从WiGig到USB 3.0：毫米波如何改变现代无线通信

毫米波占据 30 GHz 至 300 GHz 的频谱。它们存在于微波（1 GHz 至 30 GHz）和红外 （IR） 波（有时称为极高频 （EHF））之间的频谱中。波长 （λ） 在 1 mm 到 10 mm 范围内。曾经，这部分频谱基本上没有使用，仅仅是因为很少有电子元件可以产生或接收毫米波。

在过去十年左右的时间里，一切都发生了变化。毫米波现在既实用又实惠，并且它们正在寻找各种新用途。最重要的是，它们减轻了低频的压力，真正将无线通信扩展到无线电技术的外部极限（见表）。如果我们的频率更高，我们将使用光。

毫米波开辟了更多的频谱。如今，从直流到微波 （30 GHz） 的频谱几乎用完了。世界各地的政府机构已经分配了所有“良好”频谱。存在频谱短缺和冲突。使用 LTE 等 4G 技术扩展蜂窝服务取决于正确类型频谱的可用性。问题是没有足够的资金来运行。

因此，频谱就像优质房地产一样——它很昂贵。而 “location， location， location” 这个表达方式很适合 spectrum。毫米波通过提供更多的扩展空间来部分解决了这个问题。您可以将我们现在使用的所有有用频谱从直流到 30 GHz 降至毫米波区域的低端，仍然剩余 240 GHz。

毫米波还支持高数字数据速率。微波频率及以下频率的无线数据速率现在限制为大约 1 Gbit/s。在毫米波范围内，数据速率可以达到 10 Gbits/s 或更高。
坏消息是，虽然这个频谱为我们提供了一些扩展空间，但它并不适用于所有类型的无线应用。它有其局限性。克服这些缺点一直是使毫米波实用且经济实惠的挑战。那个时候已经到来。

毫米波的主要限制之一是范围有限。物理定律表明，波长越短，给定功率的传输范围就越短。在合理的功率水平下，此限制在许多情况下将范围限制在 10 米以下。

以 dB 为单位的自由空间损耗计算公式为：

L = 92.4 + 20log（f） + 20log（R）

R 是发射天线和接收天线之间的视线 （LOS） 距离（以公里为单位），f 是以千兆赫兹为单位的频率。例如，在 60 GHz 下 10 米处的损耗为：

L = 92.4 + 35.6 – 40 = 88 分贝

设计人员可以通过良好的接收器灵敏度、高发射功率和高天线增益来克服这种损耗。

此外，大气层会吸收毫米波，从而限制了它们的射程。雨、雾和空气中的任何水分都会使信号衰减非常高，从而缩短传输距离。氧 （O2） 吸收率在 60 GHz 时特别高（图 1）。水 （H2O） 吸收是其他峰的原因。在曲线谷中选择频率可以最大限度地减少损失。此外，高增益天线阵列可以提高有效辐射功率 （ERP），从而显著增加范围。

事实上，短距离可能是一个好处。例如，它可以减少来自附近其他无线电的干扰。高增益天线具有高度方向性，也可以减轻干扰。这种窄波束天线也增加了功率和范围。而且，它们提供的安全性可以防止信号被拦截。

小尺寸是毫米波设备的另一大优势。虽然 IC 使电路保持小尺寸，但高频使得非常小的天线成为必要和可能的。在 900 MHz 等蜂窝频率下，典型的半波偶极子长 6 英寸，但在 60 GHz 时，一个半波在自由空间中只有约 2.5 毫米，当它在介电基板上制造时甚至更少。这意味着无线电的整个结构（包括天线）可能非常小。在衬底芯片上制作多元件相控阵很容易，该芯片可以控制和聚焦能量，以获得更大的增益、功率和范围。

另一个挑战是制造在毫米波频率下工作的电路。不过，借助硅锗 （SiGe）、砷化镓 （GaAs）、磷化铟 （InP） 和氮化镓 （GaN） 等半导体材料以及新工艺，可以在这些频率下工作以 40 nm 或更小的亚微米尺寸制造晶体管。

视频信号需要最大的带宽，因此需要更高的数据速率。传输 1080p 高清 （HD） 视频需要每秒数千兆比特的速度。如果在传输之前使用视频压缩技术，则可以降低该数据速率。然后，每秒几百兆比特的数据速率可以完成工作，但通常以牺牲视频质量为代价。

压缩技术总是会降低质量，以允许使用 Wi-Fi 802.11n 等可用的无线标准。802.11ac 等在 5 GHz 频段中使用更大带宽的标准现在可用于实现千兆位数据速率。毫米波技术使千兆速率变得司空见惯，并且相对容易实现，使未压缩的视频成为现实。

常见应用包括从机顶盒 （STB） 到 HDTV 电视机的视频传输，或者 DVD 播放器和电视机之间或从游戏机到电视机的传输。视频还可以从 PC 或笔记本电脑无线发送到视频监视器或扩展坞。将信号从笔记本电脑或平板电脑直接传输到 HDTV 屏幕也很受欢迎。其他应用包括无线高清投影仪和无线摄像机。毫米波技术允许无线传输流行的视频接口，例如 HDMI 1.3 或 DisplayPort 1.2。还提供 PCI Express 的无线版本。

现在人们对实施 USB 3.0 的无线版本产生了相当大的兴趣。它不仅成为 PC 和平板电脑的首选界面，而且成为电视机和其他消费设备的首选界面。USB 3.0 规定了 5 Gbits/s 的最大速率，其中大约 80% 的速率是在实际应用中实现的。10 Gbit/s USB 版本也可能正在开发中。如果有一个可以达到这些速率的毫米波加密狗不是很好吗？

毫米波设备的其他应用包括无线基站的回程、短距离雷达和机场人体扫描仪。一个有趣的潜在用途是 PCB 到 PCB（印刷电路板）或芯片到芯片的无线链接。在毫米波频率下，电缆、连接器甚至短 PCB 布线都会增加衰减。较短（英寸或更小）的无线链接可以消除此问题。

从 57 GHz 到 64 GHz 的 60 GHz 免许可工业-科学-医疗 （ISM） 频段受到广泛关注。它已经用于无线回程，预计会得到更多使用。两种短距离无线技术也正在发挥该频段的潜力：IEEE 802.11ad 和 WirelessHD。

802.11ad 是 IEEE 流行的 802.11 系列无线局域网 （LAN） 标准（通常称为 Wi-Fi）的扩展。11ad 版本专为 60 GHz 频段而设计。它向后兼容所有以前的版本，包括 11a/b/g/n/ac，因为该协议的媒体访问控制 （MAC） 层相似。11ad 版本也以其商品名称 WiGig 而闻名。无线千兆 （WiGig） 联盟支持和推广 11ad，最近宣布计划在 Wi-Fi 联盟旗下与 Wi-Fi 联盟合并。

WiGig 使用从 57 到 64 GHz 的免许可 ISM 60 GHz 频段，分为四个 2.16 GHz 频段。主要调制方案，即正交频分复用 （OFDM），可以支持高达 7 Gbits/s 的数据速率，使其成为最快的无线技术之一。该标准还定义了一种单载波模式，该模式使用更少的功率，更适合某些便携式手持设备。单载波模式可提供高达 4.6 Gbits/s 的数据速率。两种速度都允许传输未压缩的视频。WiGig 规范还以高级加密标准 （AES） 的形式提供安全性。

由于 60 GHz 的天线尺寸较小，因此通常使用增益天线来提高信号功率和范围。最大典型范围为 10 米。WiGig 产品使用可提供波束成形的天线阵列。这种自适应波束成形允许在***和接收器之间进行波束跟踪，以避开障碍物并最大限度地提高速度，即使在不断变化的环境条件下也是如此。

该标准的一个聪明特点是它使用协议适配层 （PAL）。这种软件结构与 MAC 层通信，并允许简化其他快速标准接口（如 USB、HDMI、DisplayPort 和 PCI Express）的无线实现。

Wilocity 是 WiGig 无线电的主要来源，它制造了单芯片 60 GHz 收发器。它最常见的用途是与标准 802.11n 实现结合使用。Qualcomm Atheros 将其 AR9642 802.11n 收发器与 Wilocity 60 GHz 芯片封装在一起，形成一个覆盖 2.4、5 和 60 GHz 三个主要 Wi-Fi 频段的模块（图 2）。Wilocity 还安排将其设备与 Marvell 的 Wi-Fi 收发器打包在一起。随着无线 LAN （WLAN）、路由器和热点开始采用可能包括 11ac 的三频策略，请寻找更多组合。

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