一文看懂IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技术 - 全文

　　Wi-Fi路由器在近几年渐渐成了每个家庭里必备的设备仪器，但不是每个人都了解每天陪伴在我们周围的它们，它们是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的；但也可是开放的，这样就允许任何在WLAN范围内的设备可以连接上。

　　Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。有人把使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为无线保真。甚至把Wi-Fi等同于无线网际网路（Wi-Fi是WLAN的重要组成部分）。

　　本文介绍的是IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技术，在2013年，Wi-Fi联盟正式发布WiGig CERTIFIED 认证标识（如图1所示）并宣布相关产品将于明年入市，还宣布将通过行业协作来推动60GHz技术的发展。

　　笔者在详细地学习完WiGig（60GHz Wi-Fi）相关的技术规范后，觉得相比于目前的几种Wi-Fi，WiGig/IEEE 802.11ad设备在多媒体应用方面具有高容量、高速率（PHY采用OFDM方案时最高传输速率可达7 Gbps、采用单载波调制方案时最高传输速率可达4.6Gbps）、低延迟、低功耗（原因为：①Wi-Fi联盟要求所有WiGig CERTIFIED产品必须支持单载波调制方案；②IEEE 802.11ad的MAC能根据设备的实际流量负荷来实时地进行电源管理；③协议适配（目前定义了A/V协议适配和I/O协议适配）直接在PHY与MAC之上运行，可最大限度地降低功耗）、芯片设计与制造的复杂度低（单载波调制与多载波调制共用前导码及信道编码等）、安全性更高（采用AES加密，并可通过硬件实现之）、用户体验更好（PHY支持多频段切换与操作，MAC支持11n、11ac的MAC及管理MAC）等突出优势。

　　以下为WiGig/IEEE 802.11ad的详细介绍：

　　1、WiGig简介及其与IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的关系

　　数字多媒体内容的广泛普及与使用促使人们对无线连接技术进行持续创新。市场对高速率、高容量、低延迟传输的需求推动了可与传统Wi-Fi功能相补充的新技术的发展——这一新技术——WiGig，采用60 GHz频段来实现高达7 Gbps的传输速率，以支持各类先进的应用。

　　基于IEEE 802.11ad标准的WiGig技术最初由WiGig（无线吉比特联盟）主导开发。IEEE 802.11ad标准是对可支持在60GHz频段上进行多个吉比特无线通信的802.11标准所做的修订。WiGig MAC/PHY 规范在2010年被WiGig移交给IEEE 802.11ad标准化任务组，并于2010年5月被确认为802.11ad标准草案的基础。2012年年底，802.11ad获得IEEE批准。

　　2013年，WiGig联盟与Wi-Fi联盟合并，强化了Wi-Fi联盟内部所有技术与认证开发工作，带来了紧密协调的连接与应用层解决方案。目前，Wi-Fi联盟成员已开发WiGig CERTIFIED认证计划，以进行产品互操作性验证。该计划预计于2014年开始进行产品可互操作性测试，获得认证的产品将会带有WiGig CERTIFIED 认证标识和相关标识。

　　Wi-Fi联盟称：“WiGig技术可对Wi-Fi技术形成补充，从而拓展到新的应用，并且更全面地为实现Wi-Fi联盟的产品在不使用电线或电缆的情况下进行无缝连接的愿景而努力。”

　　2、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的技术特点

　　WiGig技术使用60 GHz频段，与2.4 GHz和5 GHz两种频段相比，60 GHz频段有更多频谱可供使用，从而通过使用低功率调制方案有更宽的信道来支持高达7 Gbps的更快数据传输速率，因此非常适合室内连接，以支持具有苛刻要求的包括视频在内的多媒体应用。

　　WiGig/IEEE 802.11ad规范的主要特点包括：最大限度地提高性能；将实施的复杂度与成本降至最小；与现有Wi-Fi技术相协调；提供先进的安全保护。

　　这些主要功能包括：

　　1）支持高达7 Gbps的数据传输速率；

　　2）独特的设计支持诸如手机等低功耗手持设备以及诸如电脑等高性能设备，还采用了先进的电源管理技术；

　　3）设备能够透明地切换于在任意频段（包括2.4 GHz、5 GHz和60 GHz）上运行的802.11网络之间；

　　4）支持波束赋形，可最大限度地提高信号强度，并可在10米之外的距离实现良好通信；

　　5）使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode来进行安全保护；

　　6）支持HDMI、DisplayPort、USB和PCIe的高性能无线实施。

　　3、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的物理层

　　1）频谱与信道

　　60 GHz频段无需获得授权，并被广泛使用。如图2所示，在60GHz频段内，不同国家可用的频谱有所差异：

　　60 GHz频段的频谱资源比2.4 GHz和5 GHz频段要丰富得多——通常为7 ~8GHz频宽。与，60GHz频段也被划分为多条信道——802.11ad规范定义了四条信道，每条信道宽度为2.16 GHz。

　　2）调制与编码

　　IEEE 802.11ad规范支持两种类型的调制和编码方案：

　　1）OFDM。允许的最大传输速度高达7 Gbps；

　　2）单载波。功耗较低，因此更适合于小型低功耗手持设备。单载波方案支持的传输速度最高为4.6 Gbps。

　　这两种调制方案具备一些共同的要素（比如前导码和信道编码等），这就降低了实施的复杂度。

　　据悉，在将来，所有的WiGig CERTIFIED设备都必须支持单载波调制，某些设备还必须支持OFDM。

　　4、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的MAC层

　　IEEE 802.11ad规范的MAC层的新功能能够支持先进的使用模式，促进与Wi-Fi网络整合，可降低功耗，并可提供强大的安全保护。

　　1）MAC架构

　　如图3所示，IEEE 802.11ad规范定义了一个新的MAC架构，使得两个设备能够彼此间直接通信，从而开发出一些新的功能（如快速同步两台设备，以及向投影仪或电视机发送音视频数据等）。此外，IEEE 802.11ad规范还支持现行的802.11网络架构。

　　2）用户体验提升技术

　　从图2可见，IEEE 802.11ad的MAC实现了在60 GHz频段连接不可用的情况下向2.4 GHz或5 GHz Wi-Fi的无缝回退，从而可极大提升用户体验（比如，在设备从60 GHz切换到频率较低的Wi-Fi信道的情况下，使用Wi-Fi/WiGig集成设备的用户将能够继续享受无中断连接。用户不但能够体验到高性能，而且还将能够自动利用60 GHz频段带来的额外速率）。

　　3）电源管理技术

　　WiGig CERTIFIED设备将可利用一种新的预定访问模式来降低功耗：通过定向连接互相通信的两台设备可以预定它们进行通信的时间段，在这些时间段期间，设备开始休眠。这种先进的功能使设备能够更精确地根据实际流量负负荷进行电源管理——这一点对于手机和其他手持式电池供电设备而言尤其重要。

　　4）安全技术

　　IEEE 802.11ad规范建立在IEEE 802.11标准定义的强大安全机制之上，WiGig CERTIFIED设备的加密功能基于政府级高级加密标准AES，并且可以在硬件中实施以实现高性能和高效率。

　　5、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的协议适配层（PAL）

　　如图4所示，IEEE 802.11ad规范的协议适配层（PAL）允许以无线方式实施在MAC层和PHY层上直接运行的一些标准接口：

　　1）音频/视频：WiGig显示扩展（WDE）

　　WDE支持无线传输视听数据（如从计算机或数码相机向电视机或投影仪传输电影）。这种PAL支持HDMI和DisplayPort接口以及用于保护通过这些接口传输的数字内容的高带宽数字内容保护（HDCP）方案的无线实施。它的扩展性允许它既可以传输压缩视频，也可以传输非压缩视频。

　　2）输入/输出PAL：WiGig总线扩展，WiGig SD扩展，和WiGig串行扩展

　　输入/输出PAL定义了在60 GHz频段上广泛使用的计算机接口的高性能无线实施。目前定义的I/O协议PAL）共有三种：WiGig总线扩展（PCIe）、WiGig SD扩展（安全数字I/O）、以及WiGig串行扩展（USB）。

　　（1）WiGig 总线扩展

　　在计算机内部，PCIe通常用于将CPU和内存连接到可支持存储、网络卡和其他接口的I/O控制器。此外，它也可以用来连接到媒体和视觉处理器，以提高图像质量或对CPU进行卸载处理。PAL的实施可支持设备之间的多吉比特无线同步，以及与存储和其他高速外围设备的连接。

　　（2）WiGig SD 扩展

　　SD存储卡被广泛用于移动设备，以进行各种文件的存储，如文档，图片，以及音视频内容。WiGig SD 扩展被用于从主设备访问安装在远程设备上的SD存储卡，比如从笔记本电脑上访问智能手机上的SD存储卡。WiGig SD 扩展适合资源有限的电池供电的设备，因为其为方便存储访问而优化了实施过程，并且文件传输速度可达数十亿位元，同时可显著节约能耗。

　　（3）WiGig 串行扩展

　　USB通常被用来将外围设备和其他设备连接到主机。这种USB PAL可支持USB设备之间的无线连通，并促进诸如USB扩展之类的产品的开发。WiGig串行扩展已经从Wi-Fi 联盟移交到USB-IF，用作无媒介限制串行总线规范的基础。