1、無線通信技術(shù)綜述摘要隨著社會的不斷進步和發(fā)展，通信與交流已經(jīng)成為人們工作和生活中非常重要的部分，無線通信技術(shù)以其成本低、擴展性好、使用方便等優(yōu)勢，近些年而得到了長足的發(fā)展和廣泛的應用。該文對無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)、接入技術(shù)、通信網(wǎng)分類、3G、4G、衛(wèi)星通訊技術(shù)等方面作了簡要概述。關(guān)鍵詞：無線通信；接入技術(shù)；無線個域網(wǎng)；3G；4G；衛(wèi)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(lǐng)域中，發(fā)展最快、應用最廣的就是無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)自身有很多優(yōu)點，成本較低，無線通信技術(shù)不必建立物理線路，更不用大量的人力去

4、鋪設(shè)電纜，而且無線通信技術(shù)不受工業(yè)環(huán)境的限制，對抗環(huán)境的變化能力較強，故障診斷也較為容易，相對于傳統(tǒng)的有線通信的設(shè)置與維修，無線網(wǎng)絡的維修可以通過遠程診斷完成，更加便捷；擴展性強，當網(wǎng)絡需要擴展時，無線通信不需要擴展布線；靈活性強，無線網(wǎng)絡不受環(huán)境、地形等限制，而且在使用環(huán)境發(fā)生變化時，無線網(wǎng)絡只需要做很少的調(diào)整，就能適應新環(huán)境的要求。2 無線通信基礎(chǔ)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(jù)一定的寬度。無線電頻譜（radio spectrum

5、）一般指9KHz3000GHz頻率范圍內(nèi)發(fā)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(shù)上我們使用載波傳遞信息，將數(shù)字信號調(diào)制到一個高頻載波上然后再在空中發(fā)射和接收。所以載波是傳送信息（話音和數(shù)據(jù)）的物理基礎(chǔ)，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(diào)制解調(diào)器要將計算機上的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換為模擬信號后經(jīng)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(shù)字信息。調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器之間建立起來，調(diào)制解

6、調(diào)器才稱為連通。調(diào)制解調(diào)器是計算機聯(lián)網(wǎng)中的一個非常重要的設(shè)備。它是一種計算機硬件，它能把計算機產(chǎn)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(diào)制解調(diào)器接收，并譯成接收計算機可懂的語言。這一簡單過程展現(xiàn)了計算機通信的廣闊世界。計算機內(nèi)的信息是由“0”和“1”組成數(shù)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(shù)據(jù)傳輸時，就需要一個設(shè)備負責數(shù)模的轉(zhuǎn)換。這個數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是我們這里要討論的調(diào)制解調(diào)器。計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先由調(diào)制解調(diào)器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬信號，這個過程稱為“調(diào)制”。經(jīng)過調(diào)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(jīng)由接收方的調(diào)制解調(diào)器負責把模擬信號還原為計算機能識別的數(shù)字信號，這個過程我們稱“解調(diào)”。正是通過這樣一個“調(diào)制”與“解調(diào)”的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了兩臺計算機之間的遠程通訊。3 無線接入技術(shù)多址技術(shù)又稱為“多址連接”技術(shù)，是指把處于不同地點的多個用戶接入一個公共傳輸媒質(zhì)，實現(xiàn)各用戶之間通信的技術(shù)。多址技術(shù)多用于無線通信。多址技術(shù)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(xiàn)通信。時分多址是以不同時隙實現(xiàn)通信。碼分多址是以不同的代碼序列來實現(xiàn)通信的。空分多址是以不同方位信息實現(xiàn)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(shù)比較成熟,第一代蜂窩式移動電話系統(tǒng)采用的就是FDMA技術(shù)。目前我國運行的模擬蜂窩式移動電話系統(tǒng)均使用頻分多址技術(shù)。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(qū)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(guī)定的時隙內(nèi)以突發(fā)的形式發(fā)射它的已調(diào)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(tǒng)是一種數(shù)字傳輸系統(tǒng),即可傳輸話音,也可傳輸數(shù)據(jù)。但時分多址

9、通信系統(tǒng)需要精確定時和同步,以保證各用戶發(fā)送的信號不會發(fā)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(tǒng)就是采用數(shù)字化時分多址技術(shù)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(qū)分不同的信道。碼分多址是以擴頻信道為基礎(chǔ)的,擴頻通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖所示。數(shù)字信息經(jīng)信息調(diào)制(PSK或FSK等),形成已調(diào)數(shù)字信號,然后由PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼去調(diào)制數(shù)字信號,使其頻譜展寬后再發(fā)送。接收端收到信號后,首先通過同步電路捕捉發(fā)送來的PN碼準確相位,由此產(chǎn)生與發(fā)送來的偽隨機碼完

10、全一致的接收用PN碼,作為擴頻解調(diào)用的本地信號,擴頻解調(diào)后的信號再經(jīng)信息解調(diào)后恢復為原調(diào)制信息。下面以衛(wèi)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(shù)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(shù)。2時分多址（TDMA）技術(shù)這種多址技術(shù)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(shù)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(xiàn)在的移動通信系統(tǒng)多數(shù)用這種多址技術(shù)。3碼分多址（CDMA）技術(shù)這種多址技術(shù)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(qū)分不同的地球站，所以叫做“碼分多址”。采用CDMA技術(shù)可以比時分多址方式容納更多的用戶。這種技術(shù)比較復雜，但現(xiàn)在已經(jīng)為不少移動通信系統(tǒng)所采用。在第三代移動通信系統(tǒng)中，也采用寬帶碼分多址技術(shù)。除了上述3種多址技術(shù)之外，還有一種叫做“空分多址”的技術(shù)。4空分多址（SDMA）技術(shù)是利用空間分割來構(gòu)成不同信道的技術(shù)。舉例來說，在一個衛(wèi)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(qū)域。這樣，地面上不同區(qū)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(xiàn)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(xiàn)組合的多址技術(shù)，例如“空分-碼分多址（SD-CDMA）”。4 無線通信網(wǎng)分類無線網(wǎng)絡是利用無線介質(zhì)（無線電波、紅外線和激光等）作為信息傳輸媒介而構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡。按照網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍分為無線廣域網(wǎng)（WWAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）。無線個域網(wǎng)是一種與無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)并列但覆蓋范圍相對較小的無線網(wǎng)絡。在網(wǎng)絡構(gòu)成上，WPAN位于整個網(wǎng)絡鏈的末端，用于實現(xiàn)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(nèi)，必須運行于許可的無線頻段。WPAN設(shè)備具有價格便宜、體積小、易操作和功耗低等優(yōu)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(wǎng)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(yè)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(yè)接入網(wǎng)。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(yè)WLAN。2、PWLAN.3/家庭/SOHO無線網(wǎng)關(guān)。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(huán)境，用于家庭及辦公室的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡802.15.4工作在低速率，用于家庭控制網(wǎng)關(guān)。圖1 無線通訊標準發(fā)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(shù)標準,工作在全球通用的2.4GHz ISM (Industrial Scientific Medical:工業(yè)、科學和醫(yī)療)頻段,將各種語音和數(shù)據(jù)設(shè)

15、備通過無線鏈路連接起來,使人們可以隨時隨地進行數(shù)據(jù)信息的交換,實現(xiàn)“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(shù)規(guī)范制定者和產(chǎn)品生產(chǎn)商為了實現(xiàn)藍牙低成本、低功耗的特點,并未在藍牙技術(shù)中采用當前該領(lǐng)域的最先進技術(shù),如糾錯編碼方式、加密算法、跳頻算法等,這就使得藍牙技術(shù)在糾錯能力、安全性、抗干擾性和組網(wǎng)等方面性能不夠突出,使其應用大大受限,尤其是在商業(yè)、金融、軍事等領(lǐng)域。為了進一步加強藍牙技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的應用,就必須基于藍牙現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢,對藍牙技術(shù)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(chǔ)。采用高速跳頻和時分

16、多址等先進技術(shù)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)而言,射頻部分就是通信系統(tǒng)的“空中接口”,不同廠商的設(shè)備要實現(xiàn)兼容或者互操作的基本要求就是射頻規(guī)范的統(tǒng)一,而且通信質(zhì)量也是由射頻來決定。藍牙射頻規(guī)

17、范規(guī)定了藍牙射頻頻段、調(diào)制方式、跳頻頻率、發(fā)射功率、接收機靈敏度等參數(shù)。5 移動3G與4G技術(shù)5.1 移動3G簡介3G是第三代移動通信技術(shù)的簡稱，是支持語音和中低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。在高速的動態(tài)環(huán)境中，它的傳輸速度為144Kbps，而在低速或室內(nèi)靜態(tài)環(huán)境可達到2Mbps。與前兩代移動通信系統(tǒng)相比，3G 技術(shù)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(xiàn)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(zhì)量并且支持多媒體應用。但是3G系統(tǒng)尚有很多需要改進的地方,例如:

18、 缺乏全球統(tǒng)一標準; 所采用的語音交換架構(gòu)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡的空中接口標準不統(tǒng)一。所以, 制定一個針對IP 多媒體業(yè)務的4G移動通信系統(tǒng),提出相關(guān)新的理論,應用新的技術(shù),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(tǒng)(4G)在技術(shù)和應用上將有質(zhì)的飛躍,而不僅僅是在第三代移動通信的基礎(chǔ)上再加上某些新的改進技術(shù)。5.2 4G與3G比較1、核心技術(shù)不同3G系統(tǒng)主要以CDMA 為核心技術(shù)。CDMA 是將相互正交的不

19、同的碼分配給不同用戶調(diào)制信號,實現(xiàn)多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)。由于利用相互正交(或盡可能正交) 的碼去調(diào)制信號,會將原用戶信號頻譜帶寬擴展,因此CDMA 通信系統(tǒng)是一種典型的擴頻通信技術(shù)的應用。4G系統(tǒng)的核心技術(shù)OFDM 屬于多載波調(diào)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(diào)制和傳輸,同時要求信號帶寬小于信道的相關(guān)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(diào)的方法就可以恢復出有用的信息信號。OFDM 技術(shù)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(shù)。它結(jié)合了自適應天線技術(shù)的優(yōu)點,利用天線陣列的波束匯成和指向, 產(chǎn)生多個獨立的波束, 可以自適應地調(diào)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(quán)調(diào)整, 并與其他的信號相加,以達到從混合的接收信號中解調(diào)出期望信號和抑制干擾信號的目的, 它對干擾方向調(diào)零以減少甚至抵消干擾信號。發(fā)射時, 根據(jù)從接收信號中獲知的UE 信號方位圖, 通過自適應地調(diào)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(chǎn)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(tǒng)容量、業(yè)務質(zhì)量、抗阻塞和抗掉話等性能的提

21、高在3G 系統(tǒng)標準中, 僅僅只有TD-SCDMA 系統(tǒng)采用了這種技術(shù)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(huán)境下, 智能天線必須和其它抗干擾的數(shù)字信號處理技術(shù)同時使用, 才可能達到最佳效果。這些數(shù)字信號處理技術(shù)包括聯(lián)合檢測、干擾抵消及Rake 接收等。3 、系統(tǒng)參數(shù)的比較3G與4G的系統(tǒng)參數(shù)比較如表所示4、聯(lián)合檢測聯(lián)合檢測技術(shù)的核心思想就是利用均衡技術(shù), 將來自其他用戶的ISI 也當作MAI 而一并消除之。系統(tǒng)干擾包括多

22、徑干擾、小區(qū)內(nèi)多用戶干擾和小區(qū)間干擾。這些干擾破壞各個信道的正交性, 降低CDMA 系統(tǒng)的頻譜利用率。在3 個3G標準中, TD - SCDMA 系統(tǒng)采用的低碼片速率有利于各種聯(lián)合檢測算法的實現(xiàn)。4G中的聯(lián)合檢測技術(shù)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(lián)合檢測技術(shù)相結(jié)合, 4G的聯(lián)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(shù)字信號處理軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)上由硬件電路來完成的無線功能的技術(shù), 通過加載不同的軟件,可實現(xiàn)不同的硬件功能。在3G和4G系統(tǒng)中,軟件無線電可用來實現(xiàn)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(shù)是3G系統(tǒng)的核心技術(shù)。在3G中,CDMA 系統(tǒng)是一個自擾系統(tǒng), 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(tǒng)既能維護高質(zhì)量通信,又不對其他用戶產(chǎn)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(huán)功率控制和移動臺、基站同時參與的閉環(huán)功率控制。在4G系統(tǒng)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(xiàn)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(guān)Turbo 碼設(shè)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(lǐng)域之一。Turbo 碼在低信噪比下所表現(xiàn)出的近Shannon 限的性能, 使得它在深空通信、移動通信等系統(tǒng)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(tǒng)卷積碼(RSC) 作為分量碼。交織器除了抗信道突發(fā)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(yōu)點, 3GPP 協(xié)議已明確要求所有的系統(tǒng)都應支持Turbo 編/ 譯碼。在4G中, 雖然現(xiàn)在還沒有明確表示采用那種編碼方式,但是鑒于Turbo 碼的優(yōu)越的性能,可以預見,在未來的4G系統(tǒng)中,采用Turbo 碼的可能性會很大。6 衛(wèi)星通訊技術(shù)衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，從而實現(xiàn)在多個地面站之間進行通信的一種技術(shù)，它是地面微波通信的繼承和發(fā)展。衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由二部分組成，分別是衛(wèi)星端、地面端。衛(wèi)星端在空中，主要用于將地面站發(fā)送的信號放大再轉(zhuǎn)發(fā)給其它地面站。地面站主要用于對衛(wèi)星的控制、跟蹤以及實現(xiàn)地面通信系統(tǒng)接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)。衛(wèi)星可分為同步衛(wèi)星和非同步衛(wèi)星，同步衛(wèi)星在空中的運行方向和周期與地球的自轉(zhuǎn)方