物联网通信技术--60GHz

物联网通信技术近距离通信技术——60GHz技术3.860GHz通信技术3.8.160GHz通信技术概述3.8.260GHz通信技术原理3.8.360GHz通信技术标准化现状3.8.460GHz通信技术应用在无线通信频谱资源越来越紧张以及数据传输速率越来越高的必然趋势下,60GHz频段无线短距通信技术也越来越受到关注,成为未来无线通信技术中最具潜力的技术之一。60GHz毫米波通信技术面向PC、数字家电等应用，能够实现设备间数Gbps的超高速无线传输。60GHz原始数据的最高速度达到25000Mbps，而802.11n标准和UWB只能分别实现600Mbps和480Mbps的传输速度。例如：用802.11n需要近一个小时才能传完的DVD，用60GHz则只需要15秒。3.8.160GHz通信技术概述60GHz处于“非大气窗口”地面无法对星际通信内容进行侦听，而在星际由于大气极为稀薄，不会造成信号的衰落，美国的MILSTAR就是一个典型的例子。美军的第三代军用卫星系统即三军联合战略战术中继卫星通信系统（MILSTAR）由五颗卫星组成，上行频率为44GHz，下行频率为20GHz，带宽为2GHz，星际通信频率为60GHz，旨在为美国国防部及其下属军事机构提供安全的，可靠的，持久的通信保障。3.8.160GHz通信技术概述3.8.160GHz通信技术概述现有的2.4GHz与5GHz频段已经很难实现更高的传输速率，因此毫米波的上述特性对于WLAN芯片厂商来说具有无穷魅力。WLAN的传输速率正在逐渐接近有线LAN，用户最终会需要WLAN具有10Gbps的速率。各厂商正在采用MIMO等技术来尽力提高频率利用效率，但仍存在极限。NEC公司元件平台研究所主任研究员丸桥建一表示：“要实现数Gbps以上速率的唯一方法就是利用毫米波。”。2000年以来，欧、美、日等众多国家相继在60GHz附近划分出5G~7GHz的免许可连续频谱，丰富的带宽资源奠定了实现2Gbps超高速无线传输的基础，而且60GHz频段无需许可即可使用，这使得用户无需负担昂贵的频谱资源允许费用，因此60GHz无线通信炙手可热，成为近距离无线通信领域的研究热点。3.8.160GHz通信技术概述2006年12月，LG、松下、NEC、三星、索尼以及东芝等消费电子领域的六大巨头就共同成立了WirelessHD工作组，旨在开发一种可替代HDMI的无线数字高清传输技术，让各种高清设备如电视、影碟播放机、机顶盒、录像机、游戏机等实现高清信号的无线传输标准。随后，Intel和SiBeam加入WirelessHD工作组并成为核心开发成员，于2008年1月30日发布了WirelessHD1.0规范，并于2010年公布的无线高清标准WirelessHD1.1版。3.8.160GHz通信技术概述3.8.160GHz通信技术概述英特尔还和Broadcom、Atheros等领先的WLAN芯片厂商于2009年初在IEEE802委员会里成立了毫米波WLAN标准化工作小组TGad(TaskGroupad)。TGad工作小组组长、英特尔首席工程师EldadPerahia表示：“毫米波通信可以作为现有WLAN标准802.11n的互补技术，适用于家庭、办公室等多种场合。”3.8.160GHz通信技术概述WiGig联盟(WirelessGigabitAlliance,无线吉比特联盟)成立于2009年5月28日，其成员囊括了几乎所有无线行业巨头，其中包括：Intel、微软、NVIDIA、诺基亚、戴尔、三星、LG、松下、东芝、NEC、联发科、Atheros、Broadcom和Marvell。WiGig联盟制定的WiGig1.0标准，最高传输速度将达到7Gbps（实际数据传输率接近900MB/s）。3.8.160GHz通信技术概述英特尔公司首席工程师AlexanderMaltsev就表示：“几年后，毫米波通信无疑将会变得不可或缺。”2009年5月，英特尔、微软、诺基亚、戴尔、松下等15家公司联手成立了WiGig(WirelessGigabit)联盟，欲定义面向数字家电的毫米波通信标准。WiGig联盟计划于2009年第4季度完成标准制定，于2010年开始进行互操作性测试。3.8.160GHz通信技术概述3.8.160GHz通信技术概述PC、WLAN以及便携设备等行业的众多厂商都对毫米波通信寄予厚望的最大原因是该技术能够提供较宽的带宽。在60GHz频段内，全球无需许可即可免费使用的带宽可达7GHz~9GHz。由于可使用如此宽的带宽，因此很容易就能实现较高的数据传输速率。即使采用低阶调制方式，也能够确保3Gbps~5Gbps的传输速率。对于WirelessHD来说，使用这样的带宽就可以实现非压缩高清视频的传输，有望取代HDMI线缆。60GHz技术是挑战无线视频和数据传输速度的技术，它有许多优点，例如，频谱可用性60GHz可达到7GHz，而802.11n和UWB只达到0.66GHz和1.5GHz～7.5GHz。60GHz的主要应用包括高清视频流与音频流、显示与无延迟游戏等，它主要应用到一些高性能设备上。3.8.160GHz通信技术概述60GHz技术目前面临的问题是元器件成本较高。目前家电产品中采用的毫米波通信模块的成本约为100美元~150美元，如果要将其用于PC及更多的音/视频设备中，那毫米波模块的成本必须接近WLAN，即达到10美元~20美元。削减价格需要从收发器、封装及天线等基本组件着手。SiBEAM公司标准及先进技术部总监JamesP.K.Gilb表示：“毫米波收发器的价格将在几年内达到与WLAN和蓝牙收发器大致相当的水平。”日本某研究机关的负责人也表示：“RF芯片的价格在今后2~3年内可降至10美元。”3.8.160GHz通信技术概述3.8.160GHz通信技术概述降低60GHz毫米波收发电路部件成本的方法主要可分为三类：第一，通过扩展应用、实现量产来降低成本；第二，尽可能采用通用CMOS工艺来降低芯片制造成本；第三，采用创新的天线与封装技术以降低成本。基于60GHz技术的通信系统一般包括接收机、频率合成器、发射机、相位偏移器及天线等器件。3.8.160GHz通信技术原理（1）60GHz信号传播特性①极大的路径损耗②氧气吸收损耗高③绕射能力差，穿透性差3.8.260GHz通信技术原理表障碍物穿透损耗物质60GHz2.5GHz石膏板2.4dB/cm2.1dB/cm白板5.0dB/cm0.3dB/cm玻璃11.3dB/cm20.0dB/cm网眼玻璃31.9dB/cm24.1dB/cm表中对比了各种材料对毫米波和低频电磁波的穿透损耗（1db=10logp）。此外，测量显示PC显示器之类的金属物体对60GHz信号的衰减在40dB以上。3.8.260GHz通信技术原理（2）60GHz无线通信技术特点①定向发射和接收②多跳中继③空间复用④单载波调制与OFDM①定向发射和接收定向发射和接收首先能显著减小信号多径时延扩展；其次，定向发射意味着干扰区域的减小，同时毫米波的高衰减特性也缩短了信号的干扰距离，不同链路之间的干扰大为降低。3.8.260GHz通信技术原理②多跳中继为了扩大60GHz网络覆盖范围并保持足够高的强健性，可以借助中继利用协同或多跳等方式来进行组网。有实验表明4跳60GHz系统已可实现与WLAN相同的覆盖范围，并保持每秒数吉比特的超高速率。3.8.260GHz通信技术原理③空间复用允许多条同频通信链路在同一空间内共存，从而有效提升网络容量。在60GHz物理层技术方案的选择上，目前有单载波调制和OFDM两大备选技术。可以根据不同的应用和场景结合使用3.8.260GHz通信技术原理60GHZ标准化进程（1）WirelessHD（2）WiGig（3）ECMA（4）IEEE802.15.3c（TG3c）（5）IEEE802.11ad（TGad）3.8.360GHz通信技术标准化现状3.8.360GHz通信技术标准化现状IEEE正在着手研发下一代的千兆网无线标准—802.11ac/802.11ad，理论传输速度将达到1Gbps，预计在2012年投入实施。2008年1月30日发布的WirelessHD1.0规范中，WirelessHD可以实现如下目标：1．最高传输速率为5Gbps（新的WirelessHD2.0标准已经提高到10～20Gbps），可以轻松满足多路1920×1080未压缩高清视频的传输。2．WirelessHD的无线传输延迟只有5～15毫秒之间，可以保证高清画面传输的流畅进行，而不会出现画面明显延迟或播放不流畅的问题。3.8.360GHz通信技术标准化现状3.8.360GHz通信技术标准化现状WirelessHD芯片3.8.360GHz通信技术标准化现状WiGig1.0无线标准核心内容：1）支持高达7Gbps的数据传输速率，比802.11n的最高传输速率快十倍以上。2）作为802.11介质访问控制层（MAC）的补充和延伸，并兼容IEEE802.11标准。3）物理层同时满足了WiGig设备对低功耗和高稳定的要求，可确保设备互操作性和以千兆以上速率通信的要求。4）协议适应层目前正在开发当中，以支持特定的系统接口，如PC外围设备的系统总线、HDTV的显示接口以及显示器和投影仪等。3.8.360GHz通信技术标准化现状5）支持波束成形技术，支持10米以上的可靠通讯。6）为WiGig设备提供广泛、高级的安全和功耗管理机制。IEEE802.15.3C协议简介（1）802.15.3的微微网802.15.3协议所定义的微微网的结构如右图所示，是一个基于中央控制的自组织网络。3.8.360GHz通信技术标准化现状通常微微网的通信范围在10m以内，基本元素是设备（DEV），设备间可以独立的进行数据通信。网协调器PNCPNC的主要作用之一就是传送带有微微网信息的信标（Beacon），以信标形式为微微网提供基本定时功能，并负责服务质量请求、功率节省和访问控制等功能。3.8.360GHz通信技术标准化现状微微网工作过程（1）-建立微微网在初始化时，会选择其中一个DEV充当微微网协调器PNC（PiconetCoordinator）。当802.15.3微微网中的某一个DEV能够充当PNC开始发送信标时，就认为微微网形成了。3.8.360GHz通信技术标准化现状微微网工作过程（2）-加入DEV通过关联过程加入微微网，PNC会广播微微网内所有DEV的信息，并将新的DEV信息放到信标中，从而使网内其他DEV和新加入的DEV知道彼此的信息。3.8.360GHz通信技术标准化现状微微网工作过程（3）-断开如果PNC将要离开网络并且微微网中的其他DEV都没有能力成为PNC来协调网络时，PNC将会通过发送带有PNC中断信息的信标通知微微网中的其他DEV，微微网将结束工作。3.8.360GHz通信技术标准化现状（2）IEEE802.15.3c物理层IEEE802.15.3c无线个域网的微微网结构与IEEE802.15.3类似，前者对后者进行了修正，以适用于60GHz的无线通信。为了适应于不同的应用，IEEE802.15.3c中定义了3种物理层模式。①SingleCarrier（SC）②HighSpeedInterface（HSI）OFDM③Audio/Video（AV）OFDM3.8.360GHz通信技术标准化现状（3）IEEE802.15.3cMAC层①802.15.3超帧结构超帧（superframe）是微微网中时间划分的基本单位，其结构如图所示：802.15.3微微网超帧结构3.8.360GHz通信技术标准化现状信标信标的位臵是在每一个超帧的开始，主要用于设定时间分配和交互管理信息。3.8.360GHz通信技术标准化现状采用CSMA/CA机制来竞争信道资源，用于交互命令和（或）异步数据。信道时间分配期（CTAP）又包括信道时间分配（ChannelTimeAllocation，CT