為工業(yè)應(yīng)用引入60 GHz無線技術(shù)

　　引言

　　無線互連的應(yīng)用越來越廣泛。這個趨勢在消費電子領(lǐng)域中最為明顯，在過去的十年里，手機和平板電腦市場快速推動了對于各類無線標(biāo)準(zhǔn)的采用。全球范圍內(nèi)Wi-Fi熱點的數(shù)量已經(jīng)超過1.75億，預(yù)計將在2018年[1]達(dá)到3.3億。支持藍(lán)牙的產(chǎn)品總數(shù)也有所提升，在2014年-2018年[2]期間支持藍(lán)牙的音頻設(shè)備數(shù)量將獲得400%的增長。大多數(shù)無線技術(shù)使用相同的2.4GHz和5GHz頻段，而這兩個頻段正變得日益擁擠。2015年[3]智能手機訂購量估計為34億，每一臺手機都意味著更多的數(shù)據(jù)需求，不斷將移動手機網(wǎng)絡(luò)和授權(quán)頻段的資源推向極限。

　　最近幾年興起了一種新的解決方案，能夠解決現(xiàn)有頻段面臨的資源緊張問題，還能打破現(xiàn)有無線解決方案的各種限制。在毫米波(30 GHz - 300 GHz)頻段中，60 GHz頻段因最具潛力脫穎而出。該頻段在許多地區(qū)是免授權(quán)的，所以對于很多應(yīng)用來說采用該頻段是很方便的。這為一系列集成千兆級收發(fā)器的全新設(shè)備的出現(xiàn)提供了可能性，相比目前已然十分擁擠的2.4GHz和5GHz頻段能夠提供海量的帶寬。

　　很多應(yīng)用都能從60 GHz技術(shù)中獲益。在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，60 GHz技術(shù)正被用于取代現(xiàn)有的Wi-Fi應(yīng)用，實現(xiàn)高達(dá)4.6Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，比現(xiàn)有的802.11ac[4]標(biāo)準(zhǔn)快5倍。WirelessHD®標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)消費電子設(shè)備間的視頻流傳輸。制造商已經(jīng)開始為筆記本電腦、智能手機、數(shù)字電視、視頻投影儀以及虛擬現(xiàn)實頭盔添加WirelessHD支持，預(yù)計移動應(yīng)用、家庭影院以及其他計算設(shè)備領(lǐng)域也將采用WirelessHD。其他領(lǐng)域也已開始發(fā)展60 GHz技術(shù)，包括辦公樓宇與校園使用的無線回程應(yīng)用依托60 GHz數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用快速、便捷地構(gòu)建樓宇和無線連接器之間互連，實現(xiàn)更加輕薄和穩(wěn)定的設(shè)備。但是對于更高的無線寬度以及高速高清視頻傳輸?shù)男枨蟛粌H限于消費電子領(lǐng)域。工業(yè)領(lǐng)域亦可從毫米波技術(shù)中獲益。本文為讀者提供60 GHz技術(shù)概覽，不僅涵蓋現(xiàn)有的消費電子應(yīng)用，還會對橫跨多個不同工業(yè)領(lǐng)域的毫米波技術(shù)潛在應(yīng)用進(jìn)行探索。

　　60 GHz無線技術(shù)概覽

　　包括美國FCC在內(nèi)的監(jiān)管機構(gòu)已經(jīng)為各行業(yè)劃定了免授權(quán)頻段。60 GHz頻段擁有超過7 GHz的帶寬[5]。相較于5GHz頻段，它能提供超過20倍的帶寬資源。

　　60 GHz頻段頻譜范圍寬，能夠提供千兆級的網(wǎng)絡(luò)容量，并且該頻段還具備多個關(guān)鍵的傳播和衰減特性，全新的高性能無線解決方案可從中獲益。

　　2.4GHz和 5GHz頻段適用于中程傳輸，是Wi-Fi等本地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的理想選擇。60 GHz頻段上的信號傳播距離相對更短，在穿過空氣和固體結(jié)構(gòu)時會發(fā)生衰減，因此是短程應(yīng)用的理想選擇。為了充分利用60 GHz頻段的優(yōu)勢，需要用到相控陣天線、定向度高的波束以及波束控制技術(shù)。萊迪思半導(dǎo)體提供基于SiBEAM技術(shù)，領(lǐng)先業(yè)界并已經(jīng)量產(chǎn)的射頻收發(fā)器，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC制造和封裝技術(shù)。

　　應(yīng)用

　　毫米波技術(shù)的特性是需要天線在一定的范圍轉(zhuǎn)向以對準(zhǔn)目標(biāo)，按照不同的范圍可劃分不同類型的應(yīng)用。為了對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行演示說明，我們劃分了三個應(yīng)用類型：10毫米、1-10米和100米及以上。

　　[10毫米] 無線連接器

　　在極短的距離內(nèi)(通常是10毫米左右)，60 GHz技術(shù)能夠被用作線纜的高效替代方案。特別設(shè)計的無線發(fā)送器和接收器IC可用于在短距離內(nèi)以極高的速率傳輸數(shù)據(jù)，從而取代有線連接。

　　60 GHz技術(shù)還可用于物理接口的替代解決方案。對于那些對設(shè)備耐用性有要求的應(yīng)用來說是非常有用的，因為它消除了物理接口，而后者正是電子設(shè)備的常見故障點之一，是水、塵土以及其他能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備造成危害的顆粒的主要入口之一。除了故障率之外，有些專用接口，比如說將可拆卸的平板式筆記本電腦連接到底座設(shè)備或是傳統(tǒng)的筆記本型底座的接口，相比標(biāo)準(zhǔn)化的連接器往往需要明顯更多的開發(fā)和實現(xiàn)成本。

　　[1-10米] 無線數(shù)據(jù)/音頻

　　在中等距離應(yīng)用(1-10米)領(lǐng)域，60 GHz技術(shù)能夠作為Wi-Fi等現(xiàn)有無線應(yīng)用的高速替代解決方案，以及用于實現(xiàn)無線視頻的線纜替代解決方案。

　　802.11ad是由IEEE定義的60 GHz數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，IEEE還定義了802.11a、802.11b、802.11n以及802.11ac等Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。Qualcomm等業(yè)內(nèi)主要廠商正在將802.11ad集成到其產(chǎn)品[6]中，通過這項技術(shù)為用戶實現(xiàn)超快的視頻和數(shù)據(jù)傳輸。

　　60 GHz技術(shù)特別適合無線線纜替代解決方案。高帶寬、低延遲、點到點架構(gòu)以及室內(nèi)傳輸特性使其成為室內(nèi)線纜的理想替代解決方案。該技術(shù)可在家庭影院系統(tǒng)(圖1)中發(fā)揮作用，實現(xiàn)高清視頻傳輸。該技術(shù)使得消費者能夠隨意靈活地放置視頻內(nèi)容輸出設(shè)備與電視熒幕，為消費者提供極大的便利性。WirelessHD標(biāo)準(zhǔn)正在嶄露頭角，作為高質(zhì)量視頻傳輸領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，它充分利用了60 GHz頻段的特性，實現(xiàn)卓越的無線用戶體驗。

　　圖1 – 使用60 GHz技術(shù)的可靠的無線高清視頻傳輸應(yīng)用

　　[100米+] 千兆級室外無線鏈路

　　毫米波技術(shù)在未來的無線回程基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中也能夠發(fā)揮重要作用，適用于下一代5G移動通信基礎(chǔ)設(shè)施、固定接入回程擴展以及校園內(nèi)的點對點鏈路等，60 GHz通道的無線容量以及高度優(yōu)化的射頻鏈路可實現(xiàn)理想的“無線光纖”，用于替代現(xiàn)有的光纖回程應(yīng)用(圖2)。

　　圖2 - 60 GHz無線光纖使用案例

　　目前市場上有多種方案在互相競爭，但大多數(shù)系統(tǒng)目前是基于IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的。除了之前提到的室內(nèi)應(yīng)用之外，對于現(xiàn)有802.11標(biāo)準(zhǔn)的修訂涵蓋了使用60 GHz毫米波頻段支持長距離鏈路(長達(dá)500米)應(yīng)用。它使用為10米室互連開發(fā)的同一波束控制技術(shù)，以支持接入點連接和室外回程鏈路等其他應(yīng)用。

　　工業(yè)應(yīng)用

　　60 GHz技術(shù)為消費電子領(lǐng)域帶來的大量機遇已經(jīng)顯而易見，并且該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)將繼續(xù)迅猛發(fā)展。隨著60 GHz解決方案在消費電子市場上不斷推廣，工業(yè)領(lǐng)域的制造商們也正在探索如何使用該技術(shù)。對于許多工業(yè)應(yīng)用來說，也能像消費電子領(lǐng)域中的許多應(yīng)用一樣從60 GHz技術(shù)中獲益，制造商可憑借毫米波技術(shù)消除線纜，并提升機動性和靈活性。不僅如此，許多全新的應(yīng)用領(lǐng)域，如使用毫米波技術(shù)實現(xiàn)目標(biāo)偵測或手勢識別等，已然在工業(yè)領(lǐng)域引起了關(guān)注。

　　機械視覺

　　工業(yè)機械視覺系統(tǒng)主要用于檢查或引導(dǎo)機器人制造產(chǎn)品[7]。它們是現(xiàn)代工廠中必不可少的工具，在各個工業(yè)領(lǐng)域協(xié)助制造高質(zhì)量、精準(zhǔn)的產(chǎn)品，涉及到電子產(chǎn)品、制造業(yè)以及最前沿的服裝生產(chǎn)。機械視覺包含3個基本要素：圖像捕捉器(類似于攝像頭，圖像傳感器捕捉原始數(shù)據(jù))，分析數(shù)據(jù)的計算機或處理器以及互連鏈路。現(xiàn)在的機械視覺圖像捕捉器支持的分辨率越來越高，通常通過多芯線纜連接到計算機然后進(jìn)行圖像處理。

　　目前需要使用多種標(biāo)準(zhǔn)通過線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然而，有線解決方案面臨著諸多限制。對于機器人引導(dǎo)應(yīng)用來說，線纜會影響到行動，需要對圖像捕捉器和線纜進(jìn)行仔細(xì)的規(guī)劃和布置。此外，標(biāo)準(zhǔn)的線纜長度(常常是5-30米，除非使用昂貴的光纖)是一個很大的缺點，特別是考慮到線纜要穿過工業(yè)機械和很多障礙物的情況，這意味著計算機需要離工廠區(qū)域很近。由于計算機和線纜需要管理，這就帶來了很多障礙，而且計算機暴露在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，可能導(dǎo)致壽命縮短。

　　傳統(tǒng)的無線解決方案并不是替代線纜的理想選擇，因為它們的延遲很高而且需要對圖像進(jìn)行壓縮。使用無線解決方案帶來的任何延遲都將提升制造時間和成本，因為生產(chǎn)線要降低速度以適應(yīng)計算機所需的處理器時間。同時，對于圖像的壓縮則會增加計算機解析捕捉到的圖像的難度。

　　憑借60 GHz無線解決方案，一個或多個圖像捕捉器能夠被安裝在機器上，無需視頻線纜。這些圖像捕捉器能夠直接傳輸數(shù)據(jù)到計算機或連接到無線鏈路從而連接到控制中心。無線視頻可實現(xiàn)機器人自由移動，幫助工廠區(qū)域減少隱患，便于設(shè)置新的設(shè)備，而且計算機也能從工廠區(qū)域移至更加受控的環(huán)境中。最近幾年里對于機械視覺的需求大幅增長，60 GHz技術(shù)致力于為當(dāng)今復(fù)雜的工作區(qū)域中的系統(tǒng)提供最大的靈活性和便利性。

　　監(jiān)控

　　工業(yè)監(jiān)控是另一個毫米波技術(shù)能夠發(fā)揮作用的領(lǐng)域。許多辦公室、工廠、制造設(shè)施中的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)過時了，只能提供較低的圖像分辨率。對這些系統(tǒng)進(jìn)行升級通常需要重新安裝現(xiàn)有的線纜以匹配全新的設(shè)備，往往會帶來幾百萬美元的開銷。WirelessHD能夠大幅簡化翻新這些設(shè)施的過程，只要接入舊系統(tǒng)中的現(xiàn)有電網(wǎng)即可將質(zhì)量更高的視頻無線傳輸至附近的接收站。

　　醫(yī)療

　　醫(yī)療應(yīng)用也能從60 GHz技術(shù)中大大獲益。數(shù)字成像對于醫(yī)生來說是一個關(guān)鍵的診斷工具，特別是在手術(shù)室中，質(zhì)量更高的圖像能夠提升精度，為病人提供更精確和有效的治療。不過，將一整套計算機設(shè)備塞進(jìn)手術(shù)室里帶來了無數(shù)的問題，最小的問題也將是一大堆很難進(jìn)行消毒的線纜，很可能導(dǎo)致安全隱患。毫米波技術(shù)能夠提供幫助，舉個例子，它能夠?qū)碜燥@微攝像頭的實時視頻無線傳輸至附近的監(jiān)視器，或是直接傳輸至外科醫(yī)生護(hù)目鏡中安裝的頭戴式顯示屏中。這可確保無菌室的環(huán)境，減少安裝新設(shè)備時的辛苦工作。

　　60 GHz技術(shù)在手術(shù)室中另一個潛在的創(chuàng)新領(lǐng)域是實現(xiàn)手勢控制。毫米波手勢識別能夠偵測和讀取手指的移動軌跡，相比現(xiàn)有的紅外攝像技術(shù)更加精確，后者在多變的光照環(huán)境下工作起來很有難度，將大大影響精度?？煽康氖謩菘刂瓶扇〈鷻C器上的按鈕，使得設(shè)備消毒起來更方便。

　　總結(jié)

　　60 GHz技術(shù)在全球無線互連領(lǐng)域是炙手可熱的新方向。除了當(dāng)今市場上精彩奪目的各類消費電子產(chǎn)品，還有大量基于毫米波技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。60 GHz技術(shù)的突出優(yōu)勢，如低延遲、高帶寬和最小化的接口，使其成為眾多工業(yè)應(yīng)用的理想選擇，前景一片光明。