Миллиметровые волны раздвинут границы будущего беспроводных технологий. Часть 1

Современные технологии, наконец, сделали миллиметровые волны пригодными для практического использования, позволив беспроводным средствам связи продолжить развитие прежде, чем был исчерпан доступный спектр

Миллиметровый диапазон занимает спектр частот от 30 до 300 ГГц. Он находится между СВЧ (от 1 до 30 ГГц) и инфракрасным диапазоном, который иногда также называется областью крайне высоких частот (КВЧ). Длина волны (λ) находится в диапазоне от 1 до 10 мм. Когда-то эта часть спектра, по существу, не использовалась, просто потому, что электронных компонентов, способных генерировать или принимать миллиметровые волны, было очень мало, а может быть, и не было вовсе.

Но за последние примерно десять лет все изменилось. Миллиметровые волны теперь практичны и доступны для использования, им находят все больше новых областей применения. Самое полезное заключается в том, что они «разгрузили» нижние частоты и реально расширили границы возможностей средств беспроводных коммуникаций (см. Таблицу 1). Если мы станем увеличивать частоту еще больше, то уже начнем использовать свет.

Таблица 1.	Диапазоны сантиметровых и миллиметровых волн
Обозначение Диапазон частот L 1 … 2 S 2 … 4 C 4 … 8 X 8 … 12 Ku 12 … 18 K 18 … 26.5 Ka 26.5 … 40 Q 30 … 50 U 40 … 60 V 50 … 75 E 60 … 90 W 75 … 110 F 90 … 140 D 110 … 170

Доводы за и против

Миллиметровые волны расширяют пригодный для использования спектр. Сегодня диапазон от постоянного тока до СВЧ (30 ГГц) почти израсходован. Правительственные учреждения всего мира заняли все «хорошие» части спектра, и уже наблюдаются его нехватка и связанные с этим конфликты. Развитие услуг сотовой связи, использующих технологии 4G, вроде LTE, зависит от доступности необходимой части спектра. И проблема в том, что ее недостаточно.

В результате спектр стал похож на элитную недвижимость – он стал дорогим. И выражение «location, location, location», которое в английском языке говорит о важности местоположения жилья при его выборе, становится применимым для спектра. Миллиметровые волны частично решили проблему, предоставив больше возможностей для расширения. Теперь можно взять всю используемую полосу частот от постоянного тока до СВЧ и поместить ее в нижнюю часть миллиметровой области, при этом в запасе еще останется 240 ГГц.

Миллиметровые волны также позволяют передавать цифровые данные с более высокой скоростью. Сейчас скорость передачи по беспроводным каналам в СВЧ диапазоне и ниже ограничена 1 Гб/с. В миллиметровом диапазоне она может достигать 10 Гб/с и более.

Плохая новость заключается в том, что хотя эта часть спектра расширяет возможности, она не может использоваться для всех типов беспроводных приложений. У нее есть свои ограничения. Преодоление этих недостатков было главной задачей на пути к тому, чтобы сделать миллиметровые волны практичными и пригодными для использования. И это время настало.

Одним из основных препятствий на пути к использованию миллиметровых волн является ограниченная дальность их распространения. Законы физики говорят, чем короче длина волны, тем меньше дальность передачи при заданной мощности. При разумных уровнях мощности во многих случаях это ограничение не позволяет увеличивать расстояние более, чем до 10 м.

Потери в свободном пространстве (в дБ) рассчитываются по следующей формуле:

L = 92.4 + 20log(f) + 20log(R)

Здесь

R – расстояние между передающей и приемной антеннами в пределах прямой видимости, выраженное в км,
f – частота в ГГц.

Например, потери на расстоянии 10 м при частоте 60 ГГц составят:

L = 92.4 + 35.6 – 40 = 88 дБ

Разработчики могут уменьшить эти потери за счет лучшей чувствительности приемника, высокой мощности передатчика и большего коэффициента усиления антенны.
Кроме того, миллиметровые волны поглощаются атмосферой, что также ограничивает дальность их распространения. Дождь, туман и любая влага в воздухе очень сильно увеличивают затухание сигала, сокращая расстояние передачи. Поглощение радиоволн кислородом (O₂) особенно велико на частоте 60 ГГц (Рисунок 1). Поглощающая способность воды (H₂O) максимальна при других значениях. Выбор частот, соответствующих гладким участкам кривой, позволяет минимизировать потери. Кроме того, антенные решетки с высоким усилением могут повысить эффективную мощность излучения, значительно увеличив дальность связи.

Рисунок 1.	Построенный в логарифмическом масштабе график зависимости от частоты величины затухания сигнала, распространяющегося на уровне моря при температуре 20°, показывает значительное поглощение кислородом (в области 60 ГГц) и водой (другие пики).

На самом деле, небольшая дальность распространения может быть преимуществом. Например, это снижает помехи от других близлежащих радиостанций. Способствуют уменьшению помех и антенны с большим усилением, характеризующиеся высокой направленностью. Такие антенны с узкой диаграммой направленности увеличивают мощность и дальность передачи. Кроме того, они обеспечивают защиту от перехвата сигналов.

Еще одним преимуществом являются малые размеры оборудования, работающего на миллиметровых волнах. Микросхемы всегда позволяли создавать миниатюрные устройства, а в миллиметровом диапазоне и сами антенны можно уменьшить до размеров микросхемы. Обычный полуволновый вибратор, предназначенный для работы на частоте 900 МГц, имеет длину 15 см, но полуволновая антенна для частоты 60 ГГц, может иметь длину всего 2.5 мм в свободном пространстве, или даже меньше, если будет изготовлена на диэлектрической подложке. Это означает, что вся конструкция радио, включая антенну, может быть очень компактной. На подложке микросхемы несложно создать фазированную антенную решетку с большим количеством элементов, которая будет способна направлять и фокусировать энергию для увеличения коэффициента усиления, мощности и расстояния передачи.

Непростой задачей является также создание схем, способных работать на частотах миллиметрового диапазона. Но благодаря таким полупроводниковым материалам, как германид кремния (SiGe), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и нитрид галлия (GaN), а также новым технологическим процессам, изготовление транзисторов субмикронного размера, работающих на таких частотах, вполне возможно.

Области применения

Передача видеосигналов требует огромной пропускной способности и, соответственно, высочайшей скорости передачи данных. Для трансляции видео высокой четкости формата 1080p требуется скорость во много гигабит в секунду. Если же до передачи использовать сжатие сигнала, то скорость может быть снижена. В этом случае будет достаточно нескольких сотен Мб/с, но пострадает качество изображения.

Сжатие всегда ухудшает качество, но зато позволяет использовать для передачи такие доступные беспроводные стандарты, как Wi-Fi 802.11n. Пропускная способность стандарта 802.11ac, которому выделена полоса 5 ГГц, существенно выше, и теперь обеспечивает гигабитные скорости передачи данных. Технологии миллиметровых волн делают гигабитные скорости обычными и сравнительно легко достижимыми, что позволяет говорить о передаче несжатого видео, как о реальности.

Распространенные приложения включают в себя передачу видеосигнала от ресивера цифрового ТВ к телевизору HDTV, передачу между DVD-плеером и телевизором или от игровой приставки к телевизору. Видео также может быть отправлено с ПК или ноутбука на монитор или док-станцию. Сегодня также популярна передача сигналов с ноутбуков или планшетов на телевизоры HDTV. Среди других приложений можно упомянуть беспроводные проекторы высокой четкости и беспроводные видеокамеры. Технологии миллиметровых волн позволяют организовать передачу данных по беспроводному каналу, используя протоколы таких популярных видеоинтерфейсов, как HDMI 1.3 или DisplayPort 1.2. Технология применима также и к беспроводной версии PCI Express.

В настоящее время наблюдается интерес к внедрению беспроводной версии USB 3.0. Этот интерфейс начинает занимать ведущее место не только в ПК и планшетах, но и в телевизорах и других потребительских устройствах. Согласно спецификации USB 3.0, максимальная скорость передачи данных составляет 5 Гб/с; в реальных приложениях достигается 80% от этого значения. Прорабатывается также версия USB, работающая со скоростью 10 Гб/с. Согласитесь, как неплохо иметь USB-адаптер миллиметрового диапазона, способный обеспечить такие скорости.

Из других областей применения оборудования миллиметрового диапазона можно отметить концентраторы беспроводных базовых станций, РЛС ближнего действия и сканеры в аэропортах. Интересной сферой применения потенциально могут быть беспроводные соединения «плата-плата» или «микросхема-микросхема». На частотах миллиметрового диапазона кабели, разъемы и даже короткие дорожки печатной платы являются источниками ослабления сигнала. Организация короткой (несколько дюймов или меньше) беспроводной связи решает эту проблему.

Сейчас много внимания привлекает нелицензируемый ISM-диапазон (диапазон для промышленных, научных и медицинских устройств), занимающий частоты от 57 до 64 ГГц. Он уже используется для беспроводных концентраторов, а в дальнейшем ожидается его более широкое использование. Предполагается, что этот диапазон будет востребован также стандартами беспроводной связи малой дальности IEEE 802.11ad и WirelessHD.

IEEE 802.11ad WiGig

Обозначение 802.11ad является расширением введенного IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) популярного семейства стандартов беспроводных локальных сетей 802.11, известных как WiFi. Версия 11ad предназначена для 60-гигагерцового диапазона. Она совместима со всеми предыдущими версиями, включая 11a/b/g/n/ac, поскольку уровни управления доступом к среде (MAC) у них схожи. 11ad также известна под коммерческим названием WiGig. Альянс Wireless Gigabit (WiGig) Alliance поддерживает и продвигает 11ad и недавно объявил о планах по консолидации Wi-Fi Alliance под брендом Wi-Fi Alliance.

WiGig использует нелицензируемый 60-гигагерцовый ISM-диапазон с полосой частот от 57 до 64 ГГц, разделенный на четыре участка по 2.16 ГГц. Основная схема модуляции, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM), может обеспечить скорость передачи данных до 7 Гб/с, что делает эту беспроводную технологию одной из самых высокоскоростных. Стандарт также определяет режим с одной несущей, который потребляет меньше энергии и лучше подходит для некоторых портативных устройств. Режим с одной несущей может обеспечить скорость до 4.6 Гб/с. На обеих скоростях можно передавать несжатое видео. Также спецификация WiGig предусматривает средства обеспечения безопасности посредством использования алгоритма шифрования AES.

На частоте 60 ГГц, благодаря небольшим размерам, для усиления сигнала и увеличения дистанции передачи обычно используются направленные антенны. Типичная максимальная дальность связи составляет 10 м. В изделиях WiGig используются антенные решетки, обеспечивающие управление формой луча. Такое адаптивное формирование диаграммы направленности позволяет отслеживать путь луча между передатчиком и приемником, чтобы избежать препятствий и максимально увеличить скорость, даже при изменении окружающих условий.

Одной интересной особенностью стандарта является использование уровня адаптации протокола (Protocol Adaptation Layer – PAL). Эта программная структура взаимодействует с MAC-уровнем и позволяет осуществить упрощенную беспроводную реализацию других высокоскоростных стандартных интерфейсов, подобных USB, HDMI, DisplayPort и PCI Express.

Рисунок 2.	Сочетание микросхемы стандарта 802.11n компании Qualcomm Atheros и трансивера диапазона 60 ГГц компании Wilocity образует трехдиапазонный модуль, который может использоваться в горячих точках доступа, роутерах и других устройствах беспроводных сетей.

Компания Wilocity, основной производитель радиоустройств WiGig, выпускает однокристальные трансиверы диапазона 60 ГГц. Чаще всего они используются в сочетании со стандартными решениями 802.11n. Например, такую микросхему Qualcomm Atheros устанавливает на одной плате со своим трансивером AR9642 стандарта 802.11n, в итоге получается модуль, способный работать в трех основных диапазонах Wi-Fi – 2.4, 5 и 60 ГГц (Рисунок 2). У Wilocity также имеется договоренность об использовании своих устройств в Wi-Fi трансиверах компании Marvell. Сегодня в беспроводных локальных сетях, роутерах и горячих точках доступа все чаще используются три диапазона, одним из которых может быть диапазон стандарта 11ac.