原始部署軌跡相比較。該等軌跡包括車輛位置、在所有無線電介面上的通訊、和在部署期間V2V符記交換發生的距離。對於每一個V2V交換，傳送一封包跨過交換距離的一最小功率準位(以mW計)，是從使用64-QAM編碼針對GaN PA 502所進行的實驗測量結果中查出(參照圖13的表1300)。該等估計的總和針對一沒有自適應功率控制的情況被正規化，參照圖15c，其中顯示出在有/無自適應功率控制的情況下有關於RoadRunner V2V符記交換的平均功耗的效能結果1520。
使用ALAPC以及提議的積體電路400(其對於所有的功率準位能夠達到22.5%的效率)，V2V交換少用47%的功率(即，從3.37瓦降低至1.77瓦)，這表明許多V2V通訊會談不需要如在原始部署中的全發射功率以送達另一輛車。只單獨使用ALAPC，沒有結合提議的積體電路400(且因此效率呈指數型遞減)，V2V符記交換僅比基準線少用4.8%的功率(即，從3.37瓦降低至3.21瓦)，這強調了該提議的積體電路400在實現來自ALAPC好處對於改善的PA效率的重要性。
4.2.2 SignalGuru評估
SignalGuru是一車用交通燈號偵測的iPhone應用程式，其共享多個智慧型手機之間的資料以合作性地學習交通號誌變遷過渡模式，並提供GLOSA(即，綠燈最佳速度建議)給駕駛人。每一輛車被設置有一安裝在擋風玻璃上的iPhone，其經過手機的攝影鏡頭觀察交通號誌轉換，並每兩秒透過自組WiFi廣播出觀察結果。
原始的部署---原始的SignalGuru部署也發生在美國麻州劍橋，沿著麻薩諸塞大道上三個連續的交叉路口(即參見圖16a的地圖1600)。五輛汽車在指定的路線上開三個小時，產生GPS定位軌跡。為了克服自組WiFi有限的通訊範圍，一手機被安置在一交叉路口附近以被組配來充當一中繼設備。
自適應功率控制---SignalGuru軌跡被取得，並在所提議之積體電路400的效能模擬中，每當一車輛廣播出一資料封包(例如，每兩秒一次)，到達下一台最近車輛以使用ALAPC傳送資料封包所需的功率準位會被計算，從19.8dBm到28.8dBm。計算出的功率準位會和基準線靜態功率控制作比較，其中每一個廣播是以28.8dBm的最大功率準位發射。
使用ALAPC以及提議的積體電路400(其對於所有的功率準位能夠達到22.5%的效率)，SignalGuru廣播少用56.3%的功率(即，從3.37瓦降低至1.47瓦)，參照圖16b，其顯示出在有/無自適應功率控制的情況下有關於SignalGuru UDP廣播平均功耗的效能結果1610。只單獨使 用ALAPC，沒有結合該提議的積體電路400(且因此效率呈指數型遞減)，SignalGuru廣播僅比基準線少用24.5%的功率(即，從3.37瓦降低至2.54瓦)，再次地強調了所提議的積體電路400其提高功率效率對於大幅降低整體系統功耗是重要的。
4.2.3功率減少摘要
為了要把由該提議之積體電路400所實現的功率降低1.6瓦(從RoadRunner)和1.9瓦(從SignalGuru)放入環境中，(例如)一三星Galaxy S4智慧型手機功耗的動態範圍，使用Monsoon功率監測器(Power Monitor)被測量為約在1瓦(即該智慧型手機的螢幕不關並被置於一閒置模式中)和11瓦(即該智慧型手機正在執行一CPU密集運作的指標程式)之間。這指出使用所提議的積體電路400，在整個平台功率預算中的一種顯著的功率降低效果可被實現。
4.3在新PDK上的模擬
為了預測和驗證所提議之積體電路400(使用LEES程序來形成)的電路功能和佈局面積，LEES PDK被使用於該原型系統1400的電路的模擬和佈局。圖17顯示模擬圖1700，其比較了使用商用的Cree GaN PDK和LEES PDK所得的模擬波形(執行在一裝置層級)。由於該PDK包括一未經修改的商用CMOS PDK，故只有積體電路400的第二電路部分404(即III-V族部分)進行了驗證。在GaN PA 502(其具有三個端子)的一端子上，在5.9GHz的相同波形得以被實現，這意味著RF寄生以及固有的AC/DC參數被成功地反映在該 提議的積體電路400中。大信號非線性亦透過經由一基於物理的緊密模型加以模型化而被研究，以匹配GaN PA 502在高輸出功率時的非線性特性，這在預測該aN PA 502(其為一III-V族(或III-V族再加上CMOS)PA而與CMOS功率控制電路被實作在一單一晶粒上)的精確效能時是必要的。
圖18是為該積體電路400使用LEES PDK所設計的一電路草案佈局的一顯微照片1800。具體地說，RF發射機500與GaN PA 502結合，使用LEES PDK中的p-cell。在GaN主動區中，雖然沒有與商用PDK中的對應者相容的被動組件，其佈局面積可以被允妥地和現有的兩個分開晶粒面積的總和相比較，因為在這種情況下該高功率GaN裝置會比該等晶片上的被動元件大得多。兩個分開晶粒面積的和為1.4平方毫米加上1.28平方毫米等於2.68平方毫米，與其比較，使用LEES PDK的積體電路400的組合晶粒面積總計約為1.98平方毫米，表示透過LEES程序所實現的晶粒整合可進一步縮小形狀因子(如焊墊不再需要)。伴隨著一較小的單晶粒面積，該LEES程序從而能夠把目前在一智慧型手機中所有的FEM和相關的組件整合進一單一晶粒或一半導體封裝體。
因此，經由系統原型1400(含有所提議的積體電路400)的評估，已顯示出802.11p對於智慧型手機的D2D部署是有效的。此外，積體電路400模擬的執行，在LEES程序的觀點中，使用的是一種嚴格模型化程序設計套件，以驗證與傳統商用CMOS和GaN程序的模型化和程序相容 性。所提議的積體電路400與現有的智慧型手機設計電路的相容性，也藉由在FPGA系統800上模擬一802.11p數位基頻、和把該FPGA系統800與製造的802.11p RF前端電路404介接來證明。此外，應用層級功率控制的影響是藉由介接該Android智慧型手機812和該FPGA系統800與802.11p RF前端電路404來顯示，其中功率控制係經由安裝在該Android智慧型手機812上的一Android應用程式來執行。可能的應用程式的功率節省效果也透過兩個案例研究應用程式，車輛擁塞控制、以及綠燈最佳速度建議(GLOSA)來展示。
5.結論
綜合以上，WiFi無法有效地處理在行動裝置(例如智慧型手機)之間的D2D通訊的需求，因為它的覆蓋範圍不足和可靠性不佳。本發明的情況是以所提議的積體電路400來實現使用802.11p。802.11p傳統上是採用於V2V通訊，提供更低的延遲時間和更長的範圍。積體電路400是由LEES程序來實現，其為在一單一晶粒上同時沉積III-V族和CMOS裝置(即，一種GaN-CMOS單石程序)的一種製造程序。具體地說，GaN HEMT裝置被利用以實現用以執行802.11p通訊所需要的高功率GaN PA 502，其則又被耦合到RF發射機500。另外，所提議的802.11p RF前端電路404被調整以用於自適應功率控制，目標為在一廣泛的發射功率範圍中具有優秀的功率效率。在系統原型1400中，802.11p RF前端電路404被介接到RF發射機500、DAC 814和FPGA 系統800，其被連接到Android手機812。整體來說，802.11a PA 4022、802.11a收發機4024和802.11p RF前端電路404(或者換言之，RF發射機500和GaN PA 502一起)，假設在自由空間以64-QAM模式傳送280公尺有利地只消耗0.13微焦耳/位元且100公尺只消耗0.02微焦耳/位元，並滿足了28.8dBm的輸出功率與在5GHz頻段(即在5.72GHz)測量得-30.5dB的EVM。應用層級的功率控制也可顯著地減少積體電路400的功耗約為47%至56%。這表明LEES程序能夠在一智慧型手機嚴格的功率和面積預算限制內實現一802.11p前端。
雖然本發明已經在附圖和前文的描述中被詳細地說明和描述，但是這些說明和描述將被認為是說明性的或示範性的，而不是限制性的；本發明並不侷限於所揭露的實施例。在實施所請求的發明時，對所揭露實施例的其他變型可由熟於此技者所理解和實現。舉例來說，圖4之提議的積體電路400也可以被部署在其他的行動運算裝置中(例如筆記型電腦或平板)，並不侷限於智慧型手機。另外，該積體電路400也可使用在涉及低功率車載單元、物聯網(IoT)的行動裝置對裝置通訊、自訂(Ad-hoc)網路基礎設施建構方塊或類似物的應用中。此外，其他的PA(由合適的III-V族材料所形成)可用以取代該GaN PA 502(被實現為802.11p RF前端電路404的一部分)。再者，第二半導體材料不一定包括III-V族材料--諸如II-VI族材料的其他合適材料也是可採用的。其他的無線協定可替換地被使用來代替802.11a和802.11p協定，諸如舉例來說，針對為該等802.11a 和802.11p協定所提出的未來改進版本，或等等。在該802.11a PA 4022可能被形成在第二裝置層中的一些情況中，將被理解的是，該802.11a PA 4022可被實現為獨立於該第二電路部分404之一單獨的電路部分，或替代地該802.11a PA 4022可與該第二電路部分404被整合在一起。
此外，實施此種手機對FPGA介面(如3.3節中所述者)的其他方案可能包括：
1.使用該FPGA系統800作為一USB主機，而Android智慧型手機812作為一USB從屬端：這種方式免除了要修改Android裝置的核心以支援USB以太網路適配器的需要，取代的是把Android智慧型手機812列舉為FPGA系統800的一USB以太網路適配器。然而，困難在於規劃該FPGA系統800來充當一USB主機，因為在XUPV5 FPGA開發套件上的USB主機晶片組中有一個錯誤(bug)。
2.使用FPGA系統800作為一USB從屬端，而Android智慧型手機812作為一USB主機：這種方法免除了中間USB以太網路適配器的需要，反而是連接FPGA系統800直接作為USB從屬端。然而，這會需要為FPGA應用程式撰寫一訂製的USB裝置驅動程式。在任何情況下，在FPGA系統800上使用以太網路埠和在Android智慧型手機812上使用USB以太網路適配器的驅動程式，在實際的實現態樣中似乎是最為直接了當的，因為USB以太網路適配器現有的驅動程式可以很容易的被利用在Android智慧型手機812上，而在FPGA系統800上實現一個十億位元(Gigabit)乙太網 路區塊也有充分的文獻提及。然而，將被理解的是，USB以太網路適配器可以任選地使用其他合適的通訊介面來取代，取決於預期的應用。
再更進一步地根據另一變型，其提供了一種具有相同於圖4該積體電路400之系統架構的變型積體電路(圖中未示出)，但不同處在於該變型積體電路的該等第一和第二電路部分402、404不需要用不同之個別半導體材料來形成。反而，該變型積體電路的該等第一和第二電路部分402、404可由一種相同的半導體材料，或不同之個別半導體材料來形成，取決於該變型積體電路所打算的操作需求。

Claims (19)

  1. 一種適用於行動通訊的積體電路，其包含有：一第一裝置層，由一第一半導體材料所形成並具有至少一第一電路部分；以及一第二裝置層，由一不同於該第一半導體材料之第二半導體材料所形成並具有至少一第二電路部分；其中該等第一和第二裝置層被整合地形成，並且該第一電路部分被電氣耦合到該第二電路部分以容許使用第一和第二無線通訊協定來作行動通訊，其中該第一電路部分更包括有一收發機和一數位基頻處理器，以及其中該數位基頻處理器係組配成在第一和第二時脈頻率之間自適應性地操作，該第一時脈頻率使用在當該電路組配成經由該第一無線通訊協定來執行通訊時，並且該第二時脈頻率使用在當該電路組配成經由該第二無線通訊協定來執行通訊時。
  2. 如請求項1之積體電路，其中該第一半導體材料包括一基於矽的材料。
  3. 如請求項1之積體電路，其中該第二半導體材料包括一III-V族材料。
  4. 如請求項3之積體電路，其中該III-V族材料包括GaN、GaAs、AlGaAs或InGaAs。
  5. 如請求項1之積體電路，其中該積體電路被一體地形成為一單一晶粒或一半導體封裝體。
  6. 如請求項1之積體電路，其中該等第一和第二無線通訊協定包括從IEEE 802.11協定中所選出者。
  7. 如請求項6之積體電路，其中該第一無線通訊協定包括IEEE802.11a協定。
  8. 如請求項6之積體電路，其中該第二無線通訊協定包括IEEE802.11p協定。
  9. 如請求項1之積體電路，其中該第二電路部分包括一GaN功率放大器和一單極雙投(SPDT)元件。
  10. 如請求項9之積體電路，其中該GaN功率放大器係由GaNHEMT所形成。
  11. 如請求項1之積體電路，其中該第一電路部分包括由該第一半導體材料所形成的一RF放大器。
  12. 如請求項1之積體電路，其中該第二電路部分包括由該第二半導體材料所形成的一RF放大器。
  13. 如請求項9之積體電路，其中該GaN功率放大器係組配成以由IEEE 802.11p協定所指定的一時脈頻率和一通道頻率來運作。
  14. 如請求項1之積體電路，其中該第二時脈頻率係該第一時脈頻率減半。
  15. 如請求項1之積體電路，其中該收發機係組配成在第一和第二通道頻率之間自適應性地操作，該第一通道頻率使用在當該電路組配成經由該第一無線通訊協定來執行通訊時，並且該第二通道頻率使用在當該電路組配成經由該第二無線通訊協定來執行通訊時。
  16. 如請求項15之積體電路，其中該第一通道頻率包括由IEEE 802.11a協定所指定的一頻率，並且第二通道頻率包括由IEEE 802.11p協定所指定的一頻率。
  17. 一種行動運算裝置，其包含有請求項1之積體電路。
  18. 如請求項17之行動運算裝置，其中該運算裝置包括一智慧型手機。
  19. 一種適用於行動通訊的積體電路，其包含有：一第一電路部分，設置成經由第一和第二無線通訊協定來執行通訊；以及一第二電路部分，設置成配合該第一電路部分經由該等第一和第二無線通訊協定來執行通訊，其中該等第一和第二電路部分被電氣耦合以容許使用該等第一和第二無線通訊協定來作行動通訊，其中該第一電路部分更包括有一收發機和一數位基頻處理器，以及其中該數位基頻處理器係組配成在第一和第二時脈頻率之間自適應性地操作，該第一時脈頻率使用在當該電路組配成經由該第一無線通訊協定來執行通訊時，並且該第二時脈頻率使用在當該電路組配成經由該第二無線通訊協定來執行通訊時。
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