一文看懂IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技術

Wi-Fi路由器在近幾年漸漸成了每個家庭里必備的設備儀器，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備連接到一個無線局域網(wǎng)(WLAN)的技術，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)的設備可以連接上。

Wi-Fi是一個無線網(wǎng)絡通信技術的品牌，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，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技術的發(fā)展。

筆者在詳細地學習完WiGig(60GHz Wi-Fi)相關的技術規(guī)范后，覺得相比于目前的幾種Wi-Fi，WiGig/IEEE 802.11ad設備在多媒體應用方面具有高容量、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)、芯片設計與制造的復雜度低(單載波調(diào)制與多載波調(diào)制共用前導碼及信道編碼等)、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的發(fā)展——這一新技術——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用。

基于IEEE 802.11ad標準的WiGig技術最初由WiGig(無線吉比特聯(lián)盟)主導開發(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標準化任務組，并于2010年5月被確認為802.11ad標準草案的基礎。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)部所有技術與認證開發(fā)工作，帶來了緊密協(xié)調(diào)的連接與應用層解決方案。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 認證標識和相關標識。

Wi-Fi聯(lián)盟稱：“WiGig技術可對Wi-Fi技術形成補充，從而拓展到新的應用，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)的技術特點

WiGig技術使用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;將實施的復雜度與成本降至最小;與現(xiàn)有Wi-Fi技術相協(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)獨特的設計支持諸如手機等低功耗手持設備以及諸如電腦等高性能設備，還采用了先進的電源管理技術;

3)設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，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(比如前導碼和信道編碼等)，這就降低了實施的復雜度。

據(jù)悉，在將來，所有的WiGig CERTIFIED設備都必須支持單載波調(diào)制，某些設備還必須支持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)絡整合，可降低功耗，并可提供強大的安全保護。

1)MAC架構

如圖3所示，IEEE 802.11ad規(guī)范定義了一個新的MAC架構，使得兩個設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)絡架構。

2)用戶體驗提升技術

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

WiGig CERTIFIED設備將可利用一種新的預定訪問模式來降低功耗：通過定向連接互相通信的兩臺設備可以預定它們進行通信的時間段，在這些時間段期間，設備開始休眠。這種先進的功能使設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備而言尤其重要。

4)安全技術

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備的連接。

(2)WiGig SD 擴展

SD存儲卡被廣泛用于移動設備，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 擴展被用于從主設備訪問安裝在遠程設備上的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備和其他設備連接到主機。這種USB PAL可支持USB設備之間的無線連通，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。