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无线通信论文

通信与电子工程学院

无线通信

学号：

2013132059

专业：

通信工程

学生姓名：

薛海洋

任课教师：

赵岩（副教授）

2015年11月

无线通信

摘要：

智能家居涉及的无线传输技术以及智能家居的无线传输技术关键要解决的问题；在2.4GHz频段中的Wi-Fi与Bluetooth的干扰问题与抗干扰方案；无线通信技术的发展趋势；可用的无线通信频谱资源；IEEE802.16与LTE演进策略的差别与联系。

关键词：

智能家居；无线通信；2.4GHz

随着科学技术的不断发展，通信技术已经进入数字时代。

20世纪90年代信息化革命，信息高速公路的建设的完成，都使得信息和知识呈现出爆炸式的增长，特别是互联网的商用化和家庭化以来使传统的电信业受到前所未有的冲击，无线通信技术也在快速发展中不断革新，技术的进步也推动了民用领域的变革，结合了物联网技术的智能家居系统正在使生活更加便捷，但这其中还有很多要解决的问题。

个人对于未来通信发展及其局限的预期

通过对于无线通信课程的学习，了解了当前无线通信的发展，人们越来越倾向于将设备赋予更多的通信功能，并且将节点数目增大，将节点承载能力提升。

那么本人也在大胆预测，在不久的将来，将个人作为节点的机会网络很有可能会成为一种趋势。

我们的通信就会变成一张立体式的大网，覆盖我们生活的任何一部分。

在这种信息量极大，传播速度极快的通信方式中，我们解决了设备的计算能力之后，我们则要想办法跟踪节点，根据节点的运动方式，选择信息的传输倾向，以此达到更快更好的信息传输效果。

同时要结合统计学，人口学等科学，将我们人类节点的通信功能进行最大化的利用。

生活中最熟悉的两种无线通信——蓝牙、WiFi

Wifi：

Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。

无线保真是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。

目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

有人把使用IEEE802.11系列协议的局域网就称为无线保真。

甚至把无线保真等同于无线网际网路（Wi-Fi是WLAN的重要组成部分）。

蓝牙：

是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。

蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS232数据线的替代方案。

蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。

蓝牙的核心特点是：

短距离，低成本，以及高速。

相同：

1、在同一个频段——2.4G的产品（wifi有5G的产品和其它的频段，只有802.11b&g在此频段），所以二者会有一定干扰。

2、都是为了进行无线通信设计。

3、都是业界标准，只要符合标准的设备就可以进行通信。

区别：

1、wi-fi和蓝牙BuleTooth用途不同：

wi-fi是无线局域网标准，主要用于局域网。

wi-fi设备之间要通过AP才能通讯。

 蓝牙设备之间可以直接通讯，蓝牙主要用来连接一些外接设备，或者近距离数据传输。

2、通信距离不同：

蓝牙一般在10米以内，而WiFi一般为10~100米。

3、传输速度不同：

蓝牙传输带宽是1Mbps，有效距离理论上是10M左右。

根据无线网卡使用的标准不同，WIFI的速度也有所不同。

其中IEEE802.11b最高为11Mbps，IEEE802.11a为54Mbps、IEEE802.11g也是54Mbps（NetgearSUPERg技术可以将速度提升到108Mbps）。

4、技术不同：

蓝牙使用的一般是调频，而wifi一般是直接序列扩频。

5、成本及功耗问题：

蓝牙的成本和功耗低于wifi

关于2.4Gwifi和蓝牙的干扰问题＆解决方法

两个无线协议都工作在2.4GHz~2.48GHzISM（工业、科技与医疗）射频频段。

WiFi是在22MHz带宽中的12个重叠信道中选用一个，而蓝牙则在频段内平均间隔的79个1MHz信道之间跳频。

因此，无论WiFi在使用哪个信道，两者间都存在互相干扰的风险，因而降低了两者的数据流量。

为说明这种干扰的影响，德州仪器公司在2000年进行了一系列测试，在存在互相干扰的条件下测量WiFi与蓝牙链路的流量。

结果表明，干扰的发射方与受影响的接收方之间的距离左右着这一影响的程度。

对WiFi来说，蓝牙在相隔10m的距离上对短程WiFi的使用影响最小，随着距离的增加，影响则越来越大。

但如果两者间距只有2cm，产生干扰的发射器处于笔记本电脑中相邻的PCMCIA卡插槽之中时，那么形成的影响则要大得多。

在这种情况下，蓝牙可以把除短程应用以外的WiFi信号完全切断。

WiFi对蓝牙的影响则不相同。

当相隔10m时，不管范围大小，WiFi对蓝牙的影响最小。

但在相距2cm时，即使是短程应用，WiFi也会极大降低蓝牙的数据流量，并随范围的扩大而很快切断蓝牙信号。

为缓解这种影响，蓝牙社团开发了AFH（自适应跳频）技术，可以自动避免这类干扰。

AFH可以使蓝牙链接利用跳频次序有选择地避开那些存在干扰的信道。

于是，蓝牙可以自动改变自己的频率，以躲开一个使用中的WiFi信道。

但是，为实现这种方法，蓝牙社团说服FCC（联邦通信委员会）改变规定。

最终FCC批准了这些改变，因而蓝牙1.2版方案现在就可以使用AFH了。

但遗憾的是，AFH并没有为使WiFi与蓝牙和谐共处而提供一套完整解决方案。

SiGe半导体公司无线数据产品主管AndreParolin认为：

“AFH只解决了部分问题。

它只是躲避干扰，而不是共存。

”

由上述数据表明2.4Gwifi起始频率为2.402~2.483GH而蓝牙也是工作在在此频段内，只是传输协议不同而已，干扰是必然的，但，目前我们很多人的路由器都是使用150M，300M，其中的带宽设置大部分均为40M或者20M/40G共存，而路由器大部分运行带宽也均为40M，很少会自动在干扰大的情况下自动转为20M带宽避开干扰。

随着越来越多的公司生产使用2.4GHz频段的产品，设计人员必须处理来自其他信源的更多信号。

管理免许可频段的规定表明，您的设备必须考虑干扰问题。

设计人员如何使处于这种苛刻条件下的2.4GHz解决方案获得最大性能呢？

产品往往在受控的实验室环境下工作得很好，但在现场却会由于受到其它2.4GHz解决方案的影响而使性能显著下降。

目前2.4GHz频段下存在Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等不同标准，绝大多数产品是以标准制定者所提供的方法来实现，不过，通过控制协议，设计人员能通过一定的措施将其他信号源的干扰问题降至最低。

我们将探讨2.4GHz无线系统中的各种干扰控制技术，并介绍如何运用低级工具实现2.4 GHz设计方案中的频率稳定性。

 Wi-Fi跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）是两种免许可2.4GHz ISM频段中射频调制的方法。

蓝牙使用FHSS，而 WirelessUSB、802.11b/g/a（也就是常说的 Wi-Fi）和802.15.4（与上层网络层相结合时称作ZigBee）则使用DSSS。

所有这些技术都工作于全球通用的ISM频段（即2.400"2.483 GHz）：

工作在2.4GHz频段中无线系统的信号比较。

采用Wi-Fi的主要推动因素是数据吞吐量。

Wi-Fi通常用于计算机和本地局域网（LAN）的连接（并通过LAN间接连接到因特网上）。

目前大多数Wi-Fi设备为可每天充电的笔记本电脑或用市电供电的接入点，因此对供电问题并不敏感。

Wi-Fi使用DSSS技术，每个通道的带宽为22MHz，故允许同时采用三个均匀分布的通道而不会互相重叠。

每个Wi-Fi接入点使用的通道均需手动配置；Wi-Fi客户会搜索所有通道中的可用接入点。

802.11采用一种称为巴克（Barker）码的11位伪随机噪声（PN）码来对每一原始数据速率为1及2Mbps的信息位进行编码。

为实现更高的数据速率，802.11b通过补码键控技术（CCK）将6个信息位编码为一个8码片符号CCK算法中有64个可以使用的符号，要求每个802.11b无线电设备均包括64个单独的相关器（即用于将符号转化为信息位的器件），这虽然会增加无线电设备的复杂性与成本，但能将数据速率提高至11Mbps。

蓝牙蓝牙技术则侧重于蜂窝手机、耳机与PDA之间自适应组网的互操作性。

大多数蓝牙设备都需要定期充电。

蓝牙采用FHSS并将2.4GHz ISM频段划分成79个1MHz的通道。

蓝牙设备以伪随机码方式在这79个通道间每秒钟跳1,600次。

所连接蓝牙设备被分组到称为微网（piconet）的网络中；每个微网均包括一个主设备和多达7个有效从设备。

每个微网的通道跳频顺序源于主设备的时钟，所有从设备都必须保持与此时钟同步。

通过将数据包报头中的每个位发送三次，可对所有数据包报头执行前向纠错（FEC）。

亦可将汉明（Hamming）码用于某类数据包数据有效载荷的前向纠错。

汉明码虽会对每一个数据包带来50%的额外开销，但能纠正每个15位码字（每个15位码字包含10个信息位）中所有一位错误并检测两位错误.

WirelessUSB设计旨在取代计算机输入设备（鼠标、键盘等）的有线连接，且其目标还瞄准无线传感器市场。

WirelessUSB设备无需定期充电，用碱性电池能工作数月。

WirelessUSB采用无线电信号技术，类似于蓝牙标准，但其采用DSSS而不是FHSS技术进行调制。

每个WirelessUSB通道宽度1MHz，允许WirelessUSB像蓝牙那样将2.4 GHz ISM频段分为79个1MHz通道。

WirelessUSB设备具有频率捷变性，换言之，它们虽然采用“固定”通道，但在最初通道的链接质量不佳时又能动态改变通道。

WirelessUSB使用伪随机噪声（PN）码对每个信息位进行编码。

大多数WirelessUSB系统均使用两个32码片PN码，以便在每个32码片符号中可编码两个信息位。

这种方案可纠正多达3个码片错误（每符号），并能检测到多达10个码片错误（每符号）。

尽管使用32码片（有时甚至是64码片）PN码会将WirelessUSB的数据速率限制在62.5kbps上，但其数据完整性则远高于蓝牙，尤其在噪声环境下更是如此。

ZigBee设计旨在作为传感和控制网络的标准化解决方案，大多数ZigBee设备都对用电非常敏感（如自动调温器、安全感应器等），其电池寿命可以年来计算。

ZigBee可采用868MHz频段（欧洲）、915MHz频段（北美）及2.4GHz ISM频段（全球）中的DSSS无线电信号在2.4GHz ISM频段中定义了16个通道，每通道宽3MHz，通道中心间隔为5MHz，使相邻信道间留有2MHz的频率间隔。

ZigBee使用11码片PN码，每4个信号位编码为一个符号，最大数据速率为128Kbps。

物理层和MAC层由IEEE 802.15.4工作组定义，与IEEE 802.11b标准共享相同的设计特点。

2.4GHz无绳电话在北美日益流行，其不使用标准网络技术。

有的无绳电话使用DSSS，但大多数使用FHSS。

使用DSSS和其他固定通道算法的无绳电话通常在电话上有一个通道”按钮，使用户能手动改变通道。

而使用FHSS的电话则没有“通道”按钮，因为这种电话经常会改变通道。

大多数2.4GHz无绳电话都使用带宽为5～10MHz的通道。

  避免冲突的技术除了解每项技术的工作原理外，了解上述技术在同构及异构环境下的相互作用也很重要。

Wi-Fi的免冲突算法在发射前会侦听“安静”的通道，这样多个Wi-Fi客户端能有效地与单一Wi-Fi接入点通信。

如果Wi-Fi通道噪声很大，则Wi-Fi设备在再次聆听该通道前进行随机退避。

如果通道噪声仍然较大，那么会重复此过程直至通道安静为止。

一旦通道安静下来，Wi-Fi设备将开始发射。

如果通道一直嘈杂，那么Wi-Fi设备就会寻找另条通道上的其他可用接入点。

使用相同或重叠通道的Wi-Fi网络通过免冲突算法可以实现共存，但每个网络的吞吐量会有所下降。

如果同一区域使用多个网络，那么我们最好使用非重叠的通道，比如通道1、6和11，这能提高每个网络的吞吐量，因为无需与其他网络共用带宽。

由于蓝牙发射的跳频特性，故来自蓝牙的干扰最小。

如果蓝牙设备在一个与Wi-Fi通道重叠的频率上发射，而Wi-Fi设备此时正在进行“发射前侦听”，则Wi-Fi设备会执行随机退避，在这期间，蓝牙设备会跳转到一个非重叠的通道，以允许Wi-Fi设备可开始发射。

即便无绳电话使用的是FHSS而不是DSSS，来自2.4GHz无绳电话的干扰也可完全中断Wi-Fi网络完全的工作，部分原因是因为与蓝牙（1MHz）相比其占用更宽的通道（5-10MHz），以及无绳电话信号具有更高的功率。

跳转到Wi-Fi

通道中间的FHSS无绳电话信号能够破坏Wi-Fi发射，这就导致Wi-Fi设备要重复发射。

2.4GHz FHSS无绳电话很可能会干扰邻近所有Wi-Fi设备，因此我们不建议在 Wi-Fi网络附近使用这种电话。

如果无绳电话使用DSSS，那么无绳电话和Wi-Fi接入点使用的通道可配置成互不重叠，以消除干扰。

解决蓝牙的干扰

在蓝牙中，来自其他蓝牙微网的干扰最小，因为每个微网都使用它自己的伪随机跳频模式。

如果两个共处的微网被激活，则发生冲突的概率为1/79。

冲突的概率随共处的有效微网的数量呈线性增加。

蓝牙最初采用跳频算法来处理干扰，不过人们意识到，单个活动的Wi-Fi网络会对四分之一的蓝牙通道造成严重干扰。

由于通道重叠导致的数据包丢失必须在空闲的通道上重新发射，这就大幅降低了蓝牙设备的吞吐量。

蓝牙规范1.2版通过定义自适应跳频（AFH）算法来解决上述问题，这种算法使蓝牙设备能将通道标为好、坏或未知三种状态。

跳频模式中的坏通道可通过查询表由好通道来取代。

蓝牙主设备会定期聆听坏通道，以确定干扰是否消失；如果干扰消失，那么就将通道标记为好通道并将其从查询表中删除。

蓝牙从设备应主设备请求也能向主设备发送报告，告知其对通道质量的评估。

举例来说，从设备可能侦听到主设备未聆听到的Wi-Fi网络。

联邦通讯委员会（FCC）要求至少使用15个不同的通道。

AFH算法使蓝牙能避免使用Wi-Fi和WirelessUSB等DSSS系统占用的通道。

2.4GHz FHSS无绳电话仍可能会对蓝牙设备造成干扰，因为这两种系统都是在整个2.4GHz ISM频段上以跳频方式工作，不过，由于蓝牙信号的带仅为1MHz，因此FHSS无绳电话与蓝牙之间的冲突频率要远小于Wi-Fi和FHSS无绳电话之间的冲突频率。

蓝牙还支持三种不同的数据包长度，在给定信道上表现为具有不同的驻留时间。

蓝牙还可通过缩短数据包长度，以提高数据吞吐量可靠性。

在此情况下，最好是使较小数据包以较低的速率通过，这比以正常速率会丢失较大的数据包更为可取。

解决WirelessUSB和ZigBee的干扰问题在WirelessUSB中，每个网络在选择通道前都会检查其他WirelessUSB网络。

因此，其他WirelessUSB网络造成的干扰极小。

WirelessUSB至少每50ms都会检查一下通道的噪声大小。

Wi-Fi设备造成的干扰会导致持续的高噪声，这就会使WirelessUSB主设备选择新的通道。

WirelessUSB能与多个Wi-Fi网络和平共处，因为WirelessUSB能发现Wi-Fi网络之间的安静通道

WirelessUSB 设计方案的频率捷变性方框图。

蓝牙的干扰可能会引起WirelessUSB数据包的重发射。

由于蓝牙的跳频特性，WirelessUSB数据包的重发射不会与下一次蓝牙传输发生冲突，因为蓝牙设备会跳到另一个通道。

蓝牙络不会造成足够连续高的噪声电平来迫使无线USB主设备改变信道。

ZigBee规定了一种类似于802.11b的免冲突算法；每个设备在发射数据之前都会侦听通道，从而使ZigBee设备之间冲突频率达到最小。

ZigBee在干扰严重的情况下不会改变通道，而是通过低占空比以及免冲突算法来尽可能减少冲突造成的数据丢损失。

如果ZigBee使用的通道与一个频繁使用的Wi-Fi通道相重叠，则现场实验结果显示，由于数据包冲突的缘故，有五分之一的ZigBee数据包都需要重发射。

我们能采取什么措施？

在开发蓝牙、Wi-Fi或ZigBee解决方案时，设计人员必须使用规范中所提供的方法。

在开发一种基于802.15.4、WirelessUSB或其他2.4GHz无线电的专用系统时，设计人员可使用较低级的工具即可获得频率捷变性。

由于存在与其他DSSS系统相重叠的风险，DSSS系统最可能发生工作失败的情况。

不过DSSS系统也能通过一定方式实现与FHSS系统类似的频率捷变性，方法之一就是通过网络监视如果 DSSS 系统使用轮询协议（所期望数据包以规定间隔出现），那么主设备可在多次传输尝试失败或连续接收到损坏数据包情况下改变通道。

还有一种办法就是在无线电设备支持的情况下读取空中传输信号的功率等级。

我们可用接收信号强度指示器（RSSI）来预先测量空中传输通道的功率，如果功率等级在一定时期内过高，则会切换到另一个无干扰的通道。

之所以考虑这一段时间是为了在FHSS系统通过的情况下不改变信道。

网络监视和RSSI读取都假设无线电均为可发射也可接收数据包的收发器。

在一个一端为发射器而另一端为接收器DSSS系统中，我们可通过多重发射技术来实现频率捷变性。

发射器使用多种频率发送同一个数据包，而接收器则以较低速度在接收通道中循环接收。

当接收器连接到电源上并且电池供电发射器使用不频繁时，这种系统是可行的。

无线遥控器就可以使用这种方法。

总结每种标准的2.4GHz网络技术都需要在设计过程中对不同因素加以折中取舍，从而降低干扰的影响，或彻底避免干扰问题。

设计人员可通过现行标准所提供的方法，或根据本文介绍的有关方法设计自己的协议并配合使用RSSI等无线电特性，便可实现系统的频率捷变性。

尽管我们不可能完全杜绝2.4GHz系统的干扰问题，但设计人员可提高系统的频率捷变性，提高产品在目前非常拥挤的2.4GHz ISM频带环境中抗干扰的生存能力。

个人观点，解决干扰行之有效的方法——改变频率

2.4Gwifi起始频率为2.402~2.483GH而蓝牙也是工作在在此频段内，只是传输协议不同而已，干扰是必然的，我们可以通过设置手头的设备，在可用的情况下，将wifi调节至802.11a的5GHz或是802.11n的5GHz，这样通过调节，避免了干扰。

最简单易行的方法就是改变wifi频率，逐渐过渡，将wifi频率设置到5GHz，以此降低干扰。

身边的科技渗入——智能家居

目前家居设备互联通信主要以无线连接为主，其中以基于802.11协议的Wi-Fi最为普遍，此外还有蓝牙、NFC（RFID）、Zigbee、Z-wave、UWB、IrDA等等，而另外一些无线高清传输技术包括WHDI、WirelessHD、WiDi、WiGig则很少用到。

　　无线传输技术

　　Wi-Fi

　　作为最常见的无线方式互相连接的技术，Wi-Fi使用的协议已经发展到802.11ac，目前使用最普遍的是802.11n，同时还有一些设备使用可能用到802.11a/g，而最初的802.11b已经销声匿迹。

Wi-Fi属于全IP网络架构，使用802.11ac协议标准时理论传输速度最高达到1Gbps。

　　在智能家居应用中，使用Wi-Fi连接的设备可以通过无线路由器这个出口与Internet实现连接，从而使智能家居向智慧家居演进。

　　蓝牙Bluetooth

　　蓝牙也是一项较为常用的无线连接技术。

蓝牙支持设备短距离通信，一般在10m以内。

智能家居设备可以通过蓝牙实现设备间的简单通信，也可以简化设备与因特网Internet之间的通信。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，其数据速率为1Mbps。

　　IrDA

　　红外局域网系统采用波长小于1μm的红外线作为传输媒体，该频谱在电磁光谱里仅次可见光，不受无线电管理部门的限制。

红外信号要求视距传输，方向性强，对邻近区域的类似系统也不会产生干扰，并且窃听困难。

实际应用中由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明等影响较大，一般要求的发射功率较高。

　　红外无线LAN用于设备点对点通信可达到100Mbit／s以上的传输速率，但是对于家庭而言，红外仅用作遥控器的简单信号传输，实在是屈才了。

　　NFC

　　NFC近场通信技术由非接触式射频识别（RFID）演变而来，它的特点是短距高频，在13.56MHz频率运行于20厘米距离内，传输速度有106Kbit/秒、212Kbit/秒或者424Kbit/秒三种。

　　NFC采用主动和被动两种读取模式。

在智能家居应用中，用户可将手机用作大门钥匙。

　　Zigbee

　　ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术，在智能家居领域应用广泛。

　　Z-wave

　　丹麦公司Zensys主导的Z-wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。

工作频带为908.42MHz（美国）~868.42MHz（欧洲），采用FSK（BFSK/GFSK）调制方式，数据传输速率为9.6kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。

Z-Wave技术在最初设计时，就定位于智能家居无线控制领域。

Z-Wave可用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，例如抄表、照明及家电控制、HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。

Z-Wave可将任何独立的设备转换为智能网络设备，从而可以实现控制和无线监测。

无线高清传输技术

UWB

　　UWB（Ultra-Wideband）超宽带，一开始使用脉冲无线电技术，后来由Intel等大公司提出了MB-OFDM技术方案，目前两种方案在市场并存。

UWB无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信的方式，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。

通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

　　UWB抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。

UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。

低发射功率大大延长系统电源工作时间。

而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面很广。

　　UWB不仅用于军事领域，还用在家庭数字娱乐中心。

　　WHDI

　　WHDI（WirelessHomeDigitalInterface，即无线家庭数字接口），是一个无线高清晰度视频连接的新标准，它提供了一个高品质，无压缩的无线连接方式。

工作在4.9GHz~5.875GHz频段，范围是30米之内，可穿透墙壁，并且延迟小于1毫秒。

　　WHDI方便通过非压缩高清视频传送，将视频播放器独立，多个室内高清视频连接使用一种革命性的视频调制解调器的办法，支持覆盖整个家庭。

　　WiDi

　　WiDi又叫做“IntelWirelessDisplay”，是Intel公司基于WiFi标准研发出来的一种无线高清传输技术，需要搭配Intel特定的处理器以及特定操作系统才能使用。

WiDi工作在2.4G/5GHz频段，WiDi1.0只能实现720P的高清数据传输，目前的2.0版本已经可以实现1080P的高清传输。

　　WirelessHD

　　WirelessHD技术基于802.15.3c协议标准，采用60GHz的高频频段，