无线通信技术进展及应用

1无线通信技术进展及应用作者：邓开乐指导教师：陈冠英教授湛江师范学院物理学院湛江5240481引言无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在信息与通信领域中，发展最快、应用最广的是无线通信技术。无线通信在过去的90多年时间里，已经朝着传输宽带化、移动高速化、接入灵活化、综合化及个人化等方向不断发展，并且各种无线通信技术之间呈现出一种融合发展的状态[1,2,3,4,5,7,9]。本文力图使人们尽快理解无线通信的基本理念是：实现在任何地方（Wherever)、任何时候(Whenever)与任何人(Whomever)之间进行任何种类（Whatever)的快捷、方便、动态的自由通信[1,3，14,15,16]，在这种背景下，有必要分析一下公众蜂窝移动无线通信技术的发展，短距离、近距离无线通信技术，以求对公众无线移动通信的发展有比较清晰的了解，从中把握各种无线通信技术的优势与劣势，以便更好地了解下一代无线通信技术的发展趋势。2无线通信的概念无线通信是无线电通信的简称，是利用电磁波可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信可用于传输电报、电话、传真、图像、数据和广播电视等。相对于有线通信而言，无线通信不需要架设专门的传输线路，不受通信距离的限制，机动性能也比较好，建立起来相当迅速。[1，2，6，7]2.1无线通信的起源19世纪末，历经奥斯特、安培、法拉第、亨利等人的无数次试验，奠定了无线通信的基础。之后，由麦克斯韦集前人之大成提出了具有划时代意义的理论——电磁场理论。1887年，德国物理学家H·赫兹通过实验验证了麦克斯韦关于电磁波存在的预言（这是一个关于电磁波的发生、检测及其属性的测量的实验）。1894年，俄国的波波夫发明了天线和无线电接收机；1897年，马可尼验证了运动中的无线通信的可应用性，随即人类开始了对移动无线通信的追求。这一阶段可视为无线通信的起源2阶段。[1，2，3，18]3无线通信系统的基本组成最基本的无线通信系统由发射器、接收器和无线信道组成，如图1所示。信号源传送的电信号在发射器中完成信息的调制，即将基带信号搬移到射频上并放大到足够的功率，在发射器中完成对信息的调制，射频信号通过发射天线转换成为电磁波在无线信道上传输，在接收器的接收端口，空间中的电磁波经过接收天线转换成为射频信号进入到接收器中，接收器对信号进行解调，将原始电信息复原，然后传输到信宿。[1,6,7]已调信号无线信道图1无线通信系统基本组成3.1信号源信号源（信源）的作用是把各种信息转换成为电信号；据信息的类型可以把信源分为模拟和数字信源。模拟信源输出的是连续的模拟信号，常见的有话筒和摄像机；数字信源输出离散的数字信号，常见的有计算机等数字终端。模拟信源的信号也可以经过数字化处理而输送出数字信号。[6,7]3.2发射器发射器的作用是产生可以在信道中传输的信号，既具有抗信道干扰的能力，也具有足够的功率将信号远距离传输的能力。发射器的作用很大，包括信号的变换、放大、滤波、编码、调制等过程。[1，2，6，7]3.3无线信道信道是一种物理媒质，发射端发射的信号可以经过它传播到接收端。无线信道可以是自由空间（包括空气和真空）；无线信道具有信道的一般特性，既给予信号通路，也产生对信号的干扰和噪声，图1中的噪声源就包括了来自无线信道的噪声，同时也包括了无线通信系统各部分的噪声。[6，7]信号源发射器（调制）信宿接收器（解调）噪声源33.4接收器接收器的作用是把信号放大及逆变换（如译码和解调等），以从接收到的信号中正确地恢复原始信号，尽可能地减少传输过程中噪声及干扰对信号的影响。[6,7]3.5信宿信宿是信号传输的目的地，与信源的作用相反，它是把原始电信号还原成为原来的信息，如扬声器等。[4，6,7]4调制与解调调制是将信号转化成可以在信道中传输的形式的过程，其实质是频谱变换，把携带信息的基带信号的频谱搬移到所需要的频谱范围（频率得到提高）；在无线通信中，调制均指载波调制。载波调制指的是用调制信号去控制载波的参数，使得载波中的一个或某几个参数按照调制信号的规律变化。调制信号其实是来自信源的基带信号（既可以是模拟的，也可以是数字的）；载波是未受调制的周期振荡信号，载波经过调制之后就成为已调信号。载波调制的产生是通信技术的要求，一般从语言、音乐、图像等信源转换得到的电信号的频率是很低的，属于包括（或不包括）直流成分的低通频谱，这种信号称为基带信号；在无线传输中，信号是通过天线转变成空间中的电磁波传输的，根据电磁辐射理论，天线的长度要与信号的波长相比拟时才能获得较高的辐射效率，由于基带信号的频率很低，那么所需的天线长度将因为过长而无法实现；另外，调制可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，实现信道的多路复用，提高信道利用率，还可以扩展信号带宽，提高系统抗干扰和抗衰落能力。由于基带信号有模拟基带信号和数字基带信号，因而，调制相应也有模拟调制和数字调制。无论是哪种信号，调制的基本方式有：幅度调制和角调制（频率调制和相位调制）。在模拟调制中有三种基本的调制方式：幅度调制（AM）、频率调制（FM)和相位调制（PM)；幅度调制指的是利用调制信号控制高频载波的振幅，使得已调信号的振幅随调制信号的瞬时幅值作线性变化的调制方式。而频率调制和相位调制是通过调制信号、改变载波的角度实现的，即在频率调制中，调制信号的瞬时振幅控制的是已调信号的频率；而在相位调制中，调制信号的瞬时振幅控制的是已调信号的相位；在调制中，已调信号的幅度、频率和相位的变化是由调制信号（基带信号）的瞬时振4幅控制的。数字调制也有三种基本调制方式：数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。由于数字信号属于离散信号，那么调制后的载波参量也是离散的，数字调制过程是利用数字信号离散取值经过开关键控制载波，这种方法称为键控法。因此，分别称数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK）。解调是从已调信号中恢复出调制信号的过程，是调制的逆过程。不同的调制方式，对应的解调方式也就不相同。在幅度解调中，从调幅信号中还原出原调制信号（基带信号）的过程称为振幅解调，也称为振幅检波（检波）；调频信号的解调称为频率检波（鉴频），鉴频的作用是把调制信号频率中的原调制信号取出；调相信号的解调称为相位检波（鉴相），其目的是把调相信号相位中的原调制信号取出。[1,2,4,5，6,7]5无线电波传播5.1无线电波的传播特性无线电波的传播特性是指无线电波在各种具体介质中传播的方式。在地球上，无线电波传播的介质有地壳、海水、大气等。无线电波在自由空间中传播的速度与光速相同，为smc/100.38，高频信号的频率)(Hzf与其波长)(m的关系为fc。在自由空间中传播的无线电波一般可分为地表波、天波、空间波和散射波，如图2所示：5图2无线电波的传播特性地表波是指在地球表面附近传播的无线电波。天波指的是利用电离层反射传播的的无线电波。由天线发射直接到达接收点的电波，被称为直射波。还有另外一部分无线电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波；直射波和反射波合称为空间波。散射波是指当对流层或电离层出现不均匀团块时，而有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射到达接收点的无线电波。[1，2，6，7]5.2无线电波频段划分在通信领域，一般根据无线电波的波长或频率将无线电波划分为不同的波段或频段，[1，6，7]如表1所示：频段频段名称频段范围/Hz传播方式波长范围波段名称典型应用4甚低频VLF3k～30k波导10km～100m超长波远程导航、水下通信、声呐5低频LF30k～300k地波、天波1km～10m长波导航、水下通信、无线电信标6中频MF300k～3M地波、天波1km～200m中波广播、海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫7高频HF3M～30M地波、天波200～10m短波远程广播、电报、电话、传真、搜寻救生、飞机与船只间通信、船岸通信、业余无线电8甚高频VHF30M～300M空间波、对流层散射、绕射10～1m超短波（米波）电视、调频广播、陆地交通、空中管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信9特高频UHF0.3G～3G空间波、对流层散射、绕射、视距100～10cm微波分米波电视、蜂窝网、无线电探空仪及高度计、导航、卫星通信、GPS、监视雷达10超高频3G～30G视距10～1cm厘米卫星通信、机载雷达、公6SHF波用陆地移动通信11极高频EHF30G～300G视距1～0.1mm毫米波雷达着陆系统、卫星、移动通信、铁路业务表16无线通信系统的分类无线通信系统根据不同分类方法，可以有不同类型，具体的分类如表2：按技术体制分类模拟、数字、数模兼容按工作波长分类长波、中波、短波、超短波、微波等按无线应用分类移动、无线接入、微波、卫星按工作状态分类固定、移动按位于通信网络的位置分类无线接入、无线传输表2虽然无线通信系统按照不同的原则有不同的类型，但其内涵不会改变。本文主要从应用的角度讨论无线通信系统，但仅限于公众蜂窝移动通信系统。[1，7]7公众蜂窝移动通信系统7.1移动通信的概念移动通信一般指的是移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信，也就是通信过程中至少有一方处于运动的状态（用户也可以暂时停留在某一个非既定位置上进行信息传递和交换）。[1，2，7]7.2“蜂窝”的概念及公众蜂窝移动通信网的结构移动通信自无线通信出现之日就产生了，可以追溯到马可尼在1895年的无线通信试验。而现代通信出现在20世纪20年代，最早是应用在军事领域，公众移动通信始于20世纪60年代，尔后的发展中经历了第一代(1G)、第二代(2G)和第三代(3G)，并将继续朝着第四代(4G)发展。[1,2]公众蜂窝移动通信网又可以分为大区制移动通信方式（用于农村及交通干线）和小区制移动通信系统（主要用于城市），小区制移动通信采用的是六边形的“蜂窝”状，故又称为蜂窝移动通信，蜂窝移动通信系统把整个服务区域划分成若干个较小的区域（Cell，称为小区），各小区使用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，7许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区，如图3。“蜂窝”概念的提出真正解决了公众移动通信系统追求系统容量大与频率资源有限的矛盾。由于城市的发展，蜂窝移动通信的覆盖范围会越来越大，公众蜂窝移动通信系统内部组网主要由“移动台(MobileStation，MS，如手机)”、“移动基站系统(BaseStation，BS)”、“中继传输系统（MSC之间、MSC和BS之间采用有线方式连接）”、和“移动交换中心(Mobile-servicesSwitchingCentre，MSC）等四大部分组成，[1，2，7]如图4：图3蜂窝小区结构示意图图4蜂窝移动通信内部组网7.3多址技术在移动通信系统中，存在多个移动用户终端同时进行通信的情况，在这种情况下，对如何进行动态寻址和对多个地址的动态划分与识别的问题的研究，最终导致了多址技术的出现。多址技术的出现也在一定的范围内解决了频谱的有效利用问题，使得多个用户共享系统频谱资源[1，2，3，4，7]。无线信号用频率、时间和码型表示的函数为tctfsctfs,,,，其中tfs,是频率和时间的函数，tc是码型函数[1]。根据频率、时间和码型划分，多址方式可分为频分多址方式（FDMA）、时分多址方式（TDMA）和码分多址方式（CDMA）。频分多址（FDMA）把整个系统的频谱分割成若干个频率正交的信道。典型的FDMA系统是第一代模拟蜂窝移动通信系统。时分多址（TDMA）则将时间正交分割，每一信道在指定的时隙内占用了整个频段，客户在这指定的时隙内占用整个频段收（或发）信息。由于TDMA系统要求用户在时间上保持严格的同步，因此实现起来比FDMA要困难一些，可是TDMA支持多速率传输功能，只需给一个用户分配多个时隙。典型的TDMA系统有北美的D-AMPS，欧洲的GSM-900、DCS-1800GMSC至其他网络BSBSBSBSBSBS数据库