第七章 无线通信及网络

1、第七章第七章 无线通信技术及网络无线通信技术及网络7.1 概述概述无线通信是以自由空间作为介质，利用电磁波传播信无线通信是以自由空间作为介质，利用电磁波传播信号的通信系统。它是目前通信领域发展最为活跃的技术。号的通信系统。它是目前通信领域发展最为活跃的技术。无线通信的优点：无线通信的优点：l 不需架线挖沟，建设成本低，周期短；不需架线挖沟，建设成本低，周期短；l 覆盖范围广；覆盖范围广；l 扩容灵活；扩容灵活；l 维护简单。维护简单。信号源用于将待传递信息变成基带电信号；信号源用于将待传递信息变成基带电信号；发送设备主要解决电信号与信道的匹配；发送设备主要解决电信号与信道的匹配；信号以电磁波形

2、式在空间介质中传播；信号以电磁波形式在空间介质中传播；接收设备的功能与发送设备相反。接收设备的功能与发送设备相反。无线通信系统包括信号源、发送设备、传输信道无线通信系统包括信号源、发送设备、传输信道（即为空间介质）、接收设备和收信装置等。（即为空间介质）、接收设备和收信装置等。7.1.1 无线通信系统分类无线通信系统分类从通信方式来分，无线通信可分为从通信方式来分，无线通信可分为和和两种；两种；从通信的信道来分，无线通信可分为从通信的信道来分，无线通信可分为、等；等； 从接入网络的组网方式来分，无线通信网可分为从接入网络的组网方式来分，无线通信网可分为、和和； 根据是否存在固定的网络基础设施来

3、分，无线系统根据是否存在固定的网络基础设施来分，无线系统可分为可分为和和。 7.1.2 无线通信的发展前景无线通信的发展前景多址技术多址技术：将有限的通信资源在多个用户之间进行有效：将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量。降低系统的复杂度并获得较高系统容量。软件无线电软件无线电 ：智能多模式终端的进一步发展，是无线系：智能多模式终端的进一步发展，是无线系统从模拟到数字发展的新阶段。统从模拟到数字发展的新阶段。自适应技术自适应技术 ：实时检测信道，根据信道状况

4、自动调整通：实时检测信道，根据信道状况自动调整通信参数，包括自适应天线，自适应调制，自适应信道均衡等信参数，包括自适应天线，自适应调制，自适应信道均衡等多用户检测多用户检测：在接收端尽量消除信道之：在接收端尽量消除信道之间的多址干扰。间的多址干扰。 7.2 无线通信的基本原理无线通信的基本原理7.2.1 无线电波的传播特性无线电波的传播特性（a）直射）直射（b）折射）折射（c）绕射）绕射（d）散射）散射 直射、反射、绕射和散射是无线通信系统中直射、反射、绕射和散射是无线通信系统中四种最基本的传播方式。四种最基本的传播方式。 电磁波在均匀空间中是以直线方式传播的；电磁波在均匀空间中是以直线方式传

5、播的； 在直射过程中，如果电磁波入射到一个尺寸比波长在直射过程中，如果电磁波入射到一个尺寸比波长大得多的物体时（如地球表面、建筑物和墙壁表面），大得多的物体时（如地球表面、建筑物和墙壁表面），将发生反射；将发生反射； 如果电磁波被不规则的边缘阻挡时，由阻挡表面产如果电磁波被不规则的边缘阻挡时，由阻挡表面产生的二次波存在于整个空间，甚至于阻挡物的后面，也生的二次波存在于整个空间，甚至于阻挡物的后面，也就是电磁波能够绕过障碍物传播，即为电磁波的绕射；就是电磁波能够绕过障碍物传播，即为电磁波的绕射； 当电磁波传播过程中遇到尺寸小于波长的目标物或当电磁波传播过程中遇到尺寸小于波长的目标物或者障碍物的数

6、目很多时（如粗糙表面、小物体或其他不者障碍物的数目很多时（如粗糙表面、小物体或其他不规则物体），电磁波将产生散射。规则物体），电磁波将产生散射。 无线电波是一种电磁波，当电磁波自波源（天线）无线电波是一种电磁波，当电磁波自波源（天线）发出后，要经过发出后，要经过地波（表面波）传播地波（表面波）传播，空间波传播空间波传播和和天天波传播波传播等各种可能的途径才能到达接收天线。等各种可能的途径才能到达接收天线。 l 地波传播又称表面波传播，是电磁波绕着地球的地波传播又称表面波传播，是电磁波绕着地球的弯曲表面而进行的传播。弯曲表面而进行的传播。l 空间波传播又称视距传播。在可视距离内，电磁空间波传播又

7、称视距传播。在可视距离内，电磁波由天线发射出来，沿直线传播到接收天线。波由天线发射出来，沿直线传播到接收天线。 l 天波传播是利用电离层的折射和反射来传播的电天波传播是利用电离层的折射和反射来传播的电磁波。磁波。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。号的频率。u长波长波和和中波中波的传播都是借助的传播都是借助地波地波的，并且比较稳的，并且比较稳定，多用作远距离通信与导航。定，多用作远距离通信与导航。u短波短波通信可以借助通信可以借助天波天波传送。短波传播主要用于传送。短波传播主要用于国际无线电广播，远距离无线电话和电报通信等。国际无线电广

8、播，远距离无线电话和电报通信等。u超短波超短波和和微波微波只能用只能用空间直射波空间直射波进行视距通信，进行视距通信，传播距离大致上限制在视距范围之内。超短波和微波波传播距离大致上限制在视距范围之内。超短波和微波波段广泛用于卫星通信，宇宙飞船与地面站之间的通信，段广泛用于卫星通信，宇宙飞船与地面站之间的通信，遥测等系统中。遥测等系统中。7.2.2 调制解调技术调制解调技术调制调制就是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适就是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合传输并适应信道复用的形式。合传输并适应信道复用的形式。解调解调则是将基带信号从载波中提取出来，使接收者理则是将基带信号从载波中提取出

9、来，使接收者理解或做进一步的处理。解或做进一步的处理。调制信号为模拟信号时，最基本的调制方式是：调制信号为模拟信号时，最基本的调制方式是：幅度幅度调制调制（AM）、）、频率调制频率调制（FM）和）和相位调制相位调制（PM）。）。还可以有三种基本方式的组合调制方式。还可以有三种基本方式的组合调制方式。调制信号为数字信号时，通常称为键控（调制信号为数字信号时，通常称为键控（SK: Shift Keying），三种基本的键控方式为），三种基本的键控方式为振幅键控振幅键控 （ASK）、频率键控频率键控（FSK）和）和相位键控相位键控(PSK)。调制方案的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量。调制方案的

10、性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量。 功率效率功率效率 ： 带宽效率带宽效率： ：每比特信号能量每比特信号能量 R ：每秒数据率：每秒数据率 ：噪声功率谱密度：噪声功率谱密度 B ：已调信号占用的带宽：已调信号占用的带宽 目前，扩频技术也得到广泛应用。扩展频谱的优点：目前，扩频技术也得到广泛应用。扩展频谱的优点： 很多用户可以在一个频带中同时使用，而不会相互产很多用户可以在一个频带中同时使用，而不会相互产生明显的干扰。生明显的干扰。 良好的抗多径干扰的特性。良好的抗多径干扰的特性。0bpNEbps/HzBRBbE0N7.3 射频系统及应用射频系统及应用7.3.1 无线通信射频系统概述无线通信

11、射频系统概述目前在无线通信领域，射频多指目前在无线通信领域，射频多指300MHz至至5.8GHz的的频率范围。射频技术在当今各个领域得到了广泛应用。频率范围。射频技术在当今各个领域得到了广泛应用。u 高速语音、数据、图文与图像传输；高速语音、数据、图文与图像传输；u 蜂窝式个人通信与基站；蜂窝式个人通信与基站；u 低轨道卫星移动通信；低轨道卫星移动通信；u 无线局域网；无线局域网；u 无线接入技术（包括无线接入技术（包括Bluetooth）；）；u 全球卫星定位系统；全球卫星定位系统；u 卫星直播电视；卫星直播电视；u 多点多址分布系统。多点多址分布系统。 无线射频系统一般由接收机和发射机两部

12、分构成。无线射频系统一般由接收机和发射机两部分构成。 发送信号时，从发送信号时，从基带基带模块送出含有信息的模拟信号，经模块送出含有信息的模拟信号，经中频放大中频放大后，在混频器中的后，在混频器中的升频器升频器中混频成为射频信号，中混频成为射频信号，送到送到射频功率放大器射频功率放大器中进行功率放大，再通过中进行功率放大，再通过天线天线发送出发送出去。去。 接收信号时，通过接收信号时，通过天线天线接收进来的射频信号经接收进来的射频信号经滤波滤波和和低低噪声放大器噪声放大器放大后，与放大后，与本地振荡器本地振荡器所产生的本地振荡信号所产生的本地振荡信号再经再经降频器降频器混频，产生固定的混频，产

13、生固定的中频中频信号信号IF，放大放大后送到后送到基基带带部分进行后续处理。部分进行后续处理。7.3.2 射频芯片射频芯片nRF905及及在无线影音监控系统中的应用在无线影音监控系统中的应用nRF905内部结构图系统移动端MIC音频编解码芯片TLV320AIC23B射频收发芯片nRF905耳机存储器DSP TMS320DM642视频解码芯片TVP5150PBS摄像头 无线数字影音监控系统采用的是点到点双工无线通无线数字影音监控系统采用的是点到点双工无线通信方式，在视距信方式，在视距200300米的变电站区域内，实现无米的变电站区域内，实现无线语音对讲、无线视频传输功能。整个系统分为移动端线语音

14、对讲、无线视频传输功能。整个系统分为移动端和固定端。视频数据是单向传输的，由移动端向固定端和固定端。视频数据是单向传输的，由移动端向固定端发射。音频则是双向传输。发射。音频则是双向传输。射频收发芯片nRF905DSP TMS320DM642显示器音频编解码芯片TLV320AIC23BMIC耳机视频编码芯片 SAA712H系统固定端 系统移动端由数字视频输入模块，音频输入输出模块，系统移动端由数字视频输入模块，音频输入输出模块，DSP处理器与存储器，无线发射模块构成。处理器与存储器，无线发射模块构成。 系统固定端由数字视频编码模块，音频编解码模块，系统固定端由数字视频编码模块，音频编解码模块，D

15、SP处理器与存储器，无线收发模块构成。处理器与存储器，无线收发模块构成。 7.4 无线通信网络无线通信网络无线通信网络按通信覆盖的范围大致可以分为无线通信网络按通信覆盖的范围大致可以分为: :无线广域网无线广域网（WWAN，十几公里），十几公里）无线城域网无线城域网（WMAN，几公里），几公里）无线局域网无线局域网（WLAN，100米左右）米左右）无线个域网无线个域网（WPAN，10米左右）米左右） 7.4.1 无线广域网无线广域网无线广域网络是移动电话及数据服务所使用的通讯无线广域网络是移动电话及数据服务所使用的通讯网络，覆盖范围可以达到十几公里乃至上百公里。网络，覆盖范围可以达到十几公里乃

16、至上百公里。无线广域网主要有无线广域网主要有2G、2.5G及及3G等，主要采用等，主要采用GSM，GPRS，CDMA等技术。等技术。（1）2G2G即第二代蜂窝通信系统规范，主要应用于即第二代蜂窝通信系统规范，主要应用于GSM（Global System for Mobile）即全球移动系统。）即全球移动系统。它的工作频段在它的工作频段在890MHz到到915MHz之间（用于用户之间（用于用户到基站的传输）和到基站的传输）和935MHz到到960MHz之间（用于基站到之间（用于基站到用户的传输），提供了用户的传输），提供了9.6kbps的数据传输率。的数据传输率。（2）2.5G2.5G即第二代半

17、蜂窝通信系统规范，主要采用即第二代半蜂窝通信系统规范，主要采用GPRS（General Packet Radio Service）技术，即通用分组无线）技术，即通用分组无线业务。业务。GPRS是一种工作于是一种工作于20kHz信道的基于信道的基于FDMA/TDMA的的分级交换无线技术，支持从分级交换无线技术，支持从144kbps384kbps的速率。的速率。GPRS是分组交换，在每个帧分配给用户多个时隙。是分组交换，在每个帧分配给用户多个时隙。（3）3G 3G即第三代蜂窝通信系统规范。即第三代蜂窝通信系统规范。3G的主要特征是可提的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，传输速率在高速移动环

18、境中供丰富多彩的移动多媒体业务，传输速率在高速移动环境中支持支持144kbps，慢速移动环境中支持，慢速移动环境中支持384kbps，静止状态下，静止状态下支持支持2Mbps。7.4.2 无线城域网无线城域网无线城域网络覆盖范围可以达到十公里。无线城域网络覆盖范围可以达到十公里。宽带无线接入（宽带无线接入（BWA，Broadband Wireless Access）技术与系统是无线移动通信的一个重要技术与）技术与系统是无线移动通信的一个重要技术与应用领域，具有经济便捷、容量高、覆盖面广、可快速提应用领域，具有经济便捷、容量高、覆盖面广、可快速提供宽带业务等优点供宽带业务等优点.无线宽带城域网技

19、术是以无线宽带城域网技术是以IEEE 802.16系列标准为代系列标准为代表的宽带无线接入热点技术。表的宽带无线接入热点技术。1999年年IEEE成立了成立了IEEE802.16工作组专门研究宽带固定无线接入规范，目工作组专门研究宽带固定无线接入规范，目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。最早的标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。最早的IEEE802.16标准于标准于2001年年12月正式发布，之后该标准不月正式发布，之后该标准不断丰富，先后推出了断丰富，先后推出了802.16a、802.16c、802.16d以及以及802.16e标准等。标准等。7.4.3 无线局域网无线局域网无

20、线局域网（无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）是在有线局域网络的基础上发展起来的，使）是在有线局域网络的基础上发展起来的，使局域网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决局域网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决有线方式不易实现的连通问题，它是计算机网络与无线有线方式不易实现的连通问题，它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通信技术相结合的产物。1）WLAN的特点的特点 灵活移动性安装便捷 经济节约 可扩展性强 便于维护和管理 2）WLAN的标准的标准（1）802.11（2）802.11b/Wi-Fi（Wireless Fidelity，无

21、线保真）（3）802.11a（4）802.11g（5）其他802.11标准： IEEE802.11e、 IEEE802.11f、 IEEE802.11h、 IEEE802.11i（6）HomeRF（7）HiperLAN/1和HiperLAN/27.4.4 无线个域网无线个域网无线个域网（无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）是指对个人操作空间（）是指对个人操作空间（POS，Personal Operation Space）中的电子设备进行无线互联而形成的）中的电子设备进行无线互联而形成的无线网络，它的核心思想是用新的无线传输技术代替传统无线网络，它

22、的核心思想是用新的无线传输技术代替传统的有线传输技术，实现个人信息终端的智能化互连，组建的有线传输技术，实现个人信息终端的智能化互连，组建个人化的办公或者家用信息网络。个人化的办公或者家用信息网络。 使用动态拓扑以适应网络节点的移动性。使用动态拓扑以适应网络节点的移动性。其优点是其优点是: 按需建网、容错、连接不受限制按需建网、容错、连接不受限制; 一种装一种装置用做主控，其他装置作为从属装置。置用做主控，其他装置作为从属装置。WPAN特点特点:小范围通信（一般通信范围在小范围通信（一般通信范围在10m左右左右）、低功耗、低成本、低复杂性、低数据速率等。）、低功耗、低成本、低复杂性、低数据速率

23、等。7.5 蓝牙技术蓝牙技术7.5.1蓝牙技术的概念蓝牙技术的概念蓝牙技术是由爱立信、诺基亚、东芝、蓝牙技术是由爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特和英特尔等尔等5家大公司于家大公司于1998年年5月联合推出的一种无线通信新月联合推出的一种无线通信新技术。通信主要用红外线链路来完成。技术。通信主要用红外线链路来完成。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口及其控其实质内容是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，是不同制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，是不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的

24、情况下，能在近距离范围内具有互用、相互操作的性能。下，能在近距离范围内具有互用、相互操作的性能。蓝牙技术的无线电收发器的链接距离可达蓝牙技术的无线电收发器的链接距离可达10m，最，最多可链接多可链接7个设备，形成一个无线个域网络。个设备，形成一个无线个域网络。蓝牙采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据蓝牙采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输。和视频传输。采用跳频技术能够抗信号衰落，采用快跳频和短分采用跳频技术能够抗信号衰落，采用快跳频和短分组技术能减少同频干扰，提高通信的安全性。组技术能减少同频干扰，提高通信的安全性。采用前向纠错编码技术能减少随机噪声的干扰。采用前向纠错编码技

25、术能减少随机噪声的干扰。蓝牙基带协议是电路交换和包交换的一种组合形式蓝牙基带协议是电路交换和包交换的一种组合形式，时隙做同步数据分组专用。，时隙做同步数据分组专用。蓝牙技术支持一个异步数据通道，或蓝牙技术支持一个异步数据通道，或3个并发的同个并发的同步语音通道，或一个同时传输异步数据和同步语音的通步语音通道，或一个同时传输异步数据和同步语音的通道。每一个话音通道支持道。每一个话音通道支持64Kbps的同步话音。异步通道的同步话音。异步通道支持的最大速率为支持的最大速率为721Kbps，反向应速率为，反向应速率为57.6Kbps的的非对称连接，或者是非对称连接，或者是432.6Kbps的对称连接

26、。的对称连接。蓝牙工作在蓝牙工作在2.4GHz ISM(industry science medicine)全球自由频段全球自由频段 7.5.2 蓝牙系统结构蓝牙系统结构蓝牙系统一般由蓝牙系统一般由4个功能单元组成：个功能单元组成：天线单元天线单元链路控制（固件）单元链路控制（固件）单元链路管理（软件）单元链路管理（软件）单元蓝牙软件（协议）单元蓝牙软件（协议）单元1）天线单元）天线单元 蓝牙天线属于微带天线，体积小，重量轻。蓝牙蓝牙天线属于微带天线，体积小，重量轻。蓝牙空中接口遵循美国联邦通信委员会空中接口遵循美国联邦通信委员会FCC有关电平为有关电平为0dBm的的ISM频段的标准。蓝牙的数

27、据速率为频段的标准。蓝牙的数据速率为1Mbps。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的任何一个频段都会遇到不可预测的干扰源。其中的任何一个频段都会遇到不可预测的干扰源。 蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技稳定。跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍的扩展成宽频带，使干扰可能造术使这个窄带成百倍的扩展成宽频带，使干扰可能造成的影响变得很小。成的影响变得很小。 2）链路控制（固件）单元）链路控制（固件）单元在目前的蓝牙产品

28、中，人们使用了在目前的蓝牙产品中，人们使用了3个个IC分别作为分别作为连接控制器、基带处理器以及射频传输连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外接收器，此外还使用了还使用了3050个单独调谐元件。个单独调谐元件。 链路管理（链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。 LM模块提供如下服务：发送和接收数据，请求名称，模块提供如下服务：发送和接收数据，请求名称，链路地址查询，链路模式协商和建立，决定帧的类别等。链路地址查询，链路模式协商和建立，决定帧的类别等。3）链路控制（固件）单元）链

29、路控制（固件）单元4）软件（协议）单元）软件（协议）单元蓝牙基带协议结合电路开关和分组交换机，适用蓝牙基带协议结合电路开关和分组交换机，适用于语音和数据传输。蓝牙设备需要支持一些基本互操作于语音和数据传输。蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及无线模块、空中特性要求。对某些设备，这种要求涉及无线模块、空中协议以及应用层协议和对象交换格式。协议以及应用层协议和对象交换格式。蓝牙对不同级别的设备（如蓝牙对不同级别的设备（如PC、手持机、移动电、手持机、移动电话、耳机等）有不同的要求。话、耳机等）有不同的要求。软件（协议）结构需有如下功能：设置及故障诊软件（协议）结构需有如

30、下功能：设置及故障诊断工作、能自动识别其他设备、取代电缆连接、与外设断工作、能自动识别其他设备、取代电缆连接、与外设通信、音频通信与呼叫控制、商用卡的交易与号码簿网通信、音频通信与呼叫控制、商用卡的交易与号码簿网络协议。络协议。蓝牙的软件单元是一个独立的操作系统，不与任蓝牙的软件单元是一个独立的操作系统，不与任何其他的操作系统进行捆绑。何其他的操作系统进行捆绑。7.6无线传感器网络无线传感器网络7.6.1基本概念基本概念 通过将大量具有传感器、数据处理单元及通信模块的通过将大量具有传感器、数据处理单元及通信模块的微小智能节点密集撒布在感知区域，节点间以自组织方式微小智能节点密集撒布在感知区域，节点间以自组织方式构成的网络称为传感器网络。如果节点间的