第八章 60ghz

1、無線電波是頻率介于3赫茲和約300G赫茲之間的電磁波，也作射頻電波，或簡稱射頻、射電。無線電技術(shù)將聲音訊號或其他信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換，利用無線電波傳播。無線電頻譜資源是一個國家重要的戰(zhàn)略性資源。無線電頻譜資源不是取之不盡、用之不竭的公共資源，其有限性日益凸顯。而人類對無線電頻譜資源的需求卻急劇膨脹，各種無線電技術(shù)與應(yīng)用的競爭愈加激烈，使無線電頻譜資源的稀缺程度不斷加大。作為傳輸載體的無線電波都具有一定的頻率和波長，即位于無線電頻譜中的一定位置，并占據(jù)一定的寬度。無線電頻譜（radio spectrum）一般指9KHz3000GHz頻率范圍內(nèi)發(fā)射無線電波的無線電頻率的總稱。所有的無線電業(yè)務(wù)都離不開無線電

2、頻譜，就像車輛必須行駛在道路上。無線電頻率是自然界存在的一種電磁波，是一種物質(zhì)，是一種各國可均等獲得的看不見、摸不著的自然資源，它具有以下六種特性：第一，它是有限的。由于較高頻率上的無線電波的傳播特性，無線電業(yè)務(wù)的不能無限地使用較高頻段的無線電頻率，目前人類對于3000GHz以上的頻率還無法開發(fā)和利用，盡管使用無線電頻譜可以根據(jù)時間、空間、頻率和編碼四種方式進行頻率的復(fù)用，但就某一頻段和頻率來講，在一定的區(qū)域、一定的時間和一定的條件下使用頻率是有限的。第二，它是排他性的。無線電頻譜資源與其他資源具有共同的屬性，即排他性，在一定的時間、地區(qū)和頻域內(nèi)，一旦被使用，其他設(shè)備是不能再用的。第三，它具備

3、復(fù)用性。雖然無線電頻譜具有排他性，但在一定的時間、地區(qū)、頻域和編碼條件下，無線電頻率是可以重復(fù)使用和利用的，即不同無線電業(yè)務(wù)和設(shè)備可以頻率復(fù)用和共用。第四，它是非耗竭性的。無線電頻譜資源又不同于礦產(chǎn)、森林等資源，它是可以被人類利用，但不會被消耗掉，不使用它是一種浪費，使用不當更是一種浪費，甚至由于使用不當產(chǎn)生干擾而造成危害。第五，它具有固有的傳播特性。無線電波是按照一定規(guī)律傳播，是不受行政地域的限制，是無國界的。第六，它具有易污染性。如果無線電頻率使用不當，就會受到其他無線電臺、自然噪聲和人為噪聲的干擾而無法正常工作，或者干擾其他無線電臺站，使其不能正常工作，使之無法準確、有效和迅速地傳送信息

4、。n從理論上看，要進一步提升系統(tǒng)容量，增加帶寬勢在必行。n但是10GHz以下無線頻譜分配擁擠不堪的現(xiàn)狀已完全排除了這種可能，因此，要實現(xiàn)超高速無線數(shù)據(jù)傳輸還需開辟新的頻譜資源無線通信利用在自由空間中傳播的電磁波實現(xiàn)信息的傳輸。其原理在于利用調(diào)制將經(jīng)過編碼后的信息加載于無線電波上，電磁波攜帶了調(diào)制信息，再經(jīng)過解調(diào)從電磁波中恢復(fù)信息，就達到了信息傳遞的目的。無線通信技術(shù)首次實現(xiàn)于1906年，范信達(Reginald Fessenden)在美國采用外差法實現(xiàn)了歷史上的無線電廣播。無線通信技術(shù)首先被軍隊和航運公司使用，隨后經(jīng)歷了快速地商業(yè)化，出現(xiàn)了眾多的無線通信技術(shù)，比如商業(yè)廣播服務(wù)、移動電話、GPS

5、、Zigbee、UWB、WLAN和WPAN。隨著當前無線通信頻譜資源越來越緊張，同時數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越高，60GHz短距離無線通信技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。60GHz短距離無線通信技術(shù)的主要應(yīng)用對象是消費類電子產(chǎn)品，使個人電腦與數(shù)字家電設(shè)備間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)Gbps的超高速無線傳輸。60GHz短距離無線通信技術(shù)成為未來無線通信技術(shù)中最具潛力的技術(shù)之一，其通信協(xié)議標準化進程取得顯著進展，同時伴隨著芯片加工工藝的改進和低成本集成技術(shù)的應(yīng)用，60GHz芯片技術(shù)也不斷得到完善。毫米波技術(shù)作為無線通信技術(shù)的一種，其頻譜范圍包括30GHz-300GHz這一頻段，波長為1毫米到10毫米。60GHz

6、短距離無線通信技術(shù)使用的頻段在60GHz附近，波長為5毫米左右，是典型的毫米波通信技術(shù)，其通信距離通常在1-10m的范圍內(nèi)。60GHz頻段與較低頻段的電磁波相比，有以下的特點：（1)可利用的頻譜范圍寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，60GHz的最高原始數(shù)據(jù)傳輸速率達25000Mbps，而802.11n標準和UWB只能分別實現(xiàn)600Mbps和480Mbps的傳輸速度；（2)天線方向性好，利于空分復(fù)用；（3)元件尺寸小，利于系統(tǒng)集成。盡管60GHz短距離無線通信技術(shù)具有很大優(yōu)勢，但是其達到商用還面臨一些需要克服的問題。60GHz頻段附近由于波長短，氧氣吸收損耗大，信號衰減特性強，其很容易受到周圍空間60GHz頻

7、段其他業(yè)務(wù)的干擾，如無線電定位業(yè)務(wù)、衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)等。另外，60GHz短距離無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用場景之一是多對設(shè)備之間進行通信，由于不同的60GHz系統(tǒng)設(shè)備都工作在60GHz頻段，而60GHz系統(tǒng)對高頻段信道參數(shù)變化敏感，以上這些因素造成了 60GHz短距離無線通信系統(tǒng)性能極容易受到系統(tǒng)間干擾的影響。由于以上的原因，分析60GHz短距離無線通信系統(tǒng)受到的干擾，以及研究如何抑制干擾具有重要的意義。美國聯(lián)邦通信委員 FCC(Federal Communication Committee)于 1994 年 10 月發(fā)布公告，將40GHz以上的部分毫米波頻譜應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品。此后2000年到2006年間

8、，中國、韓國、澳大利亞等其他國家和地區(qū)也相繼開放60GHz附近的頻譜資源。尤其引人注意的是，在歐洲開放的頻譜范圍達到了 9GHz帶寬。隨著60GHz頻段頻譜資源的開放，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界掀起了對60GHz短距離無線通信技術(shù)的研究熱潮。隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及人們對高速高質(zhì)量無線通信服務(wù)的需求目前主要的無線通信技術(shù)如超寬帶UWB和IEEE 802.1In最高只能提供數(shù)百Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，已經(jīng)不能滿足人們對無線通信技術(shù)的需求。加之無線通信的低頻段比如2.4GHzISM頻段已特別擁擠，這在根本上限制了低頻段新通信技術(shù)的發(fā)展。60GHz毫米波通信頻段上因其巨大的免授權(quán)帶寬資源，可支持數(shù)Gbps

9、的數(shù)據(jù)速率，受到全球范圍內(nèi)廣泛關(guān)注。國際上的標準化組織已經(jīng)著手大力發(fā)展60GHz毫米波無線通信的標準，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員也已經(jīng)越來越關(guān)注起60GHz毫米波無線通信技術(shù)的應(yīng)用。近幾年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和工藝的快速發(fā)展，研究人員們正在不斷追求更高頻率和集成性能更好價格更低廉的芯片，在這種大背景下，60GHz毫米波無線通信的大規(guī)模應(yīng)用己經(jīng)成為可能。隨著硬件技術(shù)一起發(fā)展的是60GHz毫米波無線通信技術(shù)中協(xié)議和標準的制定，物理層和MAC層中的各項關(guān)鍵技術(shù)也在不斷發(fā)展、日益成熟，各種基于60GHz毫米波無線通信技術(shù)的應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)。因此，對60GHz通信技術(shù)中的各種技術(shù)進行研究，對于60GHz技術(shù)

10、的發(fā)展以及各種產(chǎn)品的早日實現(xiàn)具有重大的意義。在60GHz無線通信的研究、產(chǎn)品上，國內(nèi)外均有國外有IBM、高通、SiBEAM、加州大學(xué)伯克利無線研究中心等企業(yè)和高校，國內(nèi)有中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中科院、東南大學(xué)等。2004年，IBM展示了世界上第一個在60GHz和77GHz頻段上，以硅為基礎(chǔ)的有源混頻器和低噪聲放大器，與此同時，IBM也開始研究如何降低60GHz毫米波無線通信技術(shù)的成本并且將其大規(guī)模民用化。2006年，IBM公司又開發(fā)出第一塊毫米波SiGe集成天線，完成了對芯片模擬部分與射頻部分的集成。2006年10月，三星、松下、索尼、東芝等日本公司成立了“WirelessHD I

11、nterest Group (WirelessHD)聯(lián)盟，該聯(lián)盟的目標是指定60GHz頻率帶通毫米波通信技術(shù)標準，并且準備在未來將未經(jīng)壓縮過的高清的視頻和音頻數(shù)據(jù)通過60GHz頻帶毫米波通信進行傳輸。美國加州大學(xué)伯克利無線研究中心，主要研究CMOS工藝。2009年，加州大學(xué)伯克利無線研究中心釆用90nmCMOS工藝實現(xiàn)了第一個包含基帶電路在內(nèi)的收發(fā)機芯片設(shè)計方案，可實現(xiàn)5-10Gbps速率。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所射頻與微波集成系統(tǒng)課題組在60GHz毫米波技術(shù)上也走在前列。該所研究了 60GHz毫米波收發(fā)芯片的相關(guān)技術(shù)，在射頻天線、器件模型等方面也有深入研究?？梢灶A(yù)計不久的將來，可以利

12、用RFCMOS工藝加工完成60GHz毫米波芯片組，降低60GHz毫米波芯片成本，推進毫米波技術(shù)的用化。在北京召開的“2011中國無線世界暨物聯(lián)網(wǎng)大會”東南大學(xué)介紹了其參與的60GHz射頻CMOS芯片與模塊研制情況，其他參與單位有清華大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)所，支持年限2011年1月-2013年12月?；緝?nèi)容是采用65納米CMOS工藝射頻CMOS核心收發(fā)芯片，開發(fā)滿足60GHz實驗系統(tǒng)需求射頻模塊，高集成陣列天線關(guān)鍵技術(shù)，其通信頻段59-64GHZ。近幾年，臺灣大學(xué)也對60GHz毫米波無線通信中的射頻電路的研究投入了很大的資源，也取得了很豐碩的成果，該校已經(jīng)研制成功了 60GHz下的射頻發(fā)射的芯

13、片。在2011臺北國際計算機展上，Qualcomm Atheros與Wilocity共同推出AR9004TB解決方案，為業(yè)界第一款整合室內(nèi)60 GHz Multi-gigabit效能至無縫交遞2.4 GHz與5 GHz頻帶Wi-Fi的三頻Wi-Fi芯片，亦是第一款能夠支持多種應(yīng)用，從I/O、視訊到網(wǎng)絡(luò)連接等等，傳輸速度相當于有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，信號范圍可涵蓋整個住家，并且能提供完整的相互運作能力的芯片組。同時，在展會上，海華電子也展示60GHz超高速無線傳輸技術(shù)。60GHz毫米波由于其巨大免費帶寬，能夠傳輸上Gbps的速率，其應(yīng)用范圍較廣，現(xiàn)在主要用于WMN及WLAN，無線高清多媒體接口，汽車雷達、

14、醫(yī)療等方面。n各國在60GHz頻段附近劃分出免許可連續(xù)頻譜用作一般用途n北美和韓國開放了5764GHz；n歐洲和日本開放了5966GHz；n澳大利亞開放了59.462.9GHz；n中國目前也開放了5964GHz的頻段。各國和地區(qū)對60GHz頻譜的劃分可以看出，在各國和地區(qū)開放的頻譜中，大約有可以看出，在各國和地區(qū)開放的頻譜中，大約有5GHz的的重合重合，這非常有利于開發(fā)世界范圍內(nèi)適用的技術(shù)和產(chǎn)品，這非常有利于開發(fā)世界范圍內(nèi)適用的技術(shù)和產(chǎn)品n60GHz無線通信技術(shù)特點 定向發(fā)射和接收 多跳中繼 空間復(fù)用 單載波調(diào)制與OFDMn定向發(fā)射和接收首先能顯著減小信號多徑時延擴展；n其次，定向發(fā)射意味著干

15、擾區(qū)域的減小，同時毫米波的高衰減特性也縮短了信號的干擾距離，不同鏈路之間的干擾大為降低。n優(yōu)點：60GHz無線通信在通信的安全性和抗干擾性方面存在天然的優(yōu)勢。n缺點：定向發(fā)射和接收可能出現(xiàn)因收發(fā)設(shè)備初始天線方向沒有對準而產(chǎn)生的“聽不見（deafness）”現(xiàn)象。n為了擴大60GHz網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍并保持足夠高的強健性，可以借助中繼利用協(xié)同或多跳等方式來進行組網(wǎng)。n有實驗表明4跳60GHz系統(tǒng)已可實現(xiàn)與WLAN相同的覆蓋范圍，并保持每秒數(shù)吉比特的超高速率。n定向鏈路之間的低干擾特性意味著允許多條同頻通信鏈路在同一空間內(nèi)共存，從而有效提升網(wǎng)絡(luò)容量。n在60GHz物理層技術(shù)方案的選擇上，目前有單載波調(diào)制

16、和OFDM（ Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，）兩大備選技術(shù)?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用和場景結(jié)合使用。n單載波調(diào)制實現(xiàn)成本低，可用于速率在2Gbit/s以下的低端應(yīng)用。n工業(yè)界聯(lián)盟n（1）WirelessHDn（2）WiGign標準化組織n（3）ECMAn（4）IEEE 802.15.3c（TG3c）n（5）IEEE 802.11ad（TGad）n2006年10月，由LG、松下、NEC、三星電子、索尼以及東芝公司組成WirelessHD小組，旨在對60GHz技術(shù)進行規(guī)范，此項技術(shù)能在客廳（以電視為中心，10米范圍連接規(guī)范）中以

17、高達4Gbps的速度傳送未經(jīng)壓縮的高清視頻數(shù)據(jù) n2010年1月，WirelessHD 1.0規(guī)范擴大到對便攜式和個人計算設(shè)備的支持，數(shù)據(jù)速率提高到1028Gbpsn2009年5月，Intel、微軟、戴爾、三星、LG、松下等成立WiGig（Wireless Gigabit Alliance，無線千兆比特聯(lián)盟），是一種更快的短距離無線技術(shù)，可用于在家中快速傳輸大型文件 ，其目標不僅是連接電視機，還包括手機、攝像機和個人電腦。n2009年12月，宣布完成了WiGig v1.0的制定，支持高達7Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，比802.11n的最高傳輸速率快十倍以上n重要特點：向后兼容IEEE 802.11

18、標準。nWiGig是無線千兆比特聯(lián)盟（Wireless Gigabit Alliance）制定的一種短距離無線技術(shù)。它兼容于WiFi標準，并且具有如下6個重要特征：n支持最高7Gbps的數(shù)據(jù)傳送速率，是WiFi標準的10倍。n設(shè)計初衷不僅是為支持低功耗的移動設(shè)備（比如手機），并且也支持高性能設(shè)備（比如說臺式機），所以它天生具有高級的電源管理技術(shù)。n設(shè)計基于IEEE 802.11標準（WiFi技術(shù)使用的標準），并且支持2.4GHZ，5GHZ和60GHZ三個頻段n支持波形成束，提高信號強度，有效傳送距離達10米。n支持AES加密。n為HDMI， DisplayPort，USB和PCIe提供高性能的

19、無線實現(xiàn)n一般認為WiGig是一個非常優(yōu)秀的無線通信技術(shù)，它將是下一代的WiFi技術(shù)，主要原因如下：nWiGig兼容于WiFi?，F(xiàn)有的WiFi設(shè)備能夠使用，并且移動運營商現(xiàn)有WiFi設(shè)備的升級換代可以循序漸進的進行，能夠緩解移動運營商的資金壓力。nWiGig支持HDMI、DisplayPort、PCIe和USB設(shè)備的無線傳送。對于移動互聯(lián)的整個大趨勢，對于不同移動設(shè)備之間的互聯(lián)互通，WiGig將起積極的作用。n有著廣泛的公司支持nWiGig的高速度和高帶寬。它是現(xiàn)有WiFi標準的10倍！在Data-hungry的今天，高速度和高帶寬是用戶體驗的重要組成部分 n首批通過WiGig認證的產(chǎn)品將于2

20、012年底或2013年初推向市場 n雖然它被標榜為下一代WiFi技術(shù)，但是它也有強有力的競爭對手，那就是WirelessHD n2008年12月，ECMA（歐洲計算機制造商協(xié)會）公布了60GHz標準ECMA-387.n可支持1.728G 符號/s的符號速率。n在未使用信道綁定的情況下，數(shù)據(jù)速率高達6.350Gbpsn將相鄰的2個或3個頻段綁定，可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率。n2005年3月IEEE設(shè)立了802.15.3c小組，其主要目的是進行60GHz無線個域網(wǎng)（WPAN）的物理層和MAC層的標準化工作。n2009年10月TG3c小組宣布已通過IEEE 802.15.3c-2009標準，可提供最高數(shù)

21、據(jù)速率超過5Gbit/s。n其中，WirelessHD 1.0規(guī)范作為一種工作模式被IEEE 802.15.3c標準所接納。nIEEE 802.11小組于2009年1月啟動IEEE 802.11ad標準制定工作，目標是制定60GHz頻段的WLAN技術(shù)規(guī)范。nTGad是從審議現(xiàn)行高速WLAN IEEE 802.11n后續(xù)標準的工作組“VHT（Very High Throughput,極高吞吐量）”派生出來的工作組之一。n60GHz信道路徑損耗比低頻段的路徑損耗大大增加，且在很多材料中的傳輸損耗也顯著增加。n60GHz信道測量結(jié)果與其測量的條件緊密相關(guān)，包括測量環(huán)境、測量技術(shù)、測量設(shè)備以及天線參數(shù)

22、等。n收發(fā)機結(jié)構(gòu)包括射頻收發(fā)電路、天線/天線陣列、ADC/DAC電路、數(shù)字基帶處理電路等。n低成本、低功耗、高性能、可商用化的60GHz收發(fā)機的研究設(shè)計是實現(xiàn)60GHz短距通信的關(guān)鍵。n現(xiàn)有的收發(fā)結(jié)構(gòu)中的研究熱點主要是與現(xiàn)有電路集成封裝技術(shù)結(jié)合的低成本低功耗的小型單元電路或者射頻收發(fā)電路的實現(xiàn)。n由于60GHz毫米波信號的巨大路徑損耗，毫米波天線必須能夠提供在大帶寬下的高增益和高效率。n研究低成本、小型化、超輕、高增益并易集成易控的天線陣列，成為天線技術(shù)研究的主要難題。nOFDM技術(shù)n單載波調(diào)制和高增益天線的組合方式。n在低端應(yīng)用（3 Gbps 以下）中采用單載波調(diào)制，在高端應(yīng)用中采用多載波調(diào)

23、制n最初的60GHz射頻收發(fā)機主要是采用GaAs基來實現(xiàn)。nCMOS工藝目前已經(jīng)被應(yīng)用于60GHz射頻模塊中，但是存在較高的噪聲，較低的增益和較高的溫度靈敏度以及隨著工藝節(jié)點增多產(chǎn)生的漏電流效應(yīng)。因此，新興的半導(dǎo)體工藝也有待探索中。n802.15.3協(xié)議所定義的微微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如右圖所示，是一個基于中央控制的自組織網(wǎng)絡(luò)。 通常微微網(wǎng)的通信范圍在10m以內(nèi)，基本元素是設(shè)備（DEV），設(shè)備間可以獨立的進行數(shù)據(jù)(data)通信。n微微網(wǎng)在初始化時，會選擇一個DEV充當微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器PNC(Piconet Coordinator)nPNC的主要作用之一就是傳送帶有微微網(wǎng)信息的信標（Beacon），以信標形式為微微網(wǎng)提供基本定時功能，并負責服務(wù)質(zhì)量請求、功率節(jié)省和訪問控制等功能。n微微網(wǎng)在初始化時，會選擇其中一個DEV充當微微網(wǎng)協(xié)調(diào)器PNC（Piconet Coordinator）。n當802.15.3微微網(wǎng)中的某一個DEV能夠充當PNC開始發(fā)送信標時，就認為微微網(wǎng)形成了。nDEV通過關(guān)聯(lián)過程加入微微網(wǎng)，PNC會廣播微微網(wǎng)內(nèi)所有DEV的信息，并將新的DEV信息放到信標中，從而使網(wǎng)內(nèi)其他DEV和新加入的DEV知道彼此的信息。n如果PNC將要離開網(wǎng)絡(luò)并且微微網(wǎng)中的其他DEV都沒有能力成為PNC來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)時，PNC將會通過發(fā)送