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WirelessHD/WiGig/WHDI三劍客各有一片天!
無線傳輸高畫質3D視訊不是夢

【作者: 鍾榮峯】   2010年04月06日 星期二

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高畫質3D視訊帶動無線技術革新


雖然不經壓縮格式、可傳輸高解析度視訊影像的高速無線傳輸技術,不會有封包傳輸會導致畫素漏失的難題,也可解決有線傳輸纜線佈線複雜不利空間便利性的老問題。不過其現在面臨最大的課題,就是如何因應容量越來越大的多媒體視訊內容傳輸需求。



若要傳輸更多容量的多媒體視訊內容,就需要更大的頻寬。高畫質Full HD(1080p)視訊內容最起碼需要3Gbps的傳輸量,1080i至少也需要1.5Gbps的傳輸量。但現在可不是只有1080p的Full HD視訊而已,3D立體影像應用也開始出現在數位家庭環境和PC/NB周邊領域。別忘了未來可能還有Super HD甚至是Super 3D呢!這些對於既有傳輸容量即將達到極限的各種高速無線傳輸標準來說,已經是不可承受的負荷。因此尋找其他更高頻寬、以便傳輸更大容量多媒體視訊內容的替代方案,一直都在進行當中。



目前條件漸趨成熟、發展性也備受期待的,就是以毫米波(Millimeter Wave)60GHz為基礎的WirelessHD和WiGig、以及正在計畫的IEEE 802.11ad,還有採用5GHz的WHDI(Wireless Home Digital Interface)標準。除了這些無線電波(radio frequency)之外,另外以紅外線、紫外線、白光LED或其他可見光為基礎的無線光通訊技術,也正在積極研發當中。



《圖一  數位家庭將是首波應用焦點!》


毫米波60GHz不易穿透安全性高


過去以軍事用途為主、在短距間傳輸機密資料的60GHz頻段,目前已開放出來給高速短距傳輸規格IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11進一步運用。60GHz有些頻段沒有切出來的部分,亦屬於免申請使用執照的無線電頻段(ISM-band),這就好像寸土寸金的台北市、難得釋出珍貴稀有的精華地段一般,馬上成為各大標準集團兵家必爭之地。



60GHz屬於高頻段,高頻傳輸容量大、傳輸距離短、指向性高、穿透率低。由於超高頻60GHz電波指向性高,不易穿透散射折射,因此無法穿透牆壁或房門。而利用此頻段傳輸無線電波時,容易受到空氣中氧分子的共振效應而被吸收,同時受到LoS(Line of Sight)影響較大,人體移動時訊號傳送接收易受干擾。因此傳輸距離必須夠短夠近,發送和接收器之間也必須能有效抓到最佳傳輸方向,並結合收發器和天線控制技術,才能提高收發高解析訊號的品質,不受干擾地在裝置間傳輸。相對地,60GHz的傳輸隱密性也夠高,若要攔截訊號就非得要進入室內環境才有辦法接收得到,這也是為何60GHz先前主要是應用在傳輸軍事機密重要影像的緣故。



WirelessHD和WiGig都積極搶進60GHz地段,前者以IEEE 802.15.3c標準為基礎,後者以IEEE 802.11為核心,此外採用60GHz頻段的標準還包括IEEE 802.11ad規格。



WirelessHD讓無線傳輸3D視訊美夢成真!


由Matsushita、Samsung、SONY、NEC、LG、SiBEAM與Toshiba所合組發起的WirelessHD集團,在2008年1月便已完成WirelessHD 1.0版標準,去年1月Intel和Broadcom加入發起成員後,包括Philips、Yamaha、Funai、ST Micro和NXP等大廠也陸續加入,目前其集團全球會員數已經超過40個,包括台灣的聯發科(MediaTek)、以及全球量測廠商太克(Tektronix)、羅德史瓦茲(R&S)和安立知(Anritsu)。



值得注意的是,WirelessHD相容性測試計劃(Compliance Test Program)已經在歐盟市場推展,目前WirelessHD測試版本已進入1.0a階段。WirelessHD組織正計畫進一步強化WirelessHD 1.0規格,第二代標準將進一步支援3D TV、HDTV以及藍光光碟播放等無線傳輸需求,並將傳輸容量提升至10~28Gbps,支援4K高畫質解析度、以及IP網路資料傳輸需求和HDCP 2.0內容保護功能。現在WirelessHD也已經成立自己的授權測試驗證機構ASTH,主要是以相關產品的相容性驗證為主。



在實際應用上,美國HDTV電視品牌大廠VIZIO已宣布採用SiBEAM的60GHz晶片和WirelessHD技術;Panasonic的54吋高畫質電漿電視也採用WirelessHD技術;Tosbiba的CELL TV也使用WirelessHD作為無線連結機上盒的功能,這表示既有的WirelessHD亦可以支援無線傳輸3D影像的頻寬需求。



WirelessHD是以SiBEAM的半導體技術為核心,結合較低成本的CMOS製程技術,並掌握關鍵天線技術的射頻收發器。其可搭配指向性的波束控制(beam steering)天線技術來延伸傳輸距離,並強化接收器的接收訊號。在10公尺範圍內,WirelessHD可點對點傳遞無壓縮、無損失傳送1080p的高解析視訊畫面,傳輸速率可達4Gbps。



SiBEAM透過採用CMOS技術製造的射頻IC,降低了收發器電路成本。以往GaAs技術通常用於毫米波收發器電路,成本較高,CMOS技術則可將成本降低到WLAN的水準,有助於WirelessHD技術應用的普及。有些業者也會借用Beamforming技術來延伸傳輸距離,或是利用MIMO技術將選定的特定訊號各取所需傳輸出去。



WiGig 1.0底定 廠商兩邊押寶


至於去年5月7日新成立的WiGig聯盟,主要也是運用60GHz頻段推廣多媒體資料傳輸、IP網路資料接取和多重系統服務。發起成員包括Atheros、Broadcom、Dell、Intel、LG、Marvell、聯發科(MediaTek)、Microsoft、NEC、Nokia、Panasonic、Samsung以及Wilocity,測試儀器廠商安捷倫也在去年9月加入WiGig陣營,台灣的雷凌(Ralink)和德州儀器(TI)也成為WiGig新成員,包括nVIDIA和AMD 也加入了WiGig集團行列,增添不少氣勢。去年12月初,正式的WiGig 1.0標準也已經底定,規劃可支援HDTV介面和其他高畫質顯示器和投影設備。



值得注意的是,很多消費電子品牌大廠和晶片廠商都同時參與WirelessHD和WiGig兩大集團。包括LG、Panasonic、Samsung、NEC、聯發科、Intel、Broadcom和Toshiba。聯發科則一方面鴨子划水地加入WiGig聯盟,另一方面並與某國際品牌大廠合作研發支援專屬規格性質的晶片設計,欲提出專屬的無線短距高速傳輸規格。



儘管Wireless HD和WiGig都採用60GHz,雙方在發展標準規格上的專屬特性非常明顯,Wireless HD內部規定加入集團的成員才能夠分享相關研發成果和測試方案,而WiGig內部也嚴格規定不可對外公開其規格資料。雙方都還在打地基,因此門禁相對森嚴。



802.11ad規格Gi-Fi晶片已成型


802.11ad也是以60GHz毫米波頻段為基礎,通道頻寬約為2GHz,理論值傳輸容量為2~3Gbps,不僅網通晶片大廠Broadcom對開發802.11ad相當有興趣,澳洲的國立科技研究單位NICTA則已經開發出以802.11ad規格為基礎的Gi-Fi晶片,宣稱其傳輸容量可達5Gbps。Gi-Fi晶片樣品已經完成,預計將可迅速進入量產階段。預計802.11ad規格將在2012年底完成。



WHDI覆蓋率高 今年Q3樣品問世


另一方面,WHDI 協會在去年12月初宣布已完成WHDI 1.0規格,晶片技術則由以色列公司AMIMON所主導。包括Hitachi、Sony、Sharp、Samsung與出資支持AMIMON的Motorola,在2008年7月建立WHDI SIG。目前AMIMON已在去年5月推出第二代能傳輸高畫質影像的WHDI晶片組。WHDI標準強調傳輸速率可達3Gbps,能在100英尺範圍內穿透牆壁,跨房間無線傳輸(multi-room wireless)傳輸1080p/60Hz高畫質視訊內容。但WHDI技術專屬性強,就連量測廠商也難以取得實體層以上的技術規範專利內容。不過WHDI和AMIMON已計畫在今年Q3推出相關晶片產品。



以802.11n的PHY為基礎的WHDI,運作於5GHz頻段,整合4×5 MIMO、OFDM和Beamforming技術。若使用40MHz的頻寬通道,傳輸速率可達3Gbps,可傳輸距離比WirelessHD還遠,能夠達到30~150公尺;若使用18MHz的頻寬通道,則可達到1.5Gbps傳輸速度。



採用5GHz頻段傳輸,傳輸距離較長,電波指向性不強,因此散射折射特性明顯,數位家庭內各個角落房間均可接收得到。WHDI採用MIMO多重天線設計,恰恰是強化了WHDI在多重路徑(Multi-Path)的傳輸特性,亦即把多重干擾和散射的問題化作優勢,利用類似解方程式的方式將訊號清晰處理出來。如果將使用WHDI標準的數位家庭裝置放得過近,反而多重路徑的效果出不來,也影響了WHDI高解析視訊的傳輸品質。5GHz的晶片設計就是以提高電路設計的複雜度,來平衡傳輸高畫質視訊時、會產生都丟掉一點點畫素影響品質的風險。但較低頻5GHz要如何切出3Gbit/s的頻寬,比較困難。



802.11ac一步一腳印


802.11ac有點類似於802.11n,將使用5GHz頻段,運作在80MHz的通道上,利用MIMO天線技術來達到1Gbps的高傳輸容量。Broadcom也正在研擬開發802.11ac。值得注意的是,Broadcom計畫開發02.11ac和802.11ad,是不是有意另闢蹊徑、自立門戶,與Wireless HD、WiGig和WHDI互別眉頭,可繼續觀察。



光通訊商業化大有可為


採用高頻60GHz的Wireless HD和WiGig技術,功耗較高,加上LoS必須毫無阻礙、接收器與收發器之間必須精準對位才能收到訊號的要求,可能限制了60GHz的覆蓋率,加上目前無線射頻可使用的頻段已非常擁擠,於是利用反射紅外線(reflected infrared light)光代替無線電波(radio waves)傳輸資料、以及利用白光LED的光通訊技術,也被視為可行替代方案的選項之一。值得注意的是,不像無線射頻頻譜備受各國政府程度不一的通訊管制,包括紅外線、可見光、和紫外線等各類光譜,尚未受到全球管制。這便創造了光無線網路商業化的良好條件。



紅外線光通訊開啟一扇窗


美國賓夕法尼亞州立大學的研究團隊,便成功研發出傳輸速率可達1Gbps的高速紅外線光傳輸技術。賓大研究生Jarir Fadlullah和電機工程教授兼資訊通訊技術研究中心主任Mohsen Kavehrad,利用低能量的紅外線雷射,藉由一個透鏡來聚焦光線,在天花板上形成一橢圓形的光點,然後使用高靈敏度的雪崩式光電二極體(avalanche photodiode)光線探測器,收集從天花板反射的光線。同時他們使用一個塑膠的立體透鏡(holographic lens),從天花板光點收集足夠的反射光,並將它聚焦在光電二極體的感光區域。藉由使用這些透鏡,他們便能夠在一個面積為長8公尺、寬4公尺的房間內傳輸1Gbps的紅外線光訊號。



這紅外線光通訊技術,是使用散射光(diffuse light)而非是點對點的光收發系統,能夠用散射光展示傳輸速率可達1Gbps的光通訊能力,意義相當重大。這個低能量散射光方法,不需要非常精確對準也可接收到訊號,可減少光收發系統的複雜度,因此更適用於室內通訊。



現在包括Intel、InterDigital、Siemens、Sony、Samsung、Mitsubishi和Sanyo等都在研發光無線網路,其中幾家公司正是紅外線數據協會(Infrared Data Association;IrDA)的成員,此協會就是正在開發紅外線無線通訊的技術標準。IrDA最近宣佈了GigaIR標準,可在極短距離的LoS內,以紅外線達到1Gbps的傳輸速率。而為WPAN網路設置標準的IEEE 802.15工作小組,也正在規劃使用可見光的無線網路。



光無線通訊(optical wireless networks)將開展另一扇窗,讓無線通訊技術邁向另一新的境界。光無線網路具備更小的干擾和更高的安全性,光通訊無法穿透牆壁的傳輸特性,讓光通訊頻譜得以重複使用,並且難以被攔截。這與指向性高的60GHz毫米波傳輸應用,某種程度有異曲同工之妙。



白光LED有機會進入實用階段


今年初利用白光LED的LED可見光通訊技術也有新的突破,德國西門子(Siemens)和德國Heinrich Rudolf 研究所的科學家便成功合作提高傳輸速率至500Gbps。其即利用螢光燈或是白光LED等室內照明設備,發出肉眼感覺不到的高速明暗閃爍的訊號,以無線方式來傳輸資料。採用可見光是因為波長範圍大,透過設計將可見光訊號用不同的波長進來進行傳輸。LED可見光通訊的優點也是可避免一般無線區域網路(WLAN)或高頻無線傳輸的電磁波對人體與周邊電子設備造成干擾的影響,並且可代替無線基地台,同時具備安全性高的特點。白光LED既定的發展進度,被認為在3年內便有機會出現可實用化的無線光通訊網路。



數位家庭將是首波應用焦點!


無論是WirelessHD、WiGig、WHDI、802.11ac/ad,還是研發當中的光通訊技術,哪種規格能夠勝出,最後都還是要看消費電子品牌大廠是否願意採用。3DTV、HDTV、機上盒等數位家庭設備產品,應該會是WirelessHD/WiGig/WHDI首波應用的焦點。而藉由標準規格的不斷革新,很快地無線傳輸高畫質3D視訊將不再是夢想,正即將進入商業化應用階段。屆時將對整個3D電視產業帶來怎樣的影響,且讓我們拭目以待!



(表一) 可高速傳輸HD或3D視訊的主要規格技術一覽表



























































































標準名稱

WirelessHD 1.0

WiGig 1.0

WHDI 1.0

Gi-Fi

未定

組織成立日期

2008年1月

2009年5月7日


12月10日標準底定

2008年7月


2009年12月1.0版正式問世

預計2012年底標準底定

預計2012年底標準底定

傳輸規格

802.15.3c mmWave

802.11

802.11n

802.11ad

802.11ac

使用頻段

60GHz


(57~66GHz)

60GHz

5GHz

60GHz


(57~66GHz)

5GHz

通道頻寬

 

 

40MHz

約2GHz

80MHz

傳輸距離

~10公尺內

10公尺左右

30~150公尺

~10公尺內

N/A

傳輸速率

可達4Gbps


(革新版規劃10~28Gbps)

可達7Gbps

可達3Gbps

2~3Gbps


(Gi-Fi:5Gbps)

可達1Gbps

傳輸特性

指向性高


隱密性高


不易穿透折射


傳輸距離短

同左

指向性不強


易散射折射


可支援多對多點傳輸


傳輸距離較長

指向性高


隱密性高


不易穿透折射


傳輸距離短

指向性不強


易散射折射


可支援多對多傳輸


傳輸距離較長

主要晶片廠商

SiBEAM

 

AMIMON


(Motorola主要出資)

NICTA


(Gi-Fi Chip)

 

主要參與大廠

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

首波主要應用

HDTV, STBs, 轉接器, 3D TV, 數位家庭領域

PC周邊, 顯示器, HDTV, 投影設備

STBs, Blu-ray播放機, PC, 行動裝置,遊戲機等

 

 


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