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60 GHz無線通信技術發展現狀及趨勢研究

2016-01-21 02:05:50李紀舟鐘建強
通信技術 2015年6期
關鍵詞:標準設備

李紀舟,鐘建強,王 瑜

(解放軍91746部隊,北京 102206 )

摘 要:60 GHz無線通信技術以其豐富的頻譜資源和高速的數據傳輸速率,成為目前無線通信領域的研究熱點之一。首先介紹了60 GHz無線通信技術的概念內涵、特點優勢和應用場景;接著重點闡述了60 GHz無線通信技術形成的產業聯盟和通信標準;然后分析了60 GHz無線通信技術發展面臨的問題;最后根據信息技術的發展形勢,展望了60 GHz無線通信技術的發展趨勢。

關鍵詞:60 GHz;無線通信技術;標準

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.001

60 GHz無線通信技術發展現狀及趨勢研究

李紀舟,鐘建強,王瑜

(解放軍91746部隊,北京 102206 )

摘要:60 GHz無線通信技術以其豐富的頻譜資源和高速的數據傳輸速率,成為目前無線通信領域的研究熱點之一。首先介紹了60 GHz無線通信技術的概念內涵、特點優勢和應用場景;接著重點闡述了60 GHz無線通信技術形成的產業聯盟和通信標準;然后分析了60 GHz無線通信技術發展面臨的問題;最后根據信息技術的發展形勢,展望了60 GHz無線通信技術的發展趨勢。

關鍵詞:60 GHz;無線通信技術;標準

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.001

收稿日期:2015-01-03;修回日期:2015-04-05Received date:2015-01-03;Revised date:2015-04-05

中圖分類號:TN91

文獻標志碼:碼:A

文章編號:號:1002-0802(2015)06-0631-06

Abstract:60 GHz wireless communication technology, owing to its rich spectrum resources and high-speed transmission, now becomes one of the hot topics in wireless communication areas. The article first describes the concept, advantage and application of 60 GHz wireless communication technology, then focuses on the industrial alliance and communication standardization formed in the development of this technology, analyzes the challenges faced in the development of this technology, and finally forecasts its development trend in accordance with the development of information technology.

作者簡介:

Developemnt Status and Trend of 60 GHz Wireless

Communication Technology

LI Ji-zhou, ZHONG Jian-qiang, WANG Yu

(Unit 91746 of PLA, Beijing 102206, China)

Key words:60 GHz; wireless communications technology; standardization

0引言

隨著網絡技術的快速發展,連接到無線通信網絡的設備數量日益增長,使得無線通信頻譜資源愈加緊張,并對通信數據傳輸速率的要求也越來越高。60 GHz無線通信具有約7 GHz不用許可的豐富帶寬,原始數據能提供Gb/s數量級的傳輸速率[1],成為未來最具潛力的無線通信技術之一,日益受到人們的廣泛關注。

160 GHz無線通信技術基本情況

1.1概念內涵

60 GHz無線通信技術一般是指無線電波為60 GHz頻率左右的無線通信技術。目前,世界主要國家相繼在57~66 GHz頻段劃分出免許可的連續免費頻譜,專門用于短距離的無線通信[2]。其中,韓國和北美劃出了57~64 GHz頻段;日本和歐洲劃出了59~66 GHz頻段;澳大利亞為59.4~62.9 GHz頻段;中國劃出了59~64 GHz的頻段。

1.2特征優勢

60 GHz通信載波是波長為5 mm的無線電磁波,該波段屬于毫米波,具有頻帶寬、波長短的基本特征。這些頻率特征決定了60 GHz頻段的電磁波具有極強的數據傳輸能力和極高的波形分辨率,使60 GHz無線通信具有如下眾多優勢[3-4]:

一是頻譜資源豐富。60 GHz波段可用于無線通信的連續頻率帶寬達7~9 GHz,并且是免許可的免費資源,大部分頻率都還沒有占用。相較于目前使用的傳統無線通信網絡,比如超寬帶技術的有效帶寬1.5 GHz,802.11n技術的有效帶寬660 MHz而言,在無線通信頻率大量被占用,頻譜資源嚴重緊缺的狀況下,60 GHz無線通信技術可利用的頻率資源豐富、頻段范圍廣。

二是數據傳輸速率高。數據傳輸速率與有效帶寬的關系密切,帶寬越寬,速率越高。60 GHz無線通信技術的可用有效帶寬范圍廣,不需使用特別復雜的調制技術,就能在比較低的信噪比環境下,實現吉比特速率的數據通信,傳輸速率可達到傳統無線通信技術的數十倍。比如,60 GHz無線通信的原始數據最高速率可達25 000 Mb/s。

三是抗干擾性能強。60 GHz進行無線通信時,載波方向性極強,使得多個方向的60 GHz通信載波之間的相互干擾影響非常小,可以忽略不計。并且,目前使用60 GHz進行無線通信的技術正在發展中,通信載波很少。而傳統的無線通信的載波一般都遠遠小于60 GHz頻段,因此,無線通信系統之間產生相互干擾的可能性極小。

四是安全性和保密性好。60 GHz無線電磁波在自由空間傳輸的路徑損耗大,氧氣吸收損耗高;對物體的繞射能力差,穿透性能弱,有數據顯示計算機顯示器之類的物體對60 GHz電磁波信號的衰減在40 dB以上,這使得60 GHz在無線短距離通信上具有良好的安全性,方便小范圍近距離內的組網通信。另外60 GHz無線通信在太空中處于“非大氣窗口”,地面站極難對星際之間的通信內容進行竊聽,并且太空大氣極為稀薄,信號衰落小,因此,美國的MILSTAR衛星就是利用60 GHz來進行星際通信,以提高保密性。

五是載波方向性強。60 GHz無線電磁波的波束能量有99.9%集中在4.7度范圍內,極強的窄波束特別適合實現點對點之間的無線通信。

六是易于實現頻率復用。60 GHz電磁波的路徑損耗大,傳輸距離近,適合在近距離內實現頻率復用。加之載波方向性強,抗干擾能力也強,使得多條同頻傳輸鏈路可在同一空間內共存,實現空間復用,有效提升網絡通信容量。

七是最大發射功率限制小。60 GHz波段占用的頻率少,相對比較“空閑”,且遠離傳統通信系統的工作頻段,使用較高的發射功率也不會對別的無線通信系統造成干擾,因此,60 GHz波段所允許的最大發射功率限制小,可利用較高的發射功率來提高數據速率。

八是天線尺寸小和電路可集成化。一般而言,天線的尺寸與載波波長的數量級相比擬,由于60 GHz載波波長處于毫米級別,其天線的尺寸相對于低波段天線而言大為減小,可以彌補載波在傳輸過程中的路徑損耗,也有利于實現電路的集成。此外,與低波段電磁波相比,60 GHz的載波更短,除了能降低天線的尺寸外,還可以顯著的降低元器件的尺寸,提高通信設備的集成度。

1.3應用場景

60 GHz無線通信技術具有高速率、大容量、抗干擾、安全性能好等優點,特別適合高速率、短距離內的通信,可以廣泛用于家庭、辦公、會議、公共場所等幾個方面[5-6]:

一是應用于無線個域網。無線個域網可以連接計算機、數碼產品、移動終端等電子設備,實現電子終端間的無線通信。但由于網絡帶寬和頻譜資源的限制,使得目前的無線個域網絡的數據傳輸速率不高,無法支持超高速數據通信的要求。60 GHz無線通信具有數據傳輸速率高的優勢,有利于信息設備之間的數據傳輸,能降低通信時間,提高通信效率,可廣泛應用于無線個域網中,取代目前廣泛應用在家庭寬帶和辦公室通信中的光纖傳輸線路,降低無線通信組網的復雜度和成本。

二是應用于無線高清多媒體接口。高清多媒體接口是數字高清電視技術的接口標準。目前,機頂盒或DVD等電子設備是通過光纖線路向電視機或顯示器來傳送高清視頻和音頻信號。隨著數字技術的發展,電視機或顯示器已具備接收完全非壓縮方式的高清多媒體信號能力。因此,可以利用60 GHz通信技術,通過無線的方式,使機頂盒、DVD或智能家電等終端,向電視機、顯示器或揚聲器等系統傳送非壓縮方式的音視頻信號,實現高清播放的需求。

三是應用于海量文件的傳輸。60 GHz技術的通信速率高,可支持高達7 Gb/s或更高的數據傳輸速率;因此,可用于短距離內海量文件的高速傳輸。比如,可利用60 GHz無線通信技術,通過無線的方式,將城市街頭或車站設置的自助服務終端中的視頻、音樂及其它海量文件,以極高的速度傳輸到支持毫米波通信的手機或移動智能終端上。

四是應用于汽車防撞報警系統。汽車防撞報警系統由汽車雷達和信息處理單元組成,擔負著車輛目標的快速識別預警和預警信號數據的快速傳輸功能。在復雜氣候和車輛高速運行狀況下,實現對其它目標的快速識別和預警信號的高速傳輸,對于交通安全非常重要。因此,可以利用60 GHz無線通信技術,實現汽車雷達的快速識別和數據的高速傳輸。

五是應用于醫療成像。目前,醫療設備中的成像數據的傳輸速率一般達到了4~5 Gb/s,但采用的方式都是利用有線電纜連接,限制了醫療設備的移動性和靈活應用。60 GHz無線通信技術具備了傳輸高速數據的能力,可通過無線方式,用來傳輸醫療成像的數據,提高醫療設備的靈活性和移動性。

六是應用于衛星星際通信。為了確保衛星數據的安全,全球正在發展衛星星際通信技術。先利用星際通信方式將衛星數據發送到位于本國上空的衛星上,再將數據傳送到地面,以達到安全保密的目的。60 GHz無線通信的距離短、速率高、抗干擾能力強、保密性能好,可用于太空星座中各衛星之間的星際通信,以達到保密的目的。

260 GHz無線通信技術發展現狀

60 GHz無線通信技術最初只是在軍事領域應用。1994 年10月,美國開始將60 GHz頻段應用于商業開發;2000 年后,日本,澳大利亞、歐盟等國家和地區相繼開放了60 GHz頻譜資源,引發了全球各大無線電集團或學術機構的研究熱潮。截止到目前,60 GHz無線通信技術已發展形成了WirelessHD、WiGig兩大產業聯盟和IEEE 802.15.3c、IEEE 802.11ad、ECMA-387三大通信標準[4,7]。

2.1WirelessHD產業聯盟

2006年10月,韓國的三星、LG和日本的松下、索尼、NEC、東芝等6家跨國電子集團組成了WirelessHD聯盟,研究開發可替代高清晰度多媒體接口(HDMI)的無線數字高清傳輸技術,讓電視機、DVD、機頂盒等高清家電設備實現高清信號的無線傳輸標準。隨后,Intel和SiBeam等公司加入了WirelessHD聯盟。2008年1月30日,WirelessHD聯盟發布了WirelessHD 1.0標準,簡稱WiHD,這是一個運用60 GHz無線通信技術進行高清視頻信號傳輸的協議,能在客廳中以高達4 Gb/s的速率傳輸未經壓縮的高清視頻信號。并提出了通用遙控器概念,即只用一部遙控器就能控制所有WiHD標準的兼容設備。2010年5月,正式頒布WirelessHD 1.1標準,支持便攜式和個人移動設備,最高數據速率可達10~28 Gb/s。

2.2WiGig產業聯盟

2009年5月,美國的Intel、微軟、戴爾和韓國的三星、LG、日本的松下等15家電子集團成立了WiGig無線千兆比特聯盟,旨在研發一種數據傳輸速率更快的短距離無線通信技術,用于在家庭、辦公室內快速的傳輸大型數據文件,用于支持電視機、手機、攝像機和個人計算機的之間的數據交換。2009年12月,完成WiGig v1.0標準制定。2010年5月,正式發布1.0版,兼容IEEE 802.11標準。支持高達7 Gb/s的數據傳送速率,是WiFi標準的10倍;不僅支持手機等低功耗的移動設備,也支持臺式機等高性能設備;除了支持60 GHz無線通信外,還支持2.4 GHz,5 GHz兩個頻段;有效傳送距離達10 m;支持AES加密。2011年6月,推出 WiGig 1.1版本。WiGig 1.1版本包含了物理層和實體層設計架構,還擴展到了無線基座、無線聯網、無線顯示等領域。2013年,獲得WiGig認證的產品開始進入商業市場。

2.3IEEE 802.15.3c標準

2005年3月,IEEE(電氣和電子工程師協會)設立了802.15.3c工作小組TG3c,負責研究制定60 GHz無線個域網(WPAN)的物理層(PHY)和MAC層的標準工作。2009年10月,IEEE TG3c工作小組頒布了IEEE 802.15.3c-2009標準――《高速無線個域網PHY和MAC規范 補篇2:基于毫米波的物理層擴展》,提供最高速率超過5 Gbit/s的數據傳輸能力,并接納WirelessHD 1.0標準作為IEEE 802.15.3c標準的一種工作模式。其主要內容有:

(1)微微網。該標準定義了一個基于中央控制的自組織網絡――微型無線個域網(微微網),通信距離在10 m以內,由設備(DEV)組成網絡,設備之間能獨立通信。微微網在建立時,首先選擇一個設備充當微微網協調器(PNC),用來傳送帶有微微網信息的信標,提供基本定時功能,并負責服務質量請求、功率節省和訪問控制等功能。當某一個設備能夠充當PNC,并開始發送信標時,則微微網建立成功。

(2)物理層。該標準規定了3類物理層模式。一是單載波模式(SC);主要適用于無線個域網中的便攜式設備之間進行視距內通信,可用普通的數據速率來傳輸信標和信號,支持一個強制的1.5 Gbit/s的數據傳輸速率。二是高速率接口模式(HSI)OFDM;用于超視距內的設備通信,使用OFDM技術,最大數據傳輸速率達5.7 Gbit/s。三是音視頻模式(AV)OFDM;用于超視距內傳輸無壓縮的高清視頻信號。WirelessHD 1.0標準作為AV OFDM工作模式被該標準接納。

(3)MAC層。該標準提出了全向模式和準全向模式下的兩種超幀結構。全向模式是指設備使用全向天線進行的通信模式,準全向模式是指天線覆蓋設備周圍大多數區域的通信模式。

2.4IEEE 802.11ad標準

2009年1月,世界知名英特爾等WLAN芯片廠商在IEEE 802委員會中成立了毫米波WLAN標準制定工作小組TG ad,負責在WLAN標準802.11n協議的基礎上,制定IEEE 802.11ad標準工作,目的是制定出60 GHz波段的WLAN技術協議。2012年12月,TG ad小組完成標準制定,正式頒布IEEE 802.11ad標準――《無線局域網 補篇:60 GHz頻段超高速吞吐量的增強》。期間,2010年5月,WiGig 1.0標準被移交給IEEE 802.11ad標準制定小組,被確定為802.11ad標準的基礎。其主要內容有:

(1)物理層。60 GHz波段范圍為57~66 GHz,有效帶寬為7~9 GHz,被劃分為4條信道,每條信道的寬度為2.16 GHz;通信載波的調制方式有QPSK、SQPSK、64QAM、16QAM、LDPC;編碼速率為1/2、3/4、5/8、13/16;數據傳輸速率在0.693~6.756 75 Gb/s之間。工作模式有3種:一是OFDM模式,支持的最大數據傳輸速率為7 Gb/s,可用于非視距通信,采用不同于IEEE802.15.3c標準的LDPC前向糾錯編碼。二是單載波模式,支持的最大數據傳輸速率為4.6 Gb/s,可用于視距內通信,支持多種調制方式,支持RS,LDPC編碼。三是低功耗單載波模式,主要用于視距內低速數據傳輸,速率為1~2.5 Gb/s;支持RS碼或RS碼加Block碼。

(2)MAC層。一是定義了一個新的被稱作PBSS的MAC架構,支持無線個域網并兼容802.11網絡架構。二是引入了更加先進的CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免)機制,用于監聽信道,當信道空閑時,就發送數據;若信道被占用,則采用指數退避算法進行長時間的等待;若競爭周期結束后,信道仍然處于空閑,則節點就繼續發送數據,否則,就繼續重復等待過程。三是設備能夠在任意頻段(60 GHz、2.4 GHz、5 GHz)上運行的802.11網絡之間透明地切換。四是支持波束賦形,可在10 m之外的距離實現較好通信;五是支持AES加密算法。

(3)協議適配層。協議適配層(PAL)以無線方式在MAC層和PHY層上直接運行,可最大限度地降低功耗。目前定義了音頻/視頻和輸入/輸出兩個協議適配,其中,音頻/視頻協議適配既可以傳輸壓縮音視頻,也可以傳輸非壓縮音視頻數據。輸入/輸出協議適配有3種:WiGig總線擴展(PCIe)、WiGig SD擴展(安全數字I/O)、以及WiGig串行擴展(USB)。

IEEE 802.11ad標準相較于目前的幾種Wi-Fi,具有高速率、高容量、低功耗、低延遲、芯片復雜度低、安全性能高、用戶體驗好等眾多突出優勢。

2.5ECMA-387標準

1961年,歐洲計算機制造廠商成立ECMA(歐洲計算機制造聯合會)組織,旨在制定統一的計算機操作格式標準。2008年12月8日,ECMA組織頒布了超高速短距離無線通信應用60 GHz標準——《信息技術系統間遠程通信和信息交換高速60 GHz PHY,MAC和HDMI》標準,簡稱ECMA-387標準;2010年12月完成第二版,并獲得ISO/IEC的認可,成為國際標準(ISO/IEC 13156-2009)。

ECMA-387標準對60 GHz無線通信的物理層、分布式媒質訪問控制(MAC)層和HDMI協議進行了規范。其主要內容有:

(1)頻段規劃。該標準指定了4個頻段,每一個頻段帶寬為2.160 GHz,符號速率為1.728 Gsymbol/s,未使用信道綁定時,可獲得的最大數據傳輸速率為6.350 Gbit/s,如果將相鄰的2個或3個頻段進行綁定,則可得到更高的數據傳輸速率。

(2)適用于異構網絡。該標準提出了異構網絡的解決方案,不但能使相同類型的設備之間進行互操作,而且也可使不同類型的設備之間互通互聯。

(3)物理層可支持3類設備。第一類設備可用于10 m內的視距/非視距多徑下的視頻流傳輸和無線個域網。第二類設備用于較短距離(1~3 m)范圍內的點對點視距鏈路的視頻和數據傳輸;第三類設備用于1 m范圍內的視距點對點鏈路的數據傳輸。

(4)MAC協議。引入了載波偵聽多址/沖突檢測(CSMA/CD)機制和定向天線,同時支持多個設備連接。

360 GHz無線通信技術面臨的問題

60 GHz無線通信技術具有眾多的優勢,但相比低頻段而言,60 GHz波段的路徑衰減嚴重,氧氣吸收和雨衰大,對提供可靠鏈路的高速傳輸系統帶來眾多挑戰,要真正的進入商用階段,還面臨如下的問題[1,3,4]:

一是信道模型未建立。60 GHz信道的路徑損耗大,信號被限制在小范圍的空間內。目前,雖然已建立了低頻段的WLAN和UWB 信道模型,但并不適用在60 GHz無線通信上。并且,60 GHz信道的測量結果與測量條件(測量環境、技術、設備以及天線參數等)密切相關,為此,需要建立起更加適合60 GHz在傳播的信道模型。

二是天線技術難度大。由于60 GHz載波的巨大路徑損耗,必須通過具有寬帶、高增益和高效率的通信天線來進行彌補,這就需要采用先進的天線波束成形技術來實現,但目前的天線波束成形技術還存在許多技術難題。另外,60 GHz的頻率高,波長短,不能穿過墻壁和較大障礙物,也需要采用多天線技術來進行合理設計。

三是電路集成技術未成熟。目前,60 GHz無線通信技術產品存在3種電路集成技術:GaAs、Site和CMOS技術,但每一種電路集成技術都無法滿足60 GHz通信系統的全部要求。如GaAs集成技術具有速率高、增益高、噪聲低等優勢,但價格昂貴,成品率低,所能提供的集成度受到限制,成本效益也不高。

四是收發機技術挑戰多。收發機是通信系統的重要組成,主要包括RF收發模塊、天線/天線陣列、DAC /ADC 電路、數字基帶處理單元等。要實現60 GHz無線通信的高頻率、高速率、大帶寬、寬動態范圍、低成本及低功耗等要求,對接收機各模塊設計和處理算法實現都帶來了巨大挑戰。

460 GHz無線通信技術發展趨勢

根據全球信息技術的發展形勢和通信技術的發展趨勢,結合60 GHz無線通信面臨的問題,相信未來60 GHz無線通信技術將向如下幾個方面發展[3,5]:

一是研發信道模型。信道是通信系統的基礎,也一直是通信技術的研究熱點之一。當前還未研究出完全適用于60 GHz無線通信的信道模型,為此,下一步應排除對實際信道的影響因素,研究建立更加準確、完全適合60 GHz傳播的信道模型。如排除不同增益、不同波束的各類天線影響,或者排除天線對準誤差,以及排除天線極化效應對信道模型的影響等因素。

二是發展智能天線技術。為了彌補60 GHz無線通信的路徑損耗問題,研發低成本、小型化、便攜式、高增益,并且容易集成可控的天線陣列將是熱點之一。其中,將重點發展波束成形天線技術,例如,相控陣天線的高復雜度的相控網絡、高損耗饋電網絡和天線單元以及饋線之間的耦合等技術。

三是發展電路集成技術。將對上述60 GHz的3種電路集成技術各自存在的問題進行改進和完善。其中,GaAs電路將向小型化、低成本目標發展。CMOS技術具有成本低、集成度高和代價小等優點,將是未來的重點發展方向。此外,60 GHz的電路封裝技術也日益重要,研發新的基片材料和多層的LTCC 技術也將是重點方向之一。

四是加強收發機結構研究。收發機是通信系統的關鍵組成,60 GHz的收發機結構的研究十分重要。要實現60 GHz通信的高帶寬、高速率的要求,研究發展與現有電路集成封裝技術結合的低成本、低功耗的小型單元電路或者射頻收發電路技術,將是未來的重點方向之一。

5結語

總之,60 GHz通信技術具有豐富的頻率資源,可提供高速數據傳輸,具有廣闊的發展前途和應用場景。目前,在全球各國的大力推動下,60 GHz無線通信技術已形成了兩大產業聯盟和三大技術標準,但還存在一些技術難題,需要深入研究和逐步解決。相信隨著信息技術的發展和成本的降低,60 GHz通信技術將在無線寬帶通信領域得到廣泛的應用和發展。

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李紀舟(1967—),男,研究生,高級工程師,主要研究方向為信息處理與通信技術;

鐘建強(1965—),男,研究生,高級工程師,主要研究方向為信息處理與通信技術;

王瑜(1983—),男,學士,工程師,主要研究方向為信息處理與通信技術。

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