Wi-Fi路由器在近幾年漸漸成了每個(gè)家庭里必備的設(shè)備儀器，但不是每個(gè)人都了解每天陪伴在我們周?chē)乃鼈?，它們是一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無(wú)線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的;但也可是開(kāi)放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。

Wi-Fi是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)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(chēng)為無(wú)線保真。甚至把Wi-Fi等同于無(wú)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(shù)，在2013年，Wi-Fi聯(lián)盟正式發(fā)布WiGig CERTIFIED 認(rèn)證標(biāo)識(shí)(如圖1所示)并宣布相關(guān)產(chǎn)品將于明年入市，還宣布將通過(guò)行業(yè)協(xié)作來(lái)推動(dòng)60GHz技術(shù)的發(fā)展。

筆者在詳細(xì)地學(xué)習(xí)完WiGig(60GHz Wi-Fi)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范后，覺(jué)得相比于目前的幾種Wi-Fi，WiGig/IEEE 802.11ad設(shè)備在多媒體應(yīng)用方面具有高容量、高速率(PHY采用OFDM方案時(shí)最高傳輸速率可達(dá)7 Gbps、采用單載波調(diào)制方案時(shí)最高傳輸速率可達(dá)4.6Gbps)、低延遲、低功耗(原因?yàn)椋孩賅i-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(shè)備的實(shí)際流量負(fù)荷來(lái)實(shí)時(shí)地進(jìn)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(yùn)行，可最大限度地降低功耗)、芯片設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜度低(單載波調(diào)制與多載波調(diào)制共用前導(dǎo)碼及信道編碼等)、安全性更高(采用AES加密，并可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)之)、用戶體驗(yàn)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(shì)。

以下為WiGig/IEEE 802.11ad的詳細(xì)介紹：

1、WiGig簡(jiǎn)介及其與IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的關(guān)系

數(shù)字多媒體內(nèi)容的廣泛普及與使用促使人們對(duì)無(wú)線連接技術(shù)進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新。市場(chǎng)對(duì)高速率、高容量、低延遲傳輸?shù)男枨笸苿?dòng)了可與傳統(tǒng)Wi-Fi功能相補(bǔ)充的新技術(shù)的發(fā)展——這一新技術(shù)——WiGig，采用60 GHz頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)高達(dá)7 Gbps的傳輸速率，以支持各類(lèi)先進(jìn)的應(yīng)用。

基于IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)的WiGig技術(shù)最初由WiGig(無(wú)線吉比特聯(lián)盟)主導(dǎo)開(kāi)發(fā)。IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)可支持在60GHz頻段上進(jìn)行多個(gè)吉比特?zé)o線通信的802.11標(biāo)準(zhǔn)所做的修訂。WiGig MAC/PHY 規(guī)范在2010年被WiGig移交給IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)組，并于2010年5月被確認(rèn)為802.11ad標(biāo)準(zhǔn)草案的基礎(chǔ)。2012年年底，802.11ad獲得IEEE批準(zhǔn)。

2013年，WiGig聯(lián)盟與Wi-Fi聯(lián)盟合并，強(qiáng)化了Wi-Fi聯(lián)盟內(nèi)部所有技術(shù)與認(rèn)證開(kāi)發(fā)工作，帶來(lái)了緊密協(xié)調(diào)的連接與應(yīng)用層解決方案。目前，Wi-Fi聯(lián)盟成員已開(kāi)發(fā)WiGig CERTIFIED認(rèn)證計(jì)劃，以進(jìn)行產(chǎn)品互操作性驗(yàn)證。該計(jì)劃預(yù)計(jì)于2014年開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)品可互操作性測(cè)試，獲得認(rèn)證的產(chǎn)品將會(huì)帶有WiGig CERTIFIED 認(rèn)證標(biāo)識(shí)和相關(guān)標(biāo)識(shí)。

Wi-Fi聯(lián)盟稱(chēng)：“WiGig技術(shù)可對(duì)Wi-Fi技術(shù)形成補(bǔ)充，從而拓展到新的應(yīng)用，并且更全面地為實(shí)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(jìn)行無(wú)縫連接的愿景而努力。”

2、IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的技術(shù)特點(diǎn)

WiGig技術(shù)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(guò)使用低功率調(diào)制方案有更寬的信道來(lái)支持高達(dá)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(yīng)用。

WiGig/IEEE 802.11ad規(guī)范的主要特點(diǎn)包括：最大限度地提高性能;將實(shí)施的復(fù)雜度與成本降至最小;與現(xiàn)有Wi-Fi技術(shù)相協(xié)調(diào);提供先進(jìn)的安全保護(hù)。

這些主要功能包括：

1)支持高達(dá)7 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率;

2)獨(dú)特的設(shè)計(jì)支持諸如手機(jī)等低功耗手持設(shè)備以及諸如電腦等高性能設(shè)備，還采用了先進(jìn)的電源管理技術(shù);

3)設(shè)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(yùn)行的802.11網(wǎng)絡(luò)之間;

4)支持波束賦形，可最大限度地提高信號(hào)強(qiáng)度，并可在10米之外的距離實(shí)現(xiàn)良好通信;

5)使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode來(lái)進(jìn)行安全保護(hù);

6)支持HDMI、DisplayPort、USB和PCIe的高性能無(wú)線實(shí)施。

3、IEEE 802.11ad(60 GHz Wi-Fi)的物理層

1)頻譜與信道

60 GHz頻段無(wú)需獲得授權(quán)，并被廣泛使用。如圖2所示，在60GHz頻段內(nèi)，不同國(guó)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(lèi)型的調(diào)制和編碼方案：

1)OFDM。允許的最大傳輸速度高達(dá)7 Gbps;

2)單載波。功耗較低，因此更適合于小型低功耗手持設(shè)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(dǎo)碼和信道編碼等)，這就降低了實(shí)施的復(fù)雜度。

據(jù)悉，在將來(lái)，所有的WiGig CERTIFIED設(shè)備都必須支持單載波調(diào)制，某些設(shè)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(jìn)的使用模式，促進(jìn)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)整合，可降低功耗，并可提供強(qiáng)大的安全保護(hù)。

1)MAC架構(gòu)

如圖3所示，IEEE 802.11ad規(guī)范定義了一個(gè)新的MAC架構(gòu)，使得兩個(gè)設(shè)備能夠彼此間直接通信，從而開(kāi)發(fā)出一些新的功能(如快速同步兩臺(tái)設(shè)備，以及向投影儀或電視機(jī)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(luò)架構(gòu)。

2)用戶體驗(yàn)提升技術(shù)

從圖2可見(jiàn)，IEEE 802.11ad的MAC實(shí)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(wú)縫回退，從而可極大提升用戶體驗(yàn)(比如，在設(shè)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(shè)備的用戶將能夠繼續(xù)享受無(wú)中斷連接。用戶不但能夠體驗(yàn)到高性能，而且還將能夠自動(dòng)利用60 GHz頻段帶來(lái)的額外速率)。

3)電源管理技術(shù)

WiGig CERTIFIED設(shè)備將可利用一種新的預(yù)定訪問(wèn)模式來(lái)降低功耗：通過(guò)定向連接互相通信的兩臺(tái)設(shè)備可以預(yù)定它們進(jìn)行通信的時(shí)間段，在這些時(shí)間段期間，設(shè)備開(kāi)始休眠。這種先進(jìn)的功能使設(shè)備能夠更精確地根據(jù)實(shí)際流量負(fù)負(fù)荷進(jìn)行電源管理——這一點(diǎn)對(duì)于手機(jī)和其他手持式電池供電設(shè)備而言尤其重要。

4)安全技術(shù)

IEEE 802.11ad規(guī)范建立在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的強(qiáng)大安全機(jī)制之上，WiGig CERTIFIED設(shè)備的加密功能基于政府級(jí)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES，并且可以在硬件中實(shí)施以實(shí)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(wú)線方式實(shí)施在MAC層和PHY層上直接運(yùn)行的一些標(biāo)準(zhǔn)接口：

1)音頻/視頻：WiGig顯示擴(kuò)展(WDE)

WDE支持無(wú)線傳輸視聽(tīng)數(shù)據(jù)(如從計(jì)算機(jī)或數(shù)碼相機(jī)向電視機(jī)或投影儀傳輸電影)。這種PAL支持HDMI和DisplayPort接口以及用于保護(hù)通過(guò)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(hù)(HDCP)方案的無(wú)線實(shí)施。它的擴(kuò)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(kuò)展，WiGig SD擴(kuò)展，和WiGig串行擴(kuò)展

輸入/輸出PAL定義了在60 GHz頻段上廣泛使用的計(jì)算機(jī)接口的高性能無(wú)線實(shí)施。目前定義的I/O協(xié)議PAL)共有三種：WiGig總線擴(kuò)展(PCIe)、WiGig SD擴(kuò)展(安全數(shù)字I/O)、以及WiGig串行擴(kuò)展(USB)。

(1)WiGig 總線擴(kuò)展

在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，PCIe通常用于將CPU和內(nèi)存連接到可支持存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)卡和其他接口的I/O控制器。此外，它也可以用來(lái)連接到媒體和視覺(jué)處理器，以提高圖像質(zhì)量或?qū)PU進(jìn)行卸載處理。PAL的實(shí)施可支持設(shè)備之間的多吉比特?zé)o線同步，以及與存儲(chǔ)和其他高速外圍設(shè)備的連接。

(2)WiGig SD 擴(kuò)展

SD存儲(chǔ)卡被廣泛用于移動(dòng)設(shè)備，以進(jìn)行各種文件的存儲(chǔ)，如文檔，圖片，以及音視頻內(nèi)容。WiGig SD 擴(kuò)展被用于從主設(shè)備訪問(wèn)安裝在遠(yuǎn)程設(shè)備上的SD存儲(chǔ)卡，比如從筆記本電腦上訪問(wèn)智能手機(jī)上的SD存儲(chǔ)卡。WiGig SD 擴(kuò)展適合資源有限的電池供電的設(shè)備，因?yàn)槠錇榉奖愦鎯?chǔ)訪問(wèn)而優(yōu)化了實(shí)施過(guò)程，并且文件傳輸速度可達(dá)數(shù)十億位元，同時(shí)可顯著節(jié)約能耗。

(3)WiGig 串行擴(kuò)展

USB通常被用來(lái)將外圍設(shè)備和其他設(shè)備連接到主機(jī)。這種USB PAL可支持USB設(shè)備之間的無(wú)線連通，并促進(jìn)諸如USB擴(kuò)展之類(lèi)的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。WiGig串行擴(kuò)展已經(jīng)從Wi-Fi 聯(lián)盟移交到USB-IF，用作無(wú)媒介限制串行總線規(guī)范的基礎(chǔ)。