为工业应用引入60GHz无线技术

引言

无线互连的应用越来越广泛。这个趋势在消费电子领域中最为明显，在过去的十年里，手机和平板电脑市场快速推动了对于各类无线标准的采用。全球范围内Wi-Fi热点的数量已经超过1.75亿，预计将在2018年[1]达到3.3亿。支持蓝牙的产品总数也有所提升，在2014年-2018年[2]期间支持蓝牙的音频设备数量将获得400%的增长。大多数无线技术使用相同的2.4GHz和5GHz频段，而这两个频段正变得日益拥挤。2015年[3]智能手机订购量估计为34亿，每一台手机都意味着更多的数据需求，不断将移动手机网络和授权频段的资源推向极限。

最近几年兴起了一种新的解决方案，能够解决现有频段面临的资源紧张问题，还能打破现有无线解决方案的各种限制。在毫米波(30 GHz - 300 GHz)频段中，60 GHz频段因最具潜力脱颖而出。该频段在许多地区是免授权的，所以对于很多应用来说采用该频段是很方便的。这为一系列集成千兆级收发器的全新设备的出现提供了可能性，相比目前已然十分拥挤的2.4GHz和5GHz频段能够提供海量的带宽。

很多应用都能从60 GHz技术中获益。在数据传输领域，60 GHz技术正被用于取代现有的Wi-Fi应用，实现高达4.6Gbps的数据传输速率，比现有的802.11ac[4]标准快5倍。WirelessHD?标准能够实现消费电子设备间的视频流传输。制造商已经开始为笔记本电脑、智能手机、数字电视、视频投影仪以及虚拟现实头盔添加WirelessHD支持，预计移动应用、家庭影院以及其他计算设备领域也将采用WirelessHD。其他领域也已开始发展60 GHz技术，包括办公楼宇与校园使用的无线回程应用依托60 GHz数据传输应用快速、便捷地构建楼宇和无线连接器之间互连，实现更加轻薄和稳定的设备。但是对于更高的无线宽度以及高速高清视频传输的需求不仅限于消费电子领域。工业领域亦可从毫米波技术中获益。本文为读者提供60 GHz技术概览，不仅涵盖现有的消费电子应用，还会对横跨多个不同工业领域的毫米波技术潜在应用进行探索。

60 GHz无线技术概览

包括美国FCC在内的监管机构已经为各行业划定了免授权频段。60 GHz频段拥有超过7 GHz的带宽[5]。相较于5GHz频段，它能提供超过20倍的带宽资源。

60 GHz频段频谱范围宽，能够提供千兆级的网络容量，并且该频段还具备多个关键的传播和衰减特性，全新的高性能无线解决方案可从中获益。

2.4GHz和 5GHz频段适用于中程传输，是Wi-Fi等本地网络架构的理想选择。60 GHz频段上的信号传播距离相对更短，在穿过空气和固体结构时会发生衰减，因此是短程应用的理想选择。为了充分利用60 GHz频段的优势，需要用到相控阵天线、定向度高的波束以及波束控制技术。莱迪思半导体提供基于SiBEAM技术，领先业界并已经量产的射频收发器，采用标准CMOS IC制造和封装技术。

应用

毫米波技术的特性是需要天线在一定的范围转向以对准目标，按照不同的范围可划分不同类型的应用。为了对相关技术进行演示说明，我们划分了三个应用类型：10毫米、1-10米和100米及以上。

[10毫米] 无线连接器

在极短的距离内(通常是10毫米左右)，60 GHz技术能够被用作线缆的高效替代方案。特别设计的无线发送器和接收器IC可用于在短距离内以极高的速率传输数据，从而取代有线连接。

60 GHz技术还可用于物理接口的替代解决方案。对于那些对设备耐用性有要求的应用来说是非常有用的，因为它消除了物理接口，而后者正是电子设备的常见故障点之一，是水、尘土以及其他能够对电子设备造成危害的颗粒的主要入口之一。除了故障率之外，有些专用接口，比如说将可拆卸的平板式笔记本电脑连接到底座设备或是传统的笔记本型底座的接口，相比标准化的连接器往往需要明显更多的开发和实现成本。

[1-10米] 无线数据/音频

在中等距离应用(1-10米)领域，60 GHz技术能够作为Wi-Fi等现有无线应用的高速替代解决方案，以及用于实现无线视频的线缆替代解决方案。

802.11ad是由IEEE定义的60 GHz数据传输标准，IEEE还定义了802.11a、802.11b、802.11n以及802.11ac等Wi-Fi标准。Qualcomm等业内主要厂商正在将802.11ad集成到其产品[6]中，通过这项技术为用户实现超快的视频和数据传输。

60 GHz技术特别适合无线线缆替代解决方案。高带宽、低延迟、点到点架构以及室内传输特性使其成为室内线缆的理想替代解决方案。该技术可在家庭影院系统(图1)中发挥作用，实现高清视频传输。该技术使得消费者能够随意灵活地放置视频内容输出设备与电视荧幕，为消费者提供极大的便利性。WirelessHD标准正在崭露头角，作为高质量视频传输领域的领先技术，它充分利用了60 GHz频段的特性，实现卓越的无线用户体验。



图1 – 使用60 GHz技术的可靠的无线高清视频传输应用

[100米+] 千兆级室外无线链路

毫米波技术在未来的无线回程基础设施应用中也能够发挥重要作用，适用于下一代5G移动通信基础设施、固定接入回程扩展以及校园内的点对点链路等，60 GHz通道的无线容量以及高度优化的射频链路可实现理想的“无线光纤”，用于替代现有的光纤回程应用(图2)。



图2 - 60 GHz无线光纤使用案例

目前市场上有多种方案在互相竞争，但大多数系统目前是基于IEEE 802.11ad标准实现的。除了之前提到的室内应用之外，对于现有802.11标准的修订涵盖了使用60 GHz毫米波频段支持长距离链路(长达500米)应用。它使用为10米室互连开发的同一波束控制技术，以支持接入点连接和室外回程链路等其他应用。

工业应用

60 GHz技术为消费电子领域带来的大量机遇已经显而易见，并且该领域的技术开发将继续迅猛发展。随着60 GHz解决方案在消费电子市场上不断推广，工业领域的制造商们也正在探索如何使用该技术。对于许多工业应用来说，也能像消费电子领域中的许多应用一样从60 GHz技术中获益，制造商可凭借毫米波技术消除线缆，并提升机动性和灵活性。不仅如此，许多全新的应用领域，如使用毫米波技术实现目标侦测或手势识别等，已然在工业领域引起了关注。

机械视觉

工业机械视觉系统主要用于检查或引导机器人制造产品[7]。它们是现代工厂中必不可少的工具，在各个工业领域协助制造高质量、精准的产品，涉及到电子产品、制造业以及最前沿的服装生产。机械视觉包含3个基本要素：图像捕捉器(类似于摄像头，图像传感器捕捉原始数据)，分析数据的计算机或处理器以及互连链路。现在的机械视觉图像捕捉器支持的分辨率越来越高，通常通过多芯线缆连接到计算机然后进行图像处理。

目前需要使用多种标准通过线缆进行数据传输。然而，有线解决方案面临着诸多限制。对于机器人引导应用来说，线缆会影响到行动，需要对图像捕捉器和线缆进行仔细的规划和布置。此外，标准的线缆长度(常常是5-30米，除非使用昂贵的光纤)是一个很大的缺点，特别是考虑到线缆要穿过工业机械和很多障碍物的情况，这意味着计算机需要离工厂区域很近。由于计算机和线缆需要管理，这就带来了很多障碍，而且计算机暴露在恶劣的工业环境中，可能导致寿命缩短。

传统的无线解决方案并不是替代线缆的理想选择，因为它们的延迟很高而且需要对图像进行压缩。使用无线解决方案带来的任何延迟都将提升制造时间和成本，因为生产线要降低速度以适应计算机所需的处理器时间。同时，对于图像的压缩则会增加计算机解析捕捉到的图像的难度。

凭借60 GHz无线解决方案，一个或多个图像捕捉器能够被安装在机器上，无需视频线缆。这些图像捕捉器能够直接传输数据到计算机或连接到无线链路从而连接到控制中心。无线视频可实现机器人自由移动，帮助工厂区域减少隐患，便于设置新的设备，而且计算机也能从工厂区域移至更加受控的环境中。最近几年里对于机械视觉的需求大幅增长，60 GHz技术致力于为当今复杂的工作区域中的系统提供最大的灵活性和便利性。

监控

工业监控是另一个毫米波技术能够发挥作用的领域。许多办公室、工厂、制造设施中的监控系统已经过时了，只能提供较低的图像分辨率。对这些系统进行升级通常需要重新安装现有的线缆以匹配全新的设备，往往会带来几百万美元的开销。WirelessHD能够大幅简化翻新这些设施的过程，只要接入旧系统中的现有电网即可将质量更高的视频无线传输至附近的接收站。

医疗

医疗应用也能从60 GHz技术中大大获益。数字成像对于医生来说是一个关键的诊断工具，特别是在手术室中，质量更高的图像能够提升精度，为病人提供更精确和有效的治疗。不过，将一整套计算机设备塞进手术室里带来了无数的问题，最小的问题也将是一大堆很难进行消毒的线缆，很可能导致安全隐患。毫米波技术能够提供帮助，举个例子，它能够将来自显微摄像头的实时视频无线传输至附近的监视器，或是直接传输至外科医生护目镜中安装的头戴式显示屏中。这可确保无菌室的环境，减少安装新设备时的辛苦工作。

60 GHz技术在手术室中另一个潜在的创新领域是实现手势控制。毫米波手势识别能够侦测和读取手指的移动轨迹，相比现有的红外摄像技术更加精确，后者在多变的光照环境下工作起来很有难度，将大大影响精度。可靠的手势控制可取代机器上的按钮，使得设备消毒起来更方便。

总结

60 GHz技术在全球无线互连领域是炙手可热的新方向。除了当今市场上精彩夺目的各类消费电子产品，还有大量基于毫米波技术的工业应用。60 GHz技术的突出优势，如低延迟、高带宽和最小化的接口，使其成为众多工业应用的理想选择，前景一片光明。