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WirelessHD/WiGig/WHDI三剑客各有一片天!
无线传输高画质3D视讯不是梦

【作者: 鍾榮峯】2010年04月06日 星期二

浏览人次:【7685】
  

高画质3D视讯带动无线技术革新


虽然不经压缩格式、可传输高分辨率视讯影像的高速无线传输技术,不会有封包传输会导致画素漏失的难题,也可解决有线传输缆线布线复杂不利空间便利性的老问题。不过其现在面临最大的课题,就是如何因应容量越来越大的多媒体视讯内容传输需求。



若要传输更多容量的多媒体视讯内容,就需要更大的带宽。高画质Full HD(1080p)视讯内容最起码需要3Gbps的传输量,1080i至少也需要1.5Gbps的传输量。但现在可不是只有1080p的Full HD视讯而已,3D立体影像应用也开始出现在数字家庭环境和PC/NB周边领域。别忘了未来可能还有Super HD甚至是Super 3D呢!这些对于既有传输容量即将达到极限的各种高速无线传输标准来说,已经是不可承受的负荷。因此寻找其他更高带宽、以便传输更大容量多媒体视讯内容的替代方案,一直都在进行当中。



目前条件渐趋成熟、发展性也备受期待的,就是以毫米波(Millimeter Wave)60GHz为基础的WirelessHD和WiGig、以及正在计划的IEEE 802.11ad,还有采用5GHz的WHDI(Wireless Home Digital Interface)标准。除了这些无线电波(radio frequency)之外,另外以红外线、紫外线、白光LED或其他可见光为基础的无线光通讯技术,也正在积极研发当中。



《图一 数字家庭将是首波应用焦点!》


毫米波60GHz不易穿透安全性高


过去以军事用途为主、在短距间传输机密数据的60GHz频段,目前已开放出来给高速短距传输规格IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11进一步运用。60GHz有些频段没有切出来的部分,亦属于免申请使用执照的无线电频段(ISM-band),这就好像寸土寸金的台北市、难得释出珍贵稀有的精华地段一般,马上成为各大标准集团兵家必争之地。



60GHz属于高频段,高频传输容量大、传输距离短、指向性高、穿透率低。由于超高频60GHz电波指向性高,不易穿透散射折射,因此无法穿透墙壁或房门。而利用此频段传输无线电波时,容易受到空气中氧分子的共振效应而被吸收,同时受到LoS(Line of Sight)影响较大,人体移动时讯号传送接收易受干扰。因此传输距离必须够短够近,发送和接收器之间也必须能有效抓到最佳传输方向,并结合收发器和天线控制技术,才能提高收发高解析讯号的质量,不受干扰地在装置间传输。相对地,60GHz的传输隐密性也够高,若要拦截讯号就非得要进入室内环境才有办法接收得到,这也是为何60GHz先前主要是应用在传输军事机密重要影像的缘故。



WirelessHD和WiGig都积极抢进60GHz地段,前者以IEEE 802.15.3c标准为基础,后者以IEEE 802.11为核心,此外采用60GHz频段的标准还包括IEEE 802.11ad规格。



WirelessHD让无线传输3D视讯美梦成真!


由Matsushita、Samsung、SONY、NEC、LG、SiBEAM与Toshiba所合组发起的WirelessHD集团,在2008年1月便已完成WirelessHD 1.0版标准,去年1月Intel和Broadcom加入发起成员后,包括Philips、Yamaha、Funai、ST Micro和NXP等大厂也陆续加入,目前其集团全球会员数已经超过40个,包括台湾的联发科(MediaTek)、以及全球量测厂商太克(Tektronix)、罗德史瓦兹(R&S)和安立知(Anritsu)。



值得注意的是,WirelessHD兼容性测试计划(Compliance Test Program)已经在欧盟市场推展,目前WirelessHD测试版本已进入1.0a阶段。WirelessHD组织正计划进一步强化WirelessHD 1.0规格,第二代标准将进一步支持3D TV、HDTV以及蓝光光盘播放等无线传输需求,并将传输容量提升至10~28Gbps,支持4K高画质分辨率、以及IP网络数据传输需求和HDCP 2.0内容保护功能。现在WirelessHD也已经成立自己的授权测试验证机构ASTH,主要是以相关产品的兼容性验证为主。



在实际应用上,美国HDTV电视品牌大厂VIZIO已宣布采用SiBEAM的60GHz芯片和WirelessHD技术;Panasonic的54吋高画质电浆电视也采用WirelessHD技术;Tosbiba的CELL TV也使用WirelessHD作为无线链接机顶盒的功能,这表示既有的WirelessHD亦可以支持无线传输3D影像的带宽需求。



WirelessHD是以SiBEAM的半导体技术为核心,结合较低成本的CMOS制程技术,并掌握关键天线技术的射频收发器。其可搭配指向性的波束控制(beam steering)天线技术来延伸传输距离,并强化接收器的接收讯号。在10公尺范围内,WirelessHD可点对点传递无压缩、无损失传送1080p的高解析视讯画面,传输速率可达4Gbps。



SiBEAM透过采用CMOS技术制造的射频IC,降低了收发器电路成本。以往GaAs技术通常用于毫米波收发器电路,成本较高,CMOS技术则可将成本降低到WLAN的水平,有助于WirelessHD技术应用的普及。有些业者也会借用Beamforming技术来延伸传输距离,或是利用MIMO技术将选定的特定讯号各取所需传输出去。



WiGig 1.0底定 厂商两边押宝


至于去年5月7日新成立的WiGig联盟,主要也是运用60GHz频段推广多媒体数据传输、IP网络数据接取和多重系统服务。发起成员包括Atheros、Broadcom、Dell、Intel、LG、Marvell、联发科(MediaTek)、Microsoft、NEC、Nokia、Panasonic、Samsung以及Wilocity,测试仪器厂商安捷伦也在去年9月加入WiGig阵营,台湾的雷凌(Ralink)和德州仪器(TI)也成为WiGig新成员,包括nVIDIA和AMD 也加入了WiGig集团行列,增添不少气势。去年12月初,正式的WiGig 1.0标准也已经底定,规划可支持HDTV接口和其他高画质显示器和投影设备。



值得注意的是,很多消费电子品牌大厂和芯片厂商都同时参与WirelessHD和WiGig两大集团。包括LG、Panasonic、Samsung、NEC、联发科、Intel、Broadcom和Toshiba。联发科则一方面鸭子划水地加入WiGig联盟,另一方面并与某国际品牌大厂合作研发支持专属规格性质的芯片设计,欲提出专属的无线短距高速传输规格。



尽管Wireless HD和WiGig都采用60GHz,双方在发展标准规格上的专属特性非常明显,Wireless HD内部规定加入集团的成员才能够分享相关研发成果和测试方案,而WiGig内部也严格规定不可对外公开其规格数据。双方都还在打地基,因此门禁相对森严。



802.11ad规格Gi-Fi芯片已成型


802.11ad也是以60GHz毫米波频段为基础,信道带宽约为2GHz,理论值传输容量为2~3Gbps,不仅网通芯片大厂Broadcom对开发802.11ad相当有兴趣,澳洲的国立科技研究单位NICTA则已经开发出以802.11ad规格为基础的Gi-Fi芯片,宣称其传输容量可达5Gbps。Gi-Fi芯片样品已经完成,预计将可迅速进入量产阶段。预计802.11ad规格将在2012年底完成。



WHDI覆盖率高 今年Q3样品问世


另一方面,WHDI 协会在去年12月初宣布已完成WHDI 1.0规格,芯片技术则由以色列公司AMIMON所主导。包括Hitachi、Sony、Sharp、Samsung与出资支持AMIMON的Motorola,在2008年7月建立WHDI SIG。目前AMIMON已在去年5月推出第二代能传输高画质影像的WHDI芯片组。WHDI标准强调传输速率可达3Gbps,能在100英尺范围内穿透墙壁,跨房间无线传输(multi-room wireless)传输1080p/60Hz高画质视讯内容。但WHDI技术专属性强,就连量测厂商也难以取得物理层以上的技术规范专利内容。不过WHDI和AMIMON已计划在今年Q3推出相关芯片产品。



以802.11n的PHY为基础的WHDI,运作于5GHz频段,整合4×5 MIMO、OFDM和Beamforming技术。若使用40MHz的带宽信道,传输速率可达3Gbps,可传输距离比WirelessHD还远,能够达到30~150公尺;若使用18MHz的带宽信道,则可达到1.5Gbps传输速度。



采用5GHz频段传输,传输距离较长,电波指向性不强,因此散射折射特性明显,数字家庭内各个角落房间均可接收得到。WHDI采用MIMO多重天线设计,恰恰是强化了WHDI在多重路径(Multi-Path)的传输特性,亦即把多重干扰和散射的问题化作优势,利用类似解方程序的方式将讯号清晰处理出来。如果将使用WHDI标准的数字家庭装置放得过近,反而多重路径的效果出不来,也影响了WHDI高解析视讯的传输质量。5GHz的芯片设计就是以提高电路设计的复杂度,来平衡传输高画质视讯时、会产生都丢掉一点点画素影响质量的风险。但较低频5GHz要如何切出3Gbit/s的带宽,比较困难。



802.11ac一步一脚印


802.11ac有点类似于802.11n,将使用5GHz频段,运作在80MHz的信道上,利用MIMO天线技术来达到1Gbps的高传输容量。Broadcom也正在研拟开发802.11ac。值得注意的是,Broadcom计划开发02.11ac和802.11ad,是不是有意另辟蹊径、自立门户,与Wireless HD、WiGig和WHDI互别眉头,可继续观察。



光通讯商业化大有可为


采用高频60GHz的Wireless HD和WiGig技术,功耗较高,加上LoS必须毫无阻碍、接收器与收发器之间必须精准对位才能收到讯号的要求,可能限制了60GHz的覆盖率,加上目前无线射频可使用的频段已非常拥挤,于是利用反射红外线(reflected infrared light)光代替无线电波(radio waves)传输数据、以及利用白光LED的光通讯技术,也被视为可行替代方案的选项之一。值得注意的是,不像无线射频频谱备受各国政府程度不一的通讯管制,包括红外线、可见光、和紫外线等各类光谱,尚未受到全球管制。这便创造了光无线网络商业化的良好条件。



红外线光通讯开启一扇窗


美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队,便成功研发出传输速率可达1Gbps的高速红外线光传输技术。宾大研究生Jarir Fadlullah和电机工程教授兼信息通讯技术研究中心主任Mohsen Kavehrad,利用低能量的红外线雷射,藉由一个透镜来聚焦光线,在天花板上形成一椭圆形的光点,然后使用高灵敏度的雪崩式光电二极管(avalanche photodiode)光线探测器,收集从天花板反射的光线。同时他们使用一个塑料的全息透镜(holographic lens),从天花板光点收集足够的反射光,并将它聚焦在光电二极管的感光区域。藉由使用这些透镜,他们便能够在一个面积为长8公尺、宽4公尺的房间内传输1Gbps的红外线光讯号。



这红外线光通讯技术,是使用散射光(diffuse light)而非是点对点的光收发系统,能够用散射光展示传输速率可达1Gbps的光通讯能力,意义相当重大。这个低能量散射光方法,不需要非常精确对准也可接收到讯号,可减少光收发系统的复杂度,因此更适用于室内通讯。



现在包括Intel、InterDigital、Siemens、Sony、Samsung、Mitsubishi和Sanyo等都在研发光无线网络,其中几家公司正是红外线数据协会(Infrared Data Association;IrDA)的成员,此协会就是正在开发红外线无线通信的技术标准。IrDA最近宣布了GigaIR标准,可在极短距离的LoS内,以红外线达到1Gbps的传输速率。而为WPAN网络设置标准的IEEE 802.15工作小组,也正在规划使用可见光的无线网络。



光无线通信(optical wireless networks)将开展另一扇窗,让无线通信技术迈向另一新的境界。光无线网络具备更小的干扰和更高的安全性,光通讯无法穿透墙壁的传输特性,让光通讯频谱得以重复使用,并且难以被拦截。这与指向性高的60GHz毫米波传输应用,某种程度有异曲同工之妙。



白光LED有机会进入实用阶段


今年初利用白光LED的LED可见光通讯技术也有新的突破,德国西门子(Siemens)和德国Heinrich Rudolf 研究所的科学家便成功合作提高传输速率至500Gbps。其即利用荧光灯或是白光LED等室内照明设备,发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的讯号,以无线方式来传输数据。采用可见光是因为波长范围大,透过设计将可见光讯号用不同的波长进来进行传输。LED可见光通讯的优点也是可避免一般无线局域网络(WLAN)或高频无线传输的电磁波对人体与周边电子设备造成干扰的影响,并且可代替无线基地台,同时具备安全性高的特点。白光LED既定的发展进度,被认为在3年内便有机会出现可实用化的无线光通讯网络。



数字家庭将是首波应用焦点!


无论是WirelessHD、WiGig、WHDI、802.11ac/ad,还是研发当中的光通讯技术,哪种规格能够胜出,最后都还是要看消费电子品牌大厂是否愿意采用。3DTV、HDTV、机顶盒等数字家庭设备产品,应该会是WirelessHD/WiGig/WHDI首波应用的焦点。而藉由标准规格的不断革新,很快地无线传输高画质3D视讯将不再是梦想,正即将进入商业化应用阶段。届时将对整个3D电视产业带来怎样的影响,且让我们拭目以待!



(表一) 可高速传输HD或3D视讯的主要规格技术一览表



























































































标准名称

WirelessHD 1.0

WiGig 1.0

WHDI 1.0

Gi-Fi

未定

组织成立日期

2008年1月

2009年5月7日


12月10日标准底定

2008年1月


2009年12月1.0版正式问世

预计2012年底标准底定

预计2012年底标准底定

传输规格

802.15.3c mmWave

802.11

802.11n

802.11ad

802.11ac

使用频段

60GHz


(57~66GHz)

60GHz

5GHz

60GHz


(57~66GHz)

5GHz

信道带宽

 

 

40MHz

约2GHz

80MHz

传输距离

~10公尺内

10公尺左右

30~150公尺

~10公尺内

N/A

传输速率

可达4Gbps


(革新版规划10~28Gbps)

可达7Gbps

可达3Gbps

2~3Gbps


(Gi-Fi:5Gbps)

可达1Gbps

传输特性

指向性高


隐密性高


不易穿透折射


传输距离短

同左

指向性不强


易散射折射


可支持多对多点传输


传输距离较长

指向性高


隐密性高


不易穿透折射


传输距离短

指向性不强


易散射折射


可支持多对多传输


传输距离较长

主要芯片厂商

SiBEAM

 

AMIMON


(Motorola主要出资)

NICTA


(Gi-Fi Chip)

 

主要参与大厂

Toshiba, Matsushita, Samsung, SONY,


NEC, LG, Philips, YAMAHA, Funai,


Intel, Broadcom, NXP, STMicro, MediaTek, Agilent, Tektronix, R&S, Anritsu

Dell, LG, Microsoft, Toshiba, Panasonic, Samsung , NEC, Nokia, Atheros, Broadcom, Intel, Marvell, TI, MediaTek, Wilocity, Ralink, Agilent


nVIDIA, AMD, SK Telecom, TMC,

Hitachi, LG, Sony, Sharp, Samsung, Motorola, Haier, Maxim, Mitsubishi, Toshiba, etc.

NICTA, IEEE, Broadcom

Broadcom, IEEE

首波主要应用

HDTV, STBs, 转接器, 3D TV, 数字家庭领域

PC周边, 显示器, HDTV, 投影设备

STBs, Blu-ray播放器, PC, 行动装置,游戏机等

 

 


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