60 GHz无线通信技术发展现状及趋势研究

2016-01-21李纪舟钟建强

通信技术 2015年6期

李纪舟,钟建强,王　瑜

(解放军91746部队，北京 102206 )

摘　要：60 GHz无线通信技术以其丰富的频谱资源和高速的数据传输速率，成为目前无线通信领域的研究热点之一。首先介绍了60 GHz无线通信技术的概念内涵、特点优势和应用场景；接着重点阐述了60 GHz无线通信技术形成的产业联盟和通信标准；然后分析了60 GHz无线通信技术发展面临的问题；最后根据信息技术的发展形势，展望了60 GHz无线通信技术的发展趋势。

关键词：60 GHz；无线通信技术；标准

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.001

60 GHz无线通信技术发展现状及趋势研究

李纪舟,钟建强,王瑜

(解放军91746部队，北京 102206 )

摘要：60 GHz无线通信技术以其丰富的频谱资源和高速的数据传输速率，成为目前无线通信领域的研究热点之一。首先介绍了60 GHz无线通信技术的概念内涵、特点优势和应用场景；接着重点阐述了60 GHz无线通信技术形成的产业联盟和通信标准；然后分析了60 GHz无线通信技术发展面临的问题；最后根据信息技术的发展形势，展望了60 GHz无线通信技术的发展趋势。

关键词：60 GHz；无线通信技术；标准

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

中图分类号：TN91

文献标志码：码：A

文章编号：号：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.

作者简介：

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

随着网络技术的快速发展，连接到无线通信网络的设备数量日益增长，使得无线通信频谱资源愈加紧张，并对通信数据传输速率的要求也越来越高。60 GHz无线通信具有约7 GHz不用许可的丰富带宽，原始数据能提供Gb/s数量级的传输速率[1]，成为未来最具潜力的无线通信技术之一，日益受到人们的广泛关注。

160 GHz无线通信技术基本情况

1.1概念内涵

60 GHz无线通信技术一般是指无线电波为60 GHz频率左右的无线通信技术。目前，世界主要国家相继在57～66 GHz频段划分出免许可的连续免费频谱，专门用于短距离的无线通信[2]。其中，韩国和北美划出了57～64 GHz频段;日本和欧洲划出了59～66 GHz频段；澳大利亚为59.4～62.9 GHz频段；中国划出了59～64 GHz的频段。

1.2特征优势

60 GHz通信载波是波长为5 mm的无线电磁波，该波段属于毫米波，具有频带宽、波长短的基本特征。这些频率特征决定了60 GHz频段的电磁波具有极强的数据传输能力和极高的波形分辨率，使60 GHz无线通信具有如下众多优势[3-4]：

一是频谱资源丰富。60 GHz波段可用于无线通信的连续频率带宽达7～9 GHz，并且是免许可的免费资源，大部分频率都还没有占用。相较于目前使用的传统无线通信网络，比如超宽带技术的有效带宽1.5 GHz，802.11n技术的有效带宽660 MHz而言，在无线通信频率大量被占用，频谱资源严重紧缺的状况下，60 GHz无线通信技术可利用的频率资源丰富、频段范围广。

二是数据传输速率高。数据传输速率与有效带宽的关系密切，带宽越宽，速率越高。60 GHz无线通信技术的可用有效带宽范围广，不需使用特别复杂的调制技术，就能在比较低的信噪比环境下，实现吉比特速率的数据通信，传输速率可达到传统无线通信技术的数十倍。比如，60 GHz无线通信的原始数据最高速率可达25 000 Mb/s。

三是抗干扰性能强。60 GHz进行无线通信时，载波方向性极强，使得多个方向的60 GHz通信载波之间的相互干扰影响非常小，可以忽略不计。并且，目前使用60 GHz进行无线通信的技术正在发展中，通信载波很少。而传统的无线通信的载波一般都远远小于60 GHz频段，因此，无线通信系统之间产生相互干扰的可能性极小。

四是安全性和保密性好。60 GHz无线电磁波在自由空间传输的路径损耗大，氧气吸收损耗高；对物体的绕射能力差，穿透性能弱，有数据显示计算机显示器之类的物体对60 GHz电磁波信号的衰减在40 dB以上，这使得60 GHz在无线短距离通信上具有良好的安全性，方便小范围近距离内的组网通信。另外60 GHz无线通信在太空中处于“非大气窗口”，地面站极难对星际之间的通信内容进行窃听，并且太空大气极为稀薄，信号衰落小，因此，美国的MILSTAR卫星就是利用60 GHz来进行星际通信，以提高保密性。

五是载波方向性强。60 GHz无线电磁波的波束能量有99.9%集中在4.7度范围内，极强的窄波束特别适合实现点对点之间的无线通信。

六是易于实现频率复用。60 GHz电磁波的路径损耗大，传输距离近，适合在近距离内实现频率复用。加之载波方向性强，抗干扰能力也强，使得多条同频传输链路可在同一空间内共存，实现空间复用，有效提升网络通信容量。

七是最大发射功率限制小。60 GHz波段占用的频率少，相对比较“空闲”，且远离传统通信系统的工作频段，使用较高的发射功率也不会对别的无线通信系统造成干扰，因此，60 GHz波段所允许的最大发射功率限制小，可利用较高的发射功率来提高数据速率。

八是天线尺寸小和电路可集成化。一般而言，天线的尺寸与载波波长的数量级相比拟，由于60 GHz载波波长处于毫米级别，其天线的尺寸相对于低波段天线而言大为减小，可以弥补载波在传输过程中的路径损耗，也有利于实现电路的集成。此外，与低波段电磁波相比，60 GHz的载波更短，除了能降低天线的尺寸外，还可以显著的降低元器件的尺寸，提高通信设备的集成度。

1.3应用场景

60 GHz无线通信技术具有高速率、大容量、抗干扰、安全性能好等优点，特别适合高速率、短距离内的通信，可以广泛用于家庭、办公、会议、公共场所等几个方面[5-6]：

一是应用于无线个域网。无线个域网可以连接计算机、数码产品、移动终端等电子设备，实现电子终端间的无线通信。但由于网络带宽和频谱资源的限制，使得目前的无线个域网络的数据传输速率不高，无法支持超高速数据通信的要求。60 GHz无线通信具有数据传输速率高的优势，有利于信息设备之间的数据传输，能降低通信时间，提高通信效率，可广泛应用于无线个域网中，取代目前广泛应用在家庭宽带和办公室通信中的光纤传输线路，降低无线通信组网的复杂度和成本。

二是应用于无线高清多媒体接口。高清多媒体接口是数字高清电视技术的接口标准。目前，机顶盒或DVD等电子设备是通过光纤线路向电视机或显示器来传送高清视频和音频信号。随着数字技术的发展，电视机或显示器已具备接收完全非压缩方式的高清多媒体信号能力。因此，可以利用60 GHz通信技术，通过无线的方式，使机顶盒、DVD或智能家电等终端，向电视机、显示器或扬声器等系统传送非压缩方式的音视频信号，实现高清播放的需求。

三是应用于海量文件的传输。60 GHz技术的通信速率高，可支持高达7 Gb/s或更高的数据传输速率；因此，可用于短距离内海量文件的高速传输。比如，可利用60 GHz无线通信技术，通过无线的方式，将城市街头或车站设置的自助服务终端中的视频、音乐及其它海量文件，以极高的速度传输到支持毫米波通信的手机或移动智能终端上。

四是应用于汽车防撞报警系统。汽车防撞报警系统由汽车雷达和信息处理单元组成，担负着车辆目标的快速识别预警和预警信号数据的快速传输功能。在复杂气候和车辆高速运行状况下，实现对其它目标的快速识别和预警信号的高速传输，对于交通安全非常重要。因此，可以利用60 GHz无线通信技术，实现汽车雷达的快速识别和数据的高速传输。

五是应用于医疗成像。目前，医疗设备中的成像数据的传输速率一般达到了4～5 Gb/s，但采用的方式都是利用有线电缆连接，限制了医疗设备的移动性和灵活应用。60 GHz无线通信技术具备了传输高速数据的能力，可通过无线方式，用来传输医疗成像的数据，提高医疗设备的灵活性和移动性。

六是应用于卫星星际通信。为了确保卫星数据的安全，全球正在发展卫星星际通信技术。先利用星际通信方式将卫星数据发送到位于本国上空的卫星上，再将数据传送到地面，以达到安全保密的目的。60 GHz无线通信的距离短、速率高、抗干扰能力强、保密性能好，可用于太空星座中各卫星之间的星际通信，以达到保密的目的。

260 GHz无线通信技术发展现状

60 GHz无线通信技术最初只是在军事领域应用。1994 年10月，美国开始将60 GHz频段应用于商业开发；2000 年后，日本，澳大利亚、欧盟等国家和地区相继开放了60 GHz频谱资源，引发了全球各大无线电集团或学术机构的研究热潮。截止到目前，60 GHz无线通信技术已发展形成了WirelessHD、WiGig两大产业联盟和IEEE 802.15.3c、IEEE 802.11ad、ECMA-387三大通信标准[4,7]。

2.1WirelessHD产业联盟

2006年10月，韩国的三星、LG和日本的松下、索尼、NEC、东芝等6家跨国电子集团组成了WirelessHD联盟，研究开发可替代高清晰度多媒体接口(HDMI)的无线数字高清传输技术，让电视机、DVD、机顶盒等高清家电设备实现高清信号的无线传输标准。随后，Intel和SiBeam等公司加入了WirelessHD联盟。2008年1月30日，WirelessHD联盟发布了WirelessHD 1.0标准，简称WiHD，这是一个运用60 GHz无线通信技术进行高清视频信号传输的协议，能在客厅中以高达4 Gb/s的速率传输未经压缩的高清视频信号。并提出了通用遥控器概念，即只用一部遥控器就能控制所有WiHD标准的兼容设备。2010年5月，正式颁布WirelessHD 1.1标准，支持便携式和个人移动设备，最高数据速率可达10～28 Gb/s。

2.2WiGig产业联盟

2009年5月，美国的Intel、微软、戴尔和韩国的三星、LG、日本的松下等15家电子集团成立了WiGig无线千兆比特联盟，旨在研发一种数据传输速率更快的短距离无线通信技术，用于在家庭、办公室内快速的传输大型数据文件，用于支持电视机、手机、摄像机和个人计算机的之间的数据交换。2009年12月，完成WiGig v1.0标准制定。2010年5月，正式发布1.0版，兼容IEEE 802.11标准。支持高达7 Gb/s的数据传送速率，是WiFi标准的10倍；不仅支持手机等低功耗的移动设备，也支持台式机等高性能设备；除了支持60 GHz无线通信外，还支持2.4 GHz，5 GHz两个频段；有效传送距离达10 m；支持AES加密。2011年6月,推出 WiGig 1.1版本。WiGig 1.1版本包含了物理层和实体层设计架构，还扩展到了无线基座、无线联网、无线显示等领域。2013年，获得WiGig认证的产品开始进入商业市场。

2.3IEEE 802.15.3c标准

2005年3月，IEEE(电气和电子工程师协会)设立了802.15.3c工作小组TG3c，负责研究制定60 GHz无线个域网(WPAN)的物理层(PHY)和MAC层的标准工作。2009年10月，IEEE TG3c工作小组颁布了IEEE 802.15.3c-2009标准――《高速无线个域网PHY和MAC规范补篇2:基于毫米波的物理层扩展》，提供最高速率超过5 Gbit/s的数据传输能力，并接纳WirelessHD 1.0标准作为IEEE 802.15.3c标准的一种工作模式。其主要内容有：

(1)微微网。该标准定义了一个基于中央控制的自组织网络――微型无线个域网(微微网)，通信距离在10 m以内，由设备(DEV)组成网络，设备之间能独立通信。微微网在建立时，首先选择一个设备充当微微网协调器(PNC)，用来传送带有微微网信息的信标，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。当某一个设备能够充当PNC，并开始发送信标时，则微微网建立成功。

(2)物理层。该标准规定了3类物理层模式。一是单载波模式(SC)；主要适用于无线个域网中的便携式设备之间进行视距内通信，可用普通的数据速率来传输信标和信号，支持一个强制的1.5 Gbit/s的数据传输速率。二是高速率接口模式(HSI)OFDM；用于超视距内的设备通信，使用OFDM技术，最大数据传输速率达5.7 Gbit/s。三是音视频模式(AV)OFDM；用于超视距内传输无压缩的高清视频信号。WirelessHD 1.0标准作为AV OFDM工作模式被该标准接纳。

(3)MAC层。该标准提出了全向模式和准全向模式下的两种超帧结构。全向模式是指设备使用全向天线进行的通信模式，准全向模式是指天线覆盖设备周围大多数区域的通信模式。

2.4IEEE 802.11ad标准

2009年1月，世界知名英特尔等WLAN芯片厂商在IEEE 802委员会中成立了毫米波WLAN标准制定工作小组TG ad，负责在WLAN标准802.11n协议的基础上，制定IEEE 802.11ad标准工作，目的是制定出60 GHz波段的WLAN技术协议。2012年12月，TG ad小组完成标准制定，正式颁布IEEE 802.11ad标准――《无线局域网补篇:60 GHz频段超高速吞吐量的增强》。期间，2010年5月，WiGig 1.0标准被移交给IEEE 802.11ad标准制定小组，被确定为802.11ad标准的基础。其主要内容有：

(1)物理层。60 GHz波段范围为57～66 GHz，有效带宽为7～9 GHz，被划分为4条信道，每条信道的宽度为2.16 GHz；通信载波的调制方式有QPSK、SQPSK、64QAM、16QAM、LDPC；编码速率为1/2、3/4、5/8、13/16；数据传输速率在0.693～6.756 75 Gb/s之间。工作模式有3种：一是OFDM模式，支持的最大数据传输速率为7 Gb/s，可用于非视距通信，采用不同于IEEE802.15.3c标准的LDPC前向纠错编码。二是单载波模式，支持的最大数据传输速率为4.6 Gb/s，可用于视距内通信，支持多种调制方式，支持RS，LDPC编码。三是低功耗单载波模式，主要用于视距内低速数据传输，速率为1～2.5 Gb/s；支持RS码或RS码加Block码。

(2)MAC层。一是定义了一个新的被称作PBSS的MAC架构，支持无线个域网并兼容802.11网络架构。二是引入了更加先进的CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)机制，用于监听信道，当信道空闲时，就发送数据；若信道被占用，则采用指数退避算法进行长时间的等待；若竞争周期结束后，信道仍然处于空闲，则节点就继续发送数据，否则，就继续重复等待过程。三是设备能够在任意频段(60 GHz、2.4 GHz、5 GHz)上运行的802.11网络之间透明地切换。四是支持波束赋形，可在10 m之外的距离实现较好通信；五是支持AES加密算法。

(3)协议适配层。协议适配层(PAL)以无线方式在MAC层和PHY层上直接运行，可最大限度地降低功耗。目前定义了音频/视频和输入/输出两个协议适配，其中，音频/视频协议适配既可以传输压缩音视频，也可以传输非压缩音视频数据。输入/输出协议适配有3种：WiGig总线扩展(PCIe)、WiGig SD扩展(安全数字I/O)、以及WiGig串行扩展(USB)。

IEEE 802.11ad标准相较于目前的几种Wi-Fi，具有高速率、高容量、低功耗、低延迟、芯片复杂度低、安全性能高、用户体验好等众多突出优势。

2.5ECMA-387标准

1961年，欧洲计算机制造厂商成立ECMA(欧洲计算机制造联合会)组织，旨在制定统一的计算机操作格式标准。2008年12月8日，ECMA组织颁布了超高速短距离无线通信应用60 GHz标准——《信息技术系统间远程通信和信息交换高速60 GHz PHY，MAC和HDMI》标准，简称ECMA-387标准；2010年12月完成第二版，并获得ISO/IEC的认可，成为国际标准(ISO/IEC 13156-2009)。

ECMA-387标准对60 GHz无线通信的物理层、分布式媒质访问控制(MAC)层和HDMI协议进行了规范。其主要内容有：

(1)频段规划。该标准指定了4个频段，每一个频段带宽为2.160 GHz，符号速率为1.728 Gsymbol/s，未使用信道绑定时，可获得的最大数据传输速率为6.350 Gbit/s，如果将相邻的2个或3个频段进行绑定，则可得到更高的数据传输速率。

(2)适用于异构网络。该标准提出了异构网络的解决方案，不但能使相同类型的设备之间进行互操作，而且也可使不同类型的设备之间互通互联。

(3)物理层可支持3类设备。第一类设备可用于10 m内的视距/非视距多径下的视频流传输和无线个域网。第二类设备用于较短距离(1～3 m)范围内的点对点视距链路的视频和数据传输；第三类设备用于1 m范围内的视距点对点链路的数据传输。

(4)MAC协议。引入了载波侦听多址/冲突检测(CSMA/CD)机制和定向天线，同时支持多个设备连接。

360 GHz无线通信技术面临的问题

60 GHz无线通信技术具有众多的优势，但相比低频段而言，60 GHz波段的路径衰减严重，氧气吸收和雨衰大，对提供可靠链路的高速传输系统带来众多挑战，要真正的进入商用阶段，还面临如下的问题[1,3,4]：

一是信道模型未建立。60 GHz信道的路径损耗大，信号被限制在小范围的空间内。目前，虽然已建立了低频段的WLAN和UWB 信道模型，但并不适用在60 GHz无线通信上。并且，60 GHz信道的测量结果与测量条件(测量环境、技术、设备以及天线参数等)密切相关，为此，需要建立起更加适合60 GHz在传播的信道模型。

二是天线技术难度大。由于60 GHz载波的巨大路径损耗，必须通过具有宽带、高增益和高效率的通信天线来进行弥补，这就需要采用先进的天线波束成形技术来实现，但目前的天线波束成形技术还存在许多技术难题。另外，60 GHz的频率高，波长短，不能穿过墙壁和较大障碍物，也需要采用多天线技术来进行合理设计。

三是电路集成技术未成熟。目前，60 GHz无线通信技术产品存在3种电路集成技术：GaAs、Site和CMOS技术，但每一种电路集成技术都无法满足60 GHz通信系统的全部要求。如GaAs集成技术具有速率高、增益高、噪声低等优势，但价格昂贵，成品率低，所能提供的集成度受到限制，成本效益也不高。

四是收发机技术挑战多。收发机是通信系统的重要组成，主要包括RF收发模块、天线/天线阵列、DAC /ADC 电路、数字基带处理单元等。要实现60 GHz无线通信的高频率、高速率、大带宽、宽动态范围、低成本及低功耗等要求，对接收机各模块设计和处理算法实现都带来了巨大挑战。

460 GHz无线通信技术发展趋势

根据全球信息技术的发展形势和通信技术的发展趋势，结合60 GHz无线通信面临的问题，相信未来60 GHz无线通信技术将向如下几个方面发展[3,5]：

一是研发信道模型。信道是通信系统的基础，也一直是通信技术的研究热点之一。当前还未研究出完全适用于60 GHz无线通信的信道模型，为此，下一步应排除对实际信道的影响因素，研究建立更加准确、完全适合60 GHz传播的信道模型。如排除不同增益、不同波束的各类天线影响，或者排除天线对准误差，以及排除天线极化效应对信道模型的影响等因素。

二是发展智能天线技术。为了弥补60 GHz无线通信的路径损耗问题，研发低成本、小型化、便携式、高增益，并且容易集成可控的天线阵列将是热点之一。其中，将重点发展波束成形天线技术，例如，相控阵天线的高复杂度的相控网络、高损耗馈电网络和天线单元以及馈线之间的耦合等技术。

三是发展电路集成技术。将对上述60 GHz的3种电路集成技术各自存在的问题进行改进和完善。其中，GaAs电路将向小型化、低成本目标发展。CMOS技术具有成本低、集成度高和代价小等优点，将是未来的重点发展方向。此外，60 GHz的电路封装技术也日益重要，研发新的基片材料和多层的LTCC 技术也将是重点方向之一。

四是加强收发机结构研究。收发机是通信系统的关键组成，60 GHz的收发机结构的研究十分重要。要实现60 GHz通信的高带宽、高速率的要求，研究发展与现有电路集成封装技术结合的低成本、低功耗的小型单元电路或者射频收发电路技术，将是未来的重点方向之一。

5结语

总之，60 GHz通信技术具有丰富的频率资源，可提供高速数据传输，具有广阔的发展前途和应用场景。目前，在全球各国的大力推动下，60 GHz无线通信技术已形成了两大产业联盟和三大技术标准，但还存在一些技术难题，需要深入研究和逐步解决。相信随着信息技术的发展和成本的降低，60 GHz通信技术将在无线宽带通信领域得到广泛的应用和发展。

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