一文看懂IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技術(shù)

Wi-Fi路由器在近幾年漸漸成了每個家庭里必備的設(shè)備儀器，但不是每個人都了解每天陪伴在我們周圍的它們，它們是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護的;但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。

Wi-Fi是一個無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。有人把使用IEEE 802.11系列協(xié)議的局域網(wǎng)就稱為無線保真。甚至把Wi-Fi等同于無線網(wǎng)際網(wǎng)路(Wi-Fi是WLAN的重要組成部分)。

本文介紹的是IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)技術(shù)，在2013年，Wi-Fi聯(lián)盟正式發(fā)布WiGig CERTIFIED 認證標識(如圖1所示)并宣布相關(guān)產(chǎn)品將于明年入市，還宣布將通過行業(yè)協(xié)作來推動60GHz技術(shù)的發(fā)展。

筆者在詳細地學(xué)習(xí)完WiGig(60GHz Wi-Fi)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范后，覺得相比于目前的幾種Wi-Fi，WiGig/IEEE 802.11ad設(shè)備在多媒體應(yīng)用方面具有高容量、高速率(PHY采用OFDM方案時最高傳輸速率可達7 Gbps、采用單載波調(diào)制方案時最高傳輸速率可達4.6Gbps)、低延遲、低功耗(原因為：①Wi-Fi聯(lián)盟要求所有WiGig CERTIFIED產(chǎn)品必須支持單載波調(diào)制方案;②IEEE 802.11ad的MAC能根據(jù)設(shè)備的實際流量負荷來實時地進行電源管理;③協(xié)議適配(目前定義了A/V協(xié)議適配和I/O協(xié)議適配)直接在PHY與MAC之上運行，可最大限度地降低功耗)、芯片設(shè)計與制造的復(fù)雜度低(單載波調(diào)制與多載波調(diào)制共用前導(dǎo)碼及信道編碼等)、安全性更高(采用AES加密，并可通過硬件實現(xiàn)之)、用戶體驗更好(PHY支持多頻段切換與操作，MAC支持11n、11ac的MAC及管理MAC)等突出優(yōu)勢。

以下為WiGig/IEEE 802.11ad的詳細介紹：

1、WiGig簡介及其與IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的關(guān)系

數(shù)字多媒體內(nèi)容的廣泛普及與使用促使人們對無線連接技術(shù)進行持續(xù)創(chuàng)新。市場對高速率、高容量、低延遲傳輸?shù)男枨笸苿恿丝膳c傳統(tǒng)Wi-Fi功能相補充的新技術(shù)的發(fā)展——這一新技術(shù)——WiGig，采用60 GHz頻段來實現(xiàn)高達7 Gbps的傳輸速率，以支持各類先進的應(yīng)用。

基于IEEE 802.11ad標準的WiGig技術(shù)最初由WiGig(無線吉比特聯(lián)盟)主導(dǎo)開發(fā)。IEEE 802.11ad標準是對可支持在60GHz頻段上進行多個吉比特無線通信的802.11標準所做的修訂。WiGig MAC/PHY 規(guī)范在2010年被WiGig移交給IEEE 802.11ad標準化任務(wù)組，并于2010年5月被確認為802.11ad標準草案的基礎(chǔ)。2012年年底，802.11ad獲得IEEE批準。

2013年，WiGig聯(lián)盟與Wi-Fi聯(lián)盟合并，強化了Wi-Fi聯(lián)盟內(nèi)部所有技術(shù)與認證開發(fā)工作，帶來了緊密協(xié)調(diào)的連接與應(yīng)用層解決方案。目前，Wi-Fi聯(lián)盟成員已開發(fā)WiGig CERTIFIED認證計劃，以進行產(chǎn)品互操作性驗證。該計劃預(yù)計于2014年開始進行產(chǎn)品可互操作性測試，獲得認證的產(chǎn)品將會帶有WiGig CERTIFIED 認證標識和相關(guān)標識。

Wi-Fi聯(lián)盟稱：“WiGig技術(shù)可對Wi-Fi技術(shù)形成補充，從而拓展到新的應(yīng)用，并且更全面地為實現(xiàn)Wi-Fi聯(lián)盟的產(chǎn)品在不使用電線或電纜的情況下進行無縫連接的愿景而努力。”

2、IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的技術(shù)特點

WiGig技術(shù)使用60 GHz頻段，與2.4 GHz和5 GHz兩種頻段相比，60 GHz頻段有更多頻譜可供使用，從而通過使用低功率調(diào)制方案有更寬的信道來支持高達7 Gbps的更快數(shù)據(jù)傳輸速率，因此非常適合室內(nèi)連接，以支持具有苛刻要求的包括視頻在內(nèi)的多媒體應(yīng)用。

WiGig/IEEE 802.11ad規(guī)范的主要特點包括：最大限度地提高性能;將實施的復(fù)雜度與成本降至最小;與現(xiàn)有Wi-Fi技術(shù)相協(xié)調(diào);提供先進的安全保護。

這些主要功能包括：

1)支持高達7 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率;

2)獨特的設(shè)計支持諸如手機等低功耗手持設(shè)備以及諸如電腦等高性能設(shè)備，還采用了先進的電源管理技術(shù);

3)設(shè)備能夠透明地切換于在任意頻段(包括2.4 GHz、5 GHz和60 GHz)上運行的802.11網(wǎng)絡(luò)之間;

4)支持波束賦形，可最大限度地提高信號強度，并可在10米之外的距離實現(xiàn)良好通信;

5)使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode來進行安全保護;

6)支持HDMI、DisplayPort、USB和PCIe的高性能無線實施。

3、IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的物理層

1)頻譜與信道

60 GHz頻段無需獲得授權(quán)，并被廣泛使用。如圖2所示，在60GHz頻段內(nèi)，不同國家可用的頻譜有所差異：

60 GHz頻段的頻譜資源比2.4 GHz和5 GHz頻段要豐富得多——通常為7 ~8GHz頻寬。與，60GHz頻段也被劃分為多條信道——802.11ad規(guī)范定義了四條信道，每條信道寬度為2.16 GHz。

2)調(diào)制與編碼

IEEE 802.11ad規(guī)范支持兩種類型的調(diào)制和編碼方案：

1)OFDM。允許的最大傳輸速度高達7 Gbps;

2)單載波。功耗較低，因此更適合于小型低功耗手持設(shè)備。單載波方案支持的傳輸速度最高為4.6 Gbps。

這兩種調(diào)制方案具備一些共同的要素(比如前導(dǎo)碼和信道編碼等)，這就降低了實施的復(fù)雜度。

據(jù)悉，在將來，所有的WiGig CERTIFIED設(shè)備都必須支持單載波調(diào)制，某些設(shè)備還必須支持OFDM。

4、IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的MAC層

IEEE 802.11ad規(guī)范的MAC層的新功能能夠支持先進的使用模式，促進與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)整合，可降低功耗，并可提供強大的安全保護。

1)MAC架構(gòu)

如圖3所示，IEEE 802.11ad規(guī)范定義了一個新的MAC架構(gòu)，使得兩個設(shè)備能夠彼此間直接通信，從而開發(fā)出一些新的功能(如快速同步兩臺設(shè)備，以及向投影儀或電視機發(fā)送音視頻數(shù)據(jù)等)。此外，IEEE 802.11ad規(guī)范還支持現(xiàn)行的802.11網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2)用戶體驗提升技術(shù)

從圖2可見，IEEE 802.11ad的MAC實現(xiàn)了在60 GHz頻段連接不可用的情況下向2.4 GHz或5 GHz Wi-Fi的無縫回退，從而可極大提升用戶體驗(比如，在設(shè)備從60 GHz切換到頻率較低的Wi-Fi信道的情況下，使用Wi-Fi/WiGig集成設(shè)備的用戶將能夠繼續(xù)享受無中斷連接。用戶不但能夠體驗到高性能，而且還將能夠自動利用60 GHz頻段帶來的額外速率)。

3)電源管理技術(shù)

WiGig CERTIFIED設(shè)備將可利用一種新的預(yù)定訪問模式來降低功耗：通過定向連接互相通信的兩臺設(shè)備可以預(yù)定它們進行通信的時間段，在這些時間段期間，設(shè)備開始休眠。這種先進的功能使設(shè)備能夠更精確地根據(jù)實際流量負負荷進行電源管理——這一點對于手機和其他手持式電池供電設(shè)備而言尤其重要。

4)安全技術(shù)

IEEE 802.11ad規(guī)范建立在IEEE 802.11標準定義的強大安全機制之上，WiGig CERTIFIED設(shè)備的加密功能基于政府級高級加密標準AES，并且可以在硬件中實施以實現(xiàn)高性能和高效率。

5、IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的協(xié)議適配層(PAL)

如圖4所示，IEEE 802.11ad規(guī)范的協(xié)議適配層(PAL)允許以無線方式實施在MAC層和PHY層上直接運行的一些標準接口：

1)音頻/視頻：WiGig顯示擴展(WDE)

WDE支持無線傳輸視聽數(shù)據(jù)(如從計算機或數(shù)碼相機向電視機或投影儀傳輸電影)。這種PAL支持HDMI和DisplayPort接口以及用于保護通過這些接口傳輸?shù)臄?shù)字內(nèi)容的高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(HDCP)方案的無線實施。它的擴展性允許它既可以傳輸壓縮視頻，也可以傳輸非壓縮視頻。

2)輸入/輸出PAL：WiGig總線擴展，WiGig SD擴展，和WiGig串行擴展

輸入/輸出PAL定義了在60 GHz頻段上廣泛使用的計算機接口的高性能無線實施。目前定義的I/O協(xié)議PAL)共有三種：WiGig總線擴展(PCIe)、WiGig SD擴展(安全數(shù)字I/O)、以及WiGig串行擴展(USB)。

(1)WiGig 總線擴展

在計算機內(nèi)部，PCIe通常用于將CPU和內(nèi)存連接到可支持存儲、網(wǎng)絡(luò)卡和其他接口的I/O控制器。此外，它也可以用來連接到媒體和視覺處理器，以提高圖像質(zhì)量或?qū)PU進行卸載處理。PAL的實施可支持設(shè)備之間的多吉比特無線同步，以及與存儲和其他高速外圍設(shè)備的連接。

(2)WiGig SD 擴展

SD存儲卡被廣泛用于移動設(shè)備，以進行各種文件的存儲，如文檔，圖片，以及音視頻內(nèi)容。WiGig SD 擴展被用于從主設(shè)備訪問安裝在遠程設(shè)備上的SD存儲卡，比如從筆記本電腦上訪問智能手機上的SD存儲卡。WiGig SD 擴展適合資源有限的電池供電的設(shè)備，因為其為方便存儲訪問而優(yōu)化了實施過程，并且文件傳輸速度可達數(shù)十億位元，同時可顯著節(jié)約能耗。

(3)WiGig 串行擴展

USB通常被用來將外圍設(shè)備和其他設(shè)備連接到主機。這種USB PAL可支持USB設(shè)備之間的無線連通，并促進諸如USB擴展之類的產(chǎn)品的開發(fā)。WiGig串行擴展已經(jīng)從Wi-Fi 聯(lián)盟移交到USB-IF，用作無媒介限制串行總線規(guī)范的基礎(chǔ)。