2.3 无线通信技术

2.3.1 电磁波谱

1862年，英国物理学家麦克斯韦通过大量的实验证明了电磁波的存在，并断言电磁波的传播速度等于光速，光波就是一种电磁波。这使人们对无线电波、光波、X射线、γ射线的内在联系有了深刻的认识，揭示了电磁波谱的秘密。

描述电磁波的参数有3个：波长（Wavelength）、频率（Frequency）和光速（Speed of Light）。波长和频率的关系为

c=λf

其中，c为光速，λ为波长，f为频率。

电磁波的传播有两种方式：一种是在有限空间领域内传播，即通过有线方式传播，用前面介绍的3种传输介质（双绞线、同轴电缆和光纤）来传输电磁波的方式就属于有线传播方式；另一种是在自由空间中传播，即通过无线方式传播。

图2-22所示是电磁波的频谱图。从图2-22中的电磁波谱可以看到，按照频率由低到高的顺序排列，不同频率的电磁波可以分为无线电（Radio）、红外线（Infrared）、可见光（Visible light）、紫外线（Ultraviolet）、X射线（X-rays）和γ射线。人们现在已经利用了无线电、红外线以及可见光这几个波段进行通信。紫外线和更高的波段目前还没有用于通信。

ITU（国际电信联盟）根据不同的频率（或波长）将不同的波段进行了划分和命名。例如，LF波长是从1～10km（对应于30～300 kHz）。LF、MF和HF分别是低频、中频和高频，更高频段中的VHF、UHF、SHF和EHF表示甚高频、特高频、超高频和极高频。无线电的频率与带宽的对应关系如表2-2所示。

2.3.2 无线通信概述

采用有线方式传输数据有一个共同的缺点，即需要连接一根线缆，这在很多场合下是不方便的。在当今的信息时代，人们对信息的需求是无止境的，很多人需要随时与社会或单位保持在线连接，需要利用笔记本计算机、掌上型计算机随时随地获取信息。对于这些移动用户，双绞线、同轴电缆和光纤都无法满足要求，而无线通信可以解决上述问题。

无线通信是指信号通过空间传输，不被约束在一个物理导体内。无线通信实际上就是无线传输系统，主要包括微波通信、卫星通信和移动通信等。

无线电被广泛应用于通信的原因是传播距离很远，很容易穿过建筑物，而且无线电波是全方向传播的，因此无线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。

无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧下降。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。所有频率的无线电波都很容易受到其他电子设备的各种电磁干扰。

中、低频的无线电波（频率在1MHz以下）沿着地球表面传播，如图2-23（a）所示。在这些波段上的无线电波很容易穿过一般建筑物。用中、低频无线电波进行数据通信的主要问题是通信带宽较低。

高频和甚高频（频率在 3MHz～1GHz）无线电波将被地球表面吸收，但是到达离地球表面 100～500km 高度的带电粒子层的无线电波将被反射回地球表面，如图2-23（b）所示。可以利用无线电波的这种特性来进行数据通信。

2.3.3 微波通信

微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，使用的频率范围一般为 2GHz～400GHz。在长途线路上，其典型的工作频率为 2GHz、4GHz、8GHz 和12GHz。微波通信的工作频率很高，与通常的无线电波不一样，微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准。如果两个微波塔相距太远，一方面地球表面会阻挡信号，另一方面微波长距离传送会发生衰减，因此每隔一段距离就需要一个微波中继站，如图2-24所示。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比。由于受地形和天线高度的限制，两个中继站之间的距离一般为30～50km。而对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。

微波通信按所提供的传输信道可分为模拟和数字两种类型，分别简称为“模拟微波”与“数字微波”。目前，模拟微波通信主要采用频分多路复用技术和频移键控调制方式，其传输容量可达30～6 000个电话信道。数字微波通信发展较晚，目前大都采用时分多路复用技术和相移键控调制方式。与数字电话一样，数字微波的每个话路的数据传输速率为64kbit/s。无论是模拟微波还是数字微波，都可以利用其中的一个话路来传输数字信号，利用模拟微波的一个话路来传输数字信号时，其数据传输速率可达9 600 bit/s，而利用数字微波的一个话路传输数字信号时，其数据传输速率可达到64kbit/s。目前数字微波通信被大量运用于计算机之间的数据通信。

微波通信在传输质量上比较稳定，由于频率很高，因此可同时传送大量的信息。与同轴电缆相比，微波通信不需要铺设电缆，所以其成本要低得多，在当前的长途通信方面是一种十分重要的手段。微波通信的缺点是在雨雪天气传输时会被吸收，从而造成损耗，而且微波的保密性也不如电缆和光缆好，对于保密性要求比较高的应用场合需要另外采取加密措施。

2.3.4 卫星通信

常用的卫星通信方法是在地面站之间利用36 000km高空的同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是太空中无人值守的用于微波通信的中继器。

卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的1/3以上的表面，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120°的卫星就可以覆盖地球上的全部通信区域，如图2-25所示。这样，地球上的各个地面站之间就都可以互相通信了。

由于卫星信道频带宽，因此也可采用频分多路复用技术分为若干子信道。有些用于地面站向卫星发送，称为上行信道；有些用于由卫星向地面转发，称为下行信道，如图2-26所示。

卫星通信的优点是通信容量很大，距离远，信号受到的干扰也比较小，通信比较稳定；缺点是传播延迟时间长。由于各地面站的天线仰角并不相同，因此不管两个地面站之间的地面距离是多少，从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间都为270ms，这相对于地面电缆传播延迟时间约6 µs/km来说，特别是相对于近距离的站点，要相差几个数量级。

在卫星通信领域中，甚小口径天线地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）已被大量使用。VSAT是指采用小口径的卫星天线的地面接收系统，这种小站的天线直径一般不超过1 m，因而价格便宜。在VSAT卫星通信网中，需要有一个比较大的中心站来管理整个卫星通信网。VSAT按其承担的服务类型可以分为两类：一类是以数据传输为主的小型数据地球站（Personal Earth Station，PES），对于这些VSAT系统，所有小站间的数据通信都要经过中心站进行存储转发；另一类是以语音传输为主并且兼容数据传输的小型电话地球站（Telephone Earth Station，TES），对于这些能够进行电话通信的VSAT系统，小站之间的通信在呼叫建立阶段要通过中心站，但在连接建立之后，两个小站间的通信就可以直接通过卫星进行了。

2.3.5 移动通信

移动物体与固定物体，移动物体与移动物体之间的通信，都属于移动通信，例如，人、汽车、轮船、飞机等移动物体之间的通信。移动物体之间的通信通常依靠移动通信系统（Mobile Telecommunications System，MTS）来实现，目前实际应用的移动通信系统主要包括：蜂窝移动通信系统、无绳电话系统、无线电寻呼系统、Ad Hoc网络系统以及卫星移动通信系统等。

移动通信系统的发展通常分为以下几代。

（1）1G（The First Generation）。1G 系统又称为类比式移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），自 20世纪80年代起开始使用。该系统的通话方式是蜂窝电话标准，仅限语音的传送。

（2）2G（The Second Generation）。2G系统又称为数字移动通信系统，对语音以数字化方式传输，除具有通话功能外，还引入了短信（Short message service，SMS）功能。

（3）3G（The Third Generation）。3G系统又称为多媒体移动通信系统，它是一种将无线通信与互联网多媒体通信相结合的新一代移动通信系统。3G系统能够处理图像、声音、视频等多媒体信息，提供网页浏览、电话会议、电子商务信息等多种服务。

（4）4G（The Forth Generation）。目前的移动通信系统刚刚步入4G时代，4G系统的主要目标是多功能集成的宽带移动通信系统，并提高移动装置无线访问互联网的速度。