無線通信原理

　　與有線傳輸相比，無線傳輸具有許多優點。或許最重要的是，它更靈活。無線信號可以從一個發射器發出到許多接收器而不需要電纜。所有無線信號都是隨電磁波通過空氣傳輸的，電磁波是由電子部分和能量部分組成的能量波。

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　　在無線通信中頻譜包括了9khz到300000Ghz之間的頻率。每一種無線服務都與某一個無線頻譜區域相關聯。無線信號也是源於沿著導體傳輸的電流。電子信號從發射器到達天線，然後天線將信號作為一系列電磁波發射到空氣中。

　　信號通過空氣傳播，直到它到達目標位置為止。在目標位置，另一個天線接收信號，一個接收器將它轉換回電流。接收和發送信號都需要天線，天線分為全向天線和定向天線。在信號的傳播中由於反射、衍射和散射的影響，無線信號會沿著許多不同的路逕到達其目的地，形成多徑信號。

　　圖1無線通信無所不在

 

無線通信原理——基本原理

　　無線通信是利用電波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。在移動中實現的無線通信又通稱為移動通信，人們把二者合稱為無線移動通信。簡單講，無線通信是僅利用電磁波而不通過線纜進行的通信方式。

　　1，無線頻譜

　　所有無線信號都是隨電磁波通過空氣傳輸的，電磁波是由電子部分和能量部分組成的能量波。聲音和光是電磁波得兩個例子。無線頻譜(也就是說，用於廣播、蜂窩電話以及衛星傳輸的波)中的波是不可見也不可聽的——至少在接收器進行解碼之前是這樣的。

　　「無線頻譜」是用於遠程通信的電磁波連續體，這些波具有不同的頻率和波長。無線頻譜包括了9khz到300 000Ghz之間的頻率。每一種無線服務都與某一個無線頻譜區域相關聯。例如，AM廣播涉及無線通信波譜的低端頻率，使用535到1605khz之間的頻率。

　　無線頻譜是所有電磁波譜的一個子集。在自然界中還存在頻率更高或者更低的電磁波，但是他們沒有用於遠程通信。低於9kz的頻率用於專門的應用，如野生動物跟蹤或車庫門開關。頻率高於300 000Ghz的電磁波對人類來說是可見的，正是由於這個原因，他們不能用於通過空氣進行通信。例如，我們將頻率為428570Ghz的電磁波識別為紅色。圖2顯示了整個電磁波譜。

　　圖2電磁波譜

　　當然，通過空氣傳播的信號不一定會保留在一個國家內。因此，全世界的國家就無線遠程通信標準達成協議是非常重要的。ITU就是管理機構，它確定了國際無線服務的標準，包括頻率分配、無線電設備使用的信號傳輸和協議、無線傳輸及接收設備、衛星軌道等。如果政府和公司不遵守ITU標準，那麼在製造無線設備的國家之外就可能無法使用它們。

　　2，無線傳輸的特徵

　　雖然有線信號和無線信號具有許多相似之處——例如，包括協議和編碼的使用——但是空氣的本質使得無線傳輸與有線傳輸有很大的不同。當工程師門談到無線傳輸時，他們是將空氣作為「無制導的介質」。因為空氣沒有提供信號可以跟隨的固定路徑，所以信號的傳輸是無制導的。

　　正如有線信號一樣，無線信號也是源於沿著導體傳輸的電流。電子信號從發射器到達天線，然後天線將信號作為一系列電磁波發射到空氣中。信號通過空氣傳播，直到它到達目標位置為止。在目標位置，另一個天線接收信號，一個接收器將它轉換回電流。圖3顯示了這個過程。

　　圖3 無線發送和接收

　　注意，在無線信號的發送端和接收端都使用了天線，而要交換信息，連接到每一個天線上的收發器都必須調整為相同的頻率。

　　3，天線

　　每一種無線服務都需要專門設計的天線。服務的規範決定了天線的功率輸出、頻率及輻射圖。天線的「輻射圖」描述了天線發送或接收的所有電磁能的三維區域上的相對長度。「定向天線」沿著一個單獨的方向發送無線電信號。這種天線用在來源需要與一個目標位置(如在點對點連接中)通信時。定向天線還可能用在多個接收節點排列在一條線上時。或者，它可能用在維持信號的一定距離上的強度比覆蓋一個較廣的地理區域更重要時，因為天線可以使用它的能量在更多的方向發送信號，也可以在一個方向上發送更長的距離。使用定向天線無線服務的一些例子包括衛星下行線路和上行線路，無線LAN以及太空、海洋和航空飛彈。圖4顯示了一個定向天線的輻射示意圖。

　　圖4 定向天線的輻射示意圖

　　與之相比，「全向天線」在所有的方向上都與相同的強度和清晰度發送和接收無線信號。這種天線用在許多不同的接收器都必須能夠獲得信號時，或者用在接收器的位置高度易變時。電視臺和廣播站使用全向天線，大多數發送行動電話的發射塔也是如此。圖5顯示了全向天線的輻射圖。

　　圖5全向天線的輻射圖

　　無線信號傳輸中的一個重要考慮是天線可以將信號傳輸的距離，同時還使信號能夠足夠強，能夠被接收機清晰地解釋。無線傳輸的一個簡單原則是，較強的信號將傳輸的比較弱的信號更遠。

　　正確的天線位置對於確保無線系統的最佳性能也是非常重要的。用於遠程信號傳輸的天線經常都安裝在塔上或者高層的頂部。從高處發射信號確保了更少的障礙和更好的信號接收。

　　4，信號傳播

　　在理想情況下，無線信號直接在從發射器到預期接收器的一條直線中傳播。這種傳播被稱為「視線」(Line Of Sight,LOS)，它使用很少的能量，並且可以接收到非常清晰的信號。不過，因為空氣是無制導介質，而發射器與接收器之間的路徑並不是很清晰，所以無線信號通常不會沿著一條直線傳播。當一個障礙物擋住了信號的路線時，信號可能會繞過該物體、被該物體吸收，也可能發生以下任何一種現象：發射、衍射或者散射。物體的幾何形狀決定了將發生這三種現象中的那一種。

　　(1)反射、衍射和散射

　　無線信號傳輸中的「反射」與其他電磁波(如光或聲音)的反射沒有什麼不同。波遇到一個障礙物並反射——或者彈回——到其來源。對於尺寸大於信號平均波長的物體，無線信號將會彈回。例如，考慮一下微波爐。因為微波的平均波長小於1毫米，所以一旦發出微波，它們就會在微波爐的內壁(通常至少有15cm長)上反射。究竟哪些物體會導致無線信號反射取決於信號的波長。在無線LAN中，可能使用波長在1~10米之間的信號，因此這些物體包括牆壁、地板天花板及地面。

　　在「衍射」中，無線信號在遇到一個障礙物時將分解為次級波。次級波繼續在它們分解的方向上傳播。如果能夠看到衍射的無線電信號，則會發現它們在障礙物周圍彎曲。帶有銳邊的物體——包括牆壁和桌子的角——會導致衍射。

　　「散射」就是信號在許多不同方向上擴散或反射。散射發生在一個無線信號遇到尺寸比信號的波長更小的物體時。散射還與無線信號遇到的表面的粗糙度有關。表面也粗糙，信號在遇到該表面是就越容易散射。在戶外，樹木會路標都會導致行動電話信號的散射。

　　另外，環境狀況(如霧、雨、雪)也可能導致反射、散射和衍射

　　(2)多路徑信號

　　由於反射、衍射和散射的影響，無線信號會沿著許多不同的路逕到達其目的地。這樣的信號被稱為「多路徑信號」。多路徑信號的產生並不取決於信號是如何發出的。它們可能從來源開始在許多方向上以相同的輻射強度，也可能從來源開始主要在一個方向上輻射。不過，一旦發出了信號，由於反射、衍射和散射的影響，它們就將沿著許多路徑傳播。圖6顯示了這三種信號所導致的多徑信號。

　　圖6 多徑信號

　　無線信號的多路徑性質既是一個優點又是一個缺點。一方面，因為信號在障礙物上反射，所以它們更可能到達目的地。在辦公樓這樣的環境中，無線服務依賴於信號在牆壁、天花板、地板以及家具上的反射，這樣最終才能到達目的地。

　　多路徑信號傳輸的缺點是因為它的不同路徑，多路徑信號在發射器與接收器之間的不同距離上傳播。因此，同一個信號的多個實例將在不同的時間到達接收器，導致衰落和延時。

　　5，窄帶、寬帶及擴展頻譜信號

　　傳輸技術根據它們的信號使用了無線頻譜的部分大小而有所不同。一個重要區別就是無線使用窄帶還是寬帶信號傳輸。在「窄帶」，發射器在一個單獨的頻率或者非常小的頻率範圍上集中信號能量。與窄帶相反，「寬帶」是指一種使用無線頻譜的相對較寬頻帶的信號傳輸方式。

　　使用多個頻率來傳輸信號被稱為擴展頻譜技術，換句話說，在傳輸過程中，信號從來不會持續停留在一個頻率範圍內。在較寬的頻帶上分布信號的一個結果是它的每一個頻率需要的功率比窄帶信號傳輸更小。信號強度的這種分布使擴展頻譜信號更不容易幹擾在同一個頻帶上傳輸的窄帶信號。

　　在多個頻率上分布信號的另一個結果是提高了安全性。因為信號是根據一個只有獲得授權的發射器和接收器才知道的序列來分布的，所以未獲授權的接收器更難以捕獲和解碼這些信號。

　　擴展頻譜的一個特定實現是「跳頻擴展頻譜」(Frequency Hopping Spread Spectrum ,FHSS)。在FHSS傳輸中，信號與信道的接收器和發射器知道的同一種同步模式在一個頻帶的幾個不同頻率之間跳躍。另一種擴展頻譜信號被稱為「直接序列擴展頻譜」(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)。在DSSS中，信號的位同時分布在整個頻帶上。對每一位都進行了編碼，這樣接收器就可以在接收到這些位時重組原始信號。

　　6，固定和移動

　　每一種無線通信都屬於以下兩個類別之一：固定或移動。在「固定」無線系統中，發射器和接收器的位置是不變的。傳輸天線將它的能量直接對準接收器天線，因此，就有更多的能量用於該信號。對於必須跨越很長的距離或者複雜地形的情況，固定的無線連接比鋪設電纜更經濟。

　　不過，並非所有通信都適用固定無線。例如，移動用戶不能使用要求他們保留在一個位置來接收一個信號的服務。相反，行動電話、尋呼、無線LAN以及 其它許多服務都在使用「移動」無線系統。在移動無線系統中，接收器可以位於發射器特定範圍內部的任何地方。這就允許接收器從一個位置移動到另一個位置，同時還繼續接受信號。

無線通信原理——發展現狀

　　1，分類

　　無線通信主要包括微波通信和衛星通信。微波是一種無線電波，它傳送的距離一般只有幾十千米。但微波的頻帶很寬，通信容量很大。微波通信每隔幾十千米要建一個微波中繼站。衛星通信是利用通信衛星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立微波通信聯繫。

　　2，熱點技術

　　(1)4G

　　第四代行動電話行動通信標準，指的是第四代移動通信技術，外語縮寫：4G。該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式(嚴格意義上來講，LTE只是3.9G，儘管被宣傳為4G無線標準，但它其實並未被3GPP認可為國際電信聯盟所描述的下一代無線通訊標準IMT-Advanced，因此在嚴格意義上其還未達到4G的標準。只有升級版的LTE Advanced才滿足國際電信聯盟對4G的要求)。4G是集3G與WLAN於一體，並能夠快速傳輸數據、高質量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbps以上的速度下載，比目前的家用寬帶ADSL(4兆)快25倍，並能夠滿足幾乎所有用戶對於無線服務的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視數據機沒有覆蓋的地方部署，然後再擴展到整個地區。很明顯，4G有著不可比擬的優越性。

　　圖7 4G迅速火爆

　　(2)ZigBee技術

　　ZigBee技術主要用於無線個域網(WPAN)，是基於IEE802.15.4無線標準研製開發的，是一種介於RFID和藍牙技術之間的技術提案，主要應用在短距離並且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。ZigBee協議比藍牙、高速率個域網或802.11x無線區域網更簡單使用，可以認為是藍牙的同族兄弟。

　　(3)WLAN與WiFi/WAPI

　　WLAN(無線區域網)是一種藉助無線技術取代以往有線布線方式構成區域網的新手段，可提供傳統有線區域網的所有功能，是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。它是通用無線接入的一個子集，支持較高傳輸速率(2Mb/s～54Mb/s，甚至更高)，利用射頻無線電或紅外線，藉助直接序列擴頻(DSSS)或跳頻擴頻(FHSS)、GMSK、OFDM等技術，甚至將來的超寬帶傳輸技術UWBT，實現固定、半移動及移動的網絡終端對Internet網絡進行較遠距離的高速連接訪問。目前，原則上WLAN的速率尚較低，主要適用於手機、掌上電腦等小巧移動終端。1997年6月，IEEE推出了802.11標準，開創了WLAN先河，WLAN領域現在主要有IEEE802.11x系列與HiperLAN/x系列兩種標準。

　　WiFi俗稱無線寬帶，全稱Wireless Fideliry。無線區域網又常被稱作WiFi網絡，這一名稱來源於全球最大的無線區域網技術推廣與產品認證組織——WiFi聯盟(WiFi Alliance)。作為一種無線聯網技術，WiFi早已得到了業界的關注。WiFi終端涉及手機、PC(筆記本電腦)、平板電視、數位相機、投影機等眾多產品。目前，WiFi網絡已應用於家庭、企業以及公眾熱點區域，其中在家庭中的應用是較貼近人們生活的一種應用方式。由於WiFi網絡能夠很好地實現家庭範圍內的網絡覆蓋，適合充當家庭中的主導網絡，家裡的其他具備WiFi功能的設備，如電視機、影碟機、數字音響、數碼相框、照相機等，都可以通過WiFi網絡這個傳輸媒介，與後臺的媒體伺服器、電腦等建立通信連接，實現整個家庭的數位化與無線化，使人們的生活變得更加方便與豐富。目前，除了用戶自行購置WiFi設備建立無線家庭網絡外，運營商也在大力推進家庭網絡覆蓋。比如，中國電信的「我的E家」，將WiFi功能加入到家庭網關中，與有線寬帶業務綁定。今後WiFi的應用領域還將不斷擴展，在現有的家庭網、企業網和公眾網的基礎上向自動控制網絡等眾多新領域發展。

　　WAPI是WLAN Authentication and Privacy Infrastructure的縮寫。WAPI作為我國首個在計算機網絡通信領域的自主創新安全技術標準，能有效阻止無線區域網不符合安全條件的設備進入網絡，也能避免用戶的終端設備訪問不符合安全條件的網絡，實現了「合法用戶訪問合法網絡」。WAPI安全的無線網絡本身所蘊含的「可運營、可管理」等優勢，已被以中國移動、中國電信為代表的極具專業能力的運營商積極挖掘並推廣、應用，運營市場對WAPI的應用進一步促進了其他行業市場和消費者關注並支持WAPI。目前市場上已有50多款來自全球主要手機製造商的智慧型手機支持WAPI，包括諾基亞、三星、索愛、酷派。而中國三大電信運營商也都已開始或完成第一批WAPI熱點的招標和競標工作，以中國移動為例，到目前為止已實際部署了大概10萬個WAPI熱點。這意味著WAPI的生態系統已基本建成，WAPI商業化的大門已經打開。

　　(4)短距離無線通信(藍牙、RFID、IrDA)

　　藍牙(Bluetooth)技術，實際上是一種短距離無線電技術。利用藍牙技術，能夠有效地簡化掌上電腦、筆試本電腦和行動電話手機等移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設備與網際網路之間的通信，從而使這些現代通信設備與網際網路之間的數據傳輸變得更加迅速高效，進而為無線通信拓寬道路。藍牙採用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段，其數據速率為1Mbps，採用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。藍牙技術為免費使用，全球通用規範，在現今社會中的應用範圍相當廣泛。

　　RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標籤。射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞並通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。目前RFID產品的工作頻率有低頻(125kHz～134kHz)、高頻(13.56MHz)和超高頻(860MHz～960MHz)，不同頻段的RFID產品有不同的特性。射頻識別技術被廣泛應用於工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理、防偽等眾多領域，例如WalMart、Tesco、美國國防部和麥德龍超市都在它們的供應鏈上應用RFID技術。在將來，超高頻的產品會得到大量的應用。

　　IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，也許是第一個實現無線個人區域網(PAN)的技術。目前其軟硬體技術都很成熟，在小型行動裝置，如PDA、手機上廣泛使用。事實上，當今每一個出廠的PDA及許多手機、筆記本電腦、印表機等產品都支持IrDA。IrDA的主要優點是無需申請頻率的使用權，因而紅外通信成本低廉。它還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點;且由於數據傳輸率較高，適於傳輸大容量的文件和多媒體數據。此外，紅外線發射角度較小，傳輸安全性高。IrDA的不足在於它是一種視距傳輸，2個相互通信的設備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔，因而該技術只能用於2臺(非多臺)設備之間的連接(而藍牙就沒有此限制，且不受牆壁的阻隔)。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數據傳輸率。

　　(5)WiMAX

　　WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互作業系統，可以替代現有的有線和DSL連接方式，來提供最後一英裡的無線寬帶接入，其技術標準為IEEE 802.16，其目標是促進IEEE 802.16的應用。相比其他無線通信系統，WiMAX的主要優勢體現在具有較高的頻譜利用率和傳輸速率上，因而它的主要應用是寬帶上網和移動數據業務。

　　(6)超寬帶無線接入技術UWB

　　UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB能在10米左右的範圍內實現數百Mb/s至數Gb/s的數據傳輸速率。UWB具有抗幹擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢，主要應用於室內通信、高速無線LAN、家庭網絡、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等領域。

　　對於UWB技術，應該看到，它以其獨特的速率以及特殊的範圍，也將在無線通信領域佔據一席之地。由於其高速、窄覆蓋的特點，它很適合組建家庭的高速信息網絡。它對藍牙技術具有一定的衝擊，但對當前的移動技術、WLAN等技術的威脅不大，反而可以成為其良好的補充。

　　(7)EnOcean

　　EnOcean無線通信標準被採納為國際標準「ISO/IEC 14543-3-10」，這也是世界上唯一使用能量採集技術的無線國際標準。EnOcean能量採集模塊能夠採集周圍環境產生的能量，從光、熱、電波、振 動、人體動作等獲得微弱電力。這些能量經過處理以後，用來供給EnOcean超低功耗的無線通訊模塊，實現真正的無數據線，無電源線，無電池的通訊系統。 EnOcean無線標準ISO/IEC14543-3-10使用868MHz，902MHz，928MHz和315MHz頻段，傳輸距離在室外是300 米，室內為30米。

　　(8)Z-Wave

　　Z-Wave是由丹麥公司Zensys所主導的無線組網規格， Z-Wave是一種新興的基於射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適於網絡的短距離無線通信技術。工作頻帶為908.42MHz，868.42MHz信號的有效覆蓋範圍在室內是30m，室外可超過100m，適合於窄帶寬應用場合。Z-Wave技術也是低功耗和低成本的技術，有力地推動著低速率無線個人區域網。

　　圖8 各協議的功耗及傳輸距離對比

　　通過下面兩個表格，我們可以更直觀全面地對比幾種主流的無線通信技術：

　　表1 部分主流無線通信技術比較

　　表2 EnOcean、Zigbee和Z-Wave無線通信技術情況對比

　　圖9示出這些無線通信技術的作用距離與數據率的關係：可見,數據率越高,作用距離就越短。可用網絡技術擴展作用距離而仍然保持數據率。

　　圖9無線通信技術數據率與作用距離的關係

　　當今最流行的無線通信技術、應用、和規範示於表3，包括：各種無線通信技術的適用頻段、調製方式、最大作用距離、數據率和應用領域等。

　　表3 常用無線通信技術、應用、和規範