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无线通信

/wireless communication/
最后更新 2023-08-15
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利用电磁波承载声音、文字、图像和视频等信息,在空间、大气、水、大地等无线传输媒介中从发射端传播到接收端,接收端从收到的电磁波信号中恢复出所发送信息的通信方式。

英文名称
wireless communication
所属学科
信息与通信工程

1873年,英国物理学家J.C.麦克斯韦在其著作《电学和磁学论》一书中,总结并发展了19世纪前期对电磁现象的研究成果,建立了电磁理论。1887年,德国物理学家H.R.赫兹在实验中发现了电磁波,验证了麦克斯韦的电磁理论。电磁理论的建立和电磁波的发现,为无线通信的产生创造了条件。1895年,俄国物理学家A.S.波波夫和意大利物理学家G.马可尼,分别成功地进行了无线通信试验,标志着无线通信的开端。

在无线通信中,电磁频谱是宝贵的资源,每一种无线通信服务都与特定的频谱紧密关联。无线频谱资源包括从9千赫~300 000吉赫之间的频率,它只是所有电磁波频率的一个子集,这是因为在自然界中还存在频率更高或者更低的电磁波,但是它们并不用于无线通信。例如,频率低于9千赫的频谱一般只用于野生动物跟踪或车库门开关,而频率高于300 000吉赫的电磁波对人类来说是可见光。由于无线频谱被全球所有国家共享,因此,全球通过国际电联对无线频谱进行管理,以确定频率分配、信号结构、传输协议和卫星轨道等方面的问题。根据通信系统所占用的无线频谱和电波波长的不同,无线通信可以分为长波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信等。电台广播主要采用中波和短波通信,电视广播主要采用超短波中的甚高频和微波中的特高频通信,地面微波接力通信、卫星通信、移动通信等通信系统则主要采用微波通信。

根据无线信号所占用的频谱资源大小的不同,无线通信可以采用窄带或宽带信号进行传输。此外,无线通信还可以占用扩展频谱进行传输。扩展频谱的常见形式是跳频扩展频谱和直接序列扩展频谱。跳频扩展频谱是指无线通信系统的收发信机以一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃;直接序列扩展频谱则是在发送端将窄带无线信号的能量同时分布在更宽的频带上并进行编码,以便接收机在收端恢复原始的窄带信号。

在无线通信中,发射机借助天线将电信号转换为电磁波辐射到空气等介质中,直到它传播到达接收端为止。无线传输介质通常是无制导的,因此与有线通信相比,无线通信最大的特点是不受线缆的限制,具有很高的灵活性。

理想情况下,无线信号在空气等介质中传播时,可以直接在收发信机之间形成一条直线的传播路径,这种传播被称为视距传播。视距传播可以使用很少的能量,并且可以接收到非常清晰的信号。但是,由于空气是无制导介质,而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰,所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。当一个障碍物挡住了信号的路线时,信号可能会绕过该物体或被该物体吸收,也可能发生反射、衍射或者散射等现象,具体取决于物体的几何形状和物理性质。由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达目的地,这种现象被称为多径传播。多径传播既是无线通信的一个优点,同时也是一个缺点。一方面,多径传播使无线信号更有可能到达目的地;另一方面,多径传播使得同一个信号的多个版本将在不同的时间到达目的地,进而导致无线信号产生畸变。

无线通信可分为固定无线通信和移动无线通信。在固定无线通信中,收发信机的位置是不变的,发射机天线可将它的能量直接对准接收机天线,因此效率更高,常见的固定通信为微波通信。在移动无线通信中,收发信机可以在特定范围内相互移动,具有更好的灵活性,常见的移动无线通信可分为无绳电话、无线寻呼、蜂窝网络、无线局域网、卫星通信、射频识别,以及红外、蓝牙等短距无线通信。

21世纪10年代,热点无线通信主要包括第四代移动通信系统、第五代移动通信系统、无线局域网、短距离无线通信、超宽带无线通信与易能森(EnOcean)等。

第四代移动通信系统包括长期演进技术升级版(Long Term Evolution-Advanced,LTE-A)和威迈(world interoperability for microwave access,WiMAX)两种标准,能够传输高速率和高质量的音频、视频和图像等,其峰值速率可达100兆比特/秒,几乎可以满足所有用户对于移动无线服务的需求。

无线局域网是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段,可提供传统有线局域网的所有功能,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网能够支持高达108兆比特/秒的传输速率,可以利用射频无线电或红外线,借助直接序列扩频或跳频扩频、高斯最小频移键控(Gaussian minimum frequency shift keying,GMSK)、正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM),甚至是超宽带传输等关键技术,实现固定、半移动以及移动的网络终端对因特网的远距离和高速率的连接访问。1997年6月,电气电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)推出了无线局域网标准(IEEE 802.11),开创了无线局域网的先河,现有的无线局域网标准主要有IEEE 802.11x与高性能无线局域网(High Performance Radio Local Area Network,HiperLAN/x)两个系列。无线局域网已广泛应用于家庭、企业以及公众热点区域,其应用领域还将不断扩展,在现有的家庭网、企业网和公众网的基础上向自动控制网络等众多新领域发展。

短距离无线通信主要包括蓝牙、红外和射频识别等技术,能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和手机等移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化以上设备与因特网之间的通信,从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效,进而为无线通信拓宽道路。其中蓝牙技术主要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,工作在全球通用的2.4吉赫频段,其数据速率为1兆比特/秒,采用时分双工传输方案实现全双工传输。射频识别技术又称作电子标签,是一项利用射频信号通过空间耦合(交变电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术,被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、物流网、防伪等众多领域。红外线点对点通信技术是第一个实现无线个人局域网的技术,它不需要申请频率的使用权,成本低廉,还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点,同时,其传输安全性高。但是,它只能作为一种视距传输,两个相互通信的设备之间不能被其他物体阻隔。

超宽带无线通信是一种无载波通信技术,利用纳秒乃至皮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,超宽带无线通信技术能在10米左右的范围内实现极高的数据传输速率。超宽带无线通信具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、高速无线局域网、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

EnOcean无线通信标准是世界上唯一使用能量采集技术的无线通信国际标准。其能量采集模块能够采集周围环境中光、热、电波、振动、人体动作等微弱能量并转换为电能,用来供给超低功耗的无线通信模块,实现真正的无数据线、无电源线、无电池供给的无线通信系统。

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