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【通信工程专业导论 技术专题报告】浅谈常见的无线通信技术 以及其在生活中的应用

浅谈常见的无线通信技术以及其在生活中的应用

摘要:随着经济社会的发展和科学技术的进步,无线通信技术也迅速发展,进入了一个新的时代。随着物联网技术的不断发展,无线网络通信技术不断升级,以满足人们生活和工作的需要。本文简单的探讨常见的无线通信技术,并简要介绍了一些无线通信技术在生活中的应用的生动例子 关键词:无线通信技术,物联网
1 无线通信技术
1.1 无线通信的定义
电磁波信号可以在自由空间传播。无线通信利用电磁波的这一特性来实现空间信息交换。近年来,无线通信技术发展迅速,应用领域不断扩大。无线通信分为微波通信和卫星通信。微波通信的优点是频带宽,通信容量大,传输距离短,通常只有几十公里。因此,每隔几十公里就要建立微波中继站,以保证通信网络的畅通。然而,卫星通信利用通信卫星作为中继站,在地面不同通信体之间建立微波通信链路,具有通信距离远的优点[1]。
1.2 无线通信的特点

1.3 无线通信的现状
近年来,我国的无线通信技术已经逐渐向移动通信发展,一些移动终端的使用也在一定程度上实现了无线通信的便捷性。近年来,中国近场通信技术也发展迅速。近场通信,简称NFC,是一种短程高频无线通信技术,通过移动终端和其他电子设备之间的非接触式点对点数据传输来交换数据。工程造价低,符合经济发展的原则。其信号传输效率更快,能耗相对较低。就无线移动通信技术而言,现阶段主要有4G网络和WIFI无线网络。近年来,世界各国也在进行5G网络的建设和测试。中国在5G通信技术方面也取得了巨大突破[2]。
2 远距离无线通信
2.1 远距离无线通信概要
远距离无线通信技术主要是用在偏远的地区或者不宜铺设线路的地区,比如:煤矿、海上、有污染或者环境较为恶劣的地区。 目前广泛使用的远距离无线通信技术有GPRS/CDMA数传电台,扩频微波,无线网桥,卫星通信以及短波通信。
2.2 GPRS/CDMA
2.2.1 GSM,WCDMA,TD-CSDMA等协议
GSM是一个纯粹的语音通信网,后来随着数据业务的逐渐流行,GSM进行的一次升级,又重新发展了一套数据业务。狭义上的GRPRS是专指GSM的新增的数据业务部分,广义上的GPRS是GSM,WCDMA,TD-SCDMA等一系列网络的数据业务部分。
​GSM 语音通信网,是2G网络所使用的一种通信协议。使用了时分多址技术。 WCDMA和TD-SCDMA以及CDMA2000是3G通信,其中WCDMA是中国联通的3G技术标准,TD-SCDMA是中国移动所使用的3G技术标准,CDMA2000是中国电信的标准。

表1 中国三大运营商所采用的3G通信协议

运营商 中国联通 中国移动 中国电信
采用协议 WCDMA TD-SCDMA CDMA2000

2.2.2 FDMA,TDMA,CDMA技术的对比[3]​
FDMA为频分多址技术, 通过把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道分配给不同的设备, 由于各设备占用不同的频率, 即采用不同的载波频率, 接收时通过滤波器选取特定频段的信号并抑制无用干扰, 从而接收到正确信号。
TDMA为时分多址技术, 其是把时间分割成周期性的帧, 每一个帧再分割成若干个时隙, 在满足定时和同步的条件下, 发送端发出的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输, 各接收端只要在指定的时隙内接收, 就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来而不混扰。
CDMA与FDMA相比, 两者在接收时都是通过特定的方式接收特定的信号, 前者是通过特定码型做相关运算, 后者则是通过特定滤波器选取相应的频段。
两者也有许多不同之处:第一, CDMA是利用不同的地址码来区分用户;而FDMA是利用载波的不同频率来区分用户的。第二, CDMA可以在同一个频率上传输多个用户数据, 系统容量较大;而FDMA对于太多用户会显得频率资源缺乏, 这样系统的容量也会大大减少。第三, FDMA是在信道提供带宽大于信号带宽的情况下, 为了提高频带利用率而提出的;而CDMA则是在频率资源稀有的情况下, 为了提高同频率, 同空间的利用率而提出的, 实现了频谱的扩展。第四, CDMA在扩频的过程中提高了信号的抗干扰能力, 而FDMA则没有。

图1 三种多址方式示意图比较[3]
表2 三种多址方式特征比较[3]

FDMA TDMA CDMA
实现的技术 频分复用 时分复用 码分复用
干扰问题 需克服的干扰较多 抗干扰能力较强 自身多址干扰
容量 带宽利用率低 容量灵活性大 系统容量大
越区切换 较为复杂和困难 切换简单 软切换简单

2.3 数传电台
数传电台(radio modem),又可称为“无线数传电台”、“无线数传模块”。是指借助DSP (数字信号处理)技术和软件无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。[4] 数字电台就是数字化的无线电台。我们常见的收音机传输的是模拟信号,但是数字电台传输的是数字信号,所以肯定更可靠更高级一点。而且因为是电台,所以覆盖半径也很大,一般可以覆盖一个城市的大部分面积。因此在航空航天,铁路,电力,石油,气象,地震等诸多领域有着广泛的应用。
2.4 扩频微波
扩展频谱通信技术, 简称扩频通信技术, 是一种信息传输方式。指用于传输信号的信道带宽远远大于信号自身带宽的一种通信方式, 即其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展通常是通过一个独立的码序列 (一般是伪随机码) 来完成的, 用编码及调制的方法来实现, 与所传信息数据无关。在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传递的信息数据。[5]
2.5 无线网桥
无线网桥是无线射频技能和传统的有线网桥技能相结合的产品。无线网桥是为运用无线 (微波) 进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。它是一种在链路层完成LAN互联的存储转发设备, 可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离 (可达50km) 、高速 (可达百Mbps) 无线组网。扩频微波和无线网桥技能都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输事务。[6
]2.6 卫星通信
卫星通信 (satellite communication) 是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号, 从而实现在多个地面站之间进行通信的一种技术, 它是地面微波通信的继承和发展。卫星通信的的特点是:覆盖范围广、工作频带宽、通信质量好、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等, 其主要用在国际通信、国内通信、军事通信、移动通信和广播电视等领域, 卫星通信的主要缺点是通信具有一定的延迟, 比如打卫星电话时, 不能立即听到对方回话, 主要原因是卫星通信的传输距离较长, 无线电波在空中传输是有一定延迟的。[6]
2.7 短波通信
按照国际无线电咨询委员会的划分, 短波是指波长在l00m~l0m, 频率为3MHz~30MHz的电磁波。短波通信是指利用短波进行的无线电通信, 又称高频 (HF) 通信。短波通信可分为地波传播和天波传播。地波传播的衰耗随工作频率的升高而递增, 在同样的地面条件下, 频率越高, 衰耗越大。利用地波只适用于近距离通信, 其工作频率一般选在5MHz以下。地波传播受天气影响小, 比较稳定, 信道参数基本不随时间变化, 故信道可视为恒参信道。短波通信的特点是:建设维护费用低、周期短、设备简单、电路调度容易、抗毁能力强、频段窄, 通信容量小、天波信道信号传输稳定性差等。长期以来, 广泛用于政府、军事、外交、气象、商业等部门, 用以传送电报、电话、传真、低速数据和图像、语音广播等信息。[6]
3 近距离无线通信
3.1 近距离无线通信概要
近距离无线通信技术是指通信双方通过无线电波传输数据, 并且传输距离在较近的范围内, 其应用范围非常广泛[6]。近年来, 应用较为广泛及具有较好发展前景的近距离无线通信标准有:Zig-Bee、蓝牙 (Bluetooth) 、无线宽带 (Wi-Fi) 、超宽带 (UWB) 和近场通信 (NFC) 。[6]
3.2 紫蜂(Zig-bee)
​Zig-bee一种基于IEEE802.15.4协议的一种段距离,低功耗的无线通信技术。 Zig-bee的特点[7]
①低功耗: 由于ZigBee的传输速率低, 发射功率仅为1mW, 而且采用了休眠模式, 功耗低, 因此ZigBee设备非常省电。据估算, ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间, 这是其它无线设备望尘莫及的。
②成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右, 估计很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
③时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的搜索设备时延为30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制 (如工业控制场合等) 应用。
④网络容量大: 一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 而且网络组成灵活。
⑤可靠: 采取了碰撞避免策略, 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
⑥安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验 (CRC) 的数据包完整性检查功能, 支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法, 各个应用可以灵活确定其安全属性。
3.3 蓝牙(Bluetooth)
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 它以低成本的短距离无线通信为基础, 为固定与移动设备的通信环境提供特别连接的通信技术。由于蓝牙技术具有可以方便快速地建立无线连接、移植性较强、安全性较高且蓝牙地址唯一、支持皮可网与分散网等组网工作模式、设计开发简单等优点, 蓝牙技术近几年来在众多短距离无线通信技术中备受关注。[8]
蓝牙技术的应用 [9]
(1) 蓝牙耳机等消费娱乐产品
目前市场最常见的蓝牙产品就是蓝牙耳机、蓝牙MP3等消费娱乐型产品, 已经形成了一定的市场规模, 相关的品牌也很多。
(2) 无线局域网
随着IT产品的更新换代, 具备蓝牙功能的产品越来越多, 于是构成无线局域网就显得轻而易举了。即使产品不具备蓝牙功能, 通过外接蓝牙网关和蓝牙适配器, 也可以实现无线联网。而蓝牙网关和适配器早已进入我国的IT市场, 其中有几家是我国自主研发的品牌。
(3) 蓝牙汽车
蓝牙在汽车上的应用主要有两方面:一个方面是车载通讯系统, 另一个方面是汽车的车轮定位仪。车载通讯系统可以免提接听拨打电话, 来电时与汽车音响自动切换、自动静音, 避免开车打手机的危险性。而具有蓝牙模块的车轮定位仪可以极大的提高操作的工作效率, 用户可以自定义一些系统参数。目前市场上的高端汽车已经具备了以上功能。
(4) 蓝牙信息家电
利用蓝牙无线通讯技术把传统的家电改造成蓝牙信息家电, 在家庭中建立一个通讯网络, 为家电信息提供必要的无线通路。然后在蓝牙AP的控制下, 通过无线的方式实现对家庭网络上的家电和设备进行远程控制和监测。
3.4 Wi-Fi
WiFi全称Wireless Fidelity, 实质上是一种商业认证, 具有Wi-Fi认证的产品符合IEEE 802.11a/b/g/n无线网络规范, 它是当前应用最为广泛的WLAN标准, 一般工作在2.4Ghz频段。IEEE 802.11第一个版本发表于1997年, 1999年加上了两个补充版本:Ieee802.11a和Ieee802.11b。目前最新的标准为2009年得到IEEE批准的Ieee802.11n。在传输速率方面, 802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps, 提高到300Mbps甚至高达600Mbps, 信号的覆盖范围也扩大到好几平方公里。现在IEEE 802.11这个标准已被统称作Wi-Fi。从应用层面来说, Wi-Fi能够帮助用户访问电子邮箱、Web和流媒体, 与蓝牙技术一样, 同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。它为用户提供了访问互联网的无线途径。同时, 它也是一种在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷途径。[10]
3.5 近场通信技术(NFC)[11]
在射频识别 (RFID) 及互联互通技术发展的推动下, 为了满足电子设备间近距离通信的需求, 飞利浦、诺基亚、索尼等著名厂商联合推出了的一项新的无线通信技术——NFC, 即近场通信技术。 NFC是一种基于标准的近距离无线连接技术, 能够在多个电子设备之间实现简单而安全的双向交互, 当两台NFC兼容的设备彼此距离为十几厘米远时, 它们之间就可进行通信。 NFC的最初设想是将RFID技术和互联网络技术进行简单的合并, 随着这两项技术的发展和用户对此技术能力需求的增加, 目前已经演变成一种具有相应标准的近距离无线通信技术。 NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程, 使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。通过NFC, 电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷地进行无线连接, 进而实现数据交换和服务;将NFC芯片装在手机上, 可以实现小额电子支付和读取其它NFC设备或标签的信息。

参考文献
[1]赵晗.现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势[J].企业技术开发,2011,30(16):86+89.
[2] 王越.浅析无线通信技术智能化发展[J].计算机产品与流通,2019(07):56.
[3] 刘培珍,柯友爱.CDMA通信技术的原理及其与TDMA、FDMA的比较[J].无线互联科技,2015(02):13-14.
[4] 百度百科“数传电台”词条[EB]/[OL]. https://baike.baidu.com/item/数传电台. 2020/5/16 23:12.
[5] 李文立,蔡玲玲.微波扩频通信技术概述[J].数字传媒研究,2016,33(12):44-47.
[6] 陈高锋.常用无线通信技术简介[J].电脑知识与技术,2012,8(05):1062-1064.
[7] 周怡頲,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005(06):5-9.
[8] 钱志鸿,刘丹.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报,2012,33(04):143-151.
[9]罗辑,高家利,秦正.蓝牙技术的应用现状及发展趋势[J].四川兵工学报,2006(03):36-37+43.
[10] 陈文周.WiFi技术研究及应用[J].数据通信,2008(02):14-17.
[11] 韩露,桑亚楼.NFC技术及其应用[J].移动通信,2008(06):25-28.

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