60GHz技术起伏

60GHz技术在2008年左右异军突起,成为半导体业界冉冉升起的新星。当时摩尔定律处于65nm这个对于射频和模拟电路设计非常友好的节点(直到今天仍然有不少射频模拟电路芯片在使用65nm工艺),射频电路的性能相对上一代90nm工艺有很大提升;从产品上看,正值射频电路3G方兴未艾,4G技术万事俱备只等正式发布的状态,因此整个业界对于射频电路的前景抱有非常乐观的态度。当时传统的2GHz及以下的频段看上去已经很拥挤,于是射频业界瞄准了少有人使用的毫米波频段成为下一个开发目标。

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当然毫米波频段也不是可以随意挑选,因为许多毫米波频段已经被军方挑走了,民间无法使用。这时,60 GHz频段就进入了各大公司的视野。60 GHz频段包括57~66 GHz,是一个免授权ISM(industrial, scientific and medical,工业、科学研究和医学)频段,因此无需从政府那边购买频谱资源即可使用。另外,60 GHz频段的频宽高达9 GHz,包含了4个2.16 GHz的超宽频段,即使使用简单的调制方式(如QPSK)也能实现大于1Gbit/s的超高速(以2008年的标准)。

学界诸多大咖,例如UC Berkeley的Ali Niknejad,UCLA的Frank Chang和Behzad Razavi,当时还在TU Delft的John Long等在ISSCC,RFIC,JSSC之类的顶级期刊上灌60GHz的paper灌得不亦乐乎。2007年起,WiGig组织开始研究使用60 GHz频段的超高速无线电标准,并于2009年正式发布了802.11ad。几乎与此同时,SiBeam(后来于2011年被Silicon Image收购)也发布了与802.11ad竞争的WirelessHD标准,想要用60 GHz频段无线传递高清影片。

毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大,且绕射能力较弱。 60GHz正好是氧气的共振频率,因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快。60GHz衰减大有好有坏,好处是60GHz系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号(因为不同终端间的干扰信号衰减很大),只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。

但是,衰减大也有一个很大的问题,就是用60GHz实现信号穿墙基本是不可能。 因此,普通人的家里如果要使用60GHz频段做超高速无线局域网,则每个房间都必须部署一台路由器,这成为了60GHz局域网普及的一个问题。而且,支持802.11ad的路由器价格还很贵,加上一次必须部署多个路由器,这极大地增加了60GHz局域网普及的成本。

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不同频率电磁波在空气中的衰减,60 GHz正处于氧气的谐振峰上,因此衰减很大

012ednc20170712 支持802.11ad 60GHz频段的路由器,售价高达450美金

更关键的是,60GHz普及遇到的更大问题是还没有杀手级应用。哪些局域网应用真的需要如此高速的无线连接?就常规文件传输而言,通常家庭和商务应用并不会用到802.11ad那么高的传输速率,而真正需要如此高速率的场合(如服务器节点间的高速数据传输)又不一定会用到无线,因为无线传输毕竟稳定性不如有线。之前WiGig和WirelessHD联盟想到的应用都是无线超高清视频影音传输,然而市场证明目前这还只是个伪需求,并没有多少消费者会为它买单。

于是,60GHz在各大电子产品展以及学术会议风光了几年后,渐渐偃旗息鼓。昔日的60GHz急先锋SiBeam和Wilowcity分别被Silicon Image和Qualcomm收购,之后的就不再有大新闻。

60GHz 新应用:无线VR设备

最近,VR应用吸引了无数人的关注。VR可以实现全浸入式的体验,可望带来人机交互革命性的进步,同时也为游戏、电影等娱乐应用带来全新体验。

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目前的VR头盔需要超高速数据连接以传输高清图像,因此常用HDMI等高速有线连接协议。然而,头盔上拖着线毕竟会拖累VR设备的体验,会缩小VR头盔使用者的活动范围。因此,如果能使用无线的高速连接可以大大改善VR设备的使用体验。另外,由于VR头盔是点对点连接,而且目前尚不用考虑穿墙的问题(毕竟有线连接也做不到穿墙),因此60GHz频段的超高速连接就是一个很好的选择。

在VR设备上使用60GHz连接方面,Intel是业内的先驱。去年,Intel就发布了Oculus的改装版本,其中去掉了有线数据连接线缆并使用60GHz 802.11ad无线模块替代。今年,在不久前刚结束的E3游戏博览会上,Intel更是和hTC合作,宣布将会一起开发使用60 GHz模块无线连接的VIVE设备。

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就目前的性能而言,Intel的60GHz模块会给VR头盔增加16ms左右的延迟,在目前部分对实时性要求不高的游戏(如minecraft)中尚可以接受,但是这也成为了限制60GHz在VR上应用的一个瓶颈。在未来的VR游戏,尤其是动作射击游戏中,16ms的额外延迟会导致游戏体验变差(射击游戏爱好者一定对此深有体会)。

另外,VR设备需要对于佩戴者的动作作出实时反馈,额外的延时会使得玩家在做出的动作以及VR设备的反馈间延迟变大,导致VR设备佩戴者产生头晕等问题。因此,VR硬件乃至游戏设计者都必须合理权衡无线连接带来的活动性以及延迟之间的平衡。从无线连接模块设计的角度来说,如何简化协议,降低延迟也是一个关键。目前来看,16ms的额外延迟还是有不少空间可以进一步降低,从而提升无线VR设备的使用体验。

另外,VR设备如果需要实现真正无线,还必须考虑供电问题。使用超大容量电池供电会导致设备重量变大,因此必须考虑无线充电方案,例如让VR设备在靠近主机时充电并使用主电源供电,而远离主机时使用电池供电之类的方案。可以说在VR系统中,仍然有许多技术空白等待半导体厂商去开拓。

无接触式连接技术:Keyssa

除了VR之外,另一个60GHz发挥的空间是无接触连接。目前,许多电子产品之间的高速连接仍然依赖于实体线缆,然而实体线缆在不少应用场合存在着问题。在工业和军事应用中,数据互联需要在很大的温度范围以内正常工作并且容忍外界的震动,而这对于传统的物理线缆并不容易,往往模块间以为震动会导致线缆断裂不再工作。

在消费电子领域,物理线缆则会造成设计不够美观,另外线缆外层腐蚀也可能造成可靠性问题。使用基于60GHz的无线无接触式(contactless)互联则可解决这一问题,因为数据链路使用的是无线传输而非线缆,因此不存在线缆断裂的问题,即使模块间发生外力位移导致连接暂时中断,一旦恢复到原来的位置,就能继续数据传输,从而确保稳定性。目前,无接触式连接已经用在了显示器dock上,未来将会找到更多应用。

60GHz无接触互联的主力推广者是Keyssa。2009年,UCLA电子工程系的Frank Chang教授把实验室的60Ghz技术商业化成立了Waveconnex,Waveconnex即是Keyssa的前身。目前Keyssa以获得了多轮融资,投资者包括Dolby,Intel,Samsung等。

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结语

60GHz技术在经历了初期的火热以及后来的调整后,目前正走在寻找正确应用的道路上。VR和无接触连接都是非常有机会的应用可以让60GHz技术扬长避短,而在之后我们可望看到更多这样的应用从而让60GHz技术真正落地大规模商用化。

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