Study Notes

说明: 本文是参考WiGig Alliance官方网站文档翻译的WiGig中文技术白皮书，仅供学习和技术参考。

1.介绍

随着多媒体产品的广泛使用，越来越多的数据需要在不同的设备之间进行交互。无线传输是其中较为方便快捷的一种途径，现在最快的无线局域网通用标准IEEE 802.11n(2009)实际速率可达300Mbit/s。当传输大量数据文件时(高清视频文件等)，无线传输速率就成为性能的瓶颈。为了解决这类问题，各大厂商联合成立了Wireless Gigabit(WiGig)联盟，研究和制订新的无线传输标准。新的标准(WiGig)将达到7Gbps的传输速率，是802.11n的10倍；它使用60GHz的载波频宽，远远超过当前Wi-Fi产品所支持的2.4GHz和5GHz。更高的载波频宽使得更快的传输速率成为可能。WiGig是基于IEEE 802.11制定的，对现有的Wi-Fi产品具有良好的向下兼容性。它包括对超过60GHz的Wi-Fi支持，一些新型的无线通信设备(tri-band radios)也能被无缝整合到现有的2.4GHz和5GHz频宽中使用。WiGig将宣告有线传输时代的结束，同时推动未来无线备份和同步技术的发展和进步。

IEEE 802.11ad是802.11系列中支持在60GHz载波频宽进行多路千位无线传输的修订协议。2010年5月，WiGig被正式确认为802.11ad标准草案的基础。

2.特点

WiGig的主要特点是高性能，配置简单，低功耗，对现有Wi-Fi设备的良好兼容性和更高的安全性。
– 最快传输速率可达7Gbps
– 可用于各类耗电模式(计算机，便携数码设备)，支持高级电源管理功能
– 基于IEEE 802.11,支持无线设备在802.11定义的不同载波频宽(2.4GHz,5GHz和60GHz)中切换使用。
– 支持波束赋形(Beamforming)，提高通讯信号的强度和提供在10M范围的稳定传输。
– 使用基于AES加密算法的GCM(Galois/Counter Mode)操作模式，保证数据的高安全性
– 支持高性能无线配置: 高清多媒体接口HDMI,显示端口DisplayPort,USB和PCIe

3.结构

WiGig基于IEEE 802.11标准定义了物理层(PHY)和介质访问控制(MAC)层。它支持在IP网络上使用超过60GHz的载波频宽，可以很好的兼容当前的2.4GHz和5GHz的Wi-Fi设备。WiGig根据超过60GHz的波载频宽要求，定义了协议适配层(PALs)，提供对指定数据传输和无线显示(无线高清视频播放)的支持。PALs允许这些标准端口的无线配置直接在WiGig的MAC层和PHY层运行，并且能直接在硬件上进行配置。初始化的PALs定义了对多媒体端口(HDMI、显示端口)和I/O端口(USB/PCIe)的支持。

4.物理层

WiGig类似于Wi-Fi在各国有不同的频谱指配(范围)。相比802.11中2.4GHz的工作带宽实际为2.4GHz-2.4835GHz(频谱83.5MHz),WiGig为60GHz-67GHz(频谱7GHz)。WiGig的频谱7GHz按照2.16GHz的宽度被划分为四个通道，每个通道宽度差不多是当前802.11n通道宽度的50倍。通道宽度的大幅提升给快速传输带来众多好处，比如可以传输未经压缩的视频文件。

4.1 模块化/编码方案

WiGig支持两种模块化和编码方案,它们分别提供不同的好处：
– 正交频分复用(OFDM, Orthogonal frequency-division multiplexing)正交频分复用，具有高速率资料传输的能力(最高可达7Gbps)，而且能有效对抗频率选择性衰减。
– 单载波(SC，Single Carrie)工作模式消耗较少的电力，适合在一些低功耗的手持设备上应用。这种方案支持的最大传输速率为4.6Gbps。

这两种不同的方案共享一般性的元素(诸如前导符(Preamble)和信道编码(Channel Coding),从而减少了量产WiGig时的配置复杂性。

5.介质访问控制层

WiGig的介质访问控制层(MAC)包括许多新特性，比如支持高级使用模式，较好兼容Wi-Fi网络，减少电能消耗和提供强大的安全保护。

WiGig波束赋形(Beamforming)

虽然使用60GHz的载波频宽使得传输变得更为快速，但是也带来了新的问题:相比Wi-Fi(2.4GHz和5GHz)，高载波频宽将面临更多的信号丢失。WiGig使用自适应波束赋形(ABF, Adaptive Beamforming)技术来解决这个问题。自适应波束赋形(ABF)将信号能量聚集为一个很窄的波束，提高了天线传播效率和无线链路的可靠性和频率的重复使用率，可以在大于10米范围内保证数据的快速稳定传输。WiGig在物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)定义了对自适应波束赋形的支持。在波束赋形过程中，两个设备首先生成链接，然后根据需要传输的数据容量自动调节天线，从而获得较好的直接传输性能。另一个重要的好处是如果有障碍物在两个正在传输的设备中间(比如有人走动)，这些设备将很快生产新的链接路径，比如利用周围墙壁进行反射传播。

5.1 网络架构

WiGig的网络架构允许两个设备直接通讯，比如快速同步和将影音文件传送到投影仪或者电视上。另外，WiGig还支持目前流行的802.11网络架构，其中包括对Wi-Fi共享接入点的支持。

5.2 不同载波频宽操作的无缝切换

从高频的60GHz到较低的Wi-Fi(2.4GHz/5GHz)，一个通讯会话能在不同的波载频宽中无缝的切换。比如当WiGig连接不可用时，设备仍然可以在低频的2.4GHz/5GHz下保持通讯。这项特性大大增强了用户体验，他们不会碰到因为无线环境改变而导致通讯中断的情况。用户将总是享有性能最好的无线网络连接：当WiGig可用时，将自动切换到60GHz下运行；当WiGig不可用时，用户还可以使用现有的Wi-Fi进行访问。

5.3 电源管理

WiGig设备采用了一个新型的调度访问模式去降低电能消耗。通讯中的设备可以根据当前工作负载更为精确地管理电源，决定当前的运行模式(进入睡眠模式节省电能)。在移动电话或其他手持式电池驱动设备中，上述电源管理显得尤为重要。

5.4 高度的安全性

WiGig基于IEEE 802.11强大的安全机制，使用基于AES加密算法的GCM(Galois/Counter Mode，)操作模式，保证数据的高安全性。为了提高性能和效率，GCM模式专为支持10Gbps以上速率通信所设计，可以在硬件上直接配置提高性能和效率。

6. 协议适配层(PALs)

协议适配层使得计算机的无线组件和消费级电子端口在60GHz WiGig网络中工作成为可能。因为WiGig在物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)直接进行定义，所以在协议适配层能有较高的执行效率，从而得到更好的工作性能和降低了电能消耗。主要的定义如下:

影音(A/V)

影音协议适配层允许无线传输影音文件。例如从一台计算机或数码相机中向电视或投影仪中进行传输电影。协议适配层支持HDMI和显卡的端口中的无线组件，以及使用高带宽数字内容保护(HDCP)方案保护数据在这些端口上的传输。它支持压缩和未经压缩的视频传输模式。

输入/输出(I/O)

I/O协议适配层定义了计算机接口在超过60GHz工作频率模式下的高性能无线组件。定义中包括了对USB和对PCIe的两个部分。USB通常用于扩展设备和主机的连接；USB协议适配层允许在USB设备之间进行多千兆位的无线连接，并且促进了类似于USB扩展坞内产品的开发。PCIe通常是指在计算机内部将CPU和内存连接到I/O控制器，I/O控制器管理着存储，网卡设备和其他的接口。PCIe还直接连接到媒体和显示处理器，提高图像的质量或降低CPU的负载。WiGig协议配置层PCIe的定义使显示设备、存储和其它高速设备之间的无线数据同步成为可能。

7.应用模型

8.小结

WiGig使用60GHz的载波频宽，并且可以提供最快7Gbps的传输速率。WiGig基于802.11标准，支持超过60GHz的Wi-Fi。在性能优先的条件下，可以无缝地在各频宽中切换工作。WiGig联盟在协议配置层对A/V和I/O进行了定义，促进了诸如无线扩展坞，高速同步和无线高清显示等高级应用功能的发展。

WiGig规范的发布，使制造商们能生产出全球标准化产品。这个规范适用于遵循免版税条款开发下一代无线产品的WiGig联盟会员。如要获取更多信息，或希望成为WiGig联盟会员，请访问www.wigig.org。