无线网络:无线通信原理

无线电频谱

作为一种电磁波,无线电频谱范围较广,而常用无线电频谱仅占其中一小部分。无线电频谱资源是全人类共享的自然资源,在一定时间、空间、地点是有限的。我国已颁布了专门法规来保护、开发和管理无线电频谱资源,由专设机构予以执行。

无线电频谱的特点

特点 说明
有限性 无线电业务不能无限使用较高频段的频率,目前暂无 3000 GHz 以上频率的应用
排他性 无线电频谱资源在一定时间、地区和频域内,一旦被某个设备使用,就不能再被其他设备使用
复用性 在一定时间、地区、频域和编码条件下,无线电频率可被重复利用
非耗尽性 和不可再生资源不同,无线电频谱资源可被重复利用而不会耗尽,但使用不当会造成浪费
传播性 无线电波传播不受国界和行政地域限制,但受自然环境影响
易干扰性 无线电频率使用不当,会受到其他无线信号源、自然或人为噪声的干扰而无法正常工作

频段划分

根据无线电波传播及使用的特点,国际上将其划分为 12 个频段,通常的无线电通信只使用其中的第 4 ~ 12 频段。

许多波段目前都有广泛应用:

频段 应用
极低频 潜艇通信
甚低频 海岸潜艇通信、远距离通信和超远距离导航等
低频 采用地波,用于越洋通信、中距离通信、地下岩层通信和远距离导航等
中频 船用通信、业余无线电通信、移动通信和中距离导航等
高频 远距离通信、国际定点通信等
甚高频 采用空间波即电离层散射,多用于空间飞行体通信和移动通信
超高频 卫星通信、雷达、陆地微波等
特高频 大容量微波中继通信、数字通信和卫星通信等
极高频 无线本地环和波导通信

值得一提的是 ITU 规定的 ISM(Industrial Scientific Medical, 工业科学医疗)频段,开放给工业、科学和医疗三类机构使用,无须许可证授权,可免费使用。ISM 频段在各国的规定并不统一,使用需遵守一定的发射功率(一般低于 1W),且不能干扰其他频段。

无限电管理部门

美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)专门负责管理其国内及对外的无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务,涉及美国各州及所属地区。各种无线通信和数字产品进入美国市场,都需 FCC 认可。
我国的无线电管理局是专业无线电管理部门,依据《中华人民共和国无线电管理条例》等法律法规负责无线电管理。其具体职责包括:频率使用和管理,固定台站的布局规划,台站设置认可,频率分配,电台执照管理,公用移动通信基站的共建共享,监督无线电发射设备的研制生产销售,无线电波辐射和电磁环境监测等。

无线传输介质

传输介质

无线传输空间主要是地球大气层和外层空间,使得人们在自由空间利用电磁波发送和接收信号,进行无线通信。传输介质指数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径,传输介质可分导向和非导向两类。导向传输介质一般指有线通信的双绞线、同轴电缆(粗缆和细缆)、光纤等,而无线通信和无线网络一般使用非导向传输介质,如无线电波。

无线传输介质 说明
无线电波 指在自由空间传播的射频(RF)频段的电磁波,其基本原理是导体中电流强度的改变会产生无线电波
微波 一般频率在 300 MHz~300 GHz 之间,微波频率较一般无线电波频率高,也称超高频电磁波
红外线 是太阳光线中的一种不可见光,存在于太阳光谱中红光的外侧

微波通信

微波频率高,波长很短,在空中的传播特性与光波相似,即直线传播,遇到阻挡会被反射或阻断。因此微波通信的主要方式是视距(Line of Sight,LOS)通信,超过视距则
需中继转发。微波通信的特点是容量大、质量好、传输距离很远。使用频率越高,可用带宽就越宽,相应的数据传输速率也越高。
和其他传输系统一样,微波传输的主要损耗源于衰减。对于微波及无线电广播频段,d 是距离,λ 是波长,其损耗 L(单位 dB)可表示如下:

目前的微波通信主要分为两大类:地面微波通信和卫星微波通信。地面微波通信通常在视距范围内进行,收、发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。地面的微波中继站和中继链路可互联多个局域网,以扩大网络范围。

卫星微波通信由卫星和地球站两部分组成,卫星在空中起中继作用,连接两个或多个地球站的地面微波发射器或接收器,一个卫星可操作多个频段。地球站是卫星通信中地面网络的接口,地面用户通过地球站连入卫星链路。

红外线通信

红外线通信是以红外线为载体进行数据传输的通信方式,使用收发器调制出互不相干的红外线就可实现。红外线通信技术发展早期存在多个标准,不同标准的设备不能彼此通信。为解决设备互联互通的问题,1993 年红外数据协会(IrDA)成立,统一规定了红外数据通信协议及规范。

损耗和衰落

损耗

损耗会使接收方收到的信号不完全等同于初始信号,模拟信号损耗引发的随机改动降低了信号质量,数字信号损耗则会导致位差错。

衰减和衰减失真

衰减指信号强度随所跨越的任一传输介质的距离而下降,一般应考虑以下 3 个因素的影响:

  1. 接收信号应有足够强度,以使接收方能检测并解释信号;
  2. 与噪声相比,信号必须维持较高强度,以便准确接收;
  3. 高频下的衰减更严重,会引起失真。

前两个因素可使用放大器或中继器解决,转发器的信号强度须足够强,使接收方易于接收。但强度过高会导致收发设备电路超负荷,而产生失真。第 3 个因素是衰减失真,相应对策可考虑跨频带的衰减均匀,或用放大器更多地放大高频部分。

自由空间损耗

自由空间损耗无线通信过程中,离发射天线越远,接收的信号功率就越低。即使无其他衰减或损耗源,长距离的信号传输也会有衰减,因为信号随距离增加会在越来越大的面积范围内散布。

噪声

通信过程中的传输信号可能被传输系统的各种失真所影响和修改,还可能夹杂额外噪声,严重影响通信性能。

噪声类型 说明
热噪声 由电子热扰动产生,存在于所有电子设备和传输介质中,受温度影响。热噪声无法消除,在通信系统中会有一个上限
互调噪声 不同频率的信号共享相同介质时,会产生互调噪声
互扰噪声 它是不同信号路径间的融合,如有线网络中相邻双绞线之间因电子耦合而产生
冲噪声 常为不规则脉冲或短时噪声尖峰,且振幅较高。产生原因包括外部电磁干扰(如雷电)、通信系统中的错误和缺陷等

大气吸收

大气吸收也会导致损耗,一般源于水蒸气和氧气,雨雾会散射无线电波,导致衰减。针对大气吸收的损耗,在降水量充沛的地区,可多用短路径,或使用低频带。

多径

无线通信环境中的障碍物会反射信号,接收方会收到不同时延的同一信号的多路副本。在移动通信和天线位置不佳的环境中,多径因素的影响较明显,极端情况下可能没有直接收到的信号。针对多路径信号,在固定且位置较好的天线之间,或在卫星和固定地面站间的通信中可有效控制。

折射

大气层会折射传播无线电波,信号高度的变化会引起信号速率改变,大气条件下空间的改变也会引起折射。

衰落

衰落指因传输介质或路径改变引起的接收信号功率随时间的变化,固定环境中下雨等天气变化会引发衰落。而移动环境中一个天线相对另一个移动,使得各种障碍物的相对位置随时间而变化,传输结果更为复杂。

多径传播

多径传播机制分为 3 种:反射、衍射和散射。

多径传播 说明
反射 电磁波信号遇到相对该信号波长更大的表面时,会发生反射
衍射 无线电波到达一个难以穿透的物体边界且波长小于物体尺寸时,会发生衍射
散射 散射发生在障碍物尺寸约等于信号波长或略小时

衰落类型

移动通信中的衰落效果可分为快衰落和慢衰落。

衰落类型 说明
快衰落 城市中的移动节点沿一条街道移动时,当超过大约波长一半距离时,信号强度会急剧变化
慢衰落 当移动用户跨越超出一个波长的距离,即用户穿过不同高度的建筑物、空地、十字路口等时,接收到的发生快速波动的平均功率值会改变


衰落效果也可分为平面衰落或选择性衰落。平面衰落(或称为非选择性衰落)指收到信号的所有频率成分同时按相同比例波动,而选择性衰落中这种影响并不相同。

调制

调制指将输入信息变换为适于信道传输的形式。信号源信息通常包含直流分量和频率较低的频率分量,称为基带信号。基带信号一般不能直接用于传输,需变换为一个远高于基带频率的信号,即已调信号。
调制过程改变了高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率,使其随基带信号幅度而变化。相逆的解调过程则将基带信号从载波中提取出来,使接收方能正确处理。

扩频

扩频(Spread Spectrum,SS)是一种重要的通信技术,发送方输入的数据首先进入信道编码器,生成模拟信号,该模拟信号围绕某个中心频率具有相对较窄的带宽。然后使用扩频码或扩展序列进一步调制,通常扩频码由伪噪声或伪随机数产生器生成。调制后传输信号的带宽显著增加,即扩展了频谱。接收方使用同一扩频码进行解扩,解扩后的信号通过信道解码器,最终还原为数据。

以上扩频方法的优点如下:

  1. 对各类噪声(如多径失真)具有免疫性。
  2. 可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩频码,才可恢复原始信息。
  3. 多个用户可独立使用同样的较高带宽,且几乎无干扰。

扩频技术最早用于军事和情报部门,通过将携带信息的信号扩展到较大的带宽中,以加大干扰和窃听的难度。目前主流的两个扩频技术是跳频扩频和直接序列扩频。

扩频方法 说明
跳频扩频 用一定的扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制,使载波频率不断跳变
直接序列扩频 用高码率的扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱,而接收方则用相同扩频码序列进行解扩,原始信号中的每一位在传输中以多个码片表示

复用和多址

传输效率是通信技术的关键问题之一,提高传输速率就是要尽量充分利用信道资源,实际就是同时传输多个信号。在两点间的信道中同时传输互不干扰的多个信号称“信道复用”,而多点间实现互不干扰的多边通信称“多址接入”。其本质是信号分割,即赋予各信号不同特征或地址。然后根据特征间的差异来区分,按不同地址分发,以实现互不干扰的通信。
常见的复用方式有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)和空分复用(SDM)等。多址通信的方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)等。此外还有极化复用和波分复用等,一般需结合其他方式。

天线

无线通信系统的外界传播介质接口是天线,它是发射和接收无线电波的重要设备。发送方先将信号通过馈线(电缆)输送到天线,再以电磁波形式辐射出去。接收方则由天线吸收到达的电磁波,仅接收极小一部分功率,通过馈线送至无线电接收机。

天线的分类

分类方式 类型
用途 通信天线、电视天线、雷达天线等
工作频段 短波天线、超短波天线、微波天线等
方向性 全向天线、定向天线等
外形 线状天线、面状天线等

天线的主要指标

指标 说明
天线增益 指输入功率相等时,实际天线与理想辐射单元在空间同一处产生的信号功率密度之比
方向图 天线辐射电磁场在固定距离上随角坐标的分布图形称为方向图
极化 描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性,习惯以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向

除此之外还有很多指标,例如电压驻波比、端口隔离度、回波损耗、无源互调、功率容量、防护能力、工作温度和湿度、外观尺寸等。

天线关键技术

天线分集

衰落效应影响通信质量,加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法并不现实,且会干扰。分集技术在若干支路上接收彼此相关性很小的同一数据信号,然后合并输出,可在接收方降低深衰落概率。采用分集接收减轻衰落影响,获得分集增益,提高接收灵敏度。
分集通过多信道(时间、空间、频率)接收到载有相同信息的多个副本,各信道传输特性不同,各副本衰落相关性较小,同时出现深衰落概率较小,可提高接收性能。
分集的特点有:

  1. 分散传输:接收机能获得多个独立携带同一信息的衰落信号;
  2. 集中处理:接收机将收到的多个独立衰落信号合并,以降低衰落影响。

赋形波束

赋形波束根据系统性能指标,对基带(中频)信号的最佳组合或分配。它的任务是补偿传播过程中由空间损耗、多径效应等导致的信号衰落与失真,同时降低同信道用户间干扰。先系统建模,描述系统中各处信号。再根据性能要求,将信号组合或分配转化为数学问题,寻求最优解。

智能天线

智能天线指基站的双向天线,通过一组有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并同时获取基站和移动终端间各链路的方向特性,通过调整接收或发射特性来增强天线性能。

MIMO

MIMO(Multiple Input Multiple Output,多入多出) 指利用多发射、多接收天线进行空间和时间分集,利用多天线抑制信道衰落。发送方和接收方均采用多根天线或天线阵列,构成无线 MIMO
系统。多径传输会引起衰落,但 MIMO 利用了多径因素。多天线接收机利用空时编码处理分开并解码这些数据子流,实现优化处理。

MIMO 的关键技术包括信道估计、空时信号处理、同步和分集等。

关键技术 说明
信道估计 采用空时编码时,接收方需准确知道信道特性才能有效解码,因此信道估计尤为重要
空时信号处理 从时间和空间同时进行信号处理,分为空时编码和空间复用
同步 载波同步、符号同步和帧同步等
分集 利用了时间、频率和空间三种分集技术,有效增加对噪声、干扰、多径的容忍

认知无线电

认知无线电(Cognitive Radio, CR)由 Joseph Mitola 于 1999 年提出,也称为智能无线电,可看作一种对环境极度敏感的软件无线电。CR 可感知周围环境特征,实时调整自身内部状态和收发参数,选择合适的载波频率、传输功率和调制方式,实现最佳系统性能。CR 的目标是提高频谱利用率。

认知无线电的基本功能包括:

  1. 分析无线环境,估计空间电磁环境中的干扰温度和检测频谱空洞;
  2. 信道状态估计及容量预测;
  3. 功率控制和动态频谱管理。

认知无线电的关键技术包括:

关键技术 说明
频谱检测 寻找合适频谱空洞并反馈发送端进行频谱管理和功率控制
频谱管理 动态频谱分配,目的是信道利用率最大化,同时考虑用户接入公平性。
功率控制 多用户传输的 CR 系统中,发送功率控制受到给定干扰温度和可用频谱空洞数量的限制,需采用分布式功率控制扩大通信系统工作范围

参考资料

《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》,金光、江先亮编著,清华大学出版社

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文章标题:无线网络:无线通信原理
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