第八章 60ghz

1、 无线电波是频率介于3赫兹和约300G赫兹之间 的电磁波，也作射频电波，或简称射频、射电。 无线电技术将声音讯号或其他信号经过转换， 利用无线电波传播。 无线电频谱资源是一个国家重要的战略性资源。 无线电频谱资源不是取之不尽、用之不竭的公 共资源，其有限性日益凸显。而人类对无线电 频谱资源的需求却急剧膨胀，各种无线电技术 与应用的竞争愈加激烈，使无线电频谱资源的 稀缺程度不断加大。 作为传输载体的无线电波都具有一定的频率和 波长，即位于无线电频谱中的一定位置，并占 据一定的宽度。无线电频谱（radio spectrum） 一般指9KHz3000GHz频率范围内发射无线电 波的无线电频率的总称。

2、 所有的无线电业务都离不开无线电频谱，就像 车辆必须行驶在道路上。无线电频率是自然界 存在的一种电磁波，是一种物质，是一种各国 可均等获得的看不见、摸不着的自然资源，它 具有以下六种特性： 第一，它是有限的。由于较高频率上的无线电 波的传播特性，无线电业务的不能无限地使用 较高频段的无线电频率，目前人类对于 3000GHz以上的频率还无法开发和利用，尽管 使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和 编码四种方式进行频率的复用，但就某一频段 和频率来讲，在一定的区域、一定的时间和一 定的条件下使用频率是有限的。 第二，它是排他性的。无线电频谱资源与其他 资源具有共同的属性，即排他性，在一定的时 间

3、、地区和频域内，一旦被使用，其他设备是 不能再用的。 第三，它具备复用性。虽然无线电频谱具有排 他性，但在一定的时间、地区、频域和编码条 件下，无线电频率是可以重复使用和利用的， 即不同无线电业务和设备可以频率复用和共用。 第四，它是非耗竭性的。无线电频谱资源又不 同于矿产、森林等资源，它是可以被人类利用， 但不会被消耗掉，不使用它是一种浪费，使用 不当更是一种浪费，甚至由于使用不当产生干 扰而造成危害。 第五，它具有固有的传播特性。无线电波是按 照一定规律传播，是不受行政地域的限制，是 无国界的。 第六，它具有易污染性。如果无线电频率使用 不当，就会受到其他无线电台、自然噪声和人 为噪声的干

4、扰而无法正常工作，或者干扰其他 无线电台站，使其不能正常工作，使之无法准 确、有效和迅速地传送信息。 n从理论上看，要进一步提升系统容量， 增加带宽势在必行。 n但是10GHz以下无线频谱分配拥挤不堪 的现状已完全排除了这种可能，因此， 要实现超高速无线数据传输还需开辟新 的频谱资源 无线通信利用在自由空间中传播的电磁波实现 信息的传输。其原理在于利用调制将经过编码 后的信息加载于无线电波上，电磁波携带了调 制信息，再经过解调从电磁波中恢复信息，就 达到了信息传递的目的。 无线通信技术首次实现于1906年，范信达 (Reginald Fessenden)在美国采用外差法实现了 历史上的无线电广

5、播。无线通信技术首先被军 队和航运公司使用，随后经历了快速地商业化， 出现了众多的无线通信技术，比如商业广播服 务、移动电话、GPS、Zigbee、UWB、WLAN和 WPAN。 随着当前无线通信频谱资源越来越紧张，同时 数据传输速率要求越来越高，60GHz短距离无 线通信技术受到学术界和工业界越来越多的关 注。 60GHz短距离无线通信技术的主要应用对象是 消费类电子产品，使个人电脑与数字家电设备 间能够实现数Gbps的超高速无线传输。60GHz 短距离无线通信技术成为未来无线通信技术中 最具潜力的技术之一，其通信协议标准化进程 取得显著进展，同时伴随着芯片加工工艺的改 进和低成本集成技术的

6、应用，60GHz芯片技术 也不断得到完善。 毫米波技术作为无线通信技术的一种，其频谱 范围包括30GHz-300GHz这一频段，波长为 1毫米到10毫米。60GHz短距离无线通信技术使 用的频段在60GHz附近，波长为5毫米左右，是 典型的毫米波通信技术，其通信距离通常在1- -10m的范围内。 60GHz频段与较低频段的电磁波相比，有以下 的特点： （1)可利用的频谱范围宽，数据传输速率高， 60GHz的最高原始数据传输速率达25000Mbps， 而802.11n标准和UWB只能分别实现600Mbps和 480Mbps的传输速度； （2)天线方向性好，利于空分复用； （3)元件尺寸小，利于系

7、统集成。 尽管60GHz短距离无线通信技术具有很大优势， 但是其达到商用还面临一些需要克服的问题。 60GHz频段附近由于波长短，氧气吸收损耗大， 信号衰减特性强，其很容易受到周围空间 60GHz频段其他业务的干扰，如无线电定位业 务、卫星地球探测业务等。 另外，60GHz短距离无线通信系统的应用场景 之一是多对设备之间进行通信，由于不同的 60GHz系统设备都工作在60GHz频段，而 60GHz系统对高频段信道参数变化敏感，以上 这些因素造成了 60GHz短距离无线通信系统性 能极容易受到系统间干扰的影响。 由于以上的原因，分析60GHz短距离无线通信 系统受到的干扰，以及研究如何抑制干扰具

8、有 重要的意义。 美国联邦通信委员 FCC(Federal Communication Committee)于 1994 年 10 月 发布公告，将40GHz以上的部分毫米波频谱应 用于商业产品。此后2000年到2006年间，中国、 韩国、澳大利亚等其他国家和地区也相继开放 60GHz附近的频谱资源。尤其引人注意的是， 在欧洲开放的频谱范围达到了 9GHz带宽。随 着60GHz频段频谱资源的开放，工业界和学术 界掀起了对60GHz短距离无线通信技术的研究 热潮。 随着无线通信技术的迅猛发展以及人们对高速 高质量无线通信服务的需求目前主要的无线通 信技术如超宽带UWB和IEEE 802.1In最

9、高只能 提供数百Mbps的数据传输速率，已经不能满足 人们对无线通信技术的需求。加之无线通信的 低频段比如2.4GHzISM频段已特别拥挤，这在 根本上限制了低频段新通信技术的发展。 60GHz毫米波通信频段上因其巨大的免授权带 宽资源，可支持数Gbps的数据速率，受到全球 范围内广泛关注。国际上的标准化组织已经着 手大力发展60GHz毫米波无线通信的标准，学 术界和工业界的研究人员也已经越来越关注起 60GHz毫米波无线通信技术的应用。 近几年来，随着半导体技术和工艺的快速发展， 研究人员们正在不断追求更高频率和集成性能 更好价格更低廉的芯片，在这种大背景下， 60GHz毫米波无线通信的大规

10、模应用己经成为 可能。随着硬件技术一起发展的是60GHz毫米 波无线通信技术中协议和标准的制定，物理层 和MAC层中的各项关键技术也在不断发展、日 益成熟，各种基于60GHz毫米波无线通信技术 的应用也在不断涌现。 因此，对60GHz通信技术中的各种技术进行研 究，对于60GHz技术的发展以及各种产品的早 日实现具有重大的意义。 在60GHz无线通信的研究、产品上，国内外均 有国外有IBM、高通、SiBEAM、加州大学伯克 利无线研究中心等企业和高校，国内有中科院 上海微系统与信息技术研究所、中科院、东南 大学等。 2004年，IBM展示了世界上第一个在60GHz和 77GHz频段上，以硅为基

11、础的有源混频器和低 噪声放大器，与此同时，IBM也开始研究如何 降低60GHz毫米波无线通信技术的成本并且将 其大规模民用化。2006年，IBM公司又开发出 第一块毫米波SiGe集成天线，完成了对芯片模 拟部分与射频部分的集成。 2006年10月，三星、松下、索尼、东芝等日本 公司成立了“WirelessHD Interest Group (WirelessHD)联盟，该联盟的目标是指定 60GHz频率带通毫米波通信技术标准，并且准 备在未来将未经压缩过的高清的视频和音频数 据通过60GHz频带毫米波通信进行传输。 美国加州大学伯克利无线研究中心，主要研究 CMOS工艺。2009年，加州大学伯

12、克利无线研 究中心釆用90nmCMOS工艺实现了第一个包含 基带电路在内的收发机芯片设计方案，可实现 5-10Gbps速率。 中科院上海微系统与信息技术研究所射频与微 波集成系统课题组在60GHz毫米波技术上也走 在前列。 该所研究了 60GHz毫米波收发芯片的相关技术， 在射频天线、器件模型等方面也有深入研究。 可以预计不久的将来，可以利用RFCMOS工艺 加工完成60GHz毫米波芯片组，降低60GHz毫 米波芯片成本，推进毫米波技术的用化。 在北京召开的“2011中国无线世界暨物联网大 会”东南大学介绍了其参与的60GHz射频CMOS 芯片与模块研制情况，其他参与单位有清华大 学、中科院上

13、海微系统所，支持年限2011年1 月-2013年12月。 基本内容是采用65纳米CMOS工艺射频CMOS核 心收发芯片，开发满足60GHz实验系统需求射 频模块，高集成阵列天线关键技术，其通信频 段59-64GHZ。 近几年，台湾大学也对60GHz毫米波无线通信 中的射频电路的研究投入了很大的资源，也取 得了很丰硕的成果，该校已经研制成功了 60GHz下的射频发射的芯片。 在2011台北国际计算机展上，Qualcomm Atheros与Wilocity共同推出AR9004TB解决方案， 为业界第一款整合室内60 GHz Multi-gigabit效 能至无缝交递2.4 GHz与5 GHz频带W

14、i-Fi的三频 Wi-Fi芯片，亦是第一款能够支持多种应用，从 I/O、视讯到网络连接等等，传输速度相当于有 线网络技术，信号范围可涵盖整个住家，并且 能提供完整的相互运作能力的芯片组。 同时，在展会上，海华电子也展示60GHz超高 速无线传输技术。 60GHz毫米波由于其巨大免费带宽，能够传输 上Gbps的速率，其应用范围较广，现在主要用 于WMN及WLAN，无线高清多媒体接口，汽车 雷达、医疗等方面。 n各国在60GHz频段附近划分出免许可连 续频谱用作一般用途 n北美和韩国开放了5764GHz； n欧洲和日本开放了5966GHz； n澳大利亚开放了59.462.9GHz； n中国目前也开

15、放了5964GHz的频段。 各国和地区对60GHz频谱的划分 可以看出，在各国和地区开放的频谱中，大约有可以看出，在各国和地区开放的频谱中，大约有5GHz的的 重合重合，这非常有利于开发世界范围内适用的技术和产品，这非常有利于开发世界范围内适用的技术和产品 n60GHz无线通信技术特点 定向发射和接收 多跳中继 空间复用 单载波调制与OFDM n定向发射和接收首先能显著减小信号 多径时延扩展； n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。 n优点：60GHz无线通信在通信的安全 性和抗干扰性方面存在天然的优势。 n缺点：

16、定向发射和接收可能出现因收 发设备初始天线方向没有对准而产生 的“听不见（deafness）”现象。 n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。 n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。 n定向链路之间的低干扰特性意味着允 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。 n在60GHz物理层技术方案的选择上， 目前有单载波调制和OFDM （ Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技 术，）两大备选技术。

17、可以根据不 同的应用和场景结合使用。 n单载波调制实现成本低，可用于速 率在2Gbit/s以下的低端应用。 n工业界联盟 n（1）WirelessHD n（2）WiGig n标准化组织 n（3）ECMA n（4）IEEE 802.15.3c（TG3c） n（5）IEEE 802.11ad（TGad） n2006年10月，由LG、松下、NEC、 三星电子、索尼以及东芝公司组成 WirelessHD小组，旨在对60GHz技术 进行规范，此项技术能在客厅（以电 视为中心，10米范围连接规范）中 以高达4Gbps的速度传送未经压缩的 高清视频数据 n2010年1月，WirelessHD 1.0规范扩

18、大到对便携式和个人计算设备的支持， 数据速率提高到1028Gbps n2009年5月，Intel、微软、戴尔、三星、 LG、松下等成立WiGig（Wireless Gigabit Alliance，无线千兆比特联盟）， 是一种更快的短距离无线技术，可用于 在家中快速传输大型文件 ，其目标不 仅是连接电视机，还包括手机、摄像机 和个人电脑。 n2009年12月，宣布完成了WiGig v1.0的 制定，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 n重要特点：向后兼容IEEE 802.11标准。 nWiGig是无线千兆比特联盟（Wireless Gigabit Al

19、liance）制定的一种短距离无线 技术。它兼容于WiFi标准，并且具有如下6 个重要特征： n支持最高7Gbps的数据传送速率，是WiFi标准 的10倍。 n设计初衷不仅是为支持低功耗的移动设备（比 如手机），并且也支持高性能设备（比如说台 式机），所以它天生具有高级的电源管理技术。 n设计基于IEEE 802.11标准（WiFi技术使用的标 准），并且支持2.4GHZ，5GHZ和60GHZ三个 频段 n支持波形成束，提高信号强度，有 效传送距离达10米。 n支持AES加密。 n为HDMI， DisplayPort，USB和 PCIe提供高性能的无线实现 n一般认为WiGig是一个非常优秀的

20、无线 通信技术，它将是下一代的WiFi技术， 主要原因如下： nWiGig兼容于WiFi。现有的WiFi设备能够使 用，并且移动运营商现有WiFi设备的升级 换代可以循序渐进的进行，能够缓解移动 运营商的资金压力。 nWiGig支持HDMI、DisplayPort、PCIe和 USB设备的无线传送。对于移动互联的整个 大趋势，对于不同移动设备之间的互联互 通，WiGig将起积极的作用。 n有着广泛的公司支持 nWiGig的高速度和高带宽。它是现有WiFi标 准的10倍！在Data-hungry的今天，高速度 和高带宽是用户体验的重要组成部分 n首批通过WiGig认证的产品将于 2012年底或2

21、013年初推向市场 n虽然它被标榜为下一代WiFi技术， 但是它也有强有力的竞争对手，那 就是WirelessHD n2008年12月，ECMA（欧洲计算 机制造商协会）公布了60GHz标 准ECMA-387. n可支持1.728G 符号/s的符号速率。 n在未使用信道绑定的情况下，数 据速率高达6.350Gbps n将相邻的2个或3个频段绑定，可 以获得更高的数据速率。 n2005年3月IEEE设立了802.15.3c小组，其 主要目的是进行60GHz无线个域网 （WPAN）的物理层和MAC层的标准化工 作。 n2009年10月TG3c小组宣布已通过IEEE 802.15.3c-2009标准

22、，可提供最高数据速 率超过5Gbit/s。 n其中，WirelessHD 1.0规范作为一种工作 模式被IEEE 802.15.3c标准所接纳。 nIEEE 802.11小组于2009年1月启动 IEEE 802.11ad标准制定工作，目标 是制定60GHz频段的WLAN技术规范。 nTGad是从审议现行高速WLAN IEEE 802.11n后续标准的工作组“VHT （Very High Throughput,极高吞吐 量）”派生出来的工作组之一。 n60GHz信道路径损耗比低频段的路 径损耗大大增加，且在很多材料中 的传输损耗也显著增加。 n60GHz信道测量结果与其测量的条 件紧密相关，包

23、括测量环境、测量 技术、测量设备以及天线参数等。 n收发机结构包括射频收发电路、天 线/天线阵列、ADC/DAC电路、数 字基带处理电路等。 n低成本、低功耗、高性能、可商用 化的60GHz收发机的研究设计是实 现60GHz短距通信的关键。 n现有的收发结构中的研究热点主要 是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 射频收发电路的实现。 n由于60GHz毫米波信号的巨大路径 损耗，毫米波天线必须能够提供在大 带宽下的高增益和高效率。 n研究低成本、小型化、超轻、高增益 并易集成易控的天线阵列，成为天线 技术研究的主要难题。 nOFDM技术 n单载波调制和高增益天线的组合方

24、式。 n在低端应用（3 Gbps 以下）中采用单 载波调制，在高端应用中采用多载波 调制 n最初的60GHz射频收发机主要是采 用GaAs基来实现。 nCMOS工艺目前已经被应用于 60GHz射频模块中，但是存在较高 的噪声，较低的增益和较高的温度 灵敏度以及随着工艺节点增多产生 的漏电流效应。因此，新兴的半导 体工艺也有待探索中。 n802.15.3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。 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(data)通信。 n微微网在初始化时，会选择一个DEV 充当微微网协调器P

25、NC(Piconet Coordinator) nPNC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。 n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 （Piconet Coordinator）。 n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。 nDEV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。 n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