简述无线高清视频的强健连接

音视频物理连线合并传输市场一定程度上仍处分裂状态。不过，技术车轮还在滚滚向前。现在，业界把越来越多的注意力放在抛开电缆，实现源与目标之间的无线传输上。这种方案重要的优势是使多媒体源和目标位置都具备了可移动性，摒弃了难看而笨重的电缆。本文并非关注所谓的智能媒体适配器，它们用于从计算机和NAS（网络存储）设备中搜索和获取基于文件的信息。

　　不过，技术专家们正在解决当前一代的问题，初期多少会采用专利方式，但其后必然有基于标准的互操作性（见附文3“发挥旧技术的最大作用”）。他们还在致力于下一代标准的建立和实现，这会有更丰富的改进。至少一家制造商已将5 GHz 802.11n变种改变为一种面向视频的点对点传输方案，不过与流行的行业标准并不兼容。其它开发者认为，要最终将无线网络的前景变为现实，从2.4 GHz和5 GHz ISM（工业/科研/医疗）频段的更大频率迁移是必要的。UWB（超宽带）拥护者包括Wi-Media论坛（Wi-Media Forum）的参与者，以及至少一个专利方案。WirelessHD联盟（WirelessHD Consortium）关注的是另一个免许可的频带60 GHz，而一组半导体巨头组成的WiGig（无线千兆位）联盟最近也将其注意力指向这个高频率的频段。

　　在这些王位竞争者中，哪位将最终获得皇冠，现在尚不明朗，而且看来这种格局还会持续一段时间。但有件事也同样不明确，那就是未来无线视频市场的规模，以及要花多长时间才能达到这种规模。本文还包括一位知识渊博的无线视频从业者的观点，但他要求匿名。这位先生的观点无疑会带着自己的哪怕一点点偏好，但还是那句话，游戏中的每个人都有一些伪装。不过，我仍然希望你会发现业内人士的评论是有益的。

1 竞争的展开

　　一台802.11n设备可以处理的独立流数量取决于其天线阵列的结构以及射频实现。正如相关维基词条所简述的那样，链路两端的天线数限制了同步的数据流数量。维基词条中说：“但是，单个的射频经常进一步地限制了可能承载独特数据的空间流。”用表达式A×B:C有助于判断射频可以做什么。第一个字母A表示射频可以使用的最大发射天线或RF链数量。第二个字母B表示射频可以使用的最大接收天线或RF链数量。第三个字母C则代表射频可以使用的最大空间数据流数量。

　　不过，我觉得维基词条的作者过于热衷于近期采纳3×3:3的程度。当今市场上的大多数802.11n设备都有双流（主流和高端）性能或单流（入门级和便携）性能。但三流设备也正在出现，它们采用了Atheros、英特尔和Marvell等公司的硅片组。某些情况下需要这种多流能力，如一台计算机通过互联网接收信息，同时还将数据发送给一个LAN（局域网）上的客户端。苹果公司在其最新的Airport Express路由器与Time Capsule路由器+NAS产品中 做了三流功能，不过该公司并没有明确地宣传这些改进。

　　在1月份作发布时，WiDi仅支持英特尔少量相对强大的CPU（图2），这反映出一个事实，即视频在传输以后，它在PC、核心逻辑芯片组和Wi-Fi射频中是无损编码的（表1）。无线链路的另一端是一台接收机，如Netgear的PTV1000 Push2TV适配器，通过HDMI和分量视频输出连接到一台显示器。PTV1000的内部是一块Sigma Designs公司的媒体处理器，以及一个单流的Ralink 802.11n收发器。WiDi采用的音视频编解码器尚不得而知，但在频谱拥挤的CES现场其效果却给人深刻的印象。

　　唯一的问题是，当源正在输出音轨，而目标正在显示图像时，WiDi发射机与接收机之间有约2秒的延迟。来自共同无线链路端点的音视频将能保持唇音同步。当前一代WiDi支持720p图像分辨率，能在传输前将所有内容动态地缩放到这个分辨率；1080p分辨率也在WiDi路线图上。英特尔还计划着HDCP（高带宽数字内容保护）的支持，可实现DVD（数字视频光盘）和蓝光光盘的播放。在CES上，只能够实现显示镜像。英特尔其后增加了将桌面水平扩展到远程显示器的能力，这样就能实现用投影仪全屏播放一个PowerPoint幻灯，而笔记本电脑上则显示演讲人的注释。

　　同样是在CES上，Netgear展示了WNHD3004，这是一台原型的4×4 MIMO（多输入/多输出）802.11n无线视频桥接设备对，它采用了Quantenna的收发器技术，并且是我去年在“动手项目”中所测试WNHDE111的全功能后继版。例如，Quantenna公司在今年6月报告了它的QHS600 802.11n无线接入点芯片组已获得Wi-Fi Alliance认证，包括了对基本名称的WMM（Wi-Fi多媒体）和WPA2（Wi-Fi保护接入2）增强。

　　IEEE 802.11ac委员会正在寻求对双流以上的支持，并作为一种核心能力。该委员会对向后兼容的改进目标是超过1 Gbps的PHY（物理层）无线峰值速度。但理论上，现有的每个802.11n流仅可以支持最大150 Mbps带宽，即使是在它们可选的40 MHz宽信道模式下，所以即使四流配置也无法独立实现这个可怕的目标。

2  传输适应

　　另外一种基本的流多媒体问题是传统以路由为中心的星形网络拓扑模型。来自源的音视频流必须首先进入路由器，然后再继续送至目标；大负荷的多媒体素材要求每个路径都有专门的频谱，才能获得所期望的无干扰回放。为解决这个难题，Wi-Fi Alliance正在测试和认证Wi-Fi Direct，这是一种采用IEEE 802.11s标准的点对点式通信方式，也是在应用中表现不佳的802.11 ad hoc模式的后继者。

　　更一般地说，802.11n与其b、a和g前身一样，都面向采用普通网络协议的应用，尽管每一代无线技术对多媒体和其它延迟关键应用的改进程度都越来越高。同样，Amimon公司在开发自己的多媒体优化WHDI（无线家庭数字接口）技术时就提供了一些802.11n功能。首先，WHDI从开始就实现了源与目标之间的直接交互，而不需要中间路由器或交换机。其次，WHDI只用5 GHz，相对2.4 GHz来说，是以传播范围换取了一个干扰少的频谱环境。不过该公司称，即使在有墙的环境下，此技术也能覆盖100英尺距离，延迟不到1 ms。每个720p或1080i视频流要用一个18 MHz的信道；而每个1080p流则要用两个信道。

　　是否WHDI只是在从源到目标的传输后，才丢弃那些无法察觉的低阶比特？还是说它在源处就需要丢弃比特？如果是在源处丢弃，那么Amimon如何能称WHDI是无损的？前面提到的知识渊博的（匿名的）无线视频业内人士称：“Amimon对其所称性能的实现方式似乎相悖于基本物理原理。显然，该公司拥有可信的技术，但阅读了有关其工作原理的说明后，却产生了更多问题，而不是得到答案。Amimon称支持1080p的非压缩高清视频。”他指出，每帧像素有1920×1080=2,073,600个；而60帧/秒就表示有（2,073,600×60 =） 124,416,000像素/秒。如果是每像素24 bit颜色，则数据速率为2976 Mbps，即2.976 Gbps。

　　我的消息来源表示：“Amimon称它可以支持这些数据速率，因为WHDI使用了联合信源编码（joint-source coding）”。联合信源编码是一种不对称的纠错方法，给MSB提供较多的FEC（前向纠错），而LSB则有较少的FEC，这种技术在JPEG（联合图像专家组）-2000编解码中首次采用。消息来源称：“任何FEC，无论实现的方式如何，都需要增量的带宽。”他说，Amimon称它是40 MHz的频谱占用，通过快速计算可知，如要保持无损，WHDI必须以超过75位/Hz的数据密度发送数据，即使是在施加任何FEC以前。他补充说：“这种比特密度需要一种相当于约万亿以上的QAM [正交幅度调制]，以及创纪录的动态范围。这已超出了物理（尤其是通信与信息理论）可以解释的范畴。原始数据说明了一切。”

　　注意，用于测试的两台显示器之间的校准程度是未知的。因此，与有线HDMI替代方案相比，WHDI发射机与接收机之间的像素比特丢弃及失真就不是两者之间感受差异的唯一可能原因。在营销口号与现实之间可能有距离，但Amimon技术的市场成功值得关注。例如，在2010年CES上，该公司宣布LG电子公司和其它客户已采用了WHDI（图3a）。到5月时，该公司声称它的芯片组销售与订单已超过了50万个单位。并且Amimon在6月公布了WHDI Version 2.0的初步细节，它支持4000×2000像素的超高清格式、Wi-Fi集成与信道共存，并降低了功耗和硅片尺寸。

3  超宽带的再定位

　　尽管Amimon公司官方认为自己可以用5 GHz ISM频段实现目标，但其它制造商则认为用别的频率能更好地满足多媒体的需求。为此，WiMedia Alliance采用了一种UWB方案。UWB占用的频谱区间覆盖3.1 GHz?10.6 GHz，具体要取决于各地区监管政策的程度。其策略是期望友好地对待现有频谱的占用者，不过额外的UWB发射机带来了更多的宽带背景噪声，可能最终会干扰传统的窄带和载波系统。其支持者还经 常吹嘘说在远至3m（约10英尺）距离上有480 Mbps的峰值传输速率，远达10m（超过30英尺）时也有110 Mbps。

　　人们经常错误地交换使用“WiMedia”和“Wireless USB”这两个词汇。Alereon公司通信与业务发展部高级总监Mike Krell表示：“WiMedia定义了一种与协议无关的标准化的UWB射频技术。而Wireless USB则是在这个射频上实现USB标准。相同射频上也可以运行任何其它的协议，如专有的协议，或TCP/IP，或蓝牙。”WiMedia一度曾计划作为高速蓝牙的基础，此时运行在高于6 GHz的频率，以避免欧盟的频谱监管问题。不过， WiMedia开发转向蓝牙SIG（特殊兴趣小组），然后再逐渐到WiMedia Alliance的初期设想却没有如计划实现。蓝牙的WiMedia抱负也不明朗，因为蓝牙更广泛的目标是高速，而大部分组织的注意力则放在低功耗领域。

　　很多观察人士多年来重复地测试了WiMedia设备，结论都是：真实的速度只是宣传速度的一部分。在各类实现方案的鼓吹者之间，长期存在着有关标准化的争吵，总是达不成人人满意的决议，一些创业公司还因此关门大吉，这些争吵也无助于让市场接受UWB技术。

　　因此，今天UWB的主流应用是蓝牙和其它RF与红外的低码率无线USB应用，它们对速度大多不敏感，如计算机键盘、鼠标、低分辨率摄像头，以及数码相机传输等。然而，WiMedia技术支持者并未因此动摇；现在已有各种多媒体流设置，采用来自Alereon、Realtek和Wisair等公司的芯片组。

　　WiMedia来源于IEEE 802.153a高速变种的两个PHY竞争者之一。它利用了MB-OFDM（多频段正交频分多址）技术，以及QPSK（四相相移键控制）或QAM-16。Pulse-Link公司有一种替代性方案叫CWave，工作在有线的同轴电缆和无线连接上。它采用了BPSK（二进制相移键控制）和QPSK调制技术，其基础是历史上另一个IEEE 802.15.3a竞争者，DS（直接序列）-UWB。其支持者称，它在给定码率时有更长的传送距离，较WiMedia有低成本的实现潜能。然而，他们也承认无论是CWave或是任何竞争方案，都还没有达到被市场广泛接纳所需要的价格点。这种状况可能让人想到：为什么经过了各个公司与小组经年累月对无线视频概念的公开宣传后，早期采用者还没有创造出用于推低成本的需求。

　　未压缩视频传输是人们所希望的属性，这有几个原因。由于它不需要发射机的压缩功率，以及接收机的解压引擎，因此降低了系统实现的成本。另外，无压缩方案还将传输系统的整体延迟降到最小。当消费者获得通过微软、MPEG（运动图像专家小组）、On2（现属谷歌）、Sorenson或其它开发者的编解码器处理的视频节目时，它们可能已经经过了有损压缩。在视频显示以前再做有损压缩，会进一步降低图像质量。

　　于是，SiBean公司认为一种更彻底的频谱再分配是必要的，这就是高达60 GHz的毫米波免许可频段。该公司的WirelessHD技术采用7 GHz宽的信道，现在可提供4 Gbps的数据速率。不过公司称，码率可能高达25 Gbps。WirelessHD支持对节目存取控制的DTCP（数字传输内容保护）加密。尽管在这个频率区间，一般都需要视线内的发射机-接收机链接，但WirelessHD采用波束成形MIMO天线技术，创建出其它的信号路径，例如通过墙面的反射。不过，WirelessHD仍然是一种室内方案。氧气分子有大气吸收作用，因此衰减将距离限制在10m（约30英尺）范围内。

    某种方式重现了WiMedia，尽管是采用转向天线阵列。“我们为窄带应用的OFDM喝彩，这些应用如Wi-Fi、Homeplug，以及MOCA（同轴电缆上的多媒体）。OFDM对这些应用非常出色，因为使用的有效RF带宽为几十兆赫。因此，由于所需要采样速率较低，使用的ADC和DAC就可以超过10 bit。”每个ADC或DAC的比特大约相当于6 dB的动态范围；因此，10 bit相当于60 dB。与之相比，WiMedia与WirelessHD要使用数百兆赫的带宽，限制了ENOB（有效比特数）。于是，它们的ADC和DAC都不能超过6 bit，或36 dB动态范围。QAM的使用要求SNR（信噪比）大于20 dB，才能可靠地在接收机端恢复信号，因此给信号传输留下的裕度不多，导致了链接的脆弱性。由于WiMedia技术有限的发射功率，因此这一问题影响到了它的距离与性能；另外它使得WirelessHD需要10W的RF功率，才能对低动态范围和60 GHz时高衰减问题作出补偿。

4  60GHz的标准化

　　尽管有观察人士的置疑，但SiBeam仍在奋力前进。在今年的CES上，该公司发布了第二代芯片组，据报现已量产。SB9220网络处理器与SB9210 RF发射器面向多媒体源，而SB9221网络处理器与SB9211 RF接收器面向显示器及其它目标设备的应用。在CES 2010上，SiBeam公司亦宣布了与Vizio的合作，它是重要OEM商的最新成员；另外还有零售商百思买（Best Buy）作了股权投资（图3b）。5月份，该公司发布了WirelessHD Version 1.1规范。WirelessHD Version 1.1让人联想起Amimon的WHDI Version 2规范，它将数据速率提高到10Gbps?28 Gbps，使该技术能够处理所谓的4000（4096×3072）像素分辨率、3维和其它大载荷的视频流。它还拓展了加密技术，包含了HDCP Version 2。网络支持包含了便携设备同步以及IP（互联网协议）封装，而功耗降低则顺应了移动电子的应用。

　　从建立开始，WiGig Alliance的目标就是2.4 GHz和5 GHz 802.11与60 GHz网络的单芯片组兼容性。该联盟于5月正式形成了这个意向，当时它和Wi-Fi Alliance宣布了一个共享技术规范的合作协议，其目标是建立一个亦支持60 GHz频段连网的下一代认证计划。这些组织希望60 GHz设备能够在超出WiGig超高频广播范围时 ，自动下移到2.4 GHz或5 GHz频段，该联盟希望通 过先进的自适应波束成形和其它技术，超过WirelessHD的10m距离。

　　WiGig Allicance的文档中亦清楚地写明依赖于设备目标功耗的可变带宽性能。有些采用WiGig Version 1的系统提供高达7 Gbps的峰值数据传输速率，包括EDAC（ 查错与纠错）的开销。由此可宣称WiGig要比四流的600 Mbps 802.11n快10倍以上。不过，所有满足WiGig规格的设备（包括采用电池工作的设备）都可以实现1 Gbps的峰值数据传输速率。这一带宽差异部分源于所用调制与编码方法的不同。根据WiGig Alliance网站的说法，OFDM支持更长距离上的通信，有更好的延迟传播，在处理障碍和反射信号时有更高的灵活性。OFDM的传输速度可高达7 Gbps。相反，单载波编码一般可得到较低的功耗，因此通常更适合于小型低功耗的手持设备。单载波技术支持的传输速度可达4.6 Gbps。

　　这种情况类似于今天的802.11n产品，即手机和其它小型移动电子设备可能只包含一个单流Wi-Fi收发器，而不是像交流供电大型产品那样有大量的射频与相关天线阵列。据WiGig Alliance的文件，调制与编码方法共享一些部件（如前同步与信道编码），简化了WiGig设备制造商的实现方法。从公开出版物还无法了解WiGig是否会将802.11 MAC扩展到60 GHz，或起草一个在60 GHz使用802.15.3或其它方案的双MAC方法。但至少有些WiGig参与者将通过合作方式，实现这种融合技术目标。例如，Wilocity公司在7月宣布，它正在与Wi-Fi老手Atheros合作。WiGig与IEEE进一步扩展了关系，该联盟还宣称自己的技术是针对极高流量60 GHz网络的802.11ad规范的基础。