T E L K O M N I K A ,   V o l . 1 0 ,   N o . 1 ,   M a r c h   2 0 1 1 ,   p p .   6 7 ~ 7 4   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0           6 7       R e c e i v e d   J u n e   1 4 th ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   O c t o b e r   1 6 th ,   2 0 1 1 ;   A c c e p t e d   J a n u r a y   1 5 th ,   2 0 1 2   I E E E   8 0 2 . 1 1 n   P h y s i c a l   L a y e r   I m p l e m e n t a t i o n   o n   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   G a t e   A r r a y       H e n d r a   S e t i a w a n * 1 ,   Y u h e i   N a g a o 2 ,   M a s a y u k i   K u r o s a k i 2 ,   a n d   H i r o s h i   O c h i 2   1 E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   D e p a r t m e n t ,   U n i v e r s i t a s   I s l a m   I n d o n e s i a   J l .   K a l i u r a n g   k m   1 4 . 5   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e s i a ,   P h o n e :   ( 0 6 2 )   2 7 4   8 9 5   2 8 7   2 C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E l e c t r o n i c s ,   K y u s h u   I n s t i t u t e   o f   T e c h n o l o g y   K a w a z u   6 8 0 - 4 ,   F u k u o k a ,   J a p a n ,   P h o n e :   ( 0 8 1 )   9 4 8   2 9 7 9 3 7   e - m a i l :   h e n d r a . s e t i a w a n @ u i i . a c . i d ,   n a g a o , k u r o s a k i , o c h i @ d s p . c s e . k y u t e c h . a c . j p       A b s t r a k   Pe r a n c a n g a n   p a d a   r e g i s t e r   t r a n s f e r   l e v e l   ( R T L )   m e r u p a k a n   s u a t u   t a h a p a n   y a n g   m e m b u t u h k a n   k e t e k u n a n   d a n   k e t e l i t i a n   y a n g   b e s a r   d a l a m   j a n g k a   w a k t u   y a n g   p a n j a n g   u n t u k   m e n g h a s i l k a n   l e v e l   a b s t r a k s i   d a r i   s e b u a h   s i s t e m   r a n g k a i a n   d i g i t a l .   Pe n e l i t i a n   i n i   m e n y a j i k a n   d a n   m e m b u k t i k a n   b a h w a   p r o s e s   d e s a i n   b e r b a s i s - m o d e l   ( M BD P)   a d a l a h   s e b u a h   m e t o d e   y a n g   e f i s i e n   d a n   e f e k t i f   u n t u k   m e m b a n g u n   s e b u a h   s i s t e m   R T L   y a n g   k o m p l e k s   s e p e r t i   p a d a   k o m u n i k a s i   n i r k a b e l .   D e n g a n   m e n g g u n a k a n   a l u r   M BD i n i ,   d i t e r j e m a h k a n ,   d i r a n c a n g ,   d i u j i   l a p i s a n   f i s i k   R T L   d a r i   s e b u a h   s t a n d a r   y a n g   d i s a h k a n   p a d a   a k h i r   t a h u n   2 0 0 9 ,   y a i t u   I EEE  8 0 2 . 1 1 n   w i r e l e s s   l o c a l   a r e a   n e t w o r k   ( W L AN ) .   H a s i l   d a r i   p e n e l i t i a n   i n i   a d a l a h   s e b u a h   p r o t o t y p e   F PG St r a t i x I I   EP2 S1 8 0   y a n g   b e k e r j a   s e b a g a i   s e b u a h   s i s t e m   2 x 2   M I M O   W L AN   d e n g a n   t h r o u g h p u t   m a k s i m u m   1 4 4   M b p s .     K a t a   k u n c i :   I EEE  8 0 2 . 1 1 n ,   l a p i s a n   f i s i k ,   M o d e l   Ba s e d   D e s i g n ,   R T L ,   F PG A         A b s t r a c t   R e g i s t e r   t r a n s f e r   l e v e l   ( R T L )   d e v e l o p m e n t   i s   a   t i m e   c o s t   s t e p   t h a t   r e q u i r e s   h i g h   d i l i g e n c e   a n d   f i d e l i t y   t o   g e t   t h e   v a l i d   i n t e r p r e t a t i o n   o f   a b s t r a c t i o n   f u n c t i o n   o f   d i g i t a l   c i r c u i t .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   w e   i n t r o d u c e   a n d   p r o v e   t h a t   M o d e l - Ba s e d   D e s i g n   Pr o c e s s   ( M BD P)   i s   a n   e f f e c t i v e   a n d   e f f i c i e n t   w a y   t o   d e v e l o p   a   R T L   c o m p l e x   s y s t e m   s u c h   a s   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o n .   U s i n g   M B D f l o w ,   w e   i n t e r p r e t ,   d e v e l o p ,   a n d   v e r i f y   t h e   p h y s i c a l   l a y e r   R T L   o f   a   n e w   s t a n d a r d   t h a t   r a t i f i e d   o n   t h e   e n d   2 0 0 9 ,   i . e .   I EEE   8 0 2 . 1 1 n   w i r e l e s s   l o c a l   a r e a   n e t w o r k   ( W L AN ) .   T h e   r e s u l t   o f   t h i s   r e s e a r c h   i s   a   p r o t o t y p i n g   F PG St r a t i x I I   EP2 S1 8 0   t h a t   h a s   p r o p e r l y   w o r k e d   a s   a   2 x 2   M I M O   W L AN   w i t h   m a x i m u m   t h r o u g h p u t   1 4 4   M b p s .         K e y w o r d s :   I EEE  8 0 2 . 1 1 n ,   P h y s i c a l   L a y e r ,   M o d e l   Ba s e d   D e s i g n ,   R T L ,   F PG A         1 .     I n t r o d u c t i o n   R e c e n t l y ,   l o c a l   a r e a   n e t w o r k   ( L A N )   a r e   r e q u i r e d   f o r   m a n y   a p p l i c a t i o n s   w i d e l y   a t   h o m e ,   o f f i c e   e t c .   I n   o r d e r   t o   m e e t   e f f i c i e n c y ,   a   p o w e r   l i n e   u t i l i z a t i o n   m e t h o d   h a s   b e e n   i n t r o d u c e d   a s   a l t e r n a t i v e s   o f   l o c a l   c o m m u n i c a t i o n   [ 1 ] .   H o w e v e r ,   w i r e l e s s   s c h e m e   i s   s t i l l   t h e   m o s t   c o n v e n i e n t   a n d   p o p u l a r   i m p l e m e n t a t i o n   o f   L A N .   T h e   W L A N   s t a n d a r d   h i g h - s p e e d   a n d   h i g h - r e l i a b i l i t y ,   I E E E 8 0 2 . 1 1 n   [ 2 ] ,   w h i c h   e n h a n c e d   w i t h   t h e   p r e v i o u s   s t a n d a r d s   I E E E 8 0 2 . 1 1 a / b / g ,   c a n   a c h i e v e   m a x i m u m   t h r o u g h p u t   m o r e   t h a n   1 0 0   M b p s   i n   b o t h   M e d i u m   A c c e s s   C o n t r o l   ( M A C )   a n d   p h y s i c a l   ( P H Y )   l a y e r s   [ 3 ] .   T h i s   s t a n d a r d   s p e c i f i e s   i m p l e m e n t a t i o n   o f   n e w   t e c h n o l o g i e s   s u c h   a s   M u l t i p l e - I n p u t   M u l t i p l e - O u t p u t   ( M I M O )     O r t h o g o n a l   F r e q u e n c y   D i v i s i o n   M u l t i p l e x i n g   ( O F D M )   [ 4 ] .     R e g i s t e r   T r a n s f e r   L e v e l   ( R T L )   d e s i g n   f l o w   h a s   i m p o r t a n t   r o l e   i n   o r d e r   t o   b r i n g   t h e   n e x t   g e n e r a t i o n   W L A N   c o n c e p t   t o   t h e   r e a l   w o r l d .   V H D L   m a y   b e   u s e d   t o   m o d e l   a n d   s i m u l a t e   a s p e c t s   o f   t h e   c o m p l e t e   s y s t e m   c o n t a i n i n g   o n e   o r   m o r e   d e v i c e s .   T h i s   m a y   b e   a   f u l l y   f u n c t i o n a l   d e s c r i p t i o n   o f   t h e   s y s t e m   a l l o w i n g   t h e   F P G A / A S I C   s p e c i f i c a t i o n   t o   b e   v a l i d a t e d   p r i o r   t o   c o m m e n c i n g   d e t a i l e d   d e s i g n .   H o w e v e r ,   V H D L   i s   a   c o m p l e x   a n d   s o p h i s t i c a t e d   l a n g u a g e   t h a t   l e a r n i n g   a l l   o f   i t s   f e a t u r e s   i s   a   d a u n t i n g   t a s k   [ 5 ] .   M o d e l - b a s e d   d e s i g n   p r o c e s s   ( M B D P )   i s   s e l e c t e d   a s   d e s i g n   f l o w   f o r   a c c e l e r a t i o n   a n d   s i m p l i f i c a t i o n   o f   d e v e l o p i n g   p r o c e s s   [ 6 ] .   I n   M o d e l - B a s e d   D e s i g n ,   a   s y s t e m   m o d e l   i s   t h e   c e n t e r   o f   t h e   d e v e l o p m e n t   p r o c e s s ,   f r o m   r e q u i r e m e n t s   u p   t o   t e s t i n g .   A f t e r   m o d e l   d e v e l o p m e n t ,   s i m u l a t i o n   s h o w s   w h e t h e r   t h e   m o d e l   w o r k s   c o r r e c t l y .   I n   t h i s   p r o j e c t ,   S i n p l i f y   D S P ,   o n e   o f   M a t l a b   t o o l b o x ,   i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     6 7     7 4   6 8 e m p l o y e d   a s   t h e   C o m p u t e r   A i d e d   D e s i g n   ( C A D )   t o o l   o f   M B D P .   F u r t h e r m o r e ,   w e   i m p l e m e n t   t h e   m o d e l   o n   p r o t o t y p i n g   F P G A   b o a r d   w h i c h   h a s   s i x   F P G A s   c h i p s   w i t h   m e s h   c o n n e c t i o n s .     I n   t h i s   p a p e r ,   s o m e   p a r t s   o f   R e g i s t e r   T r a n s f e r   L e v e l   ( R T L ) - I n t e l l i g e n t   P r o p e r t i e s   ( I P s )   s u c h   a s   f r a m e   s y n c h r o n i z e r ,   c a r r i e r   f r e q u e n c y   s y n c h r o n i z e r ,   M I M O   d e c o d e r ,   a n d   F a s t   F o u r i e r   T r a n s f o r m e r   ( F F T )   h a v e   b e e n   e a r l y   d e v e l o p e d   [ 7 ] .   T h e n ,   p h y s i c a l   l a y e r   ( P H Y )     b a s e b a n d   ( B B )   R T L   m o d e l   o f   I E E E 8 0 2 . 1 1 n   W L A N   s y s t e m   a r e   d e v e l o p e d   b y   e m p l o y i n g   t h o s e   I P s ,   a n d   e v a l u a t e d   o n   F i e l d   P r o g r a m a b l e   G a t e   A r r a y   ( F P G A ) .   T h e   d e v e l o p e d   m o d e l   a c c o m m o d a t e s   t h e   m a n d a t o r y   s c h e m e   t h a t   i s   c o m p a t i b l e   w i t h   t h e   e x i s t i n g   I E E E 8 0 2 . 1 1 a / g .   T h e   t h r o u g h p u t   c a n   a c h i e v e   1 4 4   M b p s   f o r   2 0 M H z   b a n d w i d t h   w i t h   t w o   a n t e n n a s .       2 .     T h e   P r o p o s e d   M e t h o d   F i g u r e   1   s h o w s   t h e   c o n c e p t   o f   R T L   d e s i g n   f l o w   t h a t   c o n s i s t s   o f   s o m e   s t e p s .   F i r s t ,   w e   d e s i g n   t h e   a r c h i t e c t u r e   f o r   e a c h   b l o c k   o n   h i g h   l e v e l   l a n g u a g e   s u c h   a s   m - f i l e   M A T L A B .   T h e n ,   w e   c a n   e x e c u t e   f l o a t i n g   p o i n t   s i m u l a t i o n   a n d   f i x e d   p o i n t   s i m u l a t i o n   o n   t h e s e   m o d e l s .   B r e a k d o w n   t o   H a r d w a r e   D e s c r i p t i o n   L a n g u a g e   ( H D L )   i s   t h e   n e x t   s t e p   t h a t   f o l l o w e d   b y   i t s   v e r i f i c a t i o n .   T h e   n e x t   s t e p   i s   l o g i c   s y n t h e s i s   t h a t   b r e a k d o w n   t h e   d e s i g n   t o   t h e   l o g i c   l e v e l .   F o r   F P G A   v e r i f i c a t i o n ,   w e   n e e d   Q u a r t u s   o r   X i l i n x   I S E   f o r   p l a c e m e n t   a n d   r o u t i n g .   H o w e v e r ,   f o r   a p p l i c a t i o n - s p e c i f i c   i n t e g r a t e d   c i r c u i t   ( A S I C )   a p p l i c a t i o n ,   u s e r   n e e d s   A S I C   C A D   t o o l s   s u c h   a s   S y n o p s y s   C A D   t o o l   f o r   r o u t i n g   p r o c e s s   i n t o   A S I C .         F i g u r e   1 .   A   R T L   d e s i g n   f l o w     I n   c o m m o n   a p p l i c a t i o n   o f   R T L   d e s i g n   f l o w   f o r   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n ,   s u c h   a s   i n   [ 8 , 9 ] ,   s o m e   m i s t a k e s   c o u l d   a p p e a r   o n   e a c h   s t e p   t h a t   m a k e s   a   c o r r e c t i o n   p r o c e s s   i n   e a c h   s t e p .   H o w e v e r ,   i n   M B D P ,   c o r r e c t i o n   p a t h s   e x i s t   o n   h i g h   l e v e l   v e r i f i c a t i o n   a n d   H D L   d e s i g n   o n l y .   T h u s ,   h u m a n   m i s t a k e s   c a n   b e   d e c r e a s e d   a s   w e l l   a s   i n c r e a s i n g   s y s t e m   d e s i g n   e f f i c i e n c y .     A   S y n p l i f y   D S P   [ 1 0 ]   i s   a n   M B D P   C A D t o o l   t h a t   u s e d   i n   t h i s   p r o j e c t   t o   p r o d u c e   R T L   c o d e   a s   a n   o u t c o m e   o f   R T L   d e s i g n   p r o c e s s .   T h i s   t o o l   o f f e r s   e a s y   R T L   d e s i g n   a n d   s i m u l a t i o n   w i t h   m a n y   I n t e l l e c t u a l   P r o p e r t i e s   ( I P ) .   M o r e o v e r ,   u s e r   c a n   a u t o m a t i c a l l y   g e n e r a t e   c o d e   f o r   e m b e d d e d   d e p l o y m e n t   a n d   c r e a t e   t e s t   b e n c h e s   f o r   s y s t e m   v e r i f i c a t i o n   t h a t   m e a n s   s a v i n g   t i m e   a n d   a v o i d i n g   t h e   c o d e d   e r r o r s .     G e n e r a l l y ,   t h e r e   a r e   m a i n l y   f o u r   a d v a n t a g e s   o f   t h i s   R T L   d e s i g n   t o o l   [ 6 , 1 0 ] .   F i r s t ,   w e   c a n   w o r k   s e a m l e s s l y   f r o m   a r c h i t e c t u r e   s y s t e m   d e s i g n   t o   h a r d w a r e   d e s c r i p t i o n   l a n g u a g e   ( H D L )   l e v e l .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       I E E E   8 0 2 . 1 1 n   P h y s i c a l   L a y e r   I m p l e m e n t a t i o n   o n   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   .   ( H e n d r a   S e t i a w a n )   6 9 S e c o n d ,   i t   i s   e a s y   t o   u s e   b y   m i d - c l a s s   d e s i g n e r   b e c a u s e   s p e c i a l   g r a m m a r s   a r e   n o t   u s e d   a n d   m a n y   I P s   a r e   a l r e a d y   p r e p a r e d   s u c h   f o r   f i l t e r i n g ,   c o n t r o l l i n g ,   s i g n a l   o p e r a t i n g ,   a n d   m e m o r y .   T h i r d ,   j u s t   u n i t i n g   t h e   b l o c k - m o d e l s   a n d   R T L   s i m u l a t i o n s   i s   p o s s i b l e .   F i n a l l y ,   t e s t   b e n c h   a n d   H D L   a r e   c r e a t e d   a u t o m a t i c a l l y   b y   t h i s   t o o l .   T h e s e   a d v a n t a g e s   m i n i m i z e   h u m a n s   m i s t a k e s   s o   t h a t   a n   e f f i c i e n t   s y s t e m   v e r i f i c a t i o n   a n d   i m p r o v e m e n t   c a n   b e   a c h i e v e d .   F i g u r e   2   s h o w s   t h e   s n a p   s h o o t   o f   R T L   d e s i g n   u s e r   i n t e r f a c e   u s i n g   S y n p l i f y   D S P   a n d   i t s   s i m u l a t i o n   r e s u l t .   D u e   t o   t h e   c o m p l e x i t y   o f   R T L   d e s i g n ,   h e r e   w e   o n l y   s h o w   a   s u b - p a r t   o f   G I   i n s e r t e r   a t   t h e   t r a n s m i t t e r   s i d e .           F i g u r e   2 .   S n a p   s h o t   o f   M B D P   u s e r   i n t e r f a c e       3 .     R e s e a r c h   M e t h o d     3 . 1 .   S p e c i f i c a t i o n   8 0 2 . 1 1 n   P H Y   l a y e r   i s   b a s e d   o n   M I M O   O F D M   t e c h n o l o g y ,   w h i c h   a l l o w s   t h e   t r a n s m i s s i o n   o f   u p   t o   1 0 0   M b p s   o v e r   w i d e r   r a n g e   o f   b a n d w i d t h   t h a n   e a r l i e r   v e r s i o n s .   M I M O   u s e s   m u l t i p l e   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   a n t e n n a s   t o   a l l o w   h i g h e r   t h r o u g h p u t   t h r o u g h   s p a t i a l   m u l t i p l e x i n g ,   a n d   i n c r e a s e   i t s   c o v e r a g e .   T h i s   s t a n d a r d   p r o v i d e s   t h r e e   p a c k e t   m o d e ;   l e g a c y ,   m i x e d   a n d   g r e e n f i e l d .   L e g a c y   f o r m a t   p r o v i d e s   c o m p a t i b i l i t y   w i t h   t h e   p r e v i o u s   s t a n d a r d s   s u c h   a s   8 0 2 . 1 1 a / g .   M i x e d   a n d   G r e e n f i e l d   f o r m a t   a r e   u s e d   f o r   h i g h   t h r o u g h p u t .   T h e   s p e c i f i c a t i o n   o f   o u r   s y s t e m   a r e   2 x 2   M I M O   O F D M   w i t h   l e g a c y   a n d   m i x e d   p a c k e t   f o r m a t s   a s   s h o w n   i n   T a b l e   1 .   T h i s   s p e c i f i c a t i o n s   a r e   m a n d a t e d   b y   8 0 2 . 1 1 n   s t a n d a r d   e x c e p t   f o r   t h e   g u a r d   i n t e r v a l   ( G I )   t h a t   u s e s   s h o r t   G I   ( 4 0 0   n s )   r a t h e r   t h a n   l o n g   G I   ( 8 0 0   n s ) .       T a b l e   1 .   D e s i g n   M o d e l   S p e c i f i c a t i o n s   P a r a m e t e r   S p e c i f i c a t i o n   P a c k e t   M o d e l   L e g a c y   a n d   m i x e d   p a c k e t   m o d e   N u m b e r   o f   T X   a n t e n n a   2   N u m b e r   o f   R X   a n t e n n a   2   M o d u l a t i o n   a n d   c o d i n g   s c h e m e   I n d e x   0   -   1 5   N u m b e r   o f   u s e d   s u b c a r r i e r   5 2   ( l e g a c y )   o r   5 6   ( m i x e d )   B a n d w i d t h   2 0   M H z   D a t a   r a t e   U p   t o   1 4 4   M b p s   F E C   E n c o d e r   B i n a r y   C o n v o l u t i o n a l   C o d e   ( B C C )   G u a r d   I n t e r v a l   ( G I )   N o r m a l   G I   a n d   S h o r t   G I   S y s t e m   C l o c k   8 0   M H z   C a r r i e r   F r e q u e n c y   5   G H z         R e g a r d i n g   t h e   p a c k e t   m o d e ,   F i g u r e   3   s h o w s   t h e   f r a m e   f o r m a t   o f   l e g a c y   a n d   m i x e d   p a c k e t   m o d e s .   B o t h   o f   t h e m   c o n s i s t   o f   N o n - H T   S h o r t   T r a i n i n g   F i e l d   ( L - S T F ) ,   N o n - H T   L o n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     6 7     7 4   7 0 T r a i n i n g   F i e l d   ( L - L T F )   a n d   N o n - H T   S i g n a l   F i e l d   ( L S I G ) ,   t h e n   f o l l o w e d   b y   d a t a   f i e l d   f o r   l e g a c y   m o d e ,   a n d   H T   s i g n a l   f i e l d   ( H T - S I G )   a n d   o t h e r   p r e a m b l e s   ( H T - S T F   a n d   H T - L T F )   f o r   m i x e d   m o d e .   T h e   f r a m e   f o r m a t   i s   v e r y   i m p o r t a n t   t o   r e c o g n i z e   p a c k e t   m o d e   t h a t   t h e   s y s t e m   u s e d   i n   c o m m u n i c a t i o n   a s   w e l l   a s   t o   o p t i m i z e   t h e   d e s i g n s .         F i g u r e   3 .   F r a m e   f o r m a t   o f   l e g a c y   a n d   m i x e d   m o d e s     3 . 2 .   T r a n s m i t t e r   M o d e l   T h e   g e n e r a l   t r a n s m i t t e r   b l o c k   d i a g r a m   i s   m e n t i o n e d   i n   8 0 2 . 1 1 n   s t a n d a r d   [ 2 ] .   S o m e   m o d i f i c a t i o n s   i s   m a d e   t o   f u l f i l   2 x 2   M I M O - O F D M   w i t h   s p e c i f i c a t i o n s   m e n t i o n e d   a b o v e .   S i n c e   m a x i m u m   s t r e a m   i s   t w o ,   w e   r e d u c e   e v e n   r e m o v e   s o m e   o f   p a r t s .   I n t e r l e a v e r ,   m a p p e r ,   I D F T ,   G u a r d   I n t e r v a l   ( G I )   i n s e r t e r   a n d   T X   F i l t e r   a r e   d e c i d e d   t o   b e   t w o   i n s t e a d   o f   f o u r   a n d   e l i m i n a t e   e n c o d e r   d e p a r s e r   b e c a u s e   o f   o n e   F o r w a r d   E r r o r   C o r r e c t i o n   ( F E C )   e n c o d e r .   W e   a l s o   r e m o v e d   S T B C   t o   k e e p   2 x 2   M I M O   u s i n g   t w o   a n t e n n a s .   M o r e o v e r ,   w e   r e p l a c e   I D F T   w i t h   I F F T   t o   r e d u c e   c o m p u t a t i o n a l   c o m p l e x i t y .   F i g u r e   4   s h o w s   o u r   t r a n s m i t t e r   m o d e l   t h a t   c o n s i s t s   o f   a   s c r a m b l e r ,   a   F E C   e n c o d e r ,   a   s p a t i a l   s t r e a m   p a r s e r ,   t w o   i n t e r l e a v e r s ,   t w o   m a p p e r s ,   t w o   c y c l i c   s h i f t e r s ,   a   b l o c k   o f   p r e a m b l e   a n d   p i l o t   m e m o r y ,   a   s p a t i a l   m a p p e r ,   t w o   I F F T s ,   t w o   G I   i n s e r t e r s ,   t w o   w i n d o w i n g s ,   t w o   T X   f i l t e r s   a n d   t w o   a n t e n n a s .           F i g u r e   4 .   T r a n s m i t t e r   d i a g r a m           F i g u r e   5 .   R e c e i v e r   d i a g r a m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       I E E E   8 0 2 . 1 1 n   P h y s i c a l   L a y e r   I m p l e m e n t a t i o n   o n   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   .   ( H e n d r a   S e t i a w a n )   7 1 3 . 3 .   R e c e i v e r   M o d e l   I E E E   8 0 2 . 1 1 n   s t a n d a r d   d o e s   n o t   m e n t i o n   r e c e i v e r   b l o c k   d i a g r a m .   T h u s ,   i t   b e c o m e s   v a r y   a n d   d e p e n d   o n   t h e   d e s i g n e r .   B a s e d   o n   o b s e r v a t i o n   o n   t r a n s m i t t e r   p r i n c i p l e s   a n d   f r a m e   f o r m a t   t h a t   s e n t   b y   t r a n s m i t t e r ,   w e   d e s i g n   t h e   r e c e i v e r   m o d e l   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 .   T h i s   m o d e l   c o n s i s t s   o f   t w o   R X   f i l t e r s ,   a n   A u t o m a t i c   G a i n   C o n t r o l l e r   ( A G C ) ,   a   f r a m e   s y n c h r o n i z a t i o n ,   a   c a r r i e r   f r a m e   s y n c h r o n i z a t i o n ,   t w o   G I   r e m o v e r s ,   t w o   F F T s ,   a   c h a n n e l   e s t i m a t i o n ,   a n   M I M O   d e c o d e r ,   t w o   d e m a p p e r s ,   t w o   d e i n t e r l e a v e r s ,   a   s p a t i a l   s t r e a m   d e p a r s e r ,   a n   F E C   d e c o d e r ,   a n d   a   d e s c r a m b l e r .   S o m e   b l o c k s   i n   r e c e i v e r   a c t u a l l y   h a v e   t h e   s a m e   c o n c e p t   w i t h   t h e   t r a n s m i t t e r   s u c h   a s   G I   i n s e r t e r   w i t h   G I   r e m o v e r ,   i n t e r l e a v e r   w i t h   d e i n t e r l e a v e r ,   a n d   s c r a m b l e r   w i t h   d e s c r a m b l e r .   H e n c e ,   t h e r e   i s   p o s s i b i l i t y   f o r   s h a r i n g   b e t w e e n   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   b l o c k   t h a t   w i l l   r e d u c e   r e s o u r c e   i n   t h e   i m p l e m e n t a t i o n .       4 .     R e s u l t   a n d   D i s c u s s i o n     T h e   I P s   d e v e l o p m e n t   a n d   i t s   s i m u l a t i o n s   h a v e   b e e n   d o n e   o n   p r e v i o u s   w o r k   [ 7 ] .   I n   t h i s   p a p e r ,   w e   f o c u s   o n   s i m u l a t i o n s ,   d e s i g n   r e s u l t s ,   a n d   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n s   o f   o v e r a l l   s y s t e m .   S i m u l a t i o n s   h a v e   b e e n   e x e c u t e d   u s i n g   f i x e d   p o i n t   s i m u l a t i o n   i n   S i n p l i f y   D S P   d e s i g n   t o o l s .   S i n c e   w e   h a v e   d o n e   f i x e d   p o i n t   s i m u l a t i o n   i n   M B D P ,   w e   c a n   i g n o r e   H D L   s i m u l a t i o n   i n   t h e   n e x t   s t e p .   H o w e v e r ,   w e   c a n   c o n s i d e r   H D L   s i m u l a t i o n   w h i c h   t h e   t e s t   b e n c h   i s   a u t o m a t i c a l l y   g e n e r a t e d   u s i n g   S i n p l i f y   D S P .   T h e   s y s t e m   c o n s i s t s   o f   t w o   m a i n   p a r t s ,   i . e .   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   t h a t   c o n n e c t e d   u s i n g   a   c e r t a i n   c h a n n e l .   A d d i t i v e   w h i t e   G a u s s i a n   n o i s e   ( A W G N )   i s   c o n s i d e r e d   a s   t h e   c h a n n e l   m o d e l   f o r   f i x e d   p o i n t   s i m u l a t i o n .   W e   a p p l y   t h e   h i g h e s t   t h r o u g h p u t   f o r   o u r   v e r i f i c a t i o n s ,   s o   t h a t   s o m e   p a r a m e t e r s   m u s t   b e   s e t   f o r   t h e   a p p r o p r i a t e   s e t t i n g .   P a c k e t   f o r m a t   i s   m i x e d   m o d e   a s   s h o w n   i n   l o w e r   p a r t   o f   F i g u r e   3 .   M C S   i n d e x   i s   s e t   t o   t h e   h i g h e s t   o n e ,   i . e .   1 5 .   H o w e v e r ,   s h o r t   G I   f o r m a t   s h o u l d   b e   c o n s i d e r e d   t o   r e a c h   t h e   h i g h e s t   t h r o u g h p u t .   F i g u r e   6   s h o w s   a   t r a n s m i t t e d   p a c k e t   o n   a n t e n n a   1   a n d   2   r e s p e c t i v e l y   w i t h   f o u r   O F D M   d a t a   p a c k e t .   T h i s   s i g n a l s   s a t i s f y   t h e   f r a m e   f o r m a t   g i v e n   i n   F i g u r e   3 .         L e g a c y   p a r t   p r e a m b l e H T   p a r t   p r e a m b l e D A T A   p a r t     F i g u r e   6 .   R T L   s i m u l a t i o n   r e s u l t     A f t e r   v e r i f i c a t i o n   u s i n g   f i x e d   p o i n t   s i m u l a t i o n ,   a n d   r e i n f o r c e d   w i t h   H D L   s i m u l a t i o n ,   t h e r e   a r e   t h e   n e x t   t w o   s t e p   o p t i o n s .   F i r s t   i s   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   a n d   s e c o n d   i s   A S I C   i m p l e m e n t a t i o n .   I n   t h i s   p r o j e c t   w e   c h o o s e   F P G A   a s   t h e   t a r g e t   d e v i c e   f o r   t h e   h a r d w a r e   s i m u l a t i o n .   C o n s i d e r i n g   F P G A   w i t h   h i g h   r e s o u r c e s ,   g o o d   p e r f o r m a n c e s ,   a n d   r e a s o n a b l e   p r i c e ,   S t r a t i x I I   E P 2 S 1 8 0   ( A l t e r a ,   c o r p . )   h a s   b e e n   c h o s e n   a s   t h e   t a r g e t   d e v i c e .   L o g i c   s y n t h e s i s   i s   r e q u i r e d   b e f o r e   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n .   S y n p l i f y   P r o   i s   o n e   o f   S y n p l i f y   d e s i g n   t o o l s   t h a t   u s e d   t o   e x e c u t e   H D L   l e v e l   d e s i g n   t o   l o g i c   l e v e l   d e s i g n   o n   F P G A   h a r d w a r e .   T a b l e   2   s h o w s   t h e   i n f o r m a t i o n   r e g a r d i n g   l o g i c   s y n t h e s i s   r e s u l t .   T h i s   r e s u l t   i n d i c a t e s   t h e   R e a l   p a r t   I m a g i n a r y   p a r t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     6 7     7 4   7 2 c o m p u t a t i o n   r e s o u r c e   r e q u i r e m e n t   t o   i m p l e m e n t   t h e   d e s i g n   i n t o   t h e   t a r g e t   d e v i c e   s u c h   a s   n u m b e r   o f   A d a p t i v e   L o g i c   M o d u l e   ( A L M ) ,   o p e r a b l e   c l o c k   f r e q u e n c y ,   t o t a l   R A M   b i t s   a n d   n u m b e r   o f   D i g i t a l   S i g n a l   P r o c e s s i n g   ( D S P )   b l o c k .   G e n e r a l l y ,   r e c e i v e r   r e q u i r e m e n t   e s p e c i a l l y   i n   t e r m   o f   A L M   a n d   D S P   b l o c k   a r e   h i g h e r   t h a n   t r a n s m i t t e r .   I t   c o m e s   t r u e   s i n c e   d e c o d i n g   s c h e m e s   h a v e   h i g h e r   c o m p u t a t i o n   t h a n   t h e   e n c o d i n g .   M o r e o v e r ,   s o m e   a d d i t i o n a l   c o m p o n e n t s   s u c h   a s   s y n c h r o n i z a t i o n   a n d   c h a n n e l   e s t i m a t i o n   b l o c k s   a r e   n e e d e d   i n   r e c e i v e r   s i d e .   H o w e v e r ,   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r   n e e d   s a m e   m e m o r y   c a p a b i l i t i e s   b e c a u s e   t h e   m e m o r i e s   a r e   u s e d   o n l y   f o r   p r e a m b l e s   a n d   p i l o t s   s t o r a g e   t h a t   h a v e   t o   b e   k n o w n   b y   t r a n s m i t t e r   a n d   r e c e i v e r .       T a b l e   2 .   F P G A   S y n t h e s i s   R e s u l t s   T a r g e t   F P G A   D e v i c e   n a m e   S t r a t i x   I I   E P 2 S 1 8 0   T o t a l   A L M s   2 8 , 8 8 4   T o t a l   R A M   b i t s   3 4 , 3 6 8   D S P   b l o c k s   6 8 7   b l o c k s   T r a n s m i t t e r   T a r g e t   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   8 0   M H z   M a x i m u m   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   1 1 6   M H z   T o t a l   U s e d   A L M s   6 , 4 3 3   T o t a l   U s e d   D S P   l o c k s   2 3 4   b l o c k s   T o t a l   U s e d   R A M   b i t s   1 7 , 1 8 4   b i t s   R e c e i v e r   T a r g e t   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   8 0   M H z   M a x i m u m   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   1 0 2   M H z   T o t a l   U s e d   A L M s   2 2 , 4 5 1   T o t a l   U s e d   D S P   l o c k s   4 5 3   b l o c k   T o t a l   U s e d   R A M   b i t s   1 7 , 1 8 4   b i t s         F P G A   a s   h a r d w a r e   v e r i f i c a t i o n   i s   b e t t e r   c o m p a r i n g   w i t h   A S I C   i n   t e r m   o f   t i m e   c o s t   a n d   f l e x i b i l i t i e s .   T h e   t a r g e t   d e v i c e   i s   F P G A   S t r a t i x I I   E P 2 S 1 8 0   ( A l t e r a ,   c o r p . )   w h i c h   h a s   a b o u t   7 1 , 7 6 0   a d a p t i v e   l o g i c   m o d u l e s   ( A L M s )   t h a t   e q u a l   t o   2 , 2 0 0 , 0 0 0   g a t e s   [ 1 1 ] .   9 , 3 8 3 , 0 4 0   R A M   b i t s   a n d   1 5 3 6   D S P   b l o c k s   a r e   a l s o   a v a i l a b l e   i n   t h i s   d e v i c e   [ 1 1 ] .             F i g u r e   7 .   P r o t o t y p i n g   t h e   e v a l u a t i o n   b o a r d   I n   o r d e r   t o   i m p l e m e n t   M I M O   s c h e m e ,   s o m e   F P G A s   a r e   b u i l t   o n   a   b o a r d   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   7 .   T h i s   p r o t o t y p i n g   b o a r d   a c t u a l l y   h a s   s i x   F P G A   c h i p s   w i t h   m e s h   c o n n e c t i o n s ,   b u t   w e   o n l y   u s e   t w o   o f   t h e m   a s   t w o   s t r e a m s   o f   p h y s i c a l   l a y e r .   P l a c e m e n t   a n d   r o u t i n g   a r e   r e q u i r e d   b e f o r e   d o w n l o a d i n g   t h e   l o g i c   l e v e l   d e s i g n   ( a f t e r   l o g i c   s y n t h e s i s )   r e s u l t   t o   F P G A .   I n   t h i s   p r o c e s s ,   S y n p l i f y   P r o   i s   e m p l o y e d   r a t h e r   t h a n   Q u a r t u s   i n   o r d e r   t o   k e e p   i n   l i n e   p r o c e s s   t h a t   u s i n g   S y n p l i f y   D S P   i n   t h e   p r e v i o u s   s t e p s .   M o r e o v e r ,   s o m e   m o d i f i c a t i o n s   a r e   r e q u i r e d   i f   w e   u s e   Q u a r t u s   i n   t h i s   s t e p .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       I E E E   8 0 2 . 1 1 n   P h y s i c a l   L a y e r   I m p l e m e n t a t i o n   o n   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   .   ( H e n d r a   S e t i a w a n )   7 3 V e r i f i c a t i o n s   a r e   d o n e   u s i n g   t e s t   b e n c h   t h a t   g e n e r a t e d   i n   t h e   p r e v i o u s   s t e p .   S i n c e   t h e   o u t p u t   o f   b a s e b a n d   s i g n a l   a r o u n d   8 0   M H z   ( e q u a l   t o   t h e   u t i l i z e d   c l o c k ) ,   h i g h   f r e q u e n c y   o s c i l l o s c o p e   i s   r e q u i r e d   t o   m o n i t o r   t h e   s i g n a l .   F i g u r e   8   s h o w s   t h e   o u t p u t   w a v e f o r m   f r o m   F P G A   i n   t r a n s m i t t e r   s i d e   f o r   b o t h   a n t e n n a s   t h a t   c a p t u r e d   b y   t h e   o s c i l l o s c o p e .   T h e s e   w a v e f o r m   a r e   s i m i l a r   w i t h   t h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t   i n   F i g u r e   6   t h a t   c o n s i s t   o f   f o u r   O F D M   d a t a   p a c k e t .   T h e r e f o r e ,   t h e   b o a r d   l e v e l   v e r i f i c a t i o n   f o r   8 0 2 . 1 1 n   b a s e b a n d   i s   s u c c e s s f u l l y   d o n e .           A n t e n n a   1   w a v e f o r m       A n t e n n a   2   w a v e f o r m     F i g u r e   8 .   T h e   w a v e f o r m   c a p t u r e d   b y   t h e   o s c i l l o s c o p e       5 .     C o n c l u s i o n s   M B D P   h a s   b e e n   s u c c e s s f u l l y   i m p l e m e n t e d   f o r   R T L   d e s i g n s   o f   I E E E 8 0 2 . 1 1 n   W L A N   b a s e b a n d   p h y s i c a l   l a y e r   s y s t e m .   M B D P   i s   p r o v e n   a s   o n e   o f   R T L   d e s i g n   f l o w s   t h a t   p r o v i d e s   a c c e l e r a t i o n   a n d   s i m p l i f i c a t i o n   o f   d e v e l o p i n g   p r o c e s s .   T h e   d e v e l o p e d   s y s t e m   w i t h   t a r g e t   t h r o u g h p u t   u p   t o   1 4 4   M b p s   c a n   b e   r e a l i z e d   w i t h   t w o   a n t e n n a s   o n   2 0 M H z   b a n d w i d t h .   M o r e o v e r ,   t h e   d e s i g n   h a s   b e e n   s u c c e s s f u l l y   i m p l e m e n t e d   i n t o   e v a l u a t i o n   b o a r d   w i t h   2 8 , 8 8 4   A L M ,   3 4 , 3 6 8   b i t   m e m o r y ,   a n d   6 8 7   D S P   b l o c k .   B a s e d   o n   h a r d w a r e   v e r i f i c a t i o n ,   t h e   d e v e l o p e d   s y s t e m   h a s   w o r k e d   p r o p e r l y ,   a n d   m e t   t h e   s p e c i f i c a t i o n   g i v e n   b y   t h e   s t a n d a r d .   A s   t h e   f u t u r e   w o r k s ,   w e   w i l l   o p t i m i z e   t h e   d e s i g n   a n d   d e v e l o p   t h e   h i g h e r   s p e c i f i c a t i o n   t h a t   c a n   r e a c h   6 0 0   M b p s   d a t a   t h r o u g h p u t   a s   m e n t i o n e d   i n   t h e   s t a n d a r d   f o r   4 x 4   s c h e m e .       R e f e r e n c e s   [ 1 ]     Su h a r j o   I .   An a l i s i s   Pe n g g u n a a n   J a r i n g a n   Ka b e l   L i s t r i k   S e b a g a i   M e d i a   K o m u n i k a s i   D a t a   I n t e r n e t .   T EL KO M N I KA .   Pr o g r a m   S t u d i   T e k n i k   E l e k t r o ,   U n i v e r s i t a s   A h m a d   D a h l a n .   2 0 0 9 ;   7 ( 1 ) .   [ 2 ]     I EEE  St a n d a r d s   As s o c i a t i o n .   I EEE  8 0 2 . 1 1 n T M .   Pa r t   1 1 :   W i r e l e s s   L AN   M e d i u m   Ac c e s s   C o n t r o l   ( M A C )   a n d   Ph y s i c a l   L a y e r   ( PH Y)   Sp e c i f i c a t i o n s ,   Am e n d m e n t   5 :   En h a n c e m e n t s   f o r   H i g h e r   T h r o u g h p u t .   N e w   Y o r k ;   O c t .   2 0 0 9 .   [ 3 ]     Se t i a w a n   H ,   N a g a o   Y ,   H u a n g   M L ,   L e e   J ,   Ku r o s a k i   M ,   Py u n   KP ,   O c h i   H ,   Pa r k   SC .   H i g h   T h r o u g h p u t   M AC   Ar c h i t e c t u r e   f o r   I EEE  8 0 2 . 1 1 n .   I EI C T e c h n i c a l   R e p o r t .   n o . B - 5 - 4 2 ,   P. 3 5 5 ,   T o k y o ,   Se p t . ,   2 0 0 8 .   [ 4 ]     G J   F o s c h i n i .   L a y e r e d   Sp a c e - T i m e   Ar c h i t e c t u r e   f o r   W i r e l e s s   C o m m u n i c a t i o n   i n   a   F a d i n g   En v i r o n m e n t   W h e n   U s i n g   M u l t i - El e m e n t   A n t e n n a s .   Be l l   L a b s   T e c h n i c a l   J o u r n a l .   1 9 9 6 ;   1 ( 2 ) :     4 1 - 5 9 .   [ 5 ]     Br o w n   S,   Vr a n e s i c   Z .   F u n d a m e n t a l s   o f   D i g i t a l   L o g i c   w i t h   VH D L   D e s i g n .   2 n d   e d i t i o n .   M c G r a w - H i l l   I n t .   2 0 0 5   [ 6 ]     Sy a f e i   W A ,   N a g a o   Y ,   N i s h i j o   K,   T e r a m o t o   A,   Ku r o s a k i   M ,   O c h i   H .   A c h i e v i n g   H i g h l y   R e l i a b l e   W i r e l e s s   C o m m u n i c a t i o n   Sy s t e m   D e s i g n   U s i n g   a   M o d e l - b a s e d   R T L   D e s i g n .   I EEE  T h e   5 0 t h   G l o b a l   C o m m u n i c a t i o n s   C o n f e r e n c e   ( G L O BEC O M ) .   W a s h i n g t o n   D C .   N o v .   2 0 0 7 .   [ 7 ]     Y a m a n a k a   Y ,   N a g a o   Y ,   H i g a s h i   K,   Ku r o s a k   M ,   O c h i   H .   D e v e l o p m e n t   o f   Pr o t o t y p e   Bo a r d   I E EE8 0 2 . 1 1 n   a n d   I P   Se t .   I EEE  T h e   9 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   Ad v a n c e d   C o m m u n i c a t i o n   T e c h n o l o g y .   G a n g w o n - D o   Ko r e a .     2 0 0 7 ;   1 9 - 1 2 4 .   [ 8 ]     Su t i k n o   H .   H a r d w a r e - R e s o u r c e   Sa v i n g   F o r   R e a l i z a t i o n   o f   S p a c e   Ve c t o r   P W M   Ba s e d   o n   F PG U s i n g   Bu s - C l a m p i n g   T e c h n i q u e .   T E L KO M N I KA .   2 0 0 9 ;   7 ( 3 ) :   1 6 1 - 1 6 8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                  I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     6 7     7 4   7 4 [ 9 ]     Su t i k n o   H .   An   O p t i m i z e d   Sq u a r e   R o o t   Al g o r i t h m   f o r   I m p l e m e n t a t i o n   i n   F PG A   H a r d w a r e .   T EL KO M N I KA .   2 0 1 0 ;   8 ( 1 ) :   1 - 8 .   [ 1 0 ]     Sy n p l i c i t y ,   Sy n p l i f y   D SP  U s e r   G u i d e ,   Sy n p l i c i t y   I n c .   C a l i f o r n i a .   Ap r i l   2 0 0 8 .     [ 1 1 ]     Al t e r a .   St r a t i x   I I   EP2 S1 8 0   D S D e v e l o p m e n t   Bo a r d .   R e f e r e n c e   M a n u a l   Ve r s i o n   1 . 0 . 0 ,   Al t e r a .   Au g u s t ,   2 0 0 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.