60GHz无线通信研究现状和发展趋势

1、2008年第3期中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：10092552(2008)0301400560GHz无线通信研究现状和发展趋势王静，杨旭，莫亭亭(上海交通大学微电子学院，上海2130240)摘要：随着多媒体应用的发展，世界各国相继开放60GHz频率附近大于5GHz频宽免许可频带，60GHz无线通信系统的研究成为学术界和产业界研究新热点之一。简述了60GHz无线通信的优势和应用范围，介绍了国际研究动向和趋势。关键词：毫米波；集成电路；WirelessHDStatusanddevelopment0f6OGHZwirelesscommunicationsWANGJing，YANGXu，

2、M0Tingting(SchoolofMicroelectronics，ShanghaiJiaotongUniversity，Shangh2(XY240，China)Abstract：Withthedevelopmentofmultimediatechnologyandtheopennessofmorethan5GHzunlicensedspectrumaround60GHz，thereisagrowinginteresttousethisresourcefornewconsumerapplicationsTheadvantagesandapplicationsof60GHzwirelessc

3、ommunicationsystemsaredescribedAndthelatestdevelopmentsandtrendof60GHzwirelesscommunicationardintroducedKeywords：millimeterwave；integratedcircuits；WirelessHD0引言无线通信的研究已经迈人第四代的新纪元，能够实现Gigabit甚至数Gigabit传输速率的高速无线通信系统是无线通信领域前瞻性研究的新热点。随着多媒体应用的发展，无线通信应用对传输速率和信号带宽的需求与日俱增，为60GHz无线通信的研究提出了市场需求。2000年以来，众多国家相继

4、开放60GHz附近连续频谱资源，用于高速无线通信的研究与应用。连续5GHz7GHz的免许可频谱资源在经济上极大的刺激了60GHz无线通信的研究和开发进程。并且，半导体工艺按照摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，亚130rim标准CMOS工艺的特征频率和截止频率已经大于90GHz，为采用标准CMOS工艺实现毫米波射频前端提供了技术基础。可以预见，未来几年，能够实现超高速数据传输速率的60GHz无线通信系统的研究将会持续成为无线通信领域的研究热点。160GHz无线通信的特点与优势60GHz频率属于毫米波范畴，其传输特性与低频信号的传输具有明显的区别，使得60GHz无线通一140一信具有抗干扰性、高

5、安全性、高传输速率等特点。11抗干扰性和安全性高氧气对无线信号的吸收在60GHz达到峰值，如图1所示。AttenuationvftlBkin)absor)lion一r一102040701002004007001000Frequencyf(GI-Iz)图1氧气对无线信号的吸收传输路径的自由空间损耗在60GHz附近频率时约为15dBkm，并且，墙壁等障碍物对毫米波的衰减很大，这使得60GHz无线通信在短距离通信的安收稿日期：20070917作者简介：王静(1982一)，女，硕士研究生，研究方向为射频系统级设计。维普资讯全性能和抗干扰性能上存在得天独厚的优势，有利于近距离小范围组网。氧气对60GHz

6、无线信号的吸收作用，使得相邻空间多组60GHz无线网络之间不会相互干扰，同时相邻空间的60GHz无线网络的安全l生能也得到提高。60GHz无线信号的能量具有高度的方向性，999的波束集中在47度范围内，此无线频率适合点对点的无线通信对高方向性天线的要求。在此频段上固定天线尺寸，天线辐射能量集中于很窄的波束宽度内，因此不同的60GHz无线信号之间的干扰很弱。如表1所示，与60GHz相比而言，24GHz无线通信更近似于全方向通信系统。表1无线信号方向性Frequency999BeamWidth117deees12deees47degrees12宽带、传输速率高60GHz无线通信网络具有带宽大、允许

7、的最大发射功率高等固有特性，可以满足高速无线数据通信(1Gbps)的需求。60GHz频段丰富的频谱资源使得数Gigabit数据传输无线连接成为可能。相比而言，8021in所有可用信道的总带宽约为660MHz，UWB的有效带宽为15GHz。并且，60GHz无线通信的信道带宽为2500MHZ，而UWB为520MHz，8021in仅为40MHz。由于60GHz波段附近为氧气吸收峰值，传输路径自由空间损耗高，因此，欧、美、日规定60GHz波段无线通信在此波段上等效全向辐射功率(EIRP)为10W100W。由香农定律：信道容量极限=信道带宽Xlog(功率噪声)，容易得出，信道容量极限随着信道带宽和有效传

8、输功率的增加而增加。由表2可以看出，60GHz波段无线通信的极限数据传输率约为8021in的80倍，uwB的200倍。表260GHz无线通信与UWB8021In之比较13具有国际通用性和免许可特性欧美日等国相继在57GHz66GHz范围内划分7GHz连续的免允许频谱资源，如图2所示，各国的频谱分配在60GHz附近存在约5GHz的共用频率，因此，60GHz无线通信产品具有良好的国际通用性。57S859606162636,t6566GHz40dbMEIRP40dbMEIRPl0dbMEIRPTBDl0dbM57dbMEIRPMin2500z40dBMEIP,P图2国际各国60GHz附近频段分配更为

9、重要的是，60GHz频谱资源完全免费，消费者不用负担昂贵的频谱资源允许费用，因此60GHz无线通信在经济上具有很大的优势，吸引众多公司和研发团体投入到60GHz的研究中。14接收功率与天线面积n，、2FriisLaw：-r=G,G【J，其中PrPt分别为接收功率和发射功率，Gr，分别为接收机和发射机的天线增益，为电磁波波长，R为接收机和发射机之间的距离。天线增益公式为：G=orTrf-i，其中A为天线面积。A由以上公式可知，对于相同的天线面积，接收功率随着频率的升高而增加。例如，假设60GHz系统使用包含16根天线的天线阵列，总的天线面积为相相应的5GHz全方向系统的10，可以得出其接收功率高

10、于5GHz系统3dB。但是该增益却以高度的方向性为代价。这意味着，如果想充分发挥毫米波无线通信的潜能，就需要一个能够精确定位的解决方案。图3天线的方向性和发射260GHz无线通信的应用领域60GHz无线通信系统的应用范围，涵盖毫米波高速无线通信，无线高清多媒体接口、汽车雷达、医疗成像等应用。各国在60GHz附近分配的连续频谱资源，都可以提供5GHz以上的频宽，实现2Gbps4Gbps的高传输速率的无线数据通信。21无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork)60GHz无线通信是实现无线个域网的理想选一141一删维普资讯择。60GHz无线网络可以取代现在广泛使用在办公室和

11、家庭宽带通信中的光纤(如吉比特以太网、USB20、IEEE1394)，降低组网的成本和复杂度。由于当前无线网络带宽的限制，无线通信网络不能支持超高速数据通信。60GHz在实现超高速无线数据通信具有很大的优势。无线个域网可以连接笔记本电脑、数码相机、PDAs、监视器等电子设备，实现电子设备问的无线互联，如无线显示器、无线扩展坞、无线数据流传输等功能。60GHz无线通信具备高传输速率的特点，有利于电子器件之间的数据流传输，可以有效地降低通信传输的时间，提高传输效率。例如，1GHz大小的数据，通过54MbpsWiFi网络传输大约需要159秒，但是通过630Mbps60GHz网络仅仅需要135秒。22

12、无线高清多媒体接口(WirelessHDMI)高清多媒体接口是高清电视的接口标准。通过光纤传送高清电视视频和音频信号。随着数字电视的变革，显示器的数据处理能力增强，使得接收完全非压缩方式的高清多媒体信号成为可能。例如高清多媒体协议1080i，分辨率为19201080，帧频为25fps，传送非压缩方式视频音频数据要求数据传输速率约为21Gbps。60GHz无线通信网络可以支持高于2Gbps的无线数据传输，因此可以利用60GHz无线通信系统供用户通过DVD、机顶盒、手机等终端以元线方式向显示器、扬声器系统传送非压缩方式的视频音频数据。23汽车雷达60GHz无线通信的另一应用是汽车雷达。随着汽车工业

13、和高速高架公路的飞速发展，汽车撞车事故也随之日益增加，汽车防撞报警是迫切需要解决的问题。若在夜、雨、雪、雾等的恶劣天气的条件下，能见度低，司机视距小，汽车高速行驶时，很难及时发现前方障碍物并采取必要的措施。我国的桥梁、高速公路的运行受天气条件影响较大，即时的报警系统可以避免生命财产的损失。近几十年来，美、日、西欧等国家的多家汽车公司投人巨资，先后研究成功了24GHz，60GHz，765GHz等频率的单脉冲和调制连续波两种体制的雷达系统。这两种体制的雷达系统已经在国外的一些汽车公司的高档轿车中应用，但由于其成本高昂而未得到广泛的应用。由于受经济技术发展水平等因素的影响，我国在汽车防撞技术上的研究

14、起步较晚。但这方面的研究已得到业界的高度重视，可以基于60GHz频率开展我国汽车防撞雷达的研究，采用CMOS工艺研究汽车防撞雷达系统，有效降低硬件成本，为此技术的市场化提42r供了良好的保证。24医疗成像、在医疗设备中，核磁共振和超声波检测成像的数据传输速率为4Gbps一5Gbps，目前都采用传输电缆连接此类医疗设备和成像系统，这种方式往往限制了此类设备的应用地点与方式，若无线毫米波通信可以提供5Gbps的传输速率，则可以提高医疗设备的移动性和灵活性，方便医疗救治工作的展开，能够更好地为医疗急症事件和重大突发事故服务。25点对点链路点对点链路应用于无线通信回传，采用高增益天线以扩大链路的范围。

15、60GHz波段在此应用已经投人市场，系统中射频芯片采用IIIV族元素器件实现，价格相对昂贵。研究基于CMOS工艺的60GHz射频收发器芯片，可以降低这类系统的成本，使之具有更高的市场竞争力，可以扩大应用市场。26卫星星际通信信息时代空间军事系统是军力的倍增器。空间武器的力量很大程度代表着国家的关键军事实力。军用通信卫星是空间军事系统的关键组成部分，而卫星间的交叉通信链是军用通信卫星不可或缺的功能之一。可以采用60GHz频段作为星座各卫星之间的交叉通信频率，由于此频率的大气损耗高，不易受到地面的干扰，保密性强。正在发展的美国军用通信卫星Milstar(军用战略、战术和中继卫星)，其在星座各卫星之

16、间有交叉通信链，正是使用60GHz频段，以减少对地面站的依赖，在失去地面站支持的情况下，通信网能自主工作半年之久。360GHz无线通信与UWB，WLAN面对超高传输速率无线通信的需求，出现了60GHz，WLA_N(S021In)，UWB共同蓬勃发展的局面。80211nIEEE80211n是80211系列WLAN技术的扩展，它可以提供更高的传输速率，更广的覆盖范围。80211n的传输速率由目前80211g提供的54Mbps提高到108Mbps，若采用MIMO系统，则传输速率最高可达600Mbps。采用智能天线技术，80211n的覆盖范围可以扩大到数平方公里。此外，8021In向下兼容现有的WLA

17、N网络80211abg。UWBUWB中包括一系列由美国联邦通信委员会(EC)批准的技术，可以在31GHz一106GHz之间的7GHz频谱(与其它用户共享)内传输极低功率的信号。UWB无线通信实现的挑战在于如何充分利用其频宽来提供高数据速率，同时确保这种解决方维普资讯案与8021In等技术相较具有更低的成本。UWB不同的方案之间的竞争引发了IEEE标准的困境，导致UWB产品问世时间延迟。现在世界范围内仅有美国使用UWB，应用范围也仅限于短距链接。60GHz与8021In和UWB相比，60GHz频段具有更宽的有效带宽，更高的允许发射功率，潜在的使得多吉比特无线传输在60GHz频段上成为可能。虽然氧

18、气对60GHz电磁波吸收导致了15dBkm的损耗，但是在100米范围内，损耗只有15dB，所以对室内应用而言，氧气吸收所造成的损耗可以忽略不计。与8021In和UWB相比，60GHz频段无线通信研究开始较晚，其通信协议尚处于初步研究阶段。综上，无线通信技术的进步为可靠性增强的超高数据速率传输提供了可能，并且更好的利用无线频谱资源。60GHz，WLAN和UWB都存在着各自的性能优势，但是60GHz在近距离数据传输应用中的超高速率传输特性不容被WLAN，UWB取代，并且，随着半导体工艺和设计技术的发展，在5年内有望实现低成本、低功耗、小体积的60GHz无线通信芯片。同样，多媒体应用的持续发展，对频

19、带宽度和数据传输速率的要求也会持续增加，研究60GHz无线通信具有前瞻性指导意义，也利于在未来抢占无线通信新市场。460GHz无线通信系统研究现状4160GHz无线通信标准制定现状IEEE802标准制定会议于2005年3月成立了旨在发展2Gbps4Gbps的毫米波60GHz无线个人网络系统(WPAN)的工作小组(IEEE802153TaskGroup3c(呦c)。基于已有的WPAN标准802153，TG3c展开毫米波的物理层协议的研究。毫米波WPAN工作在FCC划分的57GHz64GHz免许可频带内，可以同其它80215族微波WPANs系统(UWB，Bluetooth，ZigBee等)共存。毫

20、米波WPAN系统支持高于2Gbps超高速传输速率，可以应用于高速网络接人、数据流下载(视频点播、HIYFV、家庭影院等)、实时流传输和无线数据总线，以取代以光纤为传输媒介的高速有线通信网络。4260GHz波段频谱资源的分配2000年以来，众多国家相继开放60GHz附近连续频谱资源，用于高速数据通信的研究和应用。20O0年日本制定了一个高速数据通信规则，频率范围为59GHz66GHz；2001年，美国联邦通信委员会(FCC)分配57GHz64GHz具有7GHz带宽的毫米波频段为免许可频段；欧洲分配57GHz64GHz用于移动宽带和WLAN系统应用。韩国、加拿大、澳大利亚等国家也随后开放相应频率用

21、于免许可无线通信。各国60GHz频率分配如表3所示。随着60GHz无线通信技术的成熟和应用市场的扩大，开放60GHz附近频谱资源是我国无线电发展的必然趋势。表3各国60GI-Iz频率分配4360GHz无线通信系统芯片设计射频前端芯片对60GHz无线通信系统的实现起着至关重要的作用，射频芯片的性能直接决定着无线通信系统的功能实现和性能优劣。2000以来，国际领先的半导体设计企业和科研机构纷纷展开60GHzSi基CMOS射频前端芯片的研究。44学术界研究现状isscc(国家固态电子电路会议)作为世界最前沿和权威的固态电子电路和SoC发展的讨论会议，毫米波通信电路的研究自2004起就已经成为其关注的

22、焦点专题之一。美国加州大学伯克利分校于2004年ISSCC发表“DesignofCMOSfor60GHzApplications”8J一文，研究013tmaCMOS工艺有源、无源器件60GHz频率下模型建立的理论和方法，并设计实现60GHz放大器，探索CMOS工艺实现60GHz频率射频电路的性能极限，论证了设计60GHzCMOS射频收发器的可行I生。伯克利分校于2007年ISSCC会议发表“AHighlyIntegrated60GHzCMOSFrontEndReceiver”，实现了一个高集成度的60GHzCMOS接收机前端芯片，包含LNA、正交平衡下变频器、VCO、倍频器等电路模块。美国加州

23、大学洛杉矶分校(uCLA)也同期展开了z射频电路的研究，于嬲年、卿年TSCC分别发表“A60GI-Direct-ConversionCMOSReceiver”一(1)，“Aurn-WaveCMOSHete砌南meReceiverwithOn-ChipIX)andDivider”一(2)两文，先后采用零中频、超外差结构实现O3GHz射频接收机芯片，性能参数分别如表4所示。可以看出，在超外差结构中采用两次下变频，避免了毫米波频率时长互连线产生的损耗和失配问题，接收机噪声系数I生能有了明显提高，也便于集成电路模块的集成。一143维普资讯表4UCLAISSCC两论文设计性能比较台湾大学近两年也加速开展

24、了60GHz射频电路的设计和研究，于2OO6年、2007年LSSCC会议发表了三篇论文，一篇采用018ttmSiGeBiCMOS工艺，实现了蒋成天线的60GHz射频发送器芯片，一篇提出了60GHz软件无线收发机方案，一篇采用901311CMOS工艺实现了58GI-h一604GI-h频率综合器的设计。45产业界研究现状2OO3年美国IBM研发中心开展了60GI-Iz射频收发机集成电路和低成本60GI-Iz无线通信的基础研究，23O4年IBM公布了工作频率为60GI-Iz和77GI-h的基有源Mixer和LNA(采用012JmSiGeBiCMOS)，通过射频电路模块的设计，验证了采用BiCMOS工

25、艺实现毫米波电路的可行性。2OO6年，IBM公布世界首款Si基60GHz全集成射频收发机芯片，集成了射频和模拟部分。此外，IBM还公布了低成本封装工艺和天线技术方面的成果。基于射频芯片的高集成度和封装的低成本，可以实现低成本、高性能的60GHz无线通信网络。2O06年l0月LG电子、松下电子、NEC、三星电子、SiBEAM、索尼以及东芝成立了业界团体“WirelessHI)InterestGroup”(WirelessHD)联盟，目标制定利用60GHz频带毫米波，以非压缩方式传输108009视频数据流的“WirelessHD”标准。560GHz无线通信研究热点和趋势5160GHz毫米波天线天线

26、阵列的研究天线的尺寸随着信号频率的增加而缩小，60GHz频率时，天线的大小已经可以与其他功能电路集成在同一硅衬底上。但是，60GHz信号的方向性强，传输路径损耗高，因此，为实现60GHz无线通信传输，需要采用天线相控阵列，增加发射的总功率和方向性。5260GHz无线收发机芯片的研究无线通信系统研究中，无线收发机芯片的研究至关重要。60GHz无线通信作为第四代无线通信系统，收发机芯片预计采用亚130rim标准CMOS工艺，具有集成度高的优点，可以集成包括天线天线阵列、射频收发电路、ADCDAC电路、数字基带处理电路等，可以有效降低无限通信终端芯片成本。研究设计低成本、低功耗、一144一商l生能、

27、可商用化的60GHz无线通信终端芯片是实现60GHz无线通信的关键。53毫米波电路的封装和测试毫米波电路采用亚130nmCMOS工艺，随着工艺尺寸的缩小，芯片工作频率不断升高，封装对芯片性能的产生的影响越来越显著。并且，现有的测试设备不能满足毫米波电路的测试要求，需要与测试厂商在测试装置上进行合作，完善测试设备，以达到60GHz射频芯片的测试要求。6结束语60GHz频率附近的免许可频段的开放及超高速无线数据通信的需求使得60GHz无线通信成为当前通信领域国际研究热点之一。60GHz无线通信具有频宽大、传输速率快、安全f生和抗干扰性好等优点，可以广泛应用于无线多媒体接入、汽车雷达、医疗成像等领域

28、。并且，由于空气对这一频率信号的高吸收率，可以使用60GHz频率作为卫星星际通信的频段，对国防事业具有重要意义。参考文献：E1RazaviBAirma-WaveCMOSHeteredyneReceivwithOnChipLOandDividerC20O7IEEEInternationalSolidStateCircuitsConf，20O7，10(1)：18818923Bm1elRw，dalAhiyintegrated60GHzCMOSFrontEndReceiverC20O71EEEIntemafionalSolidStateCircuitsCCce，2007，10(2)：1901913ChiHsuehWang，eta1A60GHzIxJw-PorSix-PoivelforGiFMbitSoftware-DefinedTransceiverApcc2O07IEEEhtema一a1SolidStateCircuitsConfelnce。20O7。10(3)：1921934UaihunLee，eta1A58-to-604