物联网与短距离无线通信技术[董健] 第九章

第九章60GHz本章内容1、60GHz通信的技术特点2、60GHz标准化进程3、IEEE802.15.3c协议简介4、ECMA-387简介5、60GHz关键技术6、60GHz应用60GHz技术产生背景从理论上看，要进一步提升系统容量，增加带宽势在必行。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各国60GHz频段各国在60GHz频段附近划分出免许可连续频谱用作一般用途北美和韩国开放了57～64GHz；欧洲和日本开放了59～66GHz；澳大利亚开放了59.4～62.9GHz；中国目前也开放了59～64GHz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5GHz的重合，这非常有利于开发世界范围内适用的技术和产品60GHz通信的技术特点1）60GHz信号（属于毫米波）传播特性•①极大的路径损耗•②氧气吸收损耗高•③绕射能力差，穿透性差下表对比了各种材料对毫米波和低频电磁波的穿透损耗。此外，测量显示PC显示器之类的物体对60GHz信号的衰减在40dB以上。表障碍物穿透损耗物质60GHz2.5GHz石膏板2.4dB/cm2.1dB/cm白板5.0dB/cm0.3dB/cm玻璃11.3dB/cm20.0dB/cm网眼玻璃31.9dB/cm24.1dB/cm（2）60GHz无线通信技术特点•①定向发射和接收•②多跳中继•③空间复用•④单载波调制与OFDM①定向发射和接收定向发射和接收首先能显著减小信号多径时延扩展；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。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。缺点：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。②多跳中继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。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。③空间复用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。④单载波调制与OFDM在60GHz物理层技术方案的选择上，目前有单载波调制和OFDM两大备选技术。可以根据不同的应用和场景结合使用。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。本章内容1、60GHz通信的技术特点2、60GHz标准化进程3、IEEE802.15.3c协议简介4、ECMA-387简介5、60GHz关键技术6、60GHz应用60GHz标准化进程工业界联盟（1）WirelessHD（2）WiGig标准化组织（3）ECMA（4）IEEE802.15.3c（TG3c）（5）IEEE802.11ad（TGad）WirelessHD2006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2010年1月，WirelessHD1.0规范扩大到对便携式和个人计算设备的支持，数据速率提高到10~28GbpsWiGig2009年5月，Intel、微软、戴尔、三星、LG、松下等成立WiGig（WirelessGigabitAlliance，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。2009年12月，宣布完成了WiGigv1.0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重要特点：向后兼容IEEE802.11标准。WiGigWiGig是无线千兆比特联盟（WirelessGigabitAlliance）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：支持最高7Gbps的数据传送速率，是WiFi标准的10倍。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。设计基于IEEE802.11标准（WiFi技术使用的标准），并且支持2.4GHZ，5GHZ和60GHZ三个频段WiGig结构图WiGig支持波形成束，提高信号强度，有效传送距离达10米。支持AES加密。为HDMI，DisplayPort，USB和PCIe提供高性能的无线实现WiGigPAL（ProtocolAdapterLayer）结构WiGig一般认为WiGig是一个非常优秀的无线通信技术，它将是下一代的WiFi技术，主要原因如下：WiGig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。WiGig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。有着广泛的公司支持WiGig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WiGig董事会成员WiGig首批通过WiGig认证的产品将于2012年底或2013年初推向市场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WirelessHDECMA2008年12月，ECMA（欧洲计算机制造商协会）公布了60GHz标准ECMA-387.可支持1.728G符号/s的符号速率。在未使用信道绑定的情况下，数据速率高达6.350Gbps将相邻的2个或3个频段绑定，可以获得更高的数据速率。IEEE802.15.3c（TG3c）2005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。2009年10月TG3c小组宣布已通过IEEE802.15.3c-2009标准，可提供最高数据速率超过5Gbit/s。其中，WirelessHD1.0规范作为一种工作模式被IEEE802.15.3c标准所接纳。IEEE802.11ad（TGad）IEEE802.11小组于2009年1月启动IEEE802.11ad标准制定工作，目标是制定60GHz频段的WLAN技术规范。TGad是从审议现行高速WLANIEEE802.11n后续标准的工作组“VHT（VeryHighThroughput,极高吞吐量）”派生出来的工作组之一。本章内容1、60GHz通信的技术特点2、60GHz标准化进程3、IEEE802.15.3c协议简介4、ECMA-387简介5、60GHz关键技术6、60GHz应用（1）802.15.3c的微微网802.15.3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。微微网协调器PNC微微网在初始化时，会选择一个DEV充当微微网协调器PNC(PiconetCoordinator)PNC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。微微网工作过程（1）-建立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（PiconetCoordinator）。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。微微网工作过程（2）-加入DEV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。微微网工作过程（3）-断开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将会通过发送带有PNC中断信息的信标通知微微网中的其他DEV，微微网将结束工作。（2）物理层为了适应于不同的应用，IEEE802.15.3c中定义了3种物理层模式。①SingleCarrier（SC）-单载波模式②HighSpeedInterface（HSI）OFDM-高速率接口模式③Audio/Video（AV）OFDM-音视频模式，WirelessHD1.0规范作为一种AVOFDM工作模式被IEEE802.15.3c标准所接纳（3）MAC层①802.15.3超帧结构超帧（superframe）是微微网中时间划分的基本单位，其结构如下图所示：图802.15.3微微网超帧结构信标信标的位置是在每一个超帧的开始，主要用于设定时间分配和交互管理信息。竞争接入期（CAP）采用CSMA/CA机制来竞争信道资源，用于交互命令和（或）异步数据。信道时间分配期（CTAP）信道时间分配期（CTAP）又包括信道时间分配（ChannelTimeAllocation，CTA）和管理信道时间分配（ManagementCTA，MCTA）。②802.15.3c超帧结构802.15.3c提出全向模式（omnimode）和准全向模式（quasi-omnimode）的概念。全向模式全向模式是指设备使用全向天线进行通信，这时802.15.3c的帧结构与802.15.3中相同。准全向模式准全向模式是分辨率最低的模式，通常指覆盖设备周围很大区域一种天线模式（也包括这个设备作为PNC时）。准全向模式IEEE802.15.3c中的超帧结构准全向信标准全向信标（Quasi-omnibeacon）是指在准全向模式时，PNC采用循环的方式在不同的方向上发送同样的信标，使得在不同方向的设备均可以加入同一个微微网。竞争接入期竞争接入期又分为3部分：关联子竞争接入期（AssociationS-CAP）定期子竞争接入期（RegularS-CAP）定期竞争接入期（RegularCAP）本章内容1、60GHz通信的技术特点2、60GHz标准化进程3、IEEE802.15.3c协议简介4、ECMA-387简介5、60GHz关键技术6、60GHz应用（1）频段规划ECMA-387指定了4个频段，每一个的宽度为2.160GHz，符号速率为1.728Gsymbol/s，这对所有的设备都是相同的。标准支持两个相邻信道的绑定。信道绑定可以获得更高的数据速率，而使用有效的低阶调制也可以获得相同的速率，802.15.3c也使用同样的频段划分。（2）异构的网络同样适用ECMA-387提出了一个异构的网络解决方案，相同类型的设备之间可以互相操作，不同类型的设备之间也可以共存和互操作。（3）物理层支持3种类型设备A类设备提供10m范围内的可视距/非视距多径环境下的视频流和无线个域网应用；B类设备提供较短距离（1～3m）点对点可视距链路的视频和数据应用；C类设备提供1m以内的可视距点对点链路的数据应用。（4）MAC协议使用载波侦听多址/冲突检测（CSMA/CD）机制，使用定向天线来传输，支持同时有多个连接。本章内容1、60GHz通信的技术特点2、60GHz标准化进程3、IEEE802.15.3c协议简介4、ECMA-387简介5、60GHz关键技术6、60GHz应用（1）信道研究60 GHz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。60 GHz信道测量结果与其测量的条件紧密相关，包括测量环境、测量技术、测量设备以及天线参数等。（2）收发机结构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。低成本、低功耗、高性能、可商用化的60 GH