1、無線通信技術綜述摘要隨著社會的不斷進步和發展，通信與交流已經成為人們工作和生活中非常重要的部分，無線通信技術以其成本低、擴展性好、使用方便等優勢，近些年而得到了長足的發展和廣泛的應用。該文對無線通信技術的基礎、接入技術、通信網分類、3G、4G、衛星通訊技術等方面作了簡要概述。關鍵詞：無線通信；接入技術；無線個域網；3G；4G；衛星通訊；Abstract With the continuous progress and development，communication and exchange of work and life has become a very important，wirel

2、ess communications technology with its low cost, scalable, easy to use and other advantages, and in recent years has been considerable development and a wide range of applications. In this paper, it made a brief overview of the basis of wireless communication technology, access to technology, the cl

3、assification of the communication network, 3G, 4G, satellite communication technology, etc.Key words: wireless communication; Access technology; WPAN; 3G; 4G; Satellite communications;1 引言無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，近些年，在信息通信領域中，發展最快、應用最廣的就是無線通信技術。無線通信技術自身有很多優點，成本較低，無線通信技術不必建立物理線路，更不用大量的人力去

4、鋪設電纜，而且無線通信技術不受工業環境的限制，對抗環境的變化能力較強，故障診斷也較為容易，相對于傳統的有線通信的設置與維修，無線網絡的維修可以通過遠程診斷完成，更加便捷；擴展性強，當網絡需要擴展時，無線通信不需要擴展布線；靈活性強，無線網絡不受環境、地形等限制，而且在使用環境發生變化時，無線網絡只需要做很少的調整，就能適應新環境的要求。2 無線通信基礎無線頻譜也就是無線電波或電磁波的頻率。無線電波定義為頻率在3000GHz以下，不用人工波導而在空間傳播的電磁波。作為傳輸載體的無線電波都具有一定的頻率和波長，即位于無線電頻譜中的一定位置，并占據一定的寬度。無線電頻譜（radio spectrum

5、）一般指9KHz3000GHz頻率范圍內發射無線電波的無線電頻率的總稱。載波或者載頻（載波頻率）是一個物理概念，其實就是一個特定頻率的無線電波，單位Hz。在無線通信技術上我們使用載波傳遞信息，將數字信號調制到一個高頻載波上然后再在空中發射和接收。所以載波是傳送信息（話音和數據）的物理基礎，最終的承載工具。形象的說載波就是一列火車，用戶的信息就是貨物。由于普通電話線上只能傳輸模擬信號，因此調制解調器要將計算機上的數字信號，轉換為模擬信號后經電話線傳輸。載波實際上也是一種聲音信號，它攜帶著計算機上的數字信息。調制解調器需要載波信號進行彼此的溝通，因此只有載波信號在兩臺調制解調器之間建立起來，調制解

6、調器才稱為連通。調制解調器是計算機聯網中的一個非常重要的設備。它是一種計算機硬件，它能把計算機產生出來的信息翻譯成可沿普通電話線傳送的模擬信號。而這些模擬信號又可由線路另一端的另一調制解調器接收，并譯成接收計算機可懂的語言。這一簡單過程展現了計算機通信的廣闊世界。計算機內的信息是由“0”和“1”組成數字信號，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號。于是，當兩臺計算機要通過電話線進行數據傳輸時，就需要一個設備負責數模的轉換。這個數模轉換器就是我們這里要討論的調制解調器。計算機在發送數據時，先由調制解調器把數字信號轉換為相應的模擬信號，這個過程稱為“調制”。經過調制的信號通過電話載波傳送到另一臺計算

7、機之前，也要經由接收方的調制解調器負責把模擬信號還原為計算機能識別的數字信號，這個過程我們稱“解調”。正是通過這樣一個“調制”與“解調”的數模轉換過程，從而實現了兩臺計算機之間的遠程通訊。3 無線接入技術多址技術又稱為“多址連接”技術，是指把處于不同地點的多個用戶接入一個公共傳輸媒質，實現各用戶之間通信的技術。多址技術多用于無線通信。多址技術分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空分多址(SDMA)。頻分多址是以不同的頻率信道實現通信。時分多址是以不同時隙實現通信。碼分多址是以不同的代碼序列來實現通信的。空分多址是以不同方位信息實現多址通信的。FDMA在頻分多址

8、中,不同地址用戶占用不同的頻率,即采用不同的載波頻率,通過濾波器選取信號并抑制無用干擾,各信道在時間上可同時使用。頻分多址技術比較成熟,第一代蜂窩式移動電話系統采用的就是FDMA技術。目前我國運行的模擬蜂窩式移動電話系統均使用頻分多址技術。TDMA時分多址是不同地址的用戶占用同一頻帶的同一載波,但占用的時間不同,即從時間上區分各個信道。同一載波可供若干用戶“同時”進行通信,各用戶只在規定的時隙內以突發的形式發射它的已調信號,各用戶信號在時間上是嚴格依次排列、互不重疊的。每個信道的一個個時隙依次排列起來,一個時隙稱為一幀。時分多址通信系統是一種數字傳輸系統,即可傳輸話音,也可傳輸數據。但時分多址

9、通信系統需要精確定時和同步,以保證各用戶發送的信號不會發生重疊。在處于同樣頻段的情況下,采用TDMA比FD-MA能容納更多的用戶,即頻率利用率更高。第二代蜂窩式移動電話系統就是采用數字化時分多址技術的。CDMA碼分多址是不同地址的用戶占用相同的頻率和同一地址段,但各有不同的偽隨機碼(PN碼),即以偽隨機碼來區分不同的信道。碼分多址是以擴頻信道為基礎的,擴頻通信系統基本結構如圖所示。數字信息經信息調制(PSK或FSK等),形成已調數字信號,然后由PN碼發生器產生的PN碼去調制數字信號,使其頻譜展寬后再發送。接收端收到信號后,首先通過同步電路捕捉發送來的PN碼準確相位,由此產生與發送來的偽隨機碼完

10、全一致的接收用PN碼,作為擴頻解調用的本地信號,擴頻解調后的信號再經信息解調后恢復為原調制信息。下面以衛星通信為例說明頻分多址、時分多址和碼分多址的概念。1頻分多址（FDMA）技術是讓不同的地球通信站占用不同頻率的信道進行通信。因為各個用戶使用著不同頻率的信道，所以相互沒有干擾。早期的移動通信就是采用這個技術。2時分多址（TDMA）技術這種多址技術是讓若干個地球站共同使用一個信道。但是占用的時間不同，所以相互之間不會干擾。顯然，在相同信道數的情況下，采用時分多址要比頻分多址能容納更多的用戶。現在的移動通信系統多數用這種多址技術。3碼分多址（CDMA）技術這種多址技術也是多個地球站共同使用一個信

11、道。但是每個地球站都被分配有一個獨特的“碼序列”，與所有別的“碼序列”都不相同，所以各個用戶相互之間也沒有干擾。因為是靠不同的“碼序列”來區分不同的地球站，所以叫做“碼分多址”。采用CDMA技術可以比時分多址方式容納更多的用戶。這種技術比較復雜，但現在已經為不少移動通信系統所采用。在第三代移動通信系統中，也采用寬帶碼分多址技術。除了上述3種多址技術之外，還有一種叫做“空分多址”的技術。4空分多址（SDMA）技術是利用空間分割來構成不同信道的技術。舉例來說，在一個衛星上使用多個天線，各個天線的波束分別射向地球表面的不同區域。這樣，地面上不同區域的地球站即使在同一時間使用相同的頻率進行通信，也不會

12、彼此形成干擾。空分多址是一種信道增容的方式，可以實現頻率的重復使用，有利于充分利用頻率資源。空分多址還可以與其它多址方式相互兼容，從而實現組合的多址技術，例如“空分-碼分多址（SD-CDMA）”。4 無線通信網分類無線網絡是利用無線介質（無線電波、紅外線和激光等）作為信息傳輸媒介而構成的計算機網絡。按照網絡覆蓋的地理范圍分為無線廣域網（WWAN）、無線城域網（WMAN）、無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）。無線個域網是一種與無線廣域網、無線城域網、無線局域網并列但覆蓋范圍相對較小的無線網絡。在網絡構成上，WPAN位于整個網絡鏈的末端，用于實現同一地點終端與終端間的連接，如連接手機和

13、藍牙耳機等。WPAN所覆蓋的范圍一般在10m半徑以內，必須運行于許可的無線頻段。WPAN設備具有價格便宜、體積小、易操作和功耗低等優點。802無線標準系列主要特征比較標準系列工作頻段工作速率覆蓋距離網絡應用主要特性與應用802.20x3.5GHz以下16Mbps/40Mbps115公里WWAN點對多點無線連接，用于高速移動的無線接入，移動中用戶的接入速率可達1Mbps，面向全球覆蓋。802.16x211/1166GHz70Mbps150公里WMAN點對多點無線連接，支持基站間的漫游與切換，用于1、WLAN業務接入。2、無線DSL，面向城城覆蓋。3、移動通信基站回程鏈路及企業接入網。802.11

14、x2.4/5GHz154/108Mbps100米WLAN點對多點無線連接，支持AP間的切換，用于1、企業WLAN。2、PWLAN.3/家庭/SOHO無線網關。802.15x2.4GHz/3.110.6GHz0.25/155/110Mbps1075米/10米WPAN點對點短距離連接，工作在個人操作環境，用于家庭及辦公室的高速數據網絡802.15.4工作在低速率，用于家庭控制網關。圖1 無線通訊標準發展層次示意藍牙作為一個全球開放式的短距離無線通信技術標準,工作在全球通用的2.4GHz ISM (Industrial Scientific Medical:工業、科學和醫療)頻段,將各種語音和數據設

15、備通過無線鏈路連接起來,使人們可以隨時隨地進行數據信息的交換,實現“即連即用”,克服了有線連接時的限制與不便,給人們的日常工作和生活帶來了巨大的變化。藍牙技術規范制定者和產品生產商為了實現藍牙低成本、低功耗的特點,并未在藍牙技術中采用當前該領域的最先進技術,如糾錯編碼方式、加密算法、跳頻算法等,這就使得藍牙技術在糾錯能力、安全性、抗干擾性和組網等方面性能不夠突出,使其應用大大受限,尤其是在商業、金融、軍事等領域。為了進一步加強藍牙技術在無線通信領域的應用,就必須基于藍牙現有的技術優勢,對藍牙技術進行改進,彌補上述不足,尤其是安全性和抗干擾能力。以低成本的近距離無線連接為基礎。采用高速跳頻和時分

16、多址等先進技術，為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接。除跳頻外，它還采用了時分雙工傳輸方案（時隙）。由于藍牙面向小功率、便攜式的應用，因此，一個典型的藍牙設備只有大約10m的有效范圍。射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。有線電視系統就是采用射頻傳輸方式的。射頻是介于聲音頻率和紅外頻率之間的電磁波頻率。對于無線通信系統而言,射頻部分就是通信系統的“空中接口”,不同廠商的設備要實現兼容或者互操作的基本要求就是射頻規范的統一,而且通信質量也是由射頻來決定。藍牙射頻規

17、范規定了藍牙射頻頻段、調制方式、跳頻頻率、發射功率、接收機靈敏度等參數。5 移動3G與4G技術5.1 移動3G簡介3G是第三代移動通信技術的簡稱，是支持語音和中低速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術。在高速的動態環境中，它的傳輸速度為144Kbps，而在低速或室內靜態環境可達到2Mbps。與前兩代移動通信系統相比，3G 技術由于在傳輸速度上有了提升可以處理圖像、視頻、聲音等多媒體形式。3G 主要有WCDMA、CDMA2000 以及TD- SCDMA 三大標準。3G的出現使移動通信前進了一大步,相對于2G,它能夠提供更大的容量、更佳的通信質量并且支持多媒體應用。但是3G系統尚有很多需要改進的地方,例如:

18、 缺乏全球統一標準; 所采用的語音交換架構仍承襲了第二代(2G) 的電路交換,而不是純IP 方式; 流媒體(視頻) 的應用不盡人意; 數據傳輸率也只接近于普通撥號接入的水平,更趕不上xDSL 等。3G面臨的致命缺點就是移動無線接入網絡的空中接口標準不統一。所以, 制定一個針對IP 多媒體業務的4G移動通信系統,提出相關新的理論,應用新的技術,已被許多國家提上議事日程。相對于3G而言, 第四代移動通信系統(4G)在技術和應用上將有質的飛躍,而不僅僅是在第三代移動通信的基礎上再加上某些新的改進技術。5.2 4G與3G比較1、核心技術不同3G系統主要以CDMA 為核心技術。CDMA 是將相互正交的不

19、同的碼分配給不同用戶調制信號,實現多用戶同時使用同一頻率接入系統。由于利用相互正交(或盡可能正交) 的碼去調制信號,會將原用戶信號頻譜帶寬擴展,因此CDMA 通信系統是一種典型的擴頻通信技術的應用。4G系統的核心技術OFDM 屬于多載波調制(MCM) ,它將指配的信道分成許多正交子信道,在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸,同時要求信號帶寬小于信道的相關帶寬。OFDM與一般的頻分復用的主要差別在于它的不同載波的頻譜可以相互交疊,因此可以得到最佳的頻譜利用率,同時,接收端只要采用正交解調的方法就可以恢復出有用的信息信號。OFDM 技術具有良好的抗噪聲性能和抗多徑干擾的能力,以及頻譜利用率高的特點。2

20、、智能天線智能天線是一種基于自適應天線原理的移動通信新技術。它結合了自適應天線技術的優點,利用天線陣列的波束匯成和指向, 產生多個獨立的波束, 可以自適應地調整其方向圖以跟蹤信號的變化。接收時,每個陣元的輸入被自適應地加權調整, 并與其他的信號相加,以達到從混合的接收信號中解調出期望信號和抑制干擾信號的目的, 它對干擾方向調零以減少甚至抵消干擾信號。發射時, 根據從接收信號中獲知的UE 信號方位圖, 通過自適應地調整每個輻射陣元輸出的幅度和相位, 使得它們的輸出在空間迭加而產生指向目標UE的賦形波束。智能天線的特點是能夠以較低的代價換得天線覆蓋范圍、系統容量、業務質量、抗阻塞和抗掉話等性能的提

21、高在3G 系統標準中, 僅僅只有TD-SCDMA 系統采用了這種技術在4G中, 為了達到高速通信的目的, 必須更加有效的使用智能天線。智能天線無法解決的問題是時延超過碼片寬度的多徑干擾和高速移動的多普勒效應造成的信道,這些問題在4G中將得到有效的解決。因此,在多徑干擾嚴重的高速移動環境下, 智能天線必須和其它抗干擾的數字信號處理技術同時使用, 才可能達到最佳效果。這些數字信號處理技術包括聯合檢測、干擾抵消及Rake 接收等。3 、系統參數的比較3G與4G的系統參數比較如表所示4、聯合檢測聯合檢測技術的核心思想就是利用均衡技術, 將來自其他用戶的ISI 也當作MAI 而一并消除之。系統干擾包括多

22、徑干擾、小區內多用戶干擾和小區間干擾。這些干擾破壞各個信道的正交性, 降低CDMA 系統的頻譜利用率。在3 個3G標準中, TD - SCDMA 系統采用的低碼片速率有利于各種聯合檢測算法的實現。4G中的聯合檢測技術為了獲得更加理想的效果,可能會采用低碼片速率, 這樣有利于將智能天線和聯合檢測技術相結合, 4G的聯合檢測原理相同于3G的原理圖。5、軟件無線電軟件無線電是利用數字信號處理軟件實現傳統上由硬件電路來完成的無線功能的技術, 通過加載不同的軟件,可實現不同的硬件功能。在3G和4G系統中,軟件無線電可用來實現智能天線、同步檢測、載波恢復和各種基帶信號處理等功能模塊。可以預料,在4G中,軟

23、件無線電的使用將會比3G中更加廣闊。6、功率控制功率控制技術是3G系統的核心技術。在3G中,CDMA 系統是一個自擾系統, 所有移動用戶都占用相同帶寬和頻率“, 遠近效用”問題特別突出。CDMA功率控制的目的就是克服“遠近效用”, 使系統既能維護高質量通信,又不對其他用戶產生干擾。功率控制分為前向功率控制和反向功率控制, 反向功率控制又可分為僅由移動臺參與的開環功率控制和移動臺、基站同時參與的閉環功率控制。在4G系統中, 功率控制的使用將會比3G更加精確, 移動臺和基站都將同時使用功率控制, 現在3G中比較顯著的“遠近效用”問題,通過4G的嚴格的功率控制將得到比較圓滿的解決。7、Turbo 編

24、/ 譯碼自從1993 年C ·Berrou 等學者在國際通信會議上提出Turbo 碼以來, 有關Turbo 碼設計及其性能的研究已成為國際信息與編碼理論界最為重要的研究領域之一。Turbo 碼在低信噪比下所表現出的近Shannon 限的性能, 使得它在深空通信、移動通信等系統中有廣闊的應用前景。Turbo 碼之所以具有如此誘人的性能, 主要是由于Turbo 碼譯碼器采用了軟輸出迭代譯碼算法,充分利用了譯碼輸出的軟信息。另外, Turbo 碼還采用了偽隨機交織器分隔的遞歸系統卷積碼(RSC) 作為分量碼。交織器除了抗信道突發錯誤外,還改變了碼的重量分布, 控制編碼序列的距離特性, 使重

25、量譜窄帶化, 從而使Turbo 碼的整體糾錯性能得以提高。鑒于Turbo 碼的優點, 3GPP 協議已明確要求所有的系統都應支持Turbo 編/ 譯碼。在4G中, 雖然現在還沒有明確表示采用那種編碼方式,但是鑒于Turbo 碼的優越的性能,可以預見,在未來的4G系統中,采用Turbo 碼的可能性會很大。6 衛星通訊技術衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電信號，從而實現在多個地面站之間進行通信的一種技術，它是地面微波通信的繼承和發展。衛星通信系統通常由二部分組成，分別是衛星端、地面端。衛星端在空中，主要用于將地面站發送的信號放大再轉發給其它地面站。地面站主要用于對衛星的控制、跟蹤以及實現地面通信系統接入衛星通信系統。衛星可分為同步衛星和非同步衛星，同步衛星在空中的運行方向和周期與地球的自轉方