使用60GHz的本地?zé)o線多媒體接入技術(shù)

肖征榮


北京郵電大學(xué)
　　摘 要 本文敘述關(guān)于無(wú)線接入和無(wú)線LAN系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中的基本問(wèn)題，它將在60GHz波段運(yùn)行，作為4G系統(tǒng)的一部分。60GHz頻段受到很大的關(guān)注，因?yàn)榇罅康念l譜空間（5GHz）在全世界被分配給密集無(wú)線本地通信。此外，討論怎樣利用其豐富的帶寬資源，以用于短距離通信。主要是要制定一個(gè)總的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)的特征是：可提供性，可測(cè)量性，模塊化，可擴(kuò)展性和互操作性。此外，用戶的方便性，容易有效的網(wǎng)絡(luò)部署，是市場(chǎng)成功的重要的前提條件。本文討論這些特征和許多關(guān)鍵研究主題。


　　關(guān)鍵詞 HiperLAN OFDM 雙波段操作



1 引言


　　現(xiàn)在，有許多多媒體應(yīng)用需要短距離的無(wú)線傳輸，在表1中列出其數(shù)據(jù)速率和成本。數(shù)據(jù)速率指的是單個(gè)連接的而不是總的網(wǎng)絡(luò)容量。表1說(shuō)明了某些應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率可能要求每秒幾百兆比特。應(yīng)用的不同，表明了無(wú)線結(jié)構(gòu)除了支持具有不同可靠性要求的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流外，還應(yīng)該支持實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)流，且具有很大的可變時(shí)延限制。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對(duì)靈活性要求很突出。在許多應(yīng)用中，信息完整性起一個(gè)很重的作用，應(yīng)該得到保護(hù)，其意義是，為了提供QoS，除了網(wǎng)絡(luò)容量要求外，還有許多額外的傳輸性能要求，如動(dòng)態(tài)資源分配和選路、數(shù)據(jù)完整性的安全性協(xié)議和防止未授權(quán)的接入。表1說(shuō)明了許多技術(shù)要求低成本技術(shù)。


　　3G蜂窩系統(tǒng)不會(huì)基于低成本技術(shù)，也不能處理超過(guò)2Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，這正是無(wú)線局域網(wǎng)大展身手的地方�，F(xiàn)在的WLAN產(chǎn)品主要是專(zhuān)有系統(tǒng)，或基于802.11b標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品工作頻段是ISM2.400~2.4835GHz，提供的最大數(shù)據(jù)速率是11Mbit/s。在1999年，IEEE批準(zhǔn)了WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11a，它提供的物理層數(shù)據(jù)速率為6、9、12、18、24、36和54Mbit/s。在美國(guó)，這些產(chǎn)品工作在5.15~5.35GHz和5.725~5.825GHz非專(zhuān)用國(guó)家信息基礎(chǔ)（UNII）頻段。高性能無(wú)線局域網(wǎng)（HiperLAN2）是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（ETSI）寬帶無(wú)線接入網(wǎng)項(xiàng)目組制定的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了同樣的物理層，它還提供一個(gè)27Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。在歐洲，頻段5.15~5.35GHz和5.470~5.725GHz為HiperLAN預(yù)留。在美國(guó)，HiperLAN產(chǎn)品必須在UNII頻段工作。在日本，這兩個(gè)系統(tǒng)都使用5.15~5.25GHz頻段，使用一個(gè)共享機(jī)制。HiperACCESS提供固定的室外無(wú)線接入數(shù)據(jù)速率為25Mbit/s。這些通過(guò)量保證了對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的支持。然而，25Mbit/s的限制并不支持表1中的許多有吸引力但要求寬帶的應(yīng)用，尤其是無(wú)線媒質(zhì)必須被多個(gè)用戶共享，這在LAN是很常見(jiàn)的。總的網(wǎng)絡(luò)容量要求將會(huì)是更高的速率，有兩個(gè)方法可以達(dá)到這么高的網(wǎng)絡(luò)性能：增加頻譜效率，使用更多的頻段。


　　使用更高級(jí)的調(diào)制方法，比如M-QAM，能夠增加頻譜效率。實(shí)際上，頻段的效率可以達(dá)到4~8bit/s/Hz，其代價(jià)是很大的發(fā)送功率。例如，在容錯(cuò)率為10-3時(shí)，要增加一倍的頻譜效率，就要增加12dBs。


　　另一個(gè)方法是，使用多個(gè)發(fā)射和接收天線，在不同天線上同時(shí)發(fā)射不同的數(shù)據(jù)流。一個(gè)稱(chēng)為時(shí)空編碼的方法，將根據(jù)信道代碼編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)分為許多并行的流，在不同的發(fā)送天線上同時(shí)發(fā)射。另一個(gè)技術(shù)，使用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)來(lái)正確地利用多徑漫射。在這樣的方法中，頻段利用率可以達(dá)到20~40bit/s/Hz，它付出的代價(jià)是發(fā)射功率和收發(fā)信機(jī)的復(fù)雜性，因?yàn)槊總�(gè)發(fā)射/接收天線代表了一個(gè)完整的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)。


　　第三種方法，使用高增益天線精確地互相瞄準(zhǔn)創(chuàng)立空間正交信道。這對(duì)靜態(tài)互連鏈路很有吸引力。如HiperLINK、HiperLAN的一部分，提供的靜態(tài)市內(nèi)鏈路傳輸能力為155Mbit/s。HiperLINK計(jì)劃的工作頻段是17GHz，占據(jù)幾百兆赫的頻寬。但是，有中等頻譜效率的傳輸機(jī)制，就需要好幾百兆赫的頻譜，為了找到如此大的頻譜空間，就要考慮使用更高的頻率。


　　在歐洲先進(jìn)技術(shù)和業(yè)務(wù)組（ACTS），19、40、60GHz分別被不同的項(xiàng)目研究組AWACS、SAMBA、MEDIAN使用，無(wú)線速率目標(biāo)分別是70、2×64和150Mbit/s。在日本，多媒體移動(dòng)通信接入通信委員會(huì)正在研究使用40和60GHz，支持156Mbit/s的超高速無(wú)線室內(nèi)LAN。對(duì)密集的本地通信，60GHz頻段不適合長(zhǎng)距離通信（大于2km），故可以全部分給段距離通信（小于1km）。對(duì)室內(nèi)更小的距離（小于50m），10~15dB/km的衰減影響不大。在以60GHz為中心的8GHz范圍內(nèi)，衰減不超過(guò)10dB/km。因此，密集無(wú)線本地通信有8GHz的帶寬可用。對(duì)短距離通信來(lái)說(shuō)，60GHz的頻段最具有吸引力。在美國(guó)，F(xiàn)CC分給非專(zhuān)用應(yīng)用的頻段是59~64GHz，這是迄今為止所分配的最大連續(xù)無(wú)線頻段。在這個(gè)頻段，F(xiàn)CC允許10 W的各向同性發(fā)射功率，在3m距離最大的功率密度為9Ｗ／ｃｍ２。這意味著，對(duì)一個(gè)有２０ｄＢｉ增益的天線來(lái)說(shuō)，２０ｄＢｍ發(fā)射功率是功率上限。商用ＧａＡｓ功率放大器，現(xiàn)有的單片微波集成電路，可以產(chǎn)生１６ｄＢｍ的發(fā)射功率和良好的線性。日本在２０００年７月制定了一個(gè)高速數(shù)據(jù)通信的規(guī)則，頻率范圍是５９~66GHz。反饋天線的功率限制是10dBm，然而天線增益低于４７ｄＢｉ。在歐洲，兩個(gè)頻段，６２~63GHz和６５~66GHz，分配給移動(dòng)寬帶系統(tǒng)。此外，５９~62GHz頻段給WLAN應(yīng)用使用。因此，在６０ＧＨｚ左右分配了５ＧＨｚ的頻率空間，全世界重疊的為３ＧＨｚ（５９~62GHz）�；�本的問(wèn)題仍然是，怎樣在最大的可能性范圍內(nèi)為多媒體應(yīng)用使用這個(gè)巨大的頻段資源。


2 60GHz前端技術(shù)


　　在６０ＧＨｚ分配的頻段分配為６０ＧＨｚ前端技術(shù)提供了新的機(jī)會(huì)。尤其是，砷化鎵（ＧａＡｓ）場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)６０ＧＨｚ的ＧａＡｓ ＭＭＩＣ�；�于ＧａＡｓ的６０ＧＨｚ設(shè)備，比如低噪聲放大器、高功率放大器、乘法器、開(kāi)關(guān)等都可以以１０~20美元一片的價(jià)格訂購(gòu)。然而，這對(duì)ＷＬＡＮ設(shè)備中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，太貴了。一個(gè)基于鍺化硅（ＳｉＧｅ）的可選技術(shù)，在提供與ＧａＡｓ相同的性能的同時(shí)，可提供低成本的微波前端ＭＭＩＣ。芯片之間的共面絲焊在６０ＧＨｚ的丟失更少，然而多芯片模塊技術(shù)能夠在中頻和基帶電路中很好地提供微波成分。問(wèn)題在于大量高性能60GHz發(fā)射機(jī)/接收機(jī)模塊的生產(chǎn)。為了避免很大的內(nèi)部連接丟失，下一個(gè)改進(jìn)是天線與ＭＭＩＣ芯片的單個(gè)集成。


3 信道特性


　　在６０ＧＨｚ，比２ＧＨｚ或５ＧＨｚ有更多的自由空間丟失，因?yàn)樽杂煽臻g丟失增加與頻率成平方關(guān)系。原則上，這個(gè)自由空間丟失可以使用有更多狀態(tài)方向性的天線來(lái)彌補(bǔ)，同時(shí)保持天線的尺寸很小。當(dāng)時(shí)用這樣的天線時(shí)，天線阻礙和錯(cuò)定位可能會(huì)引起接收功率的丟失很大，抵消了天線提供的增益。這在微波中是很典型的，因?yàn)槲⒉ǖ睦@射很弱。考慮到阻礙效應(yīng)，全向天線在有反射的環(huán)境中有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谝暰嘧璧K的情況下，它們?nèi)匀挥心芰κ占�反射功率�?br>

　　墻壁對(duì)毫米波的衰減很大。透射率取決于材料特性和厚度。在６０ＧＨｚ，玻璃的透射率從３ｄＢ到７ｄＢ，然而１５ｃｍ的混凝土墻高達(dá)３６ｄＢ。我們因此希望建筑物的混凝土地板作為可靠的蜂窩邊界。這在熱點(diǎn)地區(qū)有助于建立室內(nèi)小蜂窩。另一方面，一個(gè)典型的/中等內(nèi)部墻壁包括不同材料組成的部分，不能作為可靠的蜂窩邊界，也不是一個(gè)透明的媒質(zhì)。由于室內(nèi)墻可能有很大的衰減，每一個(gè)室內(nèi)環(huán)境中至少要有一個(gè)接入點(diǎn)。


4 OFDM的應(yīng)用


　　當(dāng)使用低或中等增益的天線時(shí)，就使用一個(gè)單載波信道均衡或多載波傳輸機(jī)制，以確保室內(nèi)環(huán)境的可靠高速傳輸�？赡茏钸m合在６０ＧＨｚ進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)是正交頻分復(fù)用（ＯＦＤＭ）。這種技術(shù)將一個(gè)高度頻率選擇性的信道分割成一組不可選擇的窄帶信道，它通過(guò)在頻域保持正交性來(lái)抗時(shí)延擴(kuò)展。ＯＦＤＭ的一個(gè)特性是，對(duì)一定的時(shí)延擴(kuò)展，隨著比特速率的增加，ＯＦＤＭ調(diào)制解調(diào)器的復(fù)雜性比有均衡器的單載波系統(tǒng)復(fù)雜性低。因?yàn)楫?dāng)比特率加倍時(shí)，在速度加倍時(shí)均衡器也必須是兩倍，復(fù)雜性也隨著數(shù)據(jù)速率平方性增加，而ＯＦＤＭ復(fù)雜性的增加只是稍快于線性。在數(shù)據(jù)速率超過(guò)20Mbit/s時(shí)調(diào)制解調(diào)器必須處理超過(guò)50ns的時(shí)延擴(kuò)展，OFDM使得它能夠更容易地實(shí)施。OFDM的另一個(gè)特性是，在不同的環(huán)境、帶寬和比特率下，它具有容易的可測(cè)量性，這使得我們可以同時(shí)使用不同的應(yīng)用。


　　由于多普勒效應(yīng)，為了避免相干接收機(jī)對(duì)單獨(dú)接收到的碼元的相干性減少，每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)速率必須高于一個(gè)最小數(shù)值。對(duì)1200Hz的多普勒偏移，這在室內(nèi)環(huán)境中是可能的，只要每個(gè)子載波提供至少30ksym/s，多普勒偏移對(duì)接收機(jī)性能影響就不大。


　　增寬頻段的第二個(gè)原因是收發(fā)信機(jī)本地振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲。實(shí)際上，一個(gè)壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生的LO信號(hào)工作在相對(duì)較低的頻率，為了在載波頻率附近獲得參考信號(hào)，就增加了頻率。因此，初始源產(chǎn)生的相位噪聲被放大了。在60GHz的相位噪聲，比5GHz的相位噪聲高10log（60/5）2
=21.6dB。當(dāng)OFDM與更高級(jí)調(diào)制形式如16-和64-QAM結(jié)合時(shí)，相位噪聲的影響就變得非常重要。為了將振蕩噪聲問(wèn)題降至最小，OFDM子載波的間隔應(yīng)該盡量高。這種方法也帶來(lái)了其他的好處：對(duì)一個(gè)給定的數(shù)據(jù)速率，所需的子載波數(shù)目減少了，由于非線性放大，處理復(fù)雜性和干擾問(wèn)題都減少了。


5 雙波段操作


　　 一個(gè)抗由于墻壁衰減覆蓋限制，也抗嚴(yán)重陰影效應(yīng)的措施，就是將60GHz的系統(tǒng)與一個(gè)在低得多的頻率工作的系統(tǒng)一起結(jié)合。一個(gè)很好的選擇就是5GHz的WLAN系統(tǒng)。事實(shí)上，在任何情況下都可以做到與5GHz系統(tǒng)互操作。在這種多模式情況下，系統(tǒng)首先試著在60GHz接入用戶。當(dāng)信道條件一旦變差，由于陰影效應(yīng)，或者用戶到了60GHz系統(tǒng)覆蓋不到的區(qū)域內(nèi)，連接就轉(zhuǎn)到5GHz系統(tǒng)。這樣，5GHz波段就作為60GHz的一個(gè)選擇。


　　RF選擇可以基于信道條件、信道可用性、用戶愛(ài)好和連接參數(shù)。注意5GHz的WLAN RF被當(dāng)成60GHz的中頻使用。為了減小基帶的復(fù)雜性，兩個(gè)系統(tǒng)的功能盡可能相同。例如，60GHz系統(tǒng)使用64子載波單元。


6 降低成本


　　要使得60GHz無(wú)線產(chǎn)品獲得成功，就要將成本降低到一個(gè)可以接受的程度。低生產(chǎn)成本的一個(gè)先決條件是：MMIC技術(shù)大量產(chǎn)生，并且合格率高，轉(zhuǎn)向時(shí)間短，市場(chǎng)化快，投資回報(bào)快。因此，應(yīng)該有很明顯的刺激因素，使得半導(dǎo)體業(yè)向新一代的IC投資。一個(gè)刺激因素就是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。因此，一系列的協(xié)議應(yīng)該發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化，不僅支持WLAN配置，而且支持整個(gè)家族，包括Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程接入/無(wú)線本地環(huán)（WLL），點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，IEEE 1394，和所有表1中的低成本、短距離通信。因此，一個(gè)擴(kuò)展的配置家族應(yīng)該包括最大的范圍，從低速、低帶寬、低成本的產(chǎn)品到能以合理成本生產(chǎn)的高速、高帶寬產(chǎn)品。這些產(chǎn)品應(yīng)該能支持一個(gè)混合多種多媒體業(yè)務(wù)流靈活的多種接入。


　　一個(gè)5/60GHz雙波段系統(tǒng)。然而，沒(méi)有理由限制特定環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域，在居民區(qū)的室內(nèi)，也能找到許多可能的應(yīng)用。在工廠、碼頭、機(jī)場(chǎng)的室外環(huán)境中也有。


　　一個(gè)60GHz的便攜式可視電話，支持兩路可視電話，上行1.5Mbit/s，下行1.5Mbit/s，空中接口基于分組傳輸，在一個(gè)時(shí)分多址接入幀內(nèi)TDMA速率為150Mbit/s。發(fā)送一個(gè)這樣的分組，與一般的相比，要求50倍的峰值發(fā)射功率和處理速度。最好利用OFDM的可測(cè)量性，它允許一個(gè)終端僅僅處理一個(gè)單元中子載波很小的一部分。要求一個(gè)終端能夠達(dá)到接入點(diǎn)總的傳輸能力是不合理的，因?yàn)檫@樣的要求將導(dǎo)致嚴(yán)重的超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。所有這些，在一個(gè)終端專(zhuān)用的OFDM單元中傳輸波段的分割都是重要的。一個(gè)選擇是使用IEEE 802.11a/HiperLAN的64路子載波OFDM單元作為基本構(gòu)建模塊。這有助于利用在一個(gè)雙模式5/60GHz無(wú)線電中的基帶硬件，可以自由地?cái)U(kuò)展這些接入點(diǎn)的能力，插入額外的包括一個(gè)或者多個(gè)這些基本模塊的PC卡。同樣地，終端性能的擴(kuò)展也是可能的。對(duì)最初的60GHz系統(tǒng)，這些OFDM構(gòu)建模塊的速率上限為18Mbit/s，這是IEEE 802.11a和HiperLAN2使用QPSK的最高速率。這些標(biāo)準(zhǔn)也支持更高的速率，但是要使用更高的調(diào)制形式（16-和64-QAM），相對(duì)來(lái)說(shuō)容易受到振蕩相位噪聲影響。


7 標(biāo)準(zhǔn)化


　　參考模型符合ETSI BRAN的HiperLAN2中使用的基本方法。它只將無(wú)線接入網(wǎng)和一些不同核心網(wǎng)的互通功能標(biāo)準(zhǔn)化。核心網(wǎng)絡(luò)的具體功能留給相應(yīng)的論壇（如ATM論壇、IETF，其他ETSI項(xiàng)目組）制定。


　　HiperLAN2技術(shù)規(guī)范的范圍限于5GHz空中接口，無(wú)線子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)接口，互通功能，支持實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的功能。60GHz擴(kuò)展的范圍涉及5/60GHz雙波段操作包括RF選擇和OFDM子載波選擇。


　　與在HiperLAN2中定義的類(lèi)似，希望支持業(yè)務(wù)接口，互通功能，和60GHz擴(kuò)展能力，這將極大地減少制定高層功能技術(shù)規(guī)范的時(shí)間。


8 結(jié)束語(yǔ)


　　集中討論60GHz波段的主要原因是60GHz附近分配的巨大帶寬，它能夠提供各種各樣的短距離無(wú)線通信。此外，60GHz的前端技術(shù)很快就出現(xiàn)了。為了有效地利用60GHz波段，應(yīng)該制定一個(gè)總的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給工業(yè)界一個(gè)產(chǎn)品區(qū)分的巨大范圍。標(biāo)準(zhǔn)比如可提供性、模塊性、可測(cè)量性、擴(kuò)展性、互操作性和人機(jī)工程學(xué)，應(yīng)該是60GHz系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)�？紤]這些準(zhǔn)則，我們得出以下結(jié)論：


　　·最有吸引力的傳輸機(jī)制是OFDM。


　　·為了接入點(diǎn)的互連，要盡量使用現(xiàn)有的LAN電纜連接。


　　·將接入點(diǎn)/天線在墻上而不是天花板上安裝。


　　·為了減少LOS阻塞影響，要優(yōu)化天線。


　　·60GHz系統(tǒng)必須與5GHz系統(tǒng)結(jié)合，不僅可以與5GHz系統(tǒng)互操作，還可以把它作為一個(gè)后退選擇（如果60GHz的接收功率不足）。


　　·接入點(diǎn)的性能擴(kuò)展必須很容易。


　　研究的方向是發(fā)展能夠與60GHz信道特性最優(yōu)工作的技術(shù)。還有很多領(lǐng)域需要研究：


　　·改進(jìn)現(xiàn)有的和發(fā)展新的60GHz信道模式。


　　·確定低成本的天線解決方案。


　　·為大量生產(chǎn)60GHz前端MMIC鋪平道路。


　　·發(fā)展一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以最好地使用現(xiàn)有的辦公室電纜連接結(jié)構(gòu)，接入點(diǎn)可以很容易接入到骨干網(wǎng)。


摘自《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》