無線通信技術(shù)進展及應用

1、無線通信技術(shù)進展及應用作者：鄧開樂 指導教師：陳冠英 教授湛江師范學院物理學院 湛江 5240481 引 言無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。在信息與通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應用最廣的是無線通信技術(shù)。無線通信在過去的90多年時間里，已經(jīng)朝著傳輸寬帶化、移動高速化、接入靈活化、綜合化及個人化等方向不斷發(fā)展，并且各種無線通信技術(shù)之間呈現(xiàn)出一種融合發(fā)展的狀態(tài)1,2,3,4,5,7,9。本文力圖使人們盡快理解無線通信的基本理念是：實現(xiàn)在任何地方（Wherever)、任何時候(Whenever)與任何人(Whomever)之間進行任何種類（Whatever)的快

2、捷、方便、動態(tài)的自由通信1,3，14,15,16，在這種背景下，有必要分析一下公眾蜂窩移動無線通信技術(shù)的發(fā)展，短距離、近距離無線通信技術(shù)，以求對公眾無線移動通信的發(fā)展有比較清晰的了解，從中把握各種無線通信技術(shù)的優(yōu)勢與劣勢，以便更好地了解下一代無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。2 無線通信的概念無線通信是無線電通信的簡稱，是利用電磁波可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。無線通信可用于傳輸電報、電話、傳真、圖像、數(shù)據(jù)和廣播電視等。相對于有線通信而言，無線通信不需要架設(shè)專門的傳輸線路，不受通信距離的限制，機動性能也比較好，建立起來相當迅速。1，2，6，72.1 無線通信的起源19世紀末，歷經(jīng)

3、奧斯特、安培、法拉第、亨利等人的無數(shù)次試驗，奠定了無線通信的基礎(chǔ)。之后，由麥克斯韋集前人之大成提出了具有劃時代意義的理論電磁場理論。1887年，德國物理學家H · 赫茲通過實驗驗證了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預言（這是一個關(guān)于電磁波的發(fā)生、檢測及其屬性的測量的實驗）。1894年，俄國的波波夫發(fā)明了天線和無線電接收機；1897年，馬可尼驗證了運動中的無線通信的可應用性，隨即人類開始了對移動無線通信的追求。這一階段可視為無線通信的起源階段。1，2，3，183 無線通信系統(tǒng)的基本組成最基本的無線通信系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器和無線信道組成，如圖1所示。信號源傳送的電信號在發(fā)射器中完成信息的調(diào)制，即

4、將基帶信號搬移到射頻上并放大到足夠的功率，在發(fā)射器中完成對信息的調(diào)制，射頻信號通過發(fā)射天線轉(zhuǎn)換成為電磁波在無線信道上傳輸，在接收器的接收端口，空間中的電磁波經(jīng)過接收天線轉(zhuǎn)換成為射頻信號進入到接收器中，接收器對信號進行解調(diào)，將原始電信息復原，然后傳輸?shù)叫潘蕖?,6,7信號源 發(fā)射器（調(diào)制）信宿接收器（解調(diào)）噪聲源 已調(diào)信號 無線信道 圖1 無線通信系統(tǒng)基本組成3.1 信號源信號源（信源）的作用是把各種信息轉(zhuǎn)換成為電信號；據(jù)信息的類型可以把信源分為模擬和數(shù)字信源。模擬信源輸出的是連續(xù)的模擬信號，常見的有話筒和攝像機；數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號，常見的有計算機等數(shù)字終端。模擬信源的信號也可以經(jīng)過數(shù)字

5、化處理而輸送出數(shù)字信號。6,73.2 發(fā)射器發(fā)射器的作用是產(chǎn)生可以在信道中傳輸?shù)男盘?，既具有抗信道干擾的能力，也具有足夠的功率將信號遠距離傳輸?shù)哪芰Α０l(fā)射器的作用很大，包括信號的變換、放大、濾波、編碼、調(diào)制等過程。1，2，6，73.3 無線信道信道是一種物理媒質(zhì)，發(fā)射端發(fā)射的信號可以經(jīng)過它傳播到接收端。無線信道可以是自由空間（包括空氣和真空）；無線信道具有信道的一般特性，既給予信號通路，也產(chǎn)生對信號的干擾和噪聲，圖1中的噪聲源就包括了來自無線信道的噪聲，同時也包括了無線通信系統(tǒng)各部分的噪聲。6，73.4 接收器接收器的作用是把信號放大及逆變換（如譯碼和解調(diào)等），以從接收到的信號中正確地恢復原始

6、信號，盡可能地減少傳輸過程中噪聲及干擾對信號的影響。6,73.5 信宿信宿是信號傳輸?shù)哪康牡?，與信源的作用相反，它是把原始電信號還原成為原來的信息，如揚聲器等。4，6,74 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是將信號轉(zhuǎn)化成可以在信道中傳輸?shù)男问降倪^程，其實質(zhì)是頻譜變換，把攜帶信息的基帶信號的頻譜搬移到所需要的頻譜范圍（頻率得到提高）；在無線通信中，調(diào)制均指載波調(diào)制。載波調(diào)制指的是用調(diào)制信號去控制載波的參數(shù)，使得載波中的一個或某幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。調(diào)制信號其實是來自信源的基帶信號（既可以是模擬的，也可以是數(shù)字的）；載波是未受調(diào)制的周期振蕩信號，載波經(jīng)過調(diào)制之后就成為已調(diào)信號。載波調(diào)制的產(chǎn)生是通信技術(shù)的要

7、求，一般從語言、音樂、圖像等信源轉(zhuǎn)換得到的電信號的頻率是很低的，屬于包括（或不包括）直流成分的低通頻譜，這種信號稱為基帶信號；在無線傳輸中，信號是通過天線轉(zhuǎn)變成空間中的電磁波傳輸?shù)?，根?jù)電磁輻射理論，天線的長度要與信號的波長相比擬時才能獲得較高的輻射效率，由于基帶信號的頻率很低，那么所需的天線長度將因為過長而無法實現(xiàn)；另外，調(diào)制可以把多個基帶信號分別搬移到不同的載頻處，實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道利用率，還可以擴展信號帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾和抗衰落能力。由于基帶信號有模擬基帶信號和數(shù)字基帶信號，因而，調(diào)制相應也有模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。無論是哪種信號，調(diào)制的基本方式有：幅度調(diào)制和角調(diào)制（頻率調(diào)制和相

8、位調(diào)制）。在模擬調(diào)制中有三種基本的調(diào)制方式：幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM)和相位調(diào)制（PM)；幅度調(diào)制指的是利用調(diào)制信號控制高頻載波的振幅，使得已調(diào)信號的振幅隨調(diào)制信號的瞬時幅值作線性變化的調(diào)制方式。而頻率調(diào)制和相位調(diào)制是通過調(diào)制信號、改變載波的角度實現(xiàn)的，即在頻率調(diào)制中，調(diào)制信號的瞬時振幅控制的是已調(diào)信號的頻率；而在相位調(diào)制中，調(diào)制信號的瞬時振幅控制的是已調(diào)信號的相位；在調(diào)制中，已調(diào)信號的幅度、頻率和相位的變化是由調(diào)制信號（基帶信號）的瞬時振幅控制的。數(shù)字調(diào)制也有三種基本調(diào)制方式：數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制。由于數(shù)字信號屬于離散信號，那么調(diào)制后的載波參量也是離散的，數(shù)字調(diào)制

9、過程是利用數(shù)字信號離散取值經(jīng)過開關(guān)鍵控制載波，這種方法稱為鍵控法。因此，分別稱數(shù)字振幅調(diào)制、數(shù)字頻率調(diào)制和數(shù)字相位調(diào)制為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK）。解調(diào)是從已調(diào)信號中恢復出調(diào)制信號的過程，是調(diào)制的逆過程。不同的調(diào)制方式，對應的解調(diào)方式也就不相同。在幅度解調(diào)中，從調(diào)幅信號中還原出原調(diào)制信號（基帶信號）的過程稱為振幅解調(diào)，也稱為振幅檢波（檢波）；調(diào)頻信號的解調(diào)稱為頻率檢波（鑒頻），鑒頻的作用是把調(diào)制信號頻率中的原調(diào)制信號取出；調(diào)相信號的解調(diào)稱為相位檢波（鑒相），其目的是把調(diào)相信號相位中的原調(diào)制信號取出。1,2,4,5，6,75 無線電波傳播5.1 無線電波的傳播特性

10、無線電波的傳播特性是指無線電波在各種具體介質(zhì)中傳播的方式。在地球上，無線電波傳播的介質(zhì)有地殼、海水、大氣等。無線電波在自由空間中傳播的速度與光速相同，為，高頻信號的頻率與其波長的關(guān)系為。在自由空間中傳播的無線電波一般可分為地表波、天波、空間波和散射波，如圖2所示：圖2 無線電波的傳播特性地表波是指在地球表面附近傳播的無線電波。天波指的是利用電離層反射傳播的的無線電波。由天線發(fā)射直接到達接收點的電波，被稱為直射波。還有另外一部分無線電波是通過地面或其他障礙物反射到達接收點的，被稱為反射波；直射波和反射波合稱為空間波。散射波是指當對流層或電離層出現(xiàn)不均勻團塊時，而有可能被這些不均勻媒質(zhì)向四面八方反

11、射到達接收點的無線電波。1，2，6，75.2 無線電波頻段劃分在通信領(lǐng)域，一般根據(jù)無線電波的波長或頻率將無線電波劃分為不同的波段或頻段，1，6，7如表1所示：頻段頻段名稱頻段范圍/Hz傳播方式波長范圍波段名稱典型應用4甚低頻VLF3k30k波導10km100m超長波遠程導航、水下通信、聲吶5低頻LF30k300k地波、天波1km10m長波導航、水下通信、無線電信標6中頻MF300k3M地波、天波1km200m中波廣播、海事通信、測向、遇險求救、海岸警衛(wèi)7高頻HF3M30M地波、天波20010m短波遠程廣播、電報、電話、傳真、搜尋救生、飛機與船只間通信、船岸通信、業(yè)余無線電8甚高頻VHF30M3

12、00M空間波、對流層散射、繞射101m超短波（米波）電視、調(diào)頻廣播、陸地交通、空中管制、出租汽車、警察、導航、飛機通信9特高頻UHF0.3G3G空間波、對流層散射、繞射、視距10010cm微波分米波電視、蜂窩網(wǎng)、無線電探空儀及高度計、導航、衛(wèi)星通信、GPS、監(jiān)視雷達10超高頻SHF3G30G視距101cm厘米波衛(wèi)星通信、機載雷達、公用陸地移動通信11極高頻EHF30G300G視距10.1mm毫米波雷達著陸系統(tǒng)、衛(wèi)星、移動通信、鐵路業(yè)務表16 無線通信系統(tǒng)的分類無線通信系統(tǒng)根據(jù)不同分類方法，可以有不同類型，具體的分類如表2：按技術(shù)體制分類模擬、數(shù)字、數(shù)模兼容按工作波長分類長波、中波、短波、超短波

13、、微波等按無線應用分類移動、無線接入、微波、衛(wèi)星按工作狀態(tài)分類固定、移動按位于通信網(wǎng)絡的位置分類無線接入、無線傳輸 表2雖然無線通信系統(tǒng)按照不同的原則有不同的類型，但其內(nèi)涵不會改變。本文主要從應用的角度討論無線通信系統(tǒng)，但僅限于公眾蜂窩移動通信系統(tǒng)。1，77 公眾蜂窩移動通信系統(tǒng)7.1 移動通信的概念移動通信一般指的是移動用戶之間或移動用戶與固定用戶之間的通信，也就是通信過程中至少有一方處于運動的狀態(tài)（用戶也可以暫時停留在某一個非既定位置上進行信息傳遞和交換）。1，2，77.2 “蜂窩”的概念及公眾蜂窩移動通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)移動通信自無線通信出現(xiàn)之日就產(chǎn)生了，可以追溯到馬可尼在1895年的無線通信試

14、驗。而現(xiàn)代通信出現(xiàn)在20世紀20年代，最早是應用在軍事領(lǐng)域，公眾移動通信始于20世紀60年代，爾后的發(fā)展中經(jīng)歷了第一代(1G)、第二代(2G)和第三代(3G)，并將繼續(xù)朝著第四代(4G)發(fā)展。1,2公眾蜂窩移動通信網(wǎng)又可以分為大區(qū)制移動通信方式（用于農(nóng)村及交通干線）和小區(qū)制移動通信系統(tǒng)（主要用于城市），小區(qū)制移動通信采用的是六邊形的“蜂窩”狀，故又稱為蜂窩移動通信，蜂窩移動通信系統(tǒng)把整個服務區(qū)域劃分成若干個較小的區(qū)域（Cell，稱為小區(qū)），各小區(qū)使用小功率的發(fā)射機（即基站發(fā)射機）進行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿（即覆蓋）任意形狀的服務地區(qū)，如圖3。“蜂窩”概念的提出真正解決了公眾移動通信系統(tǒng)

15、追求系統(tǒng)容量大與頻率資源有限的矛盾。由于城市的發(fā)展，蜂窩移動通信的覆蓋范圍會越來越大，公眾蜂窩移動通信系統(tǒng)內(nèi)部組網(wǎng)主要由“移動臺(Mobile Station，MS，如手機)”、“移動基站系統(tǒng)(Base Station，BS)”、“中繼傳輸系統(tǒng)（MSC之間、MSC和BS之間采用有線方式連接）”、和“移動交換中心(Mobile-services Switching Centre，MSC）等四大部分組成，1，2，7 如圖4： 圖3 蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 蜂窩移動通信內(nèi)部組網(wǎng)7.3 多址技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中，存在多個移動用戶終端同時進行通信的情況，在這種情況下，對如何進行動態(tài)尋址和對多個地址的動

16、態(tài)劃分與識別的問題的研究，最終導致了多址技術(shù)的出現(xiàn)。多址技術(shù)的出現(xiàn)也在一定的范圍內(nèi)解決了頻譜的有效利用問題，使得多個用戶共享系統(tǒng)頻譜資源1，2，3，4，7。無線信號用頻率、時間和碼型表示的函數(shù)為，其中是頻率和時間的函數(shù)，是碼型函數(shù)1。根據(jù)頻率、時間和碼型劃分，多址方式可分為頻分多址方式（FDMA）、時分多址方式（TDMA）和碼分多址方式（CDMA）。頻分多址（FDMA）把整個系統(tǒng)的頻譜分割成若干個頻率正交的信道。典型的FDMA系統(tǒng)是第一代模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)。時分多址（TDMA）則將時間正交分割，每一信道在指定的時隙內(nèi)占用了整個頻段，客戶在這指定的時隙內(nèi)占用整個頻段收（或發(fā)）信息。由于TDMA

17、系統(tǒng)要求用戶在時間上保持嚴格的同步，因此實現(xiàn)起來比FDMA要困難一些，可是TDMA支持多速率傳輸功能，只需給一個用戶分配多個時隙。典型的TDMA系統(tǒng)有北美的D-AMPS，歐洲的GSM-900、DCS-1800和日本的PDC。碼分多址（CDMA）是利用擴頻技術(shù)形成不同的碼序列實現(xiàn)的多址方式，用不同的碼子區(qū)分不同的用戶，有多少個相互正交的碼序列，就可以實現(xiàn)多少個用戶終端在同一個載波上通信。典型的CDMA系統(tǒng)是北美的IS-95。1,2,3,4,7三種多址方式如圖5：圖5 三種多址方式7.4 第一代模擬移動通信系統(tǒng)（1G）第一代模擬移動通信出現(xiàn)于20世紀70年代中期，蜂窩移動通信也是從模擬移動通信開始

18、的，第一代模擬通信使得電話與網(wǎng)絡之間不再需要用戶線連接，可以在任何地方實現(xiàn)接收與發(fā)送信息。第一代模擬移動通信系統(tǒng)的主要特點是采用模擬調(diào)制方式進行語音傳輸和FDMA（頻分多址）的接入方式。在往后的運行使用過程中，1G系統(tǒng)的劣勢也逐漸顯露出來，比如只能實現(xiàn)語音業(yè)務且語音服務質(zhì)量差；設(shè)備造價高，終端體積龐大、高耗電、易被盜號；頻譜利用率差；保密性差。1G有三種主流標準，分別是：北美蜂窩系統(tǒng)(Advance Mobile Phone System,AMPS)、北歐移動電話(Nordic Mobile Telephone,NMT-450/900)和全向通信系統(tǒng)(Total Access Communic

19、ations System,TACS)。這三種模擬蜂窩通信系統(tǒng)的性能對比如表3：系統(tǒng)AMPSTACSNMT-900下行頻段/MHz 869894935960935960上行頻段/MHz 824849890915890915頻道間隔/kHz302512.5雙工頻道總數(shù)83210002000基站發(fā)射功率/W4010050移動臺發(fā)射功率/W車載34106手機0.60.61.62基站覆蓋半徑/km220220220調(diào)制方式語音FMFMFM信令FSKFFSKFSK語音信號頻偏±12±9.5±4信令信號頻偏±8±6.4±2.5數(shù)據(jù)傳輸速率 kbi

20、t/s1085.28信道編碼下行BCH(40,28)BCH(40,28)B1型卷積碼上行BCH(40,36)BCH(40,36)哈氏碼使用國家/地區(qū)北美中國、英國、意大利、西班牙、日本等挪威、芬蘭、丹麥、瑞典表31983年，我國規(guī)定模擬蜂窩式移動通信系統(tǒng)的頻段為870889.975MHz與915935.975MHz，頻道間隔為25KHz。后來在上世紀80年代末，我國發(fā)展了第一代TASC系統(tǒng)（頻段為890915MHz與935960MHz，頻道間隔為45MHz），到2000年之后，已經(jīng)全部退網(wǎng)，全面停止使用。1,2,3,47.5 第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)（2G）20世紀90年代，第二代數(shù)字移動通信系

21、統(tǒng)開始逐漸發(fā)展起來；第二代數(shù)字移動通信是以1G為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的，為的是解決1G系統(tǒng)中存在的根本性技術(shù)缺陷。第二代移動通信系統(tǒng)采用了數(shù)字調(diào)制技術(shù)以及TDMA或CDMA接入方式，具有頻譜利用率較高、保密性好、系統(tǒng)容量大、接口標準明確等優(yōu)點1，2，3。較大程度上滿足了人們對語音業(yè)務以及低速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，在省內(nèi)、省際可以實現(xiàn)自動漫游服務（漫游服務包括位置更新、呼叫轉(zhuǎn)移和呼叫建立三個過程），因此在世界范圍內(nèi)得以廣泛應用。1，2第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)根據(jù)接入方式可以分為兩大類，分別是：TDMA系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng)。其中TDMA系統(tǒng)的代表有泛歐的全球移動通信系統(tǒng)(Global System Mobil

22、e,GSM)、美國的數(shù)字先進移動電話服務(Digital Advanced Mobile Phone Service, D-AMPS)，亦稱IS-54(ADC，北美數(shù)字蜂窩)和日本的個人數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)(Personal Digital Cellular Telecommunication System,PDC)；而窄帶CDMA系統(tǒng)的代表為北美的另一種數(shù)字蜂窩標準Interim Standard 95（IS-95），該技術(shù)已成為美國個人通信網(wǎng)(PCS)的首選。GSM，俗稱“全球通”，工作的頻段有900MHz（稱為GSM900）和1800MHz（稱為DSC1800），即所謂的雙頻網(wǎng)絡，擁有雙頻手

23、機的客戶可以在兩者之間進行任意的切換，選擇最佳的信道。GSM并非是純使用TDMA的接入方式，而是使用FDMA - TDMA混合的接入方式；GSM體制比較完善、技術(shù)也相對成熟，但不能提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務，為了解決這一問題而開發(fā)了GPRS(Generic Packet Radio Service)系統(tǒng)。第二代（2G）系統(tǒng)以提供語音傳輸和低速數(shù)據(jù)業(yè)務為發(fā)展方向，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，從1995年開始向提供中速數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展，出現(xiàn)了后來被稱為2.5G的移動通信系統(tǒng)，比如 GPRS和IS-95B。IS-54(ADC)、GSM、DCS1800和CDMA(IS-95)四種數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的參數(shù)特性如表4：系統(tǒng)

24、IS-54(ADC)GSMDCS1800CDMA(IS-95)下行頻段/MHz82484989091518051880824849上行頻段/MHz86989493596017101785869894雙工間隔/MHz45454545RF信道間隔/KHz302002001250手機功率/W0.20.1250.1250.6調(diào)制方式/4-DQPSKGMSKGMSKBPSK/QPSK語音編碼VSELPRPE-LTPRPE-LTPQCELP語音速率/(kbit/s)7.9513/6.513/6.58信令速率/(kbit/s)48.6270.833270.833-幀長/ms404.6154.61520信道編

25、碼1/2卷積碼1/2卷積碼1/2卷積碼上行：1/3卷積碼下行：1/2卷積碼使用國家/地區(qū)北美歐洲、中國歐洲、中國北美、韓國、香港、俄羅斯表4我國在第二代數(shù)字通信系統(tǒng)中的移動業(yè)務分別由中國移動通信公司（GSM系統(tǒng)）和中國聯(lián)合通信有限公司（GSM和窄帶CDMA兩種系統(tǒng)）開展，主要提供移動電話業(yè)務、移動數(shù)據(jù)短信業(yè)務及各類基本組合業(yè)務的“移動套餐”業(yè)務等。1,2,3,47.6 第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)（3G）由于第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)的帶寬有限而限制了數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展，并且無法實現(xiàn)移動的多媒體業(yè)務；各國標準不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)全球漫游。同時，由于電子商務蓬勃發(fā)展及Internet的廣泛普及，以GSM為代表的2

26、G系統(tǒng)在寬帶、容量及數(shù)據(jù)傳輸方式等方面已經(jīng)無法滿足人們的生活需要，由此導致了第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)的出現(xiàn)。3G系統(tǒng)使用全球統(tǒng)一的標準，可提供全球無縫漫游業(yè)務而實現(xiàn)全球的普及，3G系統(tǒng)的標準化由3GPP(3rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴計劃)和3GPP2推動實施，其中3GPP采用W-CDMA和TD-SCDMA構(gòu)筑新的無線接入網(wǎng)，而3GPP2采用的是CDMA 2000；支持多媒體業(yè)務特別是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，業(yè)務范圍覆蓋了語音、分組數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務；在設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸速率問題上，3G系統(tǒng)無線傳輸速率有最低的標準：在高速運動情況下（如車載通信）提供144kbit/s速

27、率的多媒體業(yè)務，在低速運動情況下（如步行通信）提供384kbit/s速率的多媒體業(yè)務，在室內(nèi)固定情況下提供2Mbit/s速率的多媒體業(yè)務。3G系統(tǒng)是在2G系統(tǒng)已形成較大規(guī)模的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，可與固定網(wǎng)相兼容。目前，3G系統(tǒng)已逐漸完善，主流的三種標準有：WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access,寬帶碼分多址)、CDMA 2000 (Code Division Multiple Access 2000)、TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時分同步碼分多

28、址)。3G牌照是無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信相結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)的經(jīng)營許可權(quán)。2009年1月7日，我國工業(yè)與信息化部為中國移動、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放3張3G牌照，其中，中國移動獲得TD-SCDMA牌照，中國電信獲得CDMA 2000牌照，中國聯(lián)通獲得WCDMA牌照，這標志著我國正式進入3G時代。WCDMA、TD-SCDMA、CDMA 2000三種標準的主要技術(shù)性能對比如表5：1，2，3，4，7性能標準WCDMATD-SCDMACDMA 2000載波間隔5MHz1.6MHz1.25MHz碼片速率3.84Mc/s1.28Mc/s1.228Mc/s幀長10ms10ms(兩個子幀）20ms

29、基站同步同步（需GPS）；異步同步（需GPS）同步（需GPS）功率控制快速控制：上、下行1500Hz0200Hz反向：800Hz前向：慢、快速功控下行發(fā)射分集支持支持支持頻率間切換支持可用壓縮模式測量支持可用空閑時隙測量支持檢測方式相干解調(diào)聯(lián)合解調(diào)相干解調(diào)信道估計公共導頻DwPCH、 UpPCH、Midamble（中間碼）前向、反向?qū)ьl編碼方式卷積碼、Turbo碼卷積碼、Turbo碼卷積碼、Turbo碼表57.7 第四代代數(shù)字移動通信系統(tǒng)（4G）自第三代數(shù)字移動通信誕生之日開始，由于互聯(lián)網(wǎng)應用及多媒體通信的廣泛普及，人們對通信容量及數(shù)據(jù)傳輸速率的較大需求，同時，3G系統(tǒng)各個不同標準之間的競爭壓

30、力，使得3G不斷演進。譬如在通用移動通信系統(tǒng)UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，W-CDMA）的基礎(chǔ)上，誕生了HSPA（High Speed Packet Access）家族，它包括HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）和HSUPA（High Speed Uplink Packet Access）。目前，HSDPA支持1.8、3.6、7.2和14.4Mbps的下行速率，HSUPA最高可提供5.76Mbps的上行速率。在3G技術(shù)不斷成熟升級的同時，各國又開始了對第四代數(shù)字移動通信的研制，以便提供

31、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。2000年，在確定了3G標準后不久，國際電盟（ITU）就開始了關(guān)于4G的研發(fā)工作，當時叫B3G(Beyond 3G)；在國際電盟(ITU )的定義里，任何達到或超過100Mbps的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)都可以稱為4G；目前4G至少包含了LTE和WiMAX兩大不同類型的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。2010年10月，在我國重慶召開的國際電盟無線通信部門(ITU-R)第五組國際移動通信工作組(WP5D)第9次會議通過了將所收到的6個關(guān)于4G標準候選案重新合并為兩個主流標準即LTE - Advanced（ Long Term Evolution Advanced ) 和Wireless MAN - A

32、dvanced (IEEE 802.16 m）；2012年1月18日下午17時，在日內(nèi)瓦舉行的國際電盟2012年無線電通信全體會議上，LTE - Advanced（Long Term Evolution Advanced）和Wireless MAN-Advanced（IEEE802.16m）技術(shù)規(guī)范通過審議，正式被確立為IMT - Advanced（俗稱“4G”）國際標準。到目前為止，國際上通用4G通信標準有FDDLTE和TDLTE兩種，都都屬于LTE-Advanced 標準。FDDLTE標準已在歐美一些國家投入使用，而另一種4G標準TD LTE- Advance 則是名符其實的“中國制造”。

33、TDLTE-Advance其實是由TD SCDMA升級而來的一種支撐高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。2013年12月4日，我國工業(yè)與信息化部向中國聯(lián)通、中國電信和中國移動正式頒發(fā)了第四代TD-LTE移動通信業(yè)務牌照，標志著中國電信產(chǎn)業(yè)正式進入4G時代，其中中國移動采用的是TD-LTE，中國聯(lián)通采用的是FDD-LTE，中國電信也贊成FDD-LTE模式。4G具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、高度智能化和通話質(zhì)量高的網(wǎng)絡優(yōu)勢，有更好的兼容性和覆蓋性能，基于IP網(wǎng)絡，能實現(xiàn)不同的業(yè)務，通信資費更加便宜；與星羅密布的3G蜂窩網(wǎng)絡相比，4G采用全數(shù)字全IP技術(shù)，采用正交頻分多址技術(shù)OFDM（Orthogonal Freque

34、ncy Division Multiplexing，將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾）和單一的全球范圍的蜂窩核心網(wǎng)，4G系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示：1，2，3，4，15，16IP核心網(wǎng)多媒體接入系統(tǒng)Internet路由器WLAN4G無線接入網(wǎng)終端終端Ad hoc網(wǎng)PSTN/ISDN2G/3G接入網(wǎng)終端網(wǎng)關(guān)圖6 4G系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 從1G、2G到3G、4G系統(tǒng)，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室苍絹碓娇?，而且在移動終端移動的速度越來越大的情況下也能提供較快的傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸

35、率從小于0.01M bit/s發(fā)展到了0.3M bit/s，在4G中將超過100M bit/s，蜂窩移動通信的發(fā)展如圖7所示：1，2圖7 蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展14通過以下七種無線蜂窩通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率的對比，我們可以更清楚地看到4G所具有的強大的傳輸速率；如表6：無線蜂窩系統(tǒng)GSM(EDGE,2.5G)CDMA2000(1X,2.75G)CDMA20001X EV-DOTD-SCDMA (HSPA)W-CDMATD-LTEFDD-LTE下行速率236kbps153kbps3.1Mbps2.8Mbps14.4Mbps100Mbps150Mbps上行速率118kbps153kbps1.8Mb

36、ps2.2Mbps5.76Mbps50Mbps40Mbps表68 寬帶無線接入技術(shù)及其應用寬帶無線接入（Broadband Wireless Access,BWA）技術(shù)是連接交換節(jié)點和用戶的寬帶接入通信技術(shù)，具有覆蓋范圍靈活、應用頻率范圍廣及頻譜利用率高等特點。根據(jù)覆蓋范圍的不同，寬帶無線接入可以分為無線廣域網(wǎng)（W-WAN）、無線城域網(wǎng)（W-MAN）、無線局域網(wǎng)（W-LAN）、無線個域網(wǎng)（W-PAN）。無線個域網(wǎng)解決的是通信系統(tǒng)中最后那幾米（10米以內(nèi)）電纜的問題，近年來，越來越多的作為個域網(wǎng)（PAN）的主流技術(shù)的近距離無線通信技術(shù)正在在蓬勃發(fā)展。具體技術(shù)分類如表7：1，2WWAN2G、3G、

37、4GWMANWiMAXWLANWiFi、DECT(Digital European Cordless Telephone無繩電話，2.75G)WPAN藍牙、超寬帶(UWB)、ZigBee、射頻識別技術(shù)(RFID)、NFC表7而各種無線通信網(wǎng)相應的的覆蓋范圍層次及其執(zhí)行標準如圖8所示：、4GL圖8 無線通信網(wǎng)覆蓋層次及其標準88.1 WiMAXWiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波接入互操作性）是從屬于IEEE 802.16協(xié)議標準的一種無線寬帶城域網(wǎng)（Metropolitan Area Network，MAN）技術(shù)。

38、WiMAX可達到百兆的傳輸速率，具備在266GHz頻帶范圍之內(nèi)利用所有需要或者不需要許可的頻帶；同時，由于具備極強的傳輸能力使得其傳輸距離可達50km；覆蓋面積是3G發(fā)射塔的30倍，所需基站數(shù)量也就比3G的少得多；WiMAX理論的最高接入速率是70Mbit/s，是3G寬帶速率的30倍；提供最后一公里的網(wǎng)絡接入的優(yōu)質(zhì)服務，既可作為連接Wi-FI與互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，也可以作為DSL（Digital Subscriber Line數(shù)字用戶專線）等有線終端的無線擴展，在不便部署傳統(tǒng)寬帶接入技術(shù)的地區(qū)，可通過WiMAX實現(xiàn)用戶與基站的寬帶連接。Wi-FI可提供54M bit/s的接入速率，但其覆蓋距離十分短

39、，移動通信系統(tǒng)的覆蓋面積很廣，但其接入速率很慢，而WiMAX的出現(xiàn)正好可以彌補兩者的不足，三者結(jié)合可以使得網(wǎng)絡更加良好。同時，WiMAX也存在一些不足，主要是對于高速移動的用戶，其標準上的速率50km/h很難實現(xiàn)無縫切換；嚴格意義上WiMAX并不屬于無線通信系統(tǒng)的一種標準，而是屬于無線城域網(wǎng)的一種技術(shù)。近些年，為了分享ITU分配給3G的頻譜資源，移動WiMAX正在努力加入3G家族，實現(xiàn)全球漫游等目標，成為真正意義上的移動通信技術(shù)。WiMAX在IEEE802.16e的基礎(chǔ)上，2007年提出了新的增強技術(shù)IEEE802.16m，將支持移動速率高達350km/h的終端用戶的接入和正常通信，并保證10

40、0Mbit/s左右的傳輸速率，下行最大數(shù)據(jù)傳輸速率為350Mbit/s以上，上行不小于200Mbit/s。WiMAX的幾種標準對比如表8：1，2802.16802.16a802.16d802.16e發(fā)布時間2001年12月2003年4月2004年6月2006年2月使用頻段1066GHz211GHz1066GHz 211GHz266GHz信道條件視距非視距視距+非視距非視距固定/移動固定固定固定+漫游移動+漫游信道寬帶25/28MHz1.2520MHz1.2520MHz1.2520MHz傳輸速率32134 Mbps(以28MHz為載波帶寬)在20 MHz信道上提供約75 Mbps的速率在20 M

41、Hz信道上提供約75 Mbps的速率在5 MHz 的信道上提供約15 Mbps 的速率額定小區(qū)半徑<5km510km515km數(shù)千米表88.2 Wi-FIWi-FI是Wireless Fidelity（無線高保真）的縮寫，執(zhí)行的標準是IEEE802.11（具體來說，Wi-FI屬于IEEE802.11b標準）與藍牙技術(shù)一樣，屬于短距離無線技術(shù)，是WLAN的代言技術(shù)；Wi-FI最早于1997年提出，誕生于1999年。1 Wi-FI主要用于解決辦公或移動辦公、校園中用戶與用戶終端之間的無線接入；其優(yōu)勢在于：覆蓋面積可達百米左右；傳輸速率可達11Mbit/s或54Mbit/s，可用于高速數(shù)據(jù)的傳

42、輸；可在一些用戶密集的地方（如校園、商城、火車站、汽車站等）設(shè)置“熱點”，由此連接因特網(wǎng)，如圖9所示。Wi-FI成本較低，輻射較手機更?。涣觿菰谟谄鋬?yōu)良的寬帶性能是以較大的功耗為代價的，限制了其在工業(yè)場合的推廣；數(shù)據(jù)傳輸安全性方面比藍牙要低。圖9 由Wi-FI實現(xiàn)用戶與互聯(lián)網(wǎng)高速連接組網(wǎng)自從1997年提出IEEE802.11標準以來，IEEE802.11標準經(jīng)歷了一系列的演進，演進的過程大體上是與當代產(chǎn)生的新技術(shù)，如多輸出多輸入（Multiple-Input Multiple- Out-put,MIMO）技術(shù)等相互融合，以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且作了相應的物理層補充。其演進的主要路徑如圖1

43、0：IEEE802.11ac5GHz >1Gbit/sIEEE802.112.4GHz 2Mbit/s1997年IEEE802.11ad60GHz >1Gbit/s2013年IEEE802.11b2.4GHz 11Mbit/sIEEE802.11a50GHz 54Mbit/s1999年IEEE802.11g2.4GHz 54Mbit/s2003年2009年IEEE802.11n2.4GHz/5GHz 600Mbit/s2011年圖10 IEEE 802.11標準主要演進過程其中IEEE802.11n、802.11ac及802.11ad三種標準之間的參數(shù)對比如表9：標準802.11n

44、802.11ac802.11ad傳輸速率600Mbps3.2Gbps7Gbps覆蓋半徑70m30m< 5m頻帶2.4/5GHz5GHz2.4/5/60GHz天線4×4 MIMO8×8 MIMO>10×10 MIMO應用數(shù)據(jù)、視頻視頻未壓縮視頻表9可見，無論在數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬，還是數(shù)據(jù)的接收及傳送能力，IEEE802.11ad都具有很大優(yōu)勢，特別是采取了10個空間流的多輸出多接收MIMO技術(shù)，獲得了極高的數(shù)據(jù)傳輸速率。1，2，4 2013年1月15日，IEEE正式批準了超快速，短距離新一代無線傳輸標準IEEE802.11ad。與前代IEEE802.11

45、ac，包括目前仍在使用的IEEE802.11n標準不同，IEEE802.11ad不需要改變現(xiàn)有的Wi-FI網(wǎng)絡，只是在一個房間內(nèi)短距離提供7Gbps的傳輸能力，頻段不再使用2.4GHz和5GHz，而是啟用60GHz頻段。然而早在2010年5月，Wi-FI聯(lián)盟便同無線吉比特WiGig(WiGig是對電視、影碟機、攝像機、投影儀、手機、PC、筆記本電腦等電子產(chǎn)品制定的基于60GHz頻段、速率達到千兆字節(jié)量級的短距離高速無線通信標準)簽署合作協(xié)議，目的也正是為了共享60GHz的IEEE802.11ad。1，28.3 藍牙藍牙（ Bluetooth ）是在1998年5月由東芝、瑞典愛立信、IBM（In

46、ternational Business Machines Corporation）、Intel和諾基亞等公司共同提出的一種短距離（一般在100米以內(nèi)）無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)標準。藍牙工作頻段是ISM(工業(yè)、科技、醫(yī)學)全球通用的2.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為2425Mbit/s，支持點對點和點對多點通信，藍牙技術(shù)可以廣泛應用于局域網(wǎng)絡中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，例如PC、撥號網(wǎng)絡、筆記本電腦、打印機、傳真機、數(shù)碼相機、移動電話和高品質(zhì)耳機等，藍牙的無線方式將上述設(shè)備連成一個微微網(wǎng)，多個微微網(wǎng)之間也可以實現(xiàn)互連接成為分散網(wǎng)，從而實現(xiàn)各類設(shè)備之間隨時隨地進行快速通信。藍牙是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范，

47、是一種低成本、低功耗、短距離及安全性高的無線連接技術(shù)。藍牙目前存在的主要問題是芯片大小和價格較高，抗干擾能力較弱。藍牙這個名稱來源于十世紀的一位丹麥國王Harald Blatand。Blatand的英文意思可以被解釋為Bluetooth，Blatand國王將挪威，瑞典和丹麥統(tǒng)一起來，他的口齒伶俐，善于交際，就如同這項即將面世的技術(shù)，技術(shù)將被定義為允許不同工業(yè)領(lǐng)域之間的協(xié)調(diào)工作，保持著個各系統(tǒng)領(lǐng)域之間的良好交流，用他的名字來命名這種新的技術(shù)標準，含有將四分五裂的局面統(tǒng)一起來的意思。藍牙技術(shù)使用的標準是IEEE802.15，但藍牙技術(shù)的規(guī)范大部分是由藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)制定的

48、，由最初推出的V1.0發(fā)展到現(xiàn)在的V4.0版本，其發(fā)展的過程如圖11：V1.01999年V1.1748810kbit/sV1.2748810kbit/sV2.02004年1.82.1Mbit/sV3.02009年2425Mbit/sV4.02010年2425Mbit/s圖11 藍牙技術(shù)的發(fā)展2010年7月28日，藍牙技術(shù)聯(lián)盟正式宣布采用V4.0核心規(guī)范，并向所有具備藍牙4.0規(guī)格的產(chǎn)品開放；該技術(shù)的特點是運行和待機的功耗極低，可用一顆紐扣電池連續(xù)工作數(shù)年；在新的技術(shù)規(guī)范下，可以更進一步增加醫(yī)療保健、運動與健身和保安及家庭娛樂、辦公等的市場占有。藍牙技術(shù)為制造商及用戶提供三種連接方式：用于多種類

49、型的電子消費產(chǎn)品的傳統(tǒng)藍牙技術(shù)；用于手機、相機、攝影機、PC及電視等視頻、圖片及語音提供高速傳輸?shù)乃{牙技術(shù)；用于保健、健康、個人設(shè)備、汽車級自動化行業(yè)的低功率傳感及新的網(wǎng)絡服務的藍牙低耗技術(shù)，如圖12：1,2,4,8,9,10,11,12,14,17圖12 藍牙技術(shù)的應用8.4 超寬帶（Ultra Wide band，UWB)超寬帶（Ultra Wide band，UWB）是一種始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術(shù)，它利用納秒至微微秒級的非正（或余）弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)；正是由于其利用時間間隔極短（小于1ns）的脈沖而不需要載波來傳輸信息，又可以把它稱為脈沖無線電（Impulse Radio）

50、、時域（Time Domain）或無載波（Carrier Free)通信；其執(zhí)行的標準是IEEE802.15.4a，傳輸距離在1020米。超寬帶與傳統(tǒng)的窄帶及寬帶有所不同，由于UWB發(fā)送許多小于1ns的脈沖，超寬帶的頻帶更寬，就從定義來說，相對帶寬大于25，且中心頻率為500MHz的稱為超寬帶；相對帶寬為小于1的是窄帶；相對帶寬位于125的稱為寬帶。按照美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）所定義的超寬帶是：10dB相對帶寬要大于25；還定義了相對帶寬的計算式，；其中，為10dB散射高頻率點，為10dB散射低頻點；頻率從3.110.6GHz即為超帶寬所用頻率1。超寬帶的特點是： 帶寬極寬；傳輸速率高，達

51、到了100500Mbit/s，發(fā)射功率低，功耗小；保密性強；定位精度高，主要應用在高分辨率、較小范圍、能夠穿透墻壁、地面等障礙物的雷達和圖像系統(tǒng)中；不過由于其極大的帶寬，會對其他無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在軍用方面，用于UWB雷達、預警機、艦船、探測雷達、檢測地下埋藏的軍事目標及以葉簇偽裝的物體等領(lǐng)域；2002年準予其用于民用生產(chǎn)，主要是在地質(zhì)探測及穿透障礙物的傳感器、汽車防撞傳感器、家電及其他設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)傳輸；UWB可進行直接的基帶傳輸，使得設(shè)備功耗小、成本低，適用于便攜式無線應用，可用于數(shù)字電視、家庭影院、DVD機、投影機、數(shù)碼相機、機頂盒等家用電器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸;通過UWB組建的無

52、線個人局域網(wǎng)使得無線局域網(wǎng)與無線個域網(wǎng)可以互聯(lián)接入。1,8,9,10,118.5 ZigBee紫蜂ZigBee技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層執(zhí)行IEEE802.15.4標準，網(wǎng)絡層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應用層由具體的用戶需要進行研發(fā)。主要用于構(gòu)建無線個域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡。據(jù)IEEE802.15.4標準，ZigBee工作頻段有三個：歐盟的868MHz，美國的915MHz和2.4MHz。其中2.4MHz是ISM全球通用免執(zhí)照頻段；三個頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為為40kbit/s、20kbit/s、250kbit/s?！癦igbee”源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳“Zi

53、gZag”形舞蹈來相互告知，達到交換信息目的。ZigBee技術(shù)致力于提供一種廉價、便攜及提供設(shè)備使用的低復雜、低功耗和低速率的技術(shù)，它的特點如下：低功耗，工作狀態(tài)下，傳輸速率低、數(shù)據(jù)量小，收發(fā)時間短，一般處于休眠狀態(tài)，兩節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作624個月，甚至更長。低成本，傳輸速率低、標準協(xié)議簡單且免收專利費，現(xiàn)在ZigBee芯片價格一般低于15元。低速率，ZigBee工作在250kbps的通信速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。短距離，在相鄰節(jié)點之間傳輸距離一般在10100m之間。網(wǎng)絡容量大,ZigBee可采用星狀（Star）、片狀（Mesh）和網(wǎng)狀網(wǎng)絡（Cluster Tree）結(jié)構(gòu)

54、，一個主節(jié)點至多管理254個子節(jié)點；主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。時延短，ZigBee的響應速度比較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步減少了電能的消耗，而Bluetooth需要310 s，而Wi-FI需要3 s。高安全，ZigBee有3級安全性選擇，即無安全設(shè)定方式、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)和采用高級加密標準（基于128位AES算法的安全軟件）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性及可支持簡單設(shè)備。1，8ZigBee技術(shù)具有的上述優(yōu)點，使得ZigBee技術(shù)具有廣闊的的發(fā)展空間，到目前為止，ZigBee技

55、術(shù)的應用范圍有無線數(shù)傳、無線傳感器網(wǎng)絡、無線實時定位、射頻識別、數(shù)字家庭、安全監(jiān)視、無線鍵盤、無線遙控器、無線抄表、汽車電子、醫(yī)療電子、消費類電子、工業(yè)自動化等方面。具體應用如表10：1，17應用領(lǐng)域設(shè)備家庭及樓宇自動化照明、空調(diào)、窗簾等設(shè)備的遠程監(jiān)控消費類電子產(chǎn)品電視、錄像機、DVD機及CD機等的遠程遙控PC外接無線鍵盤、鼠標及游戲操縱桿等工業(yè)各類監(jiān)控器、傳感器的自動化控制農(nóng)業(yè)收集土壤信息及氣候信息醫(yī)療醫(yī)療傳感器、老年人的緊急呼叫按鈕等玩具及游戲產(chǎn)品電子寵物、游戲墊等軍事應用在友軍人員及裝備上加裝傳感器以識別、監(jiān)控戰(zhàn)場環(huán)境應用監(jiān)控空氣污染、水污染及土壤污染等其他車輛追蹤及控制；監(jiān)控大型商品及車輛等表108.6 射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification,R