刘玲斐，高 静，高 鹏

（1.知识产权局专利审查协作北京中心，北京 100190；2.威盛电子（中国）有限公司，北京 100083）

数字多媒体技术正在进行着日新月异的演进：显示分辨力从标清发展到高清、全高清，而今又迈向特高清；色深和屏幕刷新率成倍增长；3D显示技术忽如一夜春风来；音频技术也从双声道立体声进展到5.1乃至7.1声道。这些进步在提供更完美的用户体验的同时，也对音视频接口的带宽提出了更高的要求。

另一方面，随着短距离无线通信技术的飞速发展，蜘蛛网般的线缆已濒临淘汰，越来越多的接口得以无线实现，技术创新的先驱者们将目光落在了短距离线缆的最后堡垒——显示接口上。旨在取代有线显示线缆的诸多无线技术业已提出，标准化工作相继完成，概念方案纷纷亮相，很多产品已经具备了相当的实用性，可以说，已处于显示接口全面无线化的前夜。本文介绍了其中具备最广泛应用前景的WiGig技术，在说明技术细节和应用场景的同时，也通过与其他竞争者的比较阐明该技术的优势所在。

1 WiGig规范

2009年无线Gigabit（WiGig）联盟成立，它力图制定一个统一的吉比特级无线通信规范，以支持无线显示、无线扩充基座和诸如网络链接等既有应用。

WiGig的MAC和PHY规范可实现最高达7 Gbit/s的数据传输率，此速度较目前最快的IEEE 802.11n的WiFi网络快了10倍以上。WiGig是在免授权的60 GHz频带上运行，较现行WiFi产品使用的2.4 GHz和5 GHz频带拥有更多的可用频谱，因此能提供更宽的通道，以支持更高的传输速度[1-2]。

1.1 规范概要

WiGig规范中充分考虑了性能、实现复杂度和成本，与既有WiFi相容，先进的安全性等要素。其重要特性包括：1）支持最高达7 Gbit/s的数据传输率。2）针对多种应用设计，从手机等低功耗手持设备，到计算机等高性能设备，均能适用，并具备先进的电源管理功能。3）以IEEE 802.11为基础，提供对IP网络和WiFi的原生支持，并可让设备在2.4 GHz，5 GHz和60 GHz各种不同频带运作的IEEE 802.11网络间实现透明切换。4）支持束波成形技术，可提升信号强度，以实现距离超过10 m的通信能力。5）采用Galois/Counter模式的AES加密算法以提供先进的安全性。6）支持 HDMI，Display Port，USB 和PCIe等接口的无线承载。

1.2 架构

WiGig规范是以IEEE 802.11标准为基础，并定义了物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC），以提供对IP网络的原生支持。同时，也使得开发可同时在WiGig和现有WiFi网络上通信的三频（2.4 GHz，5 GHz和60 GHz）无线设备成为可能[2]。

WiGig规范也定义了协议适配层（PAL），以支持60 GHz频带上的特定数据和显示标准。如图1所示，PAL允许这些标准接口直接在WiGig MAC和PHY上执行，以实现这些标准的无线承载。目前的PAL涵盖音频/视频（A/V），如WiGig视频扩展（WiGig Display Extension，WDE），以及支持输入/输出（I/O）接口的WiGig串行扩展（WiGig Serial Extension，WSE）和WiGig总线扩展（WiGig Bus Extension，WBE）。

1.3 物理层（PHY）

与WiFi使用的2.4 GHz和5 GHz频带相同，WiGig使用的60 GHz频段是无需授权的，而且全球都可取得。60 GHz频带拥有的可用频谱较2.4 GHz和5 GHz频带为多，一般为7 GHz宽的频谱，而2.4 GHz频带的频宽为83.5 MHz。与2.4 GHz和5 GHz频带相同，该频谱会被分割为多个通道。因为60 GHz的可用频谱较多，因此通道更宽，有助于实现数吉比特级的数据传输率。WiGig规范定义了4个通道，每个都是2.16 GHz，这较IEEE 802.11n的可用通道宽度提升了50倍。这些较宽的通道能让WiGig支持需要非常高速的通信应用。

规范支持两种调制与编码方式，可分别提供不同的效益：1）正交频分复用（OFDM）由于具备较大的延迟扩展，因此可支持长距离传输，在处理障碍和反射信号时可提供更佳的弹性。OFDM可实现最高达7 Gbit/s的传输速度。2）单载波（SC）的功耗较低，因此较适用于小型、低功耗手持式设备。单载波最高可支持4.6 Gbit/s的传输速度。

1.4 媒体接入控制层（MAC）

WiGig规范定义的MAC支持先进的应用模式，与WiFi网络整合，降低功耗和提供健壮的安全性。

1）网络构架

WiGig规范中定义了新的网络架构，可实现两个设备间的直接通信，因此可开创出新的应用模式，例如设备间的快速同步化作业，以及将影音内容传送到投影仪或电视。此外，WiGig规范亦支持现有IEEE 802.11网络架构，比如与WiFi网络相同，可采用共享的接入点（AP）。

2）无缝多频带运作

一个通信进程能在60 GHz通道和2.4 GHz或5 GHz的WiFi通道间快速且无缝地被转送。此创新设计能够在没有60 GHz WiGig网络存在时，无缝地回到2.4 GHz或5 GHz WiFi网络。这种多频带运作可显著提升使用者的体验。拥有多频带装置的使用者，若其设备从60 GHz切换到较低频的WiFi通道，仍能够不中断地持续访问网络。对使用者来说，他们总是希望至少能拥有与现今WiFi产品一样的性能，若可能的话，还能自动切换到更高速的60 GHz WiGig网络。

3）电源管理

WiGig设备能利用新的计划访问模式来降低电源消耗。两个设备通过方向性连接彼此通信时，可设定它们将会通信的时间，在其他时间，两个设备可设定为休眠或省电模式。该功能可更精密地依照实际的流量负荷设定电源管理模式，这对手机和其他以电池供电的手持设备来说，是非常重要的。

4）先进的安全性

WiGig规范以IEEE 802.11中所使用的强大安全性机制为基础，采用Galois/Counter模式，这是专为支持10 Gbit/s以上通信速度所设计的高效操作模式，能提供以AES为基础的强大加密功能，同时支持具更佳性能与效率的硬件实现方式。

1.5 协议适配层（PAL）

PAL可让主要的计算机和消费电子接口通过无线的60 GHz WiGig网络来承载。PAL能使实现更为简易，可开发具备内建支持的设备，将可推动诸如无线基座、高速同步化作业和无线显示器等先进应用。

因为直接定义于WiGig MAC和PHY层之上，而不是更高层的协议层中，再加上能在硬件中实现，因此PAL可实现高效适配，带来最佳性能并降低功耗。

1）音频/视频（A/V）

WiGig视频扩展（WDE）可允许音频/视频数据的无线传输。举例来说，可从计算机或数字相机将影片传送到电视或投影仪。此PAL可支持HDMI和Display Port接口的无线实现，同时也支持用来保护数字内容在这些接口上传输的HDCP标准。WDE PAL可支持压缩过和未压缩的视频传输。

2）输入/输出（I/O）

I/O PAL将计算机接口在60 GHz上的承载，现已完成的定义有WiGig WSE和WBE。

USB是外设或其他设备与主机相连的常用接口，USB PAL可实现USB设备间的吉比特级无线连接性，同时亦有助于开发诸如USB基座的各种产品。

PCIe总线通常被用在计算机中，将CPU和内存、网卡、以及其他I/O控制器相连。它也能被用来与图形处理器相连，以增强图片品质和降低CPU的处理负荷。WBE PAL能实现设备间的吉比特级无线同步化作业，并能与存储器和其他高速外设相连。

3）应用模式

WiGig规范和PAL能为多种创新以及既有的应用模式带来吉比特级的无线实现方式，如图2所示。

2 无线显示领域的其他主流解决方案

2.1 WiDi

WiDi，即Wireless Display，是Intel推出的、基于WiFi Direct标准的无线技术，其目的是通过无线局域网来实现笔记本式计算机和电视的无线连接，将笔记本式计算机的画面输出到电视[3]。

WiFi Direct是WiFi点对点网络中的标准，支持所有的WiFi设备。WiFi Direct技术突破了WiFi网络中不可缺少的热点的局限，符合该标准的设备之间可以非常方便地实现直接连接，从而传输数据或共享应用。IEEE 802.11n理论传输率达到600 Mbit/s，可以轻易达到50 m以上的传输距离，并且具有一定的穿透性，在隔墙的情况下也能使用。对比WiDi当前能提供的性能，可以预计WiDi后续标准中性能还有提升的空间。

WiDi的原理是：将视频和音频数据压缩后通过WiFi进行传送，在接收端进行解压缩，然后通过诸如Display Port、HDMI等有线视频接口将解压缩后的视频和音频传送给显示设备。最新的WiDi 2.0技术可以支持1 080p的全高清视频播放。WiDi优点在于可利用现有的WiFi网络，成本低；缺点是视频需要经过压缩和解压缩过程，有较大的画面延迟，并且无法实现视频的无损传输。

目前，与WiDi原理类似的WiFi Display标准正在制定中，该标准有望在更多的设备间采用现有的WiFi网络实现无线显示，诸如手机、平板电脑等。

2.2 WHDI

目前在无线显示传输领域最成熟的方案当属AMIMION公司推出的WHDI技术。WHDI（Wireless Home Digital Interface），即无线家庭数字接口。它提供了一个高品质、无压缩的无线连接方式，WHDI技术在源与目标之间直接交互，而不需要中间路由器或交换机。有消息透露，WHDI2.0将全面支持HDMI 1.4a规格所要求的所有3D格式；支持下一代4 k×2 k高清格式；支持WHDI与WiFi共存。

AMIMION提供的一些资料表明该技术并没有采用通常的视频压缩技术，但是与像素值中的高有效位相比，低有效位在传输中的优先级和给予传输的带宽都更低，因此会有一些损失，所以WHDI是非压缩的但却是有损的。

与WiDi相比较，其优点在于图像信号传输延迟低，独立的传输信号不占用网络带宽，能支持无压缩传送1 080p的全高清视频播放。

2.3 WirelessHD

成立于2006年的WirelessHD联盟，制定了第一个面向下一代的无线数字接口标准，该标准针对消费电子，个人计算和便携设备领域中无线传输高清音视频的应用，最高支持QFHD分辨力，48 bit色深和240 Hz刷新率的未压缩图像传输以及音频传输[4]。

针对不同的应用场景，WirelessHD制定了3种物理层：低速物理层（2.5～40 Mbit/s）用于全方向的控制和设备发现；中速物理层（0.5～2 Gbit/s）用于支持低功耗移动应用以及双向数据传输；高速物理层（1～7 Gbit/s）用于高吞吐量的视频传输，结合MIMO和波束成形技术可将带宽进一步增至28 Gbit/s。由于WirelessHD使用免费的60 GHz频段，其传输距离受限于10 m以内。

与之前的诸多视频接口不同，WirelessHD采用了更为通用的IP数据网络，并利用视频编码以提高链路的稳健性。它全方面支持DTCP和HDCP2.0，从而提供安全的内容保护机制。此外，WirelessHD对USB接口提供无线连接，进一步减少设备间的线缆连接。

3 WiGig与其他方案的比较

表1中将上述技术的特性进行了比较。

表1 各种无线显示技术的比较

从表1可以看出，WiDi具有传输延迟较大和有损视频压缩的缺陷，而WHDI受限于有限的频宽，也存在不能传输无损全高清视频的劣势。随着视频分辨力迈向特高清（Ultra-high Definition Television，UHDTV），以及色深和刷新率的不断增加，若两者不能在后续标准中有进一步技术突破，它们将只能在无线显示的低端市场占据一席之地，很难挑战WiGig和WirelessHD技术。

带宽是60 GHz技术的一张王牌，传送未经压缩的高清视频，且延迟在5～15 ms，正是WiGig和WirelessHD技术所抓住的价值点，这两种技术将有较大机会发展成为主流标准。目前WirelessHD标准提供更宽的传输带宽，这是它相对于WiGig的主要优势。而WiGig标准融合了WirelessHD和传统WiFi技术的诸多优点，相比之下，Wi-Gig的优势在于以下两方面：

第一，可与WiFi无缝融合。在家庭应用中，传送距离尤其是信号穿越墙壁的能力是重要的考虑因素。WirelessHD技术无论是低速、中速、高速，物理层都将传送距离限制在10 m以内，并且不能穿越墙壁。而WiGig技术拥有向下兼容IEEE 802.11a/b/g/n的能力，当设备间距离较近时并没有墙壁阻挡时，系统将使用60 GHz频段进行数据传输，以获得更高的连接速率，而当设备间距离超出60 GHz覆盖范围或者有墙壁阻挡时，其无线连接自动下移到2.4 GHz或5 GHz频段，这就很大程度上解决了令WirelessHD技术尴尬的传输距离的限制。尽管此时带宽也有所降低，但毕竟还是提供了更多的应用场景和更好的用户体验。

第二，瞄准多应用领域。最初WiGig技术瞄准的是家庭内部的无线高清传输市场，但是当标准出台之后人们惊奇地发现，也许可以将WiGig技术应用到其他领域。除了能满足高分辨力视频信号的传输需求外，WiGig所具有的宽带宽和低延迟特点也是其他几种应用的理想选择，如把笔记本式计算机上的内容传输到台式机上播放和存储，以及无需电缆就能把视频从高清摄像机传输到电视上。支持WiGig标准的网卡功耗和成本和现有IEEE 802.11n产品相当，因此完全可以将它移植到移动领域，比如让手机无线连接到电视、计算机，传输视频、音乐或照片等。

WiGig技术不仅仅只是面向视频和文件的传输，该标准的协议适应层支持丰富的系统接口，HDMI，Display Port，PCIe和USB等都可以适配到WiGig MAC层进行传输。

4 小结

基于上述比较，笔者认为未来家庭无线领域将是主要采用WiGig的无线个域网（WPAN）的天下，WiGig可能作为一个良好的平台来支持包括视频、数据等多种无线应用。同时，如果WirelessHD技术能在传输带宽上持续保持领先，它也将在高端应用市场中占有重要地位。鉴于WiGig联盟和WirelessHD联盟中众多核心成员都横跨两大阵营，未来也可能出现两种标准或设备相互兼容的状况。

荣获CES 2012创新产品大奖的无线扩充基座（wireless docking）以及实际商用化的WiGig无线三频模块，呈现了Ultrabook，HDTV等新颖智能设备间无线传输的崭新应用。这次全球首次公开实演，提供了比WiFi快10倍的吉比特级无线高速传输体验，在CES展场吸引了各大厂家的高度关注。与此同时，更低功耗的WirelessHD收发芯片、WiDi2.0技术以及采用WHDI的平板电脑也都闪亮登场。无线显示市场的竞争正式拉开帷幕，正式宣告即将步入高速无线显示的新时代。

[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.