無線顯示新技術(shù)——WiGig

劉玲斐，高 靜，高 鵬

（1.知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190；2.威盛電子（中國）有限公司，北京 100083）

數(shù)字多媒體技術(shù)正在進(jìn)行著日新月異的演進(jìn)：顯示分辨力從標(biāo)清發(fā)展到高清、全高清，而今又邁向特高清；色深和屏幕刷新率成倍增長；3D顯示技術(shù)忽如一夜春風(fēng)來；音頻技術(shù)也從雙聲道立體聲進(jìn)展到5.1乃至7.1聲道。這些進(jìn)步在提供更完美的用戶體驗(yàn)的同時(shí)，也對音視頻接口的帶寬提出了更高的要求。

另一方面，隨著短距離無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，蜘蛛網(wǎng)般的線纜已瀕臨淘汰，越來越多的接口得以無線實(shí)現(xiàn)，技術(shù)創(chuàng)新的先驅(qū)者們將目光落在了短距離線纜的最后堡壘——顯示接口上。旨在取代有線顯示線纜的諸多無線技術(shù)業(yè)已提出，標(biāo)準(zhǔn)化工作相繼完成，概念方案紛紛亮相，很多產(chǎn)品已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)膶?shí)用性，可以說，已處于顯示接口全面無線化的前夜。本文介紹了其中具備最廣泛應(yīng)用前景的WiGig技術(shù)，在說明技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用場景的同時(shí)，也通過與其他競爭者的比較闡明該技術(shù)的優(yōu)勢所在。

1 WiGig規(guī)范

2009年無線Gigabit（WiGig）聯(lián)盟成立，它力圖制定一個(gè)統(tǒng)一的吉比特級無線通信規(guī)范，以支持無線顯示、無線擴(kuò)充基座和諸如網(wǎng)絡(luò)鏈接等既有應(yīng)用。

WiGig的MAC和PHY規(guī)范可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)7 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率，此速度較目前最快的IEEE 802.11n的WiFi網(wǎng)絡(luò)快了10倍以上。WiGig是在免授權(quán)的60 GHz頻帶上運(yùn)行，較現(xiàn)行WiFi產(chǎn)品使用的2.4 GHz和5 GHz頻帶擁有更多的可用頻譜，因此能提供更寬的通道，以支持更高的傳輸速度[1-2]。

1.1 規(guī)范概要

WiGig規(guī)范中充分考慮了性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本，與既有WiFi相容，先進(jìn)的安全性等要素。其重要特性包括：1）支持最高達(dá)7 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。2）針對多種應(yīng)用設(shè)計(jì)，從手機(jī)等低功耗手持設(shè)備，到計(jì)算機(jī)等高性能設(shè)備，均能適用，并具備先進(jìn)的電源管理功能。3）以IEEE 802.11為基礎(chǔ)，提供對IP網(wǎng)絡(luò)和WiFi的原生支持，并可讓設(shè)備在2.4 GHz，5 GHz和60 GHz各種不同頻帶運(yùn)作的IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)透明切換。4）支持束波成形技術(shù)，可提升信號強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)距離超過10 m的通信能力。5）采用Galois/Counter模式的AES加密算法以提供先進(jìn)的安全性。6）支持 HDMI，Display Port，USB 和PCIe等接口的無線承載。

1.2 架構(gòu)

WiGig規(guī)范是以IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并定義了物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC），以提供對IP網(wǎng)絡(luò)的原生支持。同時(shí)，也使得開發(fā)可同時(shí)在WiGig和現(xiàn)有WiFi網(wǎng)絡(luò)上通信的三頻（2.4 GHz，5 GHz和60 GHz）無線設(shè)備成為可能[2]。

WiGig規(guī)范也定義了協(xié)議適配層（PAL），以支持60 GHz頻帶上的特定數(shù)據(jù)和顯示標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，PAL允許這些標(biāo)準(zhǔn)接口直接在WiGig MAC和PHY上執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)的無線承載。目前的PAL涵蓋音頻/視頻（A/V），如WiGig視頻擴(kuò)展（WiGig Display Extension，WDE），以及支持輸入/輸出（I/O）接口的WiGig串行擴(kuò)展（WiGig Serial Extension，WSE）和WiGig總線擴(kuò)展（WiGig Bus Extension，WBE）。

1.3 物理層（PHY）

與WiFi使用的2.4 GHz和5 GHz頻帶相同，WiGig使用的60 GHz頻段是無需授權(quán)的，而且全球都可取得。60 GHz頻帶擁有的可用頻譜較2.4 GHz和5 GHz頻帶為多，一般為7 GHz寬的頻譜，而2.4 GHz頻帶的頻寬為83.5 MHz。與2.4 GHz和5 GHz頻帶相同，該頻譜會(huì)被分割為多個(gè)通道。因?yàn)?0 GHz的可用頻譜較多，因此通道更寬，有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)吉比特級的數(shù)據(jù)傳輸率。WiGig規(guī)范定義了4個(gè)通道，每個(gè)都是2.16 GHz，這較IEEE 802.11n的可用通道寬度提升了50倍。這些較寬的通道能讓W(xué)iGig支持需要非常高速的通信應(yīng)用。

規(guī)范支持兩種調(diào)制與編碼方式，可分別提供不同的效益：1）正交頻分復(fù)用（OFDM）由于具備較大的延遲擴(kuò)展，因此可支持長距離傳輸，在處理障礙和反射信號時(shí)可提供更佳的彈性。OFDM可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)7 Gbit/s的傳輸速度。2）單載波（SC）的功耗較低，因此較適用于小型、低功耗手持式設(shè)備。單載波最高可支持4.6 Gbit/s的傳輸速度。

1.4 媒體接入控制層（MAC）

WiGig規(guī)范定義的MAC支持先進(jìn)的應(yīng)用模式，與WiFi網(wǎng)絡(luò)整合，降低功耗和提供健壯的安全性。

1）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

WiGig規(guī)范中定義了新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備間的直接通信，因此可開創(chuàng)出新的應(yīng)用模式，例如設(shè)備間的快速同步化作業(yè)，以及將影音內(nèi)容傳送到投影儀或電視。此外，WiGig規(guī)范亦支持現(xiàn)有IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，比如與WiFi網(wǎng)絡(luò)相同，可采用共享的接入點(diǎn)（AP）。

2）無縫多頻帶運(yùn)作

一個(gè)通信進(jìn)程能在60 GHz通道和2.4 GHz或5 GHz的WiFi通道間快速且無縫地被轉(zhuǎn)送。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)能夠在沒有60 GHz WiGig網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，無縫地回到2.4 GHz或5 GHz WiFi網(wǎng)絡(luò)。這種多頻帶運(yùn)作可顯著提升使用者的體驗(yàn)。擁有多頻帶裝置的使用者，若其設(shè)備從60 GHz切換到較低頻的WiFi通道，仍能夠不中斷地持續(xù)訪問網(wǎng)絡(luò)。對使用者來說，他們總是希望至少能擁有與現(xiàn)今WiFi產(chǎn)品一樣的性能，若可能的話，還能自動(dòng)切換到更高速的60 GHz WiGig網(wǎng)絡(luò)。

3）電源管理

WiGig設(shè)備能利用新的計(jì)劃訪問模式來降低電源消耗。兩個(gè)設(shè)備通過方向性連接彼此通信時(shí)，可設(shè)定它們將會(huì)通信的時(shí)間，在其他時(shí)間，兩個(gè)設(shè)備可設(shè)定為休眠或省電模式。該功能可更精密地依照實(shí)際的流量負(fù)荷設(shè)定電源管理模式，這對手機(jī)和其他以電池供電的手持設(shè)備來說，是非常重要的。

4）先進(jìn)的安全性

WiGig規(guī)范以IEEE 802.11中所使用的強(qiáng)大安全性機(jī)制為基礎(chǔ)，采用Galois/Counter模式，這是專為支持10 Gbit/s以上通信速度所設(shè)計(jì)的高效操作模式，能提供以AES為基礎(chǔ)的強(qiáng)大加密功能，同時(shí)支持具更佳性能與效率的硬件實(shí)現(xiàn)方式。

1.5 協(xié)議適配層（PAL）

PAL可讓主要的計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子接口通過無線的60 GHz WiGig網(wǎng)絡(luò)來承載。PAL能使實(shí)現(xiàn)更為簡易，可開發(fā)具備內(nèi)建支持的設(shè)備，將可推動(dòng)諸如無線基座、高速同步化作業(yè)和無線顯示器等先進(jìn)應(yīng)用。

因?yàn)橹苯佣x于WiGig MAC和PHY層之上，而不是更高層的協(xié)議層中，再加上能在硬件中實(shí)現(xiàn)，因此PAL可實(shí)現(xiàn)高效適配，帶來最佳性能并降低功耗。

1）音頻/視頻（A/V）

WiGig視頻擴(kuò)展（WDE）可允許音頻/視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。舉例來說，可從計(jì)算機(jī)或數(shù)字相機(jī)將影片傳送到電視或投影儀。此PAL可支持HDMI和Display Port接口的無線實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也支持用來保護(hù)數(shù)字內(nèi)容在這些接口上傳輸?shù)腍DCP標(biāo)準(zhǔn)。WDE PAL可支持壓縮過和未壓縮的視頻傳輸。

2）輸入/輸出（I/O）

I/O PAL將計(jì)算機(jī)接口在60 GHz上的承載，現(xiàn)已完成的定義有WiGig WSE和WBE。

USB是外設(shè)或其他設(shè)備與主機(jī)相連的常用接口，USB PAL可實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備間的吉比特級無線連接性，同時(shí)亦有助于開發(fā)諸如USB基座的各種產(chǎn)品。

PCIe總線通常被用在計(jì)算機(jī)中，將CPU和內(nèi)存、網(wǎng)卡、以及其他I/O控制器相連。它也能被用來與圖形處理器相連，以增強(qiáng)圖片品質(zhì)和降低CPU的處理負(fù)荷。WBE PAL能實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的吉比特級無線同步化作業(yè)，并能與存儲(chǔ)器和其他高速外設(shè)相連。

3）應(yīng)用模式

WiGig規(guī)范和PAL能為多種創(chuàng)新以及既有的應(yīng)用模式帶來吉比特級的無線實(shí)現(xiàn)方式，如圖2所示。

2 無線顯示領(lǐng)域的其他主流解決方案

2.1 WiDi

WiDi，即Wireless Display，是Intel推出的、基于WiFi Direct標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)，其目的是通過無線局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)筆記本式計(jì)算機(jī)和電視的無線連接，將筆記本式計(jì)算機(jī)的畫面輸出到電視[3]。

WiFi Direct是WiFi點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)，支持所有的WiFi設(shè)備。WiFi Direct技術(shù)突破了WiFi網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的熱點(diǎn)的局限，符合該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備之間可以非常方便地實(shí)現(xiàn)直接連接，從而傳輸數(shù)據(jù)或共享應(yīng)用。IEEE 802.11n理論傳輸率達(dá)到600 Mbit/s，可以輕易達(dá)到50 m以上的傳輸距離，并且具有一定的穿透性，在隔墻的情況下也能使用。對比WiDi當(dāng)前能提供的性能，可以預(yù)計(jì)WiDi后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)中性能還有提升的空間。

WiDi的原理是：將視頻和音頻數(shù)據(jù)壓縮后通過WiFi進(jìn)行傳送，在接收端進(jìn)行解壓縮，然后通過諸如Display Port、HDMI等有線視頻接口將解壓縮后的視頻和音頻傳送給顯示設(shè)備。最新的WiDi 2.0技術(shù)可以支持1 080p的全高清視頻播放。WiDi優(yōu)點(diǎn)在于可利用現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)，成本低；缺點(diǎn)是視頻需要經(jīng)過壓縮和解壓縮過程，有較大的畫面延遲，并且無法實(shí)現(xiàn)視頻的無損傳輸。

目前，與WiDi原理類似的WiFi Display標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，該標(biāo)準(zhǔn)有望在更多的設(shè)備間采用現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線顯示，諸如手機(jī)、平板電腦等。

2.2 WHDI

目前在無線顯示傳輸領(lǐng)域最成熟的方案當(dāng)屬AMIMION公司推出的WHDI技術(shù)。WHDI（Wireless Home Digital Interface），即無線家庭數(shù)字接口。它提供了一個(gè)高品質(zhì)、無壓縮的無線連接方式，WHDI技術(shù)在源與目標(biāo)之間直接交互，而不需要中間路由器或交換機(jī)。有消息透露，WHDI2.0將全面支持HDMI 1.4a規(guī)格所要求的所有3D格式；支持下一代4 k×2 k高清格式；支持WHDI與WiFi共存。

AMIMION提供的一些資料表明該技術(shù)并沒有采用通常的視頻壓縮技術(shù)，但是與像素值中的高有效位相比，低有效位在傳輸中的優(yōu)先級和給予傳輸?shù)膸挾几停虼藭?huì)有一些損失，所以WHDI是非壓縮的但卻是有損的。

與WiDi相比較，其優(yōu)點(diǎn)在于圖像信號傳輸延遲低，獨(dú)立的傳輸信號不占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，能支持無壓縮傳送1 080p的全高清視頻播放。

2.3 WirelessHD

成立于2006年的WirelessHD聯(lián)盟，制定了第一個(gè)面向下一代的無線數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)針對消費(fèi)電子，個(gè)人計(jì)算和便攜設(shè)備領(lǐng)域中無線傳輸高清音視頻的應(yīng)用，最高支持QFHD分辨力，48 bit色深和240 Hz刷新率的未壓縮圖像傳輸以及音頻傳輸[4]。

針對不同的應(yīng)用場景，WirelessHD制定了3種物理層：低速物理層（2.5～40 Mbit/s）用于全方向的控制和設(shè)備發(fā)現(xiàn)；中速物理層（0.5～2 Gbit/s）用于支持低功耗移動(dòng)應(yīng)用以及雙向數(shù)據(jù)傳輸；高速物理層（1～7 Gbit/s）用于高吞吐量的視頻傳輸，結(jié)合MIMO和波束成形技術(shù)可將帶寬進(jìn)一步增至28 Gbit/s。由于WirelessHD使用免費(fèi)的60 GHz頻段，其傳輸距離受限于10 m以內(nèi)。

與之前的諸多視頻接口不同，WirelessHD采用了更為通用的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并利用視頻編碼以提高鏈路的穩(wěn)健性。它全方面支持DTCP和HDCP2.0，從而提供安全的內(nèi)容保護(hù)機(jī)制。此外，WirelessHD對USB接口提供無線連接，進(jìn)一步減少設(shè)備間的線纜連接。

3 WiGig與其他方案的比較

表1中將上述技術(shù)的特性進(jìn)行了比較。

表1 各種無線顯示技術(shù)的比較

從表1可以看出，WiDi具有傳輸延遲較大和有損視頻壓縮的缺陷，而WHDI受限于有限的頻寬，也存在不能傳輸無損全高清視頻的劣勢。隨著視頻分辨力邁向特高清（Ultra-high Definition Television，UHDTV），以及色深和刷新率的不斷增加，若兩者不能在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)中有進(jìn)一步技術(shù)突破，它們將只能在無線顯示的低端市場占據(jù)一席之地，很難挑戰(zhàn)WiGig和WirelessHD技術(shù)。

帶寬是60 GHz技術(shù)的一張王牌，傳送未經(jīng)壓縮的高清視頻，且延遲在5～15 ms，正是WiGig和WirelessHD技術(shù)所抓住的價(jià)值點(diǎn)，這兩種技術(shù)將有較大機(jī)會(huì)發(fā)展成為主流標(biāo)準(zhǔn)。目前WirelessHD標(biāo)準(zhǔn)提供更寬的傳輸帶寬，這是它相對于WiGig的主要優(yōu)勢。而WiGig標(biāo)準(zhǔn)融合了WirelessHD和傳統(tǒng)WiFi技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，相比之下，Wi-Gig的優(yōu)勢在于以下兩方面：

第一，可與WiFi無縫融合。在家庭應(yīng)用中，傳送距離尤其是信號穿越墻壁的能力是重要的考慮因素。WirelessHD技術(shù)無論是低速、中速、高速，物理層都將傳送距離限制在10 m以內(nèi)，并且不能穿越墻壁。而WiGig技術(shù)擁有向下兼容IEEE 802.11a/b/g/n的能力，當(dāng)設(shè)備間距離較近時(shí)并沒有墻壁阻擋時(shí)，系統(tǒng)將使用60 GHz頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以獲得更高的連接速率，而當(dāng)設(shè)備間距離超出60 GHz覆蓋范圍或者有墻壁阻擋時(shí)，其無線連接自動(dòng)下移到2.4 GHz或5 GHz頻段，這就很大程度上解決了令WirelessHD技術(shù)尷尬的傳輸距離的限制。盡管此時(shí)帶寬也有所降低，但畢竟還是提供了更多的應(yīng)用場景和更好的用戶體驗(yàn)。

第二，瞄準(zhǔn)多應(yīng)用領(lǐng)域。最初WiGig技術(shù)瞄準(zhǔn)的是家庭內(nèi)部的無線高清傳輸市場，但是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之后人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，也許可以將WiGig技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域。除了能滿足高分辨力視頻信號的傳輸需求外，WiGig所具有的寬帶寬和低延遲特點(diǎn)也是其他幾種應(yīng)用的理想選擇，如把筆記本式計(jì)算機(jī)上的內(nèi)容傳輸?shù)脚_(tái)式機(jī)上播放和存儲(chǔ)，以及無需電纜就能把視頻從高清攝像機(jī)傳輸?shù)诫娨暽稀ＶС諻iGig標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)卡功耗和成本和現(xiàn)有IEEE 802.11n產(chǎn)品相當(dāng)，因此完全可以將它移植到移動(dòng)領(lǐng)域，比如讓手機(jī)無線連接到電視、計(jì)算機(jī)，傳輸視頻、音樂或照片等。

WiGig技術(shù)不僅僅只是面向視頻和文件的傳輸，該標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議適應(yīng)層支持豐富的系統(tǒng)接口，HDMI，Display Port，PCIe和USB等都可以適配到WiGig MAC層進(jìn)行傳輸。

4 小結(jié)

基于上述比較，筆者認(rèn)為未來家庭無線領(lǐng)域?qū)⑹侵饕捎肳iGig的無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）的天下，WiGig可能作為一個(gè)良好的平臺(tái)來支持包括視頻、數(shù)據(jù)等多種無線應(yīng)用。同時(shí)，如果WirelessHD技術(shù)能在傳輸帶寬上持續(xù)保持領(lǐng)先，它也將在高端應(yīng)用市場中占有重要地位。鑒于WiGig聯(lián)盟和WirelessHD聯(lián)盟中眾多核心成員都橫跨兩大陣營，未來也可能出現(xiàn)兩種標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)備相互兼容的狀況。

榮獲CES 2012創(chuàng)新產(chǎn)品大獎(jiǎng)的無線擴(kuò)充基座（wireless docking）以及實(shí)際商用化的WiGig無線三頻模塊，呈現(xiàn)了Ultrabook，HDTV等新穎智能設(shè)備間無線傳輸?shù)膷湫聭?yīng)用。這次全球首次公開實(shí)演，提供了比WiFi快10倍的吉比特級無線高速傳輸體驗(yàn)，在CES展場吸引了各大廠家的高度關(guān)注。與此同時(shí)，更低功耗的WirelessHD收發(fā)芯片、WiDi2.0技術(shù)以及采用WHDI的平板電腦也都閃亮登場。無線顯示市場的競爭正式拉開帷幕，正式宣告即將步入高速無線顯示的新時(shí)代。

[1]Wireless gigabit alliance:WiGig white paper:defining the future of multi-gigabit wireless communications[EB/OL].[2011-12-20].http://wirelessgigabitalliance.org/?getfile=1510.

[2]Paul debeasi:802.11n:enterprise deployment considerations[EB/OL].[2012-01-27].https://www.wi-fi.org/knowledge-center/white-papers/80211n-enterprise-deployment-considerations-2008.

[3]WiFi alliance:Wi-Fi peer-to-peer(P2P)specification v1.1[EB/OL].[2012-01-11].https://www.wi-fi.org/knowledge-center/published-specifications/.

[4]WirelessHD consortium:WirelessHD specification version 1.1 overview[EB/OL].[2012-02-11].http://www.wirelesshd.org/pdfs/WirelessHD-Specification-Overview-v1.1May2010.pdf.