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物联网与短距离无线通信技术[董健] 第九章_图文

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、IEEE 802.15.3c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

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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
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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

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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。

物 质

障碍物穿透损耗
60GHz 2.4dB/cm 5.0dB/cm 11.3dB/cm 31.9dB/cm 2.5GHz 2.1dB/cm 0.3dB/cm 20.0dB/cm 24.1dB/cm

石膏板 白板 玻璃 网眼玻璃

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(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OFDM

① 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。

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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。

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③ 空间复用

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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。

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1、60GHz通信的技术特点 2、60GHz标准化进程 3、IEEE 802.15.3c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
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工业界联盟
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(1)WirelessHD (2)WiGig
(3)ECMA (4)IEEE 802.15.3c(TG3c) (5)IEEE 802.11ad(TGad)

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标准化组织
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WirelessHD
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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,WirelessHD 1.0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10~28Gbps

WiGig
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2009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。 2009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 重要特点:向后兼容IEEE 802.11标准。

WiGig
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WiGig是无线千兆比特联盟(Wireless Gigabit Alliance)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:
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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

WiGig结构图

WiGig
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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

WiGig PAL(Protocol Adapter Layer)结构

WiGig
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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:
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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
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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 WirelessHD

ECMA
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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。

IEEE 802.15.3c(TG3c)
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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IEEE 802.15.3c-2009标准,可提供最高数据速率 超过5Gbit/s。 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。

IEEE 802.11ad(TGad)
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IEEE 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。 TGad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。

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(1)802.15.3c的微微网
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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
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微微网在初始化时,会选择一个DEV充 当微微网协调器PNC(Piconet Coordinator) 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

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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)。 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
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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
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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
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为了适应于不同的应用,IEEE 802.15.3c 中定义了3种物理层模式。
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① Single Carrier(SC)-单载波模式 ② High Speed Interface(HSI)OFDM-高速 率接口模式 ③ Audio/Video(AV)OFDM-音视频模式, WirelessHD 1.0规范作为一种AV OFDM工作 模式被IEEE 802.15.3c标准所接纳

(3)MAC层
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① 802.15.3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
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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。

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信道时间分配期(CTAP)
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信道时间分配期(CTAP)又包括信道时 间分配(Channel Time Allocation,CTA) 和管理信道时间分配(Management CTA,MCTA)。

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② 802.15.3c超帧结构 802.15.3c提出全向模式(omni mode) 和准全向模式(quasi-omni mode)的 概念。

全向模式
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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
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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

IEEE 802.15.3c中的超帧结构

准全向信标
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准全向信标(Quasi-omni beacon)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
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竞争接入期又分为3部分: 关联子竞争接入期(Association S-CAP) 定期子竞争接入期(Regular S-CAP) 定期竞争接入期( Regular CAP)

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(1)频段规划

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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。

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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
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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
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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

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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。

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(1)信道研究
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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
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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?GHz收发机的研究设计是实现60?GHz 短距通信的关键。 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。

(3)天线技术
由于60?GHz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。 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。

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(4)天线技术

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OFDM技术 单载波调制和高增益天线的组合方式。 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

(5)电路集成技术
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最初的60?GHz射频收发机主要是采用GaAs 基来实现。 CMOS工艺目前已经被应用于60?GHz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。

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无线个域网(Wireless Personal Area Network) 无线高清多媒体接口(Wireless HDMI) 汽车雷达 医疗成像 点对点链路 卫星星际通信

Thank you!


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