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AR/VR能否讓60GHz技術重見天日
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60GHz技術在2008年左右異軍突起,成為半導體業界冉冉升起的新星。當時摩爾定律處於65nm這個對於射頻和類比電路設計非常友好的節點(直到今天仍然有不少射頻類比電路晶片在使用65nm工藝),射頻電路的性能相對上一代90nm工藝有很大提升;從產品上看,正值射頻電路3G方興未艾,4G技術萬事俱備只等正式發佈的狀態,因此整個業界對於射頻電路的前景抱有非常樂觀的態度。當時傳統的2GHz及以下的頻段看上去已經很擁擠,於是射頻業界瞄準了少有人使用的毫米波頻段成為下一個開發目標。
 
當然毫米波頻段也不是可以隨意挑選,因為許多毫米波頻段已經被軍方挑走了,民間無法使用。這時,60 GHz頻段就進入了各大公司的視野。60 GHz頻段包括57~66 GHz,是一個免授權ISM(industrial, scientific and medical,工業、科學研究和醫學)頻段,因此無需從政府那邊購買頻譜資源即可使用。另外,60 GHz頻段的頻寬高達9 GHz,包含了4個2.16 GHz的超寬頻段,即使使用簡單的調製方式(如QPSK)也能實現大於1Gbit/s的超高速(以2008年的標準)。

學界諸多大咖,例如UC Berkeley的Ali Niknejad,UCLA的Frank Chang和Behzad Razavi,當時還在TU Delft的John Long等在ISSCC,RFIC,JSSC之類的頂級期刊上灌60GHz的paper灌得不亦樂乎。2007年起,WiGig組織開始研究使用60 GHz頻段的超高速無線電標準,並於2009年正式發佈了802.11ad。幾乎與此同時,SiBeam(後來於2011年被Silicon Image收購)也發佈了與802.11ad競爭的WirelessHD標準,想要用60 GHz頻段無線傳遞高清影片。

兩個互相競爭的60GHz標準,WiGig(802.11ad)與WirelessHD
毫米波頻段的另一個特性是在空氣中衰減較大,且繞射能力較弱。60GHz正好是氧氣的共振頻率,因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非常快。60GHz衰減大有好有壞,好處是60GHz系統在設計的時候不用特別考慮如何處理幹擾信號(因為不同終端間的幹擾信號衰減很大),只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。
但是,衰減大也有一個很大的問題,就是用60GHz實現信號穿牆基本是不可能。 因此,普通人的家裡如果要使用60GHz頻段做超高速無線局域網,則每個房間都必須部署一台路由器,這成為了60GHz局域網普及的一個問題。而且,支持802.11ad的路由器價格還很貴,加上一次必須部署多個路由器,這極大地增加了60GHz局域網普及的成本。
 
不同頻率電磁波在空氣中的衰減,60 GHz正處於氧氣的諧振峰上,因此衰減很大
支持802.11ad 60GHz頻段的路由器,售價高達450美金
更關鍵的是,60GHz普及遇到的更大問題是還沒有殺手級應用。哪些局域網應用真的需要如此高速的無線連接?就常規檔案傳輸而言,通常家庭和商務應用並不會用到802.11ad那麼高的傳輸速率,而真正需要如此高速率的場合(如伺服器節點間的高速資料傳輸)又不一定會用到無線,因為無線傳輸畢竟穩定性不如有線。之前WiGig和WirelessHD聯盟想到的應用都是無線超高清視頻影音傳輸,然而市場證明目前這還只是個偽需求,並沒有多少消費者會為它買單。

於是,60GHz在各大電子產品展以及學術會議風光了幾年後,漸漸偃旗息鼓。昔日的60GHz急先鋒SiBeam和Wilowcity分別被Silicon Image和Qualcomm收購,之後的就不再有大新聞。

60GHz 新應用:無線VR設備
最近,VR應用吸引了無數人的關注。VR可以實現全浸入式的體驗,可望帶來人機交互革命性的進步,同時也為遊戲、電影等娛樂應用帶來全新體驗。

目前的VR頭盔需要超高速資料連接以傳輸高清圖像,因此常用HDMI等高速有線連線協定。然而,頭盔上拖著線畢竟會拖累VR設備的體驗,會縮小VR頭盔使用者的活動範圍。因此,如果能使用無線的高速連接可以大大改善VR設備的使用體驗。另外,由於VR頭盔是點對點連接,而且目前尚不用考慮穿牆的問題(畢竟有線連接也做不到穿牆),因此60GHz頻段的超高速連接就是一個很好的選擇。

在VR設備上使用60GHz連接方面,Intel是業內的先驅。去年,Intel就發佈了Oculus的改裝版本,其中去掉了有線資料連接線纜並使用60GHz 802.11ad無線模組替代。今年,在不久前剛結束的E3遊戲博覽會上,Intel更是和hTC合作,宣佈將會一起開發使用60 GHz模組無線連接的VIVE設備。

就目前的性能而言,Intel的60GHz模組會給VR頭盔增加16ms左右的延遲,在目前部分對即時性要求不高的遊戲(如minecraft)中尚可以接受,但是這也成為了限制60GHz在VR上應用的一個瓶頸。在未來的VR遊戲,尤其是動作射擊遊戲中,16ms的額外延遲會導致遊戲體驗變差(射擊遊戲愛好者一定對此深有體會)。

另外,VR設備需要對於佩戴者的動作作出即時回饋,額外的延時會使得玩家在做出的動作以及VR設備的回饋間延遲變大,導致VR設備佩戴者產生頭暈等問題。因此,VR硬體乃至遊戲設計者都必須合理權衡無線連接帶來的活動性以及延遲之間的平衡。從無線連接模組設計的角度來說,如何簡化協議,降低延遲也是一個關鍵。目前來看,16ms的額外延遲還是有不少空間可以進一步降低,從而提升無線VR設備的使用體驗。

另外,VR設備如果需要實現真正無線,還必須考慮供電問題。使用超大容量電池供電會導致設備重量變大,因此必須考慮無線充電方案,例如讓VR設備在靠近主機時充電並使用主電源供電,而遠離主機時使用電池供電之類的方案。可以說在VR系統中,仍然有許多技術空白等待半導體廠商去開拓。

  無接觸式連接技術:Keyssa
除了VR之外,另一個60GHz發揮的空間是無接觸連接。目前,許多電子產品之間的高速連接仍然依賴於實體線纜,然而實體線纜在不少應用場合存在著問題。在工業和軍事應用中,資料互聯需要在很大的溫度範圍以內正常工作並且容忍外界的震動,而這對於傳統的物理線纜並不容易,往往模組間以為震動會導致線纜斷裂不再工作。

在消費電子領域,物理線纜則會造成設計不夠美觀,另外線纜外層腐蝕也可能造成可靠性問題。使用基於60GHz的無線無接觸式(contactless)互聯則可解決這一問題,因為資料連結使用的是無線傳輸而非線纜,因此不存在線纜斷裂的問題,即使模組間發生外力位移導致連接暫時中斷,一旦恢復到原來的位置,就能繼續資料傳輸,從而確保穩定性。目前,無接觸式連接已經用在了顯示器dock上,未來將會找到更多應用。

60GHz無接觸互聯的主力推廣者是Keyssa。2009年,UCLA電子工程系的Frank Chang教授把實驗室的60Ghz技術商業化成立了Waveconnex,Waveconnex即是Keyssa的前身。目前Keyssa以獲得了多輪融資,投資者包括Dolby,Intel,Samsung等。

 結語
60GHz技術在經歷了初期的火熱以及後來的調整後,目前正走在尋找正確應用的道路上。VR和無接觸連接都是非常有機會的應用可以讓60GHz技術揚長避短,而在之後我們可望看到更多這樣的應用從而讓60GHz技術真正落地大規模商用化。
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