詳解IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）技術

今年IBC國際廣播電視裝置展期間，Wi-Fi聯盟正式釋出WiGig CERTIFIED 認證標識（如圖1所示）並宣佈相關產品將於明年入市，還宣佈將通過行業協作來推動60GHz技術的發展。

筆者在詳細地學習完WiGig（60GHz Wi-Fi）相關的技術規範後，覺得相比於目前的幾種Wi-Fi，WiGig/IEEE 802.11ad裝置在多媒體應用方面具有高容量、高速率（PHY採用OFDM方案時最高傳輸速率可達7 Gbps、採用單載波調製方案時最高傳輸速率可達4.6Gbps）、低延遲、低功耗（原因為：①Wi-Fi聯盟要求所有WiGig CERTIFIED產品必須支援單載波調製方案；②IEEE 802.11ad的MAC能根據裝置的實際流量負荷來實時地進行電源管理；③協議適配（目前定義了A/V協議適配和I/O協議適配）直接在PHY與MAC之上執行，可最大限度地降低功耗）、晶片設計與製造的複雜度低（單載波調製與多載波調製共用前導碼及通道編碼等）、安全性更高（採用AES加密，並可通過硬體實現之）、使用者體驗更好（PHY支援多頻段切換與操作，MAC支援11n、11ac的MAC及管理MAC）等突出優勢。

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）的關係

數字多媒體內容的廣泛普及與使用促使人們對無線連線技術進行持續創新。市場對高速率、高容量、低延遲傳輸的需求推動了可與傳統Wi-Fi功能相補充的新技術的發展——這一新技術——WiGig，採用60 GHz頻段來實現高達7 Gbps的傳輸速率，以支援各類先進的應用。

基於IEEE 802.11ad標準的WiGig技術最初由WiGig（無線吉位元聯盟）主導開發。IEEE 802.11ad標準是對可支援在60GHz頻段上進行多個吉位元無線通訊的802.11標準所做的修訂。WiGig MAC/PHY 規範在2010年被WiGig移交給IEEE 802.11ad標準化任務組，並於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批准。

2013年，WiGig聯盟與Wi-Fi聯盟合併，強化了Wi-Fi聯盟內部所有技術與認證開發工作，帶來了緊密協調的連線與應用層解決方案。目前，Wi-Fi聯盟成員已開發WiGig CERTIFIED認證計劃，以進行產品互操作性驗證。該計劃預計於2014年開始進行產品可互操作性測試，獲得認證的產品將會帶有WiGig CERTIFIED 認證標識和相關標識。

Wi-Fi聯盟稱：“WiGig技術可對Wi-Fi技術形成補充，從而擴充到新的應用，並且更全面地為實現Wi-Fi聯盟的產品在不使用電線或電纜的情況下進行無縫連線的願景而努力。”

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製方案有更寬的通道來支援高達7 Gbps的更快資料傳輸速率，因此非常適合室內連線，以支援具有苛刻要求的包括視訊在內的多媒體應用。

WiGig/IEEE 802.11ad規範的主要特點包括：最大限度地提高效能；將實施的複雜度與成本降至最小；與現有Wi-Fi技術相協調；提供先進的安全保護。

這些主要功能包括：

1）支援高達7 Gbps的資料傳輸速率；

2）獨特的設計支援諸如手機等低功耗手持裝置以及諸如電腦等高效能裝置，還採用了先進的電源管理技術；

3）裝置能夠透明地切換於在任意頻段（包括2.4 GHz、5 GHz和60 GHz）上執行的802.11網路之間；

4）支援波束賦形，可最大限度地提高訊號強度，並可在10米之外的距離實現良好通訊；

5）使用AES加密演算法中的Galois/Counter Mode來進行安全保護；

6）支援HDMI、DisplayPort、USB和PCIe的高效能無線實施。

3、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的物理層

1）頻譜與通道

60 GHz頻段無需獲得授權，並被廣泛使用。如圖2所示，在60GHz頻段內，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通道——802.11ad規範定義了四條通道，每條通道寬度為2.16 GHz。

2）調製與編碼

IEEE 802.11ad規範支援兩種型別的調製和編碼方案：

1）OFDM。允許的最大傳輸速度高達7 Gbps；

2）單載波。功耗較低，因此更適合於小型低功耗手持裝置。單載波方案支援的傳輸速度最高為4.6 Gbps。

這兩種調製方案具備一些共同的要素（比如前導碼和通道編碼等），這就降低了實施的複雜度。

據悉，在將來，所有的WiGig CERTIFIED裝置都必須支援單載波調製，某些裝置還必須支援OFDM。

4、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的MAC層

IEEE 802.11ad規範的MAC層的新功能能夠支援先進的使用模式，促進與Wi-Fi網路整合，可降低功耗，並可提供強大的安全保護。

1）MAC架構

如圖3所示，IEEE 802.11ad規範定義了一個新的MAC架構，使得兩個裝置能夠彼此間直接通訊，從而開發出一些新的功能（如快速同步兩臺裝置，以及向投影儀或電視機傳送音視訊資料等）。此外，IEEE 802.11ad規範還支援現行的802.11網路架構。

2）使用者體驗提升技術

從圖2可見，IEEE 802.11ad的MAC實現了在60 GHz頻段連線不可用的情況下向2.4 GHz或5 GHz Wi-Fi的無縫回退，從而可極大提升使用者體驗（比如，在裝置從60 GHz切換到頻率較低的Wi-Fi通道的情況下，使用Wi-Fi/WiGig整合裝置的使用者將能夠繼續享受無中斷連線。使用者不但能夠體驗到高效能，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裝置將可利用一種新的預定訪問模式來降低功耗：通過定向連線互相通訊的兩臺裝置可以預定它們進行通訊的時間段，在這些時間段期間，裝置開始休眠。這種先進的功能使裝置能夠更精確地根據實際流量負負荷進行電源管理——這一點對於手機和其他手持式電池供電裝置而言尤其重要。

4）安全技術

IEEE 802.11ad規範建立在IEEE 802.11標準定義的強大安全機制之上，WiGig CERTIFIED裝置的加密功能基於政府級高階加密標準AES，並且可以在硬體中實施以實現高效能和高效率。

5、IEEE 802.11ad（60 GHz Wi-Fi）的協議適配層（PAL）

如圖4所示，IEEE 802.11ad規範的協議適配層（PAL）允許以無線方式實施在MAC層和PHY層上直接執行的一些標準介面：

1）音訊/視訊：WiGig顯示擴充套件（WDE）

WDE支援無線傳輸視聽資料（如從計算機或數位相機向電視機或投影儀傳輸電影）。這種PAL支援HDMI和DisplayPort介面以及用於保護通過這些介面傳輸的數字內容的高頻寬數字內容保護（HDCP）方案的無線實施。它的擴充套件性允許它既可以傳輸壓縮視訊，也可以傳輸非壓縮視訊。

2）輸入/輸出PAL：WiGig匯流排擴充套件，WiGig SD擴充套件，和WiGig序列擴充套件

輸入/輸出PAL定義了在60 GHz頻段上廣泛使用的計算機介面的高效能無線實施。目前定義的I/O協議PAL)共有三種：WiGig匯流排擴充套件（PCIe）、WiGig SD擴充套件（安全數字I/O）、以及WiGig序列擴充套件（USB）。

（1）WiGig 匯流排擴充套件

在計算機內部，PCIe通常用於將CPU和記憶體連線到可支援儲存、網路卡和其他介面的I/O控制器。此外，它也可以用來連線到媒體和視覺處理器，以提高影像質量或對CPU進行解除安裝處理。PAL的實施可支援裝置之間的多吉位元無線同步，以及與儲存和其他高速外圍裝置的連線。

（2）WiGig SD 擴充套件

SD儲存卡被廣泛用於移動裝置，以進行各種檔案的儲存，如文件，圖片，以及音視訊內容。WiGig SD 擴充套件被用於從主裝置訪問安裝在遠端裝置上的SD儲存卡，比如從膝上型電腦上訪問智慧手機上的SD儲存卡。WiGig SD 擴充套件適合資源有限的電池供電的裝置，因為其為方便儲存訪問而優化了實施過程，並且檔案傳輸速度可達數十億位元，同時可顯著節約能耗。

（3）WiGig 序列擴充套件

USB通常被用來將外圍裝置和其他裝置連線到主機。這種USB PAL可支援USB裝置之間的無線連通，並促進諸如USB擴充套件之類的產品的開發。WiGig序列擴充套件已經從Wi-Fi 聯盟移交到USB-IF，用作無媒介限制序列匯流排規範的基礎。