WirelessHD
Стандарт WirelessHD основан на 60-гигагерцовой технологии, разработанной компанией SiBEAM, приобретенной Silicon Image в 2011 году. Исходная спецификация стала называться WirelessHD. Этот стандарт поддерживается и продвигается консорциумом WirelessHD, специальной группой, включающей в себя десятки компаний, выпускающих полупроводниковую и потребительскую электронику.
Последняя спецификация WirelessHD под номером 1.1 позволяет передавать несжатое видео (и сопутствующее аудио) формата 1080p в 24-битном цвете при частоте обновления кадров 60 Гц. Также можно передавать сжатое видео во всех форматах EIA 861. Максимальная скорость передачи данных превышает 3 Гб/с, но в особых условиях возможны скорости от 10 до 28 Гб/с. При этом используется нелицензируемый диапазон частот от 57 до 64 ГГц, который доступен в США. Поддиапазоны также доступны в Японии и Южной Корее, а в скором будущем и в Евросоюзе.
Ключевой частью спецификации является технология адаптивной антенной решетки (Smart Antenna), включающая в себя функции формирования диаграммы направленности и слежения за лучом. Это позволяет передавать сигналы вне пределов прямой видимости, чтобы исключить влияние препятствий и увеличить дальность связи. Функция формирования луча использует фазированную антенную решетку, обеспечивающую очень высокий коэффициент усиления. При этом максимальное значение эффективной изотропно-излучаемой мощности (EIRP) может достигать 10 Вт, что увеличивает расстояние передачи WirelessHD до 10 м. Функция слежения за лучом позволяет передатчику и приемнику оставаться на одной линии при перемещении самого оборудования или появлении и исчезновении препятствий.
WirelessHD определяет режим с высокой скоростью и режим с низкой скоростью передачи данных. Оба режима используют OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Для высокоскоростного режима выделяется полоса 1.76 ГГц, находящаяся внутри одной из четырех неперекрывающихся полос шириной 2.16 ГГц в диапазоне 57 … 64 ГГц. Она включает в себя 512 поднесущих шириной 4.957 МГц, из которых 336 предназначены для данных. Для модуляции может применяться квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) или 16-уровневая квадратурная амплитудная манипуляция (16QAM). Скорость при использовании QPSK составляет 1.9 Гб/с, а при 16QAM – 3.8 Гб/с. Низкоскоростной режим использует OFDM со 128 поднесущими с полосой 92 МГц. Скорость передачи данных при двоичной фазовой манипуляции (BPSK) может варьироваться от 2.5 до 40 Мб/с, в зависимости от скорости кодирования и способов формирования луча.
Компания Silicon Image, разработавшая такие стандарты видеоинтерфейса, как HDMI, MHL и DVI, выпускает радиоустройства WirelessHD. Она выдает лицензии на технологию и поставляет микросхемы для этих интерфейсов. Ее однокристальный приемопередатчик UltraGig 6400 содержит встроенный модуль формирования луча и управляемую антенную решетку, а также все средства обработки сигнала (Рисунок 3). Благодаря малым размерам (10 × 7 мм) этот приемопередатчик можно установить в ноутбук или планшет, чтобы передавать видео на стоящий неподалеку экран HDTV с помощью адаптера WirelessHD. Задержка составляет менее 5 мс, а энергопотребление равно 500 мВт.
 |
|
| Рисунок 3. | 60-гигагерцовый трансивер UltraGig 6400 компании Silicon Image достаточно компактен для установки в современные смартфоны. |
Стандарты WiGig и WirelessHD схожи друг с другом по техническим особенностям, функциональности и предназначению. Передача видеосигнала является основной областью их применения. Оба стандарта предлагают гигабитные скорости передачи с управляемыми антенными решетками и функциями формирования луча, обеспечивающими максимальную дальность до 10 метров.
Основное предпочтение отдается стандарту WiGig из-за поддержки PAL, который позволяет адаптировать этот стандарт к множеству других интерфейсов. WiGig также совместим с другими стандартами 802.11, что дает возможность организовать в нескольких диапазонах его совместную работу с другими устройствами. При передаче видео, кажется, ни одна из технологий преимуществ не имеет. В пользовательских видеоприложениях предпочтение отдается WirelessHD.
Разрабатывать 60-гигагерцовые приложения становится все проще благодаря созданию специализированных микросхем, например, производимых компанией Hittite Microwave Corp. Ее передатчик HMC6000LP711E и приемник HMC6001LP711E работают в ISM-диапазоне 57 … 64 ГГц. Они идеально подходят для создания устройств WiGig с модуляцией одной несущей, для передачи видео формата HD, а также для такой категории телекоммуникационного оборудования, как ретрансляторы.
Обе микросхемы поддерживают утвержденное IEEE разделение на каналы шириной 2.16 ГГц с полосой частот модуляции 1.8 ГГц. Выходная мощность передатчика равна 16 дБм. Коэффициент шума приемника составляет 7 дБ, а его управляемый коэффициент усиления может достигать 67 дБ. Передатчик и приемник имеют на кристалле интегрированные антенные решетки с усилением 7.5 дБи. Оба устройства выпускаются в 60-выводных корпусах для поверхностного монтажа размером 7 × 11 мм.
Радар-на-кристалле
Современные полупроводниковые технологии позволяют изготавливать устройства миллиметрового диапазона в виде отдельных микросхем. Уже готовы для применения в новых приложениях однокристальные радары. Радары миллиметрового диапазона в течение многих лет использовались в военной отрасли, однако в коммерческих или потребительских устройствах эта технология не была широко распространена из-за своей дороговизны. Но сегодня для однокристальных радаров на основе кремниево-германиевых биполярных транзисторов на гетеропереходах или технологии BiCMOS уже найдено множество новых областей применения.
24-гигагерцовый однокристальный радар BGT24MTR11 компании Infineon работает в ISM-диапазоне 24 … 24.25 ГГц. Приемник и передатчик размещены на одном кристалле в корпусе QFN. Устройство исключительно просто в использовании, поскольку разработчику не нужно устанавливать на плату радиочастотные согласующие элементы и заниматься расчетом высокочастотных соединений. Максимальная дальность обнаружения составляет 160 м.
BGT24MTR11 работает по принципу доплеровской РЛС с непрерывным излучением, который используется во многих приложениях, например, в измерителях уровня жидкости в резервуарах (Рисунок 4). Радар может использоваться также в системах уличного освещения, детекторах движения, дверных замках, в охранной сигнализации, полицейских скоростемерах, а также для предупреждения столкновений промышленных транспортных средств.
 |
|
| Рисунок 4. | Семейство однокристальных радаров BGT24MTxxx компании Infineon позволяет создавать более точные системы определения уровня содержимого в резервуарах или силосах, поскольку такие системы не будут «обмануты» попаданием брызг или пыли. |
Одним из ключевых преимуществ радара миллиметрового диапазона является его высокое разрешение при обнаружении малых объектов и перемещений. При определении местоположения можно добиться миллиметровой точности. Предлагаемая Infineon версия с двумя приемниками обеспечивает еще бóльшую точность обнаружения объектов в более широких углах. Что весьма неплохо для микросхемы стоимостью $16.
Наиболее обширной областью применения миллиметровых радаров, пожалуй, являются автомобильные системы безопасности, к которым относятся адаптивный круиз-контроль, системы автоматического торможения, устройства предупреждения столкновений, средства контроля «слепых» зон и предупреждения о смене ряда движения, а также детекторы задней полусферы. Эти радары работают в ISM-диапазоне 76 … 81 ГГц.
Решение компании Freescale Semiconductor для автомобильных радаров представляет собой 77-гигагерцовый чипсет, содержащий передатчик PRDTX11101 и многоканальный приемник, а также 32-разрядный микроконтроллер. Такое сочетание может использоваться в большинстве распространенных автомобильных систем с дальностью обнаружения от 20 до 200 м.
Подобные радарные системы используются в автомобилях класса люкс. Однако, как и камеры заднего вида, они постепенно проникают и в бюджетные автомобили благодаря тому, что производители и потребители начинают осознавать их преимущества для обеспечения безопасности. Например, 77-гигагерцовый радар корпорации DENSO установлен в новой Mazda 6. Его дальность и радиус обнаружения составляют 205 м и ±18°, соответственно.
Согласно недавнему исследованию, проведенному Институтом статистики дорожных происшествий (HLDI), применение систем обнаружения лобового столкновения и автоматического торможения в автомобилях Acura и Mercedes позволило сократить количество страховых случаев на 14%. Национальная администрация безопасности дорожного движения США (NHTSA) предположила, что такие радарные системы позволили бы сократить количество аварий при движении задним ходом на 15%. Пока NHTSA намечает проведение новых исследований, правительство могло бы сделать подобные системы обязательными для использования во всех автомобилях в ближайшем будущем.
Идеальный ретранслятор
Транспортная система связи, или ретранслятор, как правило, представляет собой организованную между удаленными станциями коммуникационную линию типа «точка-точка» (P2P). Линии могут быть проводными или беспроводными. Распространены как оптоволоконные, так и СВЧ линии. Базовые станции сотовых сетей подключаются к центральной коммутационной станции с помощью ретрансляторов. Хотя оптоволоконные соединения, вероятно, пока доминируют в сфере ретрансляционных систем благодаря высокой скорости передачи, радиомосты микроволнового и миллиметрового диапазонов становятся все более распространенными.
Ретрансляторы миллиметрового диапазона хорошо подходят для перехода на новые сети с малыми размерами сот. Небольшие базовые станции, называемые пикосоты, микросоты и метросоты, как предполагается, будут широко использоваться при развертывании сетей LTE 4G в районах с высокой плотностью. Похоже, что лучшим способом соединить эти соты с центральной коммутационной станцией станет применение миллиметроволновых систем связи.
Стандартными диапазонами микроволновых ретрансляторов являются 6, 11, 18, 23 и 38 ГГц. Ретрансляционное оборудование нелицензируемого диапазона 60 ГГц стоит недорого, но имеет ограниченную дальность связи из-за высокого уровня поглощения радиоволн кислородом. Также доступны некоторые ретрансляционные устройства, работающие на частоте 80 ГГц. Наиболее популярным новым миллиметровым диапазоном является E- диапазон, охватывающий полосы от 71 до 76 ГГц, от 81 до 86 ГГц и от 92 до 95 ГГц.
Правда, для работы на таких частотах в США требуется лицензия Федерального агентства по связи (FCC). Зато эти частоты лишены присущих диапазону 60 ГГц недостатков, связанных с ослаблением сигнала из-за высокого уровня осадков и других атмосферных эффектов. Передача в миллиметровых диапазонах может выполняться на очень высоких скоростях от 1 до 10 Гб/с и, в некоторых случаях, выше. Хотя дальность связи невелика, он обеспечивает превосходную конфиденциальность, безопасность и многократное использование частот. В качестве протокола был выбран Ethernet.
Модуль Siklu Etherehaul-1200T работает в E-диапазоне 71 … 76 ГГц (Рисунок 5а), обеспечивая скорость передачи данных до 1 Гб/с с использованием адаптивного кодирования и модуляции.
Компания Ceragon поставляет усовершенствованные ретрансляторы FibeAir IP-20C на любые стандартные частоты от 6 до 38 ГГц (Рисунок 5б). Гарантированная скорость передачи данных по каналу 28/30 МГц составляет 1 Гб/с, а по каналу 56 МГц – 2 Гб/с. С целью обеспечения высокой пропускной способности в FibeAir IP-20C используется модуляция 2048QAM и технология MIMO (множественный вход, множественный выход) с 4 приемными и 4 передающими антеннами.
 |
|
| Рисунок 5. | Транзитные блоки для малых сот очень компактны и монтируются на фонарных столбах или других объектах. Etherhaul 1200T компании Siklu работает в E-диапазоне от 71 до 76 ГГц и обеспечивает скорость передачи данных до 1 Гб/с (а). Модели IP-20C фирмы Ceragon работают в диапазоне от 6 до 38 ГГц (б). При использовании технологии MIMO скорость передачи данных может достигать 2 Гб/с. |
Эти и подобные им модули производства BridgeWave, DragonWave и других компаний позволяют организовать связь при меньших затратах, чем при использовании оптоволоконных соединений. Установка ретрансляционного оптоволоконного оборудования обойдется от $25,000 до $100,000 на милю, и это не учитывая того, что кабели нужно вешать на столбах или закапывать в землю. Установка микроволновых и миллиметроволновых ретрансляционных систем стоит менее $20,000 на милю и, в отличие от оптоволокна, занимает всего несколько дней, а не месяцев.
Технология 5G будет миллиметровой?
Распространение технологий сотовой связи LTE и 4G сдерживается дефицитом свободного спектра. Для LTE требуется огромная полоса частот, которой располагают только поставщики услуг связи. Стоимость покупки нового спектра высока, а его объем ограничен. Для получения спектра операторы прибегают к различным ухищрениям, чтобы увеличить потенциал сетей LTE и собственную выручку.
Одним из решений является переход на формат TD-LTE (дуплексная передача с разделением во времени), в котором используется только половина спектра FDD-LTE (дуплексная передача с частотным разделением). Однако это не входит в планы большинства поставщиков услуг. Более популярное решение – малые соты. Микросоты, пикосоты и фемтосоты представляют собой базовые станции с ограниченным диапазоном, которые устанавливаются для расширения зоны покрытия базовых станций макроуровня. Имея небольшую дальность передачи, эти малые соты позволят задействовать технологии многократного использования частот для более эффективного расходования доступного спектра.
Системы малых сот, также называемые гетерогенными сетями или HetNets, со временем могут стать основой сотовой связи пятого поколения (5G). Но это еще не все. Малые соты могут работать в миллиметровом диапазоне, что позволит получить бесценный спектр, необходимый для расширения. Недавние исследования, проведенные в Нью-йоркском университете (NYU), показали, что миллиметровый диапазон может быть задействован для организации сотовой связи.
На примере использования полос 28 ГГц и 38 ГГц исследователи NYU показали, что работа подобной сети возможна даже в условиях сверхплотной городской застройки Нью-Йорка. Узконаправленные антенны с автоматическим позиционированием и функциями формирования луча могут обеспечить надежную работу сотовых телефонов на миллиметровых волнах.
Терагерцы и далее
Хотя учеными и созданы транзисторы, преодолевшие границу 100 ГГц, на частотах начиная примерно с 300 ГГц пользы от них немного из-за чрезмерно большого времени прохождения сигнала через устройство. В таком случае, что же может использоваться для генерации и обнаружения волн частотой выше 1 ТГц? Как ни странно, сегодня существуют полупроводниковые приборы, способные работать в оптическом спектре выше терагерцовой зоны.
Инфракрасный диапазон простирается от 700 до 2000 нм или от 430 до 150 ТГц. Диапазон видимого света – от 400 (фиолетовый) до 700 (красный) нм или от 430 до 750 ТГц. Ультрафиолетовый свет начинается за границей 740 ТГц. Генерировать эти волны могут лазеры и светодиоды, а фотодиоды могут их обнаружить, но все эти приборы не работают на нижних частотах терагерцового диапазона. Таким образом, интервал примерно от 300 ГГц до 100 ТГц представляет собой «мертвую» зону, для работы в которой реально пригодных устройств либо практически не существует, либо существуют считанные единицы.
Было показано, что в этом диапазоне в качестве смесителей сигналов могут использоваться диоды Шотки, но где взять хороший генератор терагерцовой частоты или эквивалентный ему прибор? Статьи в относительно новом журнале «Transactions on Terahertz Science and Technology (Труды в области терагерцовой науки и техники)» организации IEEE описывают научно-исследовательские работы, проводимые в США. Нам еще предстоит увидеть основные приложения волн терагерцового диапазона, и может оказаться, что они не будут иметь отношения к коммуникациям
