无线通信技术进展及应用

1、无线通信技术进展及应用作者：邓开乐 指导教师：陈冠英 教授湛江师范学院物理学院 湛江 5240481 引 言无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在信息与通信领域中，发展最快、应用最广的是无线通信技术。无线通信在过去的90多年时间里，已经朝着传输宽带化、移动高速化、接入灵活化、综合化及个人化等方向不断发展，并且各种无线通信技术之间呈现出一种融合发展的状态1,2,3,4,5,7,9。本文力图使人们尽快理解无线通信的基本理念是：实现在任何地方（Wherever)、任何时候(Whenever)与任何人(Whomever)之间进行任何种类（Whatever)的快

2、捷、方便、动态的自由通信1,3，14,15,16，在这种背景下，有必要分析一下公众蜂窝移动无线通信技术的发展，短距离、近距离无线通信技术，以求对公众无线移动通信的发展有比较清晰的了解，从中把握各种无线通信技术的优势与劣势，以便更好地了解下一代无线通信技术的发展趋势。2 无线通信的概念无线通信是无线电通信的简称，是利用电磁波可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信可用于传输电报、电话、传真、图像、数据和广播电视等。相对于有线通信而言，无线通信不需要架设专门的传输线路，不受通信距离的限制，机动性能也比较好，建立起来相当迅速。1，2，6，72.1 无线通信的起源19世纪末，历经

3、奥斯特、安培、法拉第、亨利等人的无数次试验，奠定了无线通信的基础。之后，由麦克斯韦集前人之大成提出了具有划时代意义的理论电磁场理论。1887年，德国物理学家H · 赫兹通过实验验证了麦克斯韦关于电磁波存在的预言（这是一个关于电磁波的发生、检测及其属性的测量的实验）。1894年，俄国的波波夫发明了天线和无线电接收机；1897年，马可尼验证了运动中的无线通信的可应用性，随即人类开始了对移动无线通信的追求。这一阶段可视为无线通信的起源阶段。1，2，3，183 无线通信系统的基本组成最基本的无线通信系统由发射器、接收器和无线信道组成，如图1所示。信号源传送的电信号在发射器中完成信息的调制，即

4、将基带信号搬移到射频上并放大到足够的功率，在发射器中完成对信息的调制，射频信号通过发射天线转换成为电磁波在无线信道上传输，在接收器的接收端口，空间中的电磁波经过接收天线转换成为射频信号进入到接收器中，接收器对信号进行解调，将原始电信息复原，然后传输到信宿。1,6,7信号源 发射器（调制）信宿接收器（解调）噪声源 已调信号 无线信道 图1 无线通信系统基本组成3.1 信号源信号源（信源）的作用是把各种信息转换成为电信号；据信息的类型可以把信源分为模拟和数字信源。模拟信源输出的是连续的模拟信号，常见的有话筒和摄像机；数字信源输出离散的数字信号，常见的有计算机等数字终端。模拟信源的信号也可以经过数字

5、化处理而输送出数字信号。6,73.2 发射器发射器的作用是产生可以在信道中传输的信号，既具有抗信道干扰的能力，也具有足够的功率将信号远距离传输的能力。发射器的作用很大，包括信号的变换、放大、滤波、编码、调制等过程。1，2，6，73.3 无线信道信道是一种物理媒质，发射端发射的信号可以经过它传播到接收端。无线信道可以是自由空间（包括空气和真空）；无线信道具有信道的一般特性，既给予信号通路，也产生对信号的干扰和噪声，图1中的噪声源就包括了来自无线信道的噪声，同时也包括了无线通信系统各部分的噪声。6，73.4 接收器接收器的作用是把信号放大及逆变换（如译码和解调等），以从接收到的信号中正确地恢复原始

6、信号，尽可能地减少传输过程中噪声及干扰对信号的影响。6,73.5 信宿信宿是信号传输的目的地，与信源的作用相反，它是把原始电信号还原成为原来的信息，如扬声器等。4，6,74 调制与解调调制是将信号转化成可以在信道中传输的形式的过程，其实质是频谱变换，把携带信息的基带信号的频谱搬移到所需要的频谱范围（频率得到提高）；在无线通信中，调制均指载波调制。载波调制指的是用调制信号去控制载波的参数，使得载波中的一个或某几个参数按照调制信号的规律变化。调制信号其实是来自信源的基带信号（既可以是模拟的，也可以是数字的）；载波是未受调制的周期振荡信号，载波经过调制之后就成为已调信号。载波调制的产生是通信技术的要

7、求，一般从语言、音乐、图像等信源转换得到的电信号的频率是很低的，属于包括（或不包括）直流成分的低通频谱，这种信号称为基带信号；在无线传输中，信号是通过天线转变成空间中的电磁波传输的，根据电磁辐射理论，天线的长度要与信号的波长相比拟时才能获得较高的辐射效率，由于基带信号的频率很低，那么所需的天线长度将因为过长而无法实现；另外，调制可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，实现信道的多路复用，提高信道利用率，还可以扩展信号带宽，提高系统抗干扰和抗衰落能力。由于基带信号有模拟基带信号和数字基带信号，因而，调制相应也有模拟调制和数字调制。无论是哪种信号，调制的基本方式有：幅度调制和角调制（频率调制和相

8、位调制）。在模拟调制中有三种基本的调制方式：幅度调制（AM）、频率调制（FM)和相位调制（PM)；幅度调制指的是利用调制信号控制高频载波的振幅，使得已调信号的振幅随调制信号的瞬时幅值作线性变化的调制方式。而频率调制和相位调制是通过调制信号、改变载波的角度实现的，即在频率调制中，调制信号的瞬时振幅控制的是已调信号的频率；而在相位调制中，调制信号的瞬时振幅控制的是已调信号的相位；在调制中，已调信号的幅度、频率和相位的变化是由调制信号（基带信号）的瞬时振幅控制的。数字调制也有三种基本调制方式：数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制。由于数字信号属于离散信号，那么调制后的载波参量也是离散的，数字调制

9、过程是利用数字信号离散取值经过开关键控制载波，这种方法称为键控法。因此，分别称数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK）。解调是从已调信号中恢复出调制信号的过程，是调制的逆过程。不同的调制方式，对应的解调方式也就不相同。在幅度解调中，从调幅信号中还原出原调制信号（基带信号）的过程称为振幅解调，也称为振幅检波（检波）；调频信号的解调称为频率检波（鉴频），鉴频的作用是把调制信号频率中的原调制信号取出；调相信号的解调称为相位检波（鉴相），其目的是把调相信号相位中的原调制信号取出。1,2,4,5，6,75 无线电波传播5.1 无线电波的传播特性

10、无线电波的传播特性是指无线电波在各种具体介质中传播的方式。在地球上，无线电波传播的介质有地壳、海水、大气等。无线电波在自由空间中传播的速度与光速相同，为，高频信号的频率与其波长的关系为。在自由空间中传播的无线电波一般可分为地表波、天波、空间波和散射波，如图2所示：图2 无线电波的传播特性地表波是指在地球表面附近传播的无线电波。天波指的是利用电离层反射传播的的无线电波。由天线发射直接到达接收点的电波，被称为直射波。还有另外一部分无线电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波；直射波和反射波合称为空间波。散射波是指当对流层或电离层出现不均匀团块时，而有可能被这些不均匀媒质向四面八方反

11、射到达接收点的无线电波。1，2，6，75.2 无线电波频段划分在通信领域，一般根据无线电波的波长或频率将无线电波划分为不同的波段或频段，1，6，7如表1所示：频段频段名称频段范围/Hz传播方式波长范围波段名称典型应用4甚低频VLF3k30k波导10km100m超长波远程导航、水下通信、声呐5低频LF30k300k地波、天波1km10m长波导航、水下通信、无线电信标6中频MF300k3M地波、天波1km200m中波广播、海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫7高频HF3M30M地波、天波20010m短波远程广播、电报、电话、传真、搜寻救生、飞机与船只间通信、船岸通信、业余无线电8甚高频VHF30M3

12、00M空间波、对流层散射、绕射101m超短波（米波）电视、调频广播、陆地交通、空中管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信9特高频UHF0.3G3G空间波、对流层散射、绕射、视距10010cm微波分米波电视、蜂窝网、无线电探空仪及高度计、导航、卫星通信、GPS、监视雷达10超高频SHF3G30G视距101cm厘米波卫星通信、机载雷达、公用陆地移动通信11极高频EHF30G300G视距10.1mm毫米波雷达着陆系统、卫星、移动通信、铁路业务表16 无线通信系统的分类无线通信系统根据不同分类方法，可以有不同类型，具体的分类如表2：按技术体制分类模拟、数字、数模兼容按工作波长分类长波、中波、短波、超短波

13、、微波等按无线应用分类移动、无线接入、微波、卫星按工作状态分类固定、移动按位于通信网络的位置分类无线接入、无线传输 表2虽然无线通信系统按照不同的原则有不同的类型，但其内涵不会改变。本文主要从应用的角度讨论无线通信系统，但仅限于公众蜂窝移动通信系统。1，77 公众蜂窝移动通信系统7.1 移动通信的概念移动通信一般指的是移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信，也就是通信过程中至少有一方处于运动的状态（用户也可以暂时停留在某一个非既定位置上进行信息传递和交换）。1，2，77.2 “蜂窝”的概念及公众蜂窝移动通信网的结构移动通信自无线通信出现之日就产生了，可以追溯到马可尼在1895年的无线通信试

14、验。而现代通信出现在20世纪20年代，最早是应用在军事领域，公众移动通信始于20世纪60年代，尔后的发展中经历了第一代(1G)、第二代(2G)和第三代(3G)，并将继续朝着第四代(4G)发展。1,2公众蜂窝移动通信网又可以分为大区制移动通信方式（用于农村及交通干线）和小区制移动通信系统（主要用于城市），小区制移动通信采用的是六边形的“蜂窝”状，故又称为蜂窝移动通信，蜂窝移动通信系统把整个服务区域划分成若干个较小的区域（Cell，称为小区），各小区使用小功率的发射机（即基站发射机）进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区，如图3。“蜂窝”概念的提出真正解决了公众移动通信系统

15、追求系统容量大与频率资源有限的矛盾。由于城市的发展，蜂窝移动通信的覆盖范围会越来越大，公众蜂窝移动通信系统内部组网主要由“移动台(Mobile Station，MS，如手机)”、“移动基站系统(Base Station，BS)”、“中继传输系统（MSC之间、MSC和BS之间采用有线方式连接）”、和“移动交换中心(Mobile-services Switching Centre，MSC）等四大部分组成，1，2，7 如图4： 图3 蜂窝小区结构示意图 图4 蜂窝移动通信内部组网7.3 多址技术在移动通信系统中，存在多个移动用户终端同时进行通信的情况，在这种情况下，对如何进行动态寻址和对多个地址的动

16、态划分与识别的问题的研究，最终导致了多址技术的出现。多址技术的出现也在一定的范围内解决了频谱的有效利用问题，使得多个用户共享系统频谱资源1，2，3，4，7。无线信号用频率、时间和码型表示的函数为，其中是频率和时间的函数，是码型函数1。根据频率、时间和码型划分，多址方式可分为频分多址方式（FDMA）、时分多址方式（TDMA）和码分多址方式（CDMA）。频分多址（FDMA）把整个系统的频谱分割成若干个频率正交的信道。典型的FDMA系统是第一代模拟蜂窝移动通信系统。时分多址（TDMA）则将时间正交分割，每一信道在指定的时隙内占用了整个频段，客户在这指定的时隙内占用整个频段收（或发）信息。由于TDMA

17、系统要求用户在时间上保持严格的同步，因此实现起来比FDMA要困难一些，可是TDMA支持多速率传输功能，只需给一个用户分配多个时隙。典型的TDMA系统有北美的D-AMPS，欧洲的GSM-900、DCS-1800和日本的PDC。码分多址（CDMA）是利用扩频技术形成不同的码序列实现的多址方式，用不同的码子区分不同的用户，有多少个相互正交的码序列，就可以实现多少个用户终端在同一个载波上通信。典型的CDMA系统是北美的IS-95。1,2,3,4,7三种多址方式如图5：图5 三种多址方式7.4 第一代模拟移动通信系统（1G）第一代模拟移动通信出现于20世纪70年代中期，蜂窝移动通信也是从模拟移动通信开始

18、的，第一代模拟通信使得电话与网络之间不再需要用户线连接，可以在任何地方实现接收与发送信息。第一代模拟移动通信系统的主要特点是采用模拟调制方式进行语音传输和FDMA（频分多址）的接入方式。在往后的运行使用过程中，1G系统的劣势也逐渐显露出来，比如只能实现语音业务且语音服务质量差；设备造价高，终端体积庞大、高耗电、易被盗号；频谱利用率差；保密性差。1G有三种主流标准，分别是：北美蜂窝系统(Advance Mobile Phone System,AMPS)、北欧移动电话(Nordic Mobile Telephone,NMT-450/900)和全向通信系统(Total Access Communic

19、ations System,TACS)。这三种模拟蜂窝通信系统的性能对比如表3：系统AMPSTACSNMT-900下行频段/MHz 869894935960935960上行频段/MHz 824849890915890915频道间隔/kHz302512.5双工频道总数83210002000基站发射功率/W4010050移动台发射功率/W车载34106手机0.60.61.62基站覆盖半径/km220220220调制方式语音FMFMFM信令FSKFFSKFSK语音信号频偏±12±9.5±4信令信号频偏±8±6.4±2.5数据传输速率 kbi

20、t/s1085.28信道编码下行BCH(40,28)BCH(40,28)B1型卷积码上行BCH(40,36)BCH(40,36)哈氏码使用国家/地区北美中国、英国、意大利、西班牙、日本等挪威、芬兰、丹麦、瑞典表31983年，我国规定模拟蜂窝式移动通信系统的频段为870889.975MHz与915935.975MHz，频道间隔为25KHz。后来在上世纪80年代末，我国发展了第一代TASC系统（频段为890915MHz与935960MHz，频道间隔为45MHz），到2000年之后，已经全部退网，全面停止使用。1,2,3,47.5 第二代数字移动通信系统（2G）20世纪90年代，第二代数字移动通信系

21、统开始逐渐发展起来；第二代数字移动通信是以1G为基础而发展起来的，为的是解决1G系统中存在的根本性技术缺陷。第二代移动通信系统采用了数字调制技术以及TDMA或CDMA接入方式，具有频谱利用率较高、保密性好、系统容量大、接口标准明确等优点1，2，3。较大程度上满足了人们对语音业务以及低速数据业务的需求，在省内、省际可以实现自动漫游服务（漫游服务包括位置更新、呼叫转移和呼叫建立三个过程），因此在世界范围内得以广泛应用。1，2第二代数字移动通信系统根据接入方式可以分为两大类，分别是：TDMA系统和窄带CDMA系统。其中TDMA系统的代表有泛欧的全球移动通信系统(Global System Mobil

22、e,GSM)、美国的数字先进移动电话服务(Digital Advanced Mobile Phone Service, D-AMPS)，亦称IS-54(ADC，北美数字蜂窝)和日本的个人数字蜂窝通信系统(Personal Digital Cellular Telecommunication System,PDC)；而窄带CDMA系统的代表为北美的另一种数字蜂窝标准Interim Standard 95（IS-95），该技术已成为美国个人通信网(PCS)的首选。GSM，俗称“全球通”，工作的频段有900MHz（称为GSM900）和1800MHz（称为DSC1800），即所谓的双频网络，拥有双频手

23、机的客户可以在两者之间进行任意的切换，选择最佳的信道。GSM并非是纯使用TDMA的接入方式，而是使用FDMA - TDMA混合的接入方式；GSM体制比较完善、技术也相对成熟，但不能提供分组数据业务，为了解决这一问题而开发了GPRS(Generic Packet Radio Service)系统。第二代（2G）系统以提供语音传输和低速数据业务为发展方向，随着技术的进一步发展，从1995年开始向提供中速数据业务发展，出现了后来被称为2.5G的移动通信系统，比如 GPRS和IS-95B。IS-54(ADC)、GSM、DCS1800和CDMA(IS-95)四种数字蜂窝移动通信系统的参数特性如表4：系统

24、IS-54(ADC)GSMDCS1800CDMA(IS-95)下行频段/MHz82484989091518051880824849上行频段/MHz86989493596017101785869894双工间隔/MHz45454545RF信道间隔/KHz302002001250手机功率/W0.20.1250.1250.6调制方式/4-DQPSKGMSKGMSKBPSK/QPSK语音编码VSELPRPE-LTPRPE-LTPQCELP语音速率/(kbit/s)7.9513/6.513/6.58信令速率/(kbit/s)48.6270.833270.833-帧长/ms404.6154.61520信道编

25、码1/2卷积码1/2卷积码1/2卷积码上行：1/3卷积码下行：1/2卷积码使用国家/地区北美欧洲、中国欧洲、中国北美、韩国、香港、俄罗斯表4我国在第二代数字通信系统中的移动业务分别由中国移动通信公司（GSM系统）和中国联合通信有限公司（GSM和窄带CDMA两种系统）开展，主要提供移动电话业务、移动数据短信业务及各类基本组合业务的“移动套餐”业务等。1,2,3,47.6 第三代数字移动通信系统（3G）由于第二代数字移动通信系统的带宽有限而限制了数据业务的发展，并且无法实现移动的多媒体业务；各国标准不统一，无法实现全球漫游。同时，由于电子商务蓬勃发展及Internet的广泛普及，以GSM为代表的2

26、G系统在宽带、容量及数据传输方式等方面已经无法满足人们的生活需要，由此导致了第三代数字移动通信系统的出现。3G系统使用全球统一的标准，可提供全球无缝漫游业务而实现全球的普及，3G系统的标准化由3GPP(3rd Generation Partner Project，第三代合作伙伴计划)和3GPP2推动实施，其中3GPP采用W-CDMA和TD-SCDMA构筑新的无线接入网，而3GPP2采用的是CDMA 2000；支持多媒体业务特别是互联网业务，业务范围覆盖了语音、分组数据及多媒体业务；在设计数据传输速率问题上，3G系统无线传输速率有最低的标准：在高速运动情况下（如车载通信）提供144kbit/s速

27、率的多媒体业务，在低速运动情况下（如步行通信）提供384kbit/s速率的多媒体业务，在室内固定情况下提供2Mbit/s速率的多媒体业务。3G系统是在2G系统已形成较大规模的基础之上发展起来的，可与固定网相兼容。目前，3G系统已逐渐完善，主流的三种标准有：WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access,宽带码分多址)、CDMA 2000 (Code Division Multiple Access 2000)、TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多

28、址)。3G牌照是无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统的经营许可权。2009年1月7日，我国工业与信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3张3G牌照，其中，中国移动获得TD-SCDMA牌照，中国电信获得CDMA 2000牌照，中国联通获得WCDMA牌照，这标志着我国正式进入3G时代。WCDMA、TD-SCDMA、CDMA 2000三种标准的主要技术性能对比如表5：1，2，3，4，7性能标准WCDMATD-SCDMACDMA 2000载波间隔5MHz1.6MHz1.25MHz码片速率3.84Mc/s1.28Mc/s1.228Mc/s帧长10ms10ms(两个子帧）20ms

29、基站同步同步（需GPS）；异步同步（需GPS）同步（需GPS）功率控制快速控制：上、下行1500Hz0200Hz反向：800Hz前向：慢、快速功控下行发射分集支持支持支持频率间切换支持可用压缩模式测量支持可用空闲时隙测量支持检测方式相干解调联合解调相干解调信道估计公共导频DwPCH、 UpPCH、Midamble（中间码）前向、反向导频编码方式卷积码、Turbo码卷积码、Turbo码卷积码、Turbo码表57.7 第四代代数字移动通信系统（4G）自第三代数字移动通信诞生之日开始，由于互联网应用及多媒体通信的广泛普及，人们对通信容量及数据传输速率的较大需求，同时，3G系统各个不同标准之间的竞争压

30、力，使得3G不断演进。譬如在通用移动通信系统UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，W-CDMA）的基础上，诞生了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技术不断成熟升级的同时，各国又开始了对第四代数字移动通信的研制，以便提供

31、更高的数据传输速率。2000年，在确定了3G标准后不久，国际电盟（ITU）就开始了关于4G的研发工作，当时叫B3G(Beyond 3G)；在国际电盟(ITU )的定义里，任何达到或超过100Mbps的无线数据网络系统都可以称为4G；目前4G至少包含了LTE和WiMAX两大不同类型的无线数据网络。2010年10月，在我国重庆召开的国际电盟无线通信部门(ITU-R)第五组国际移动通信工作组(WP5D)第9次会议通过了将所收到的6个关于4G标准候选案重新合并为两个主流标准即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时，在日内瓦举行的国际电盟2012年无线电通信全体会议上，LTE - Advanced（Long Term Evolution Advanced）和Wireless MAN-Advanced（IEEE802.16m）技术规范通过审议，正式被确立为IMT - Advanced（俗称“4G”）国际标准。到目前为止，国际上通用4G通信标准有FDDLTE和TDLTE两种，都都属于LTE-Advanced 标准。FDDLTE标准已在欧美一些国家投入使用，而另一种4G标准TD LTE- Advance 则是名符其实的“中国制造”。

33、TDLTE-Advance其实是由TD SCDMA升级而来的一种支撑高性能数据传输的通信技术。2013年12月4日，我国工业与信息化部向中国联通、中国电信和中国移动正式颁发了第四代TD-LTE移动通信业务牌照，标志着中国电信产业正式进入4G时代，其中中国移动采用的是TD-LTE，中国联通采用的是FDD-LTE，中国电信也赞成FDD-LTE模式。4G具有数据传输速率高、高度智能化和通话质量高的网络优势，有更好的兼容性和覆盖性能，基于IP网络，能实现不同的业务，通信资费更加便宜；与星罗密布的3G蜂窝网络相比，4G采用全数字全IP技术，采用正交频分多址技术OFDM（Orthogonal Freque

34、ncy Division Multiplexing，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰）和单一的全球范围的蜂窝核心网，4G系统的组网结构如图6所示：1，2，3，4，15，16IP核心网多媒体接入系统Internet路由器WLAN4G无线接入网终端终端Ad hoc网PSTN/ISDN2G/3G接入网终端网关图6 4G系统组网结构 从1G、2G到3G、4G系统，对于数据传输的速率也越来越快，而且在移动终端移动的速度越来越大的情况下也能提供较快的传输速率，数据传输

35、率从小于0.01M bit/s发展到了0.3M bit/s，在4G中将超过100M bit/s，蜂窝移动通信的发展如图7所示：1，2图7 蜂窝移动通信技术的发展14通过以下七种无线蜂窝通信系统的数据传输速率的对比，我们可以更清楚地看到4G所具有的强大的传输速率；如表6：无线蜂窝系统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 宽带无线接入技术及其应用宽带无线接入（Broadband Wireless Access,BWA）技术是连接交换节点和用户的宽带接入通信技术，具有覆盖范围灵活、应用频率范围广及频谱利用率高等特点。根据覆盖范围的不同，宽带无线接入可以分为无线广域网（W-WAN）、无线城域网（W-MAN）、无线局域网（W-LAN）、无线个域网（W-PAN）。无线个域网解决的是通信系统中最后那几米（10米以内）电缆的问题，近年来，越来越多的作为个域网（PAN）的主流技术的近距离无线通信技术正在在蓬勃发展。具体技术分类如表7：1，2WWAN2G、3G、

37、4GWMANWiMAXWLANWiFi、DECT(Digital European Cordless Telephone无绳电话，2.75G)WPAN蓝牙、超宽带(UWB)、ZigBee、射频识别技术(RFID)、NFC表7而各种无线通信网相应的的覆盖范围层次及其执行标准如图8所示：、4GL图8 无线通信网覆盖层次及其标准88.1 WiMAXWiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波接入互操作性）是从属于IEEE 802.16协议标准的一种无线宽带城域网（Metropolitan Area Network，MAN）技术。

38、WiMAX可达到百兆的传输速率，具备在266GHz频带范围之内利用所有需要或者不需要许可的频带；同时，由于具备极强的传输能力使得其传输距离可达50km；覆盖面积是3G发射塔的30倍，所需基站数量也就比3G的少得多；WiMAX理论的最高接入速率是70Mbit/s，是3G宽带速率的30倍；提供最后一公里的网络接入的优质服务，既可作为连接Wi-FI与互联网的桥梁，也可以作为DSL（Digital Subscriber Line数字用户专线）等有线终端的无线扩展，在不便部署传统宽带接入技术的地区，可通过WiMAX实现用户与基站的宽带连接。Wi-FI可提供54M bit/s的接入速率，但其覆盖距离十分短

39、，移动通信系统的覆盖面积很广，但其接入速率很慢，而WiMAX的出现正好可以弥补两者的不足，三者结合可以使得网络更加良好。同时，WiMAX也存在一些不足，主要是对于高速移动的用户，其标准上的速率50km/h很难实现无缝切换；严格意义上WiMAX并不属于无线通信系统的一种标准，而是属于无线城域网的一种技术。近些年，为了分享ITU分配给3G的频谱资源，移动WiMAX正在努力加入3G家族，实现全球漫游等目标，成为真正意义上的移动通信技术。WiMAX在IEEE802.16e的基础上，2007年提出了新的增强技术IEEE802.16m，将支持移动速率高达350km/h的终端用户的接入和正常通信，并保证10

40、0Mbit/s左右的传输速率，下行最大数据传输速率为350Mbit/s以上，上行不小于200Mbit/s。WiMAX的几种标准对比如表8：1，2802.16802.16a802.16d802.16e发布时间2001年12月2003年4月2004年6月2006年2月使用频段1066GHz211GHz1066GHz 211GHz266GHz信道条件视距非视距视距+非视距非视距固定/移动固定固定固定+漫游移动+漫游信道宽带25/28MHz1.2520MHz1.2520MHz1.2520MHz传输速率32134 Mbps(以28MHz为载波带宽)在20 MHz信道上提供约75 Mbps的速率在20 M

41、Hz信道上提供约75 Mbps的速率在5 MHz 的信道上提供约15 Mbps 的速率额定小区半径<5km510km515km数千米表88.2 Wi-FIWi-FI是Wireless Fidelity（无线高保真）的缩写，执行的标准是IEEE802.11（具体来说，Wi-FI属于IEEE802.11b标准）与蓝牙技术一样，属于短距离无线技术，是WLAN的代言技术；Wi-FI最早于1997年提出，诞生于1999年。1 Wi-FI主要用于解决办公或移动办公、校园中用户与用户终端之间的无线接入；其优势在于：覆盖面积可达百米左右；传输速率可达11Mbit/s或54Mbit/s，可用于高速数据的传

42、输；可在一些用户密集的地方（如校园、商城、火车站、汽车站等）设置“热点”，由此连接因特网，如图9所示。Wi-FI成本较低，辐射较手机更小；劣势在于其优良的宽带性能是以较大的功耗为代价的，限制了其在工业场合的推广；数据传输安全性方面比蓝牙要低。图9 由Wi-FI实现用户与互联网高速连接组网自从1997年提出IEEE802.11标准以来，IEEE802.11标准经历了一系列的演进，演进的过程大体上是与当代产生的新技术，如多输出多输入（Multiple-Input Multiple- Out-put,MIMO）技术等相互融合，以实现更高的数据传输速率，并且作了相应的物理层补充。其演进的主要路径如图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年图10 IEEE 802.11标准主要演进过程其中IEEE802.11n、802.11ac及802.11ad三种标准之间的参数对比如表9：标准802.11n

44、802.11ac802.11ad传输速率600Mbps3.2Gbps7Gbps覆盖半径70m30m< 5m频带2.4/5GHz5GHz2.4/5/60GHz天线4×4 MIMO8×8 MIMO>10×10 MIMO应用数据、视频视频未压缩视频表9可见，无论在数据传输速率、带宽，还是数据的接收及传送能力，IEEE802.11ad都具有很大优势，特别是采取了10个空间流的多输出多接收MIMO技术，获得了极高的数据传输速率。1，2，4 2013年1月15日，IEEE正式批准了超快速，短距离新一代无线传输标准IEEE802.11ad。与前代IEEE802.11

45、ac，包括目前仍在使用的IEEE802.11n标准不同，IEEE802.11ad不需要改变现有的Wi-FI网络，只是在一个房间内短距离提供7Gbps的传输能力，频段不再使用2.4GHz和5GHz，而是启用60GHz频段。然而早在2010年5月，Wi-FI联盟便同无线吉比特WiGig(WiGig是对电视、影碟机、摄像机、投影仪、手机、PC、笔记本电脑等电子产品制定的基于60GHz频段、速率达到千兆字节量级的短距离高速无线通信标准)签署合作协议，目的也正是为了共享60GHz的IEEE802.11ad。1，28.3 蓝牙蓝牙（ Bluetooth ）是在1998年5月由东芝、瑞典爱立信、IBM（In

46、ternational Business Machines Corporation）、Intel和诺基亚等公司共同提出的一种短距离（一般在100米以内）无线数据通信技术标准。蓝牙工作频段是ISM(工业、科技、医学)全球通用的2.4GHz，数据传输速率为2425Mbit/s，支持点对点和点对多点通信，蓝牙技术可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，例如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，蓝牙的无线方式将上述设备连成一个微微网，多个微微网之间也可以实现互连接成为分散网，从而实现各类设备之间随时随地进行快速通信。蓝牙是实现语音和数据无线传输的开放性规范，

47、是一种低成本、低功耗、短距离及安全性高的无线连接技术。蓝牙目前存在的主要问题是芯片大小和价格较高，抗干扰能力较弱。蓝牙这个名称来源于十世纪的一位丹麦国王Harald Blatand。Blatand的英文意思可以被解释为Bluetooth，Blatand国王将挪威，瑞典和丹麦统一起来，他的口齿伶俐，善于交际，就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作，保持着个各系统领域之间的良好交流，用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。蓝牙技术使用的标准是IEEE802.15，但蓝牙技术的规范大部分是由蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)制定的

48、，由最初推出的V1.0发展到现在的V4.0版本，其发展的过程如图11：V1.01999年V1.1748810kbit/sV1.2748810kbit/sV2.02004年1.82.1Mbit/sV3.02009年2425Mbit/sV4.02010年2425Mbit/s图11 蓝牙技术的发展2010年7月28日，蓝牙技术联盟正式宣布采用V4.0核心规范，并向所有具备蓝牙4.0规格的产品开放；该技术的特点是运行和待机的功耗极低，可用一颗纽扣电池连续工作数年；在新的技术规范下，可以更进一步增加医疗保健、运动与健身和保安及家庭娱乐、办公等的市场占有。蓝牙技术为制造商及用户提供三种连接方式：用于多种类

49、型的电子消费产品的传统蓝牙技术；用于手机、相机、摄影机、PC及电视等视频、图片及语音提供高速传输的蓝牙技术；用于保健、健康、个人设备、汽车级自动化行业的低功率传感及新的网络服务的蓝牙低耗技术，如图12：1,2,4,8,9,10,11,12,14,17图12 蓝牙技术的应用8.4 超宽带（Ultra Wide band，UWB)超宽带（Ultra Wide band，UWB）是一种始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，它利用纳秒至微微秒级的非正（或余）弦波窄脉冲传输数据；正是由于其利用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲而不需要载波来传输信息，又可以把它称为脉冲无线电（Impulse Radio）

50、、时域（Time Domain）或无载波（Carrier Free)通信；其执行的标准是IEEE802.15.4a，传输距离在1020米。超宽带与传统的窄带及宽带有所不同，由于UWB发送许多小于1ns的脉冲，超宽带的频带更宽，就从定义来说，相对带宽大于25，且中心频率为500MHz的称为超宽带；相对带宽为小于1的是窄带；相对带宽位于125的称为宽带。按照美国联邦通信委员会（FCC）所定义的超宽带是：10dB相对带宽要大于25；还定义了相对带宽的计算式，；其中，为10dB散射高频率点，为10dB散射低频点；频率从3.110.6GHz即为超带宽所用频率1。超宽带的特点是： 带宽极宽；传输速率高，达

51、到了100500Mbit/s，发射功率低，功耗小；保密性强；定位精度高，主要应用在高分辨率、较小范围、能够穿透墙壁、地面等障碍物的雷达和图像系统中；不过由于其极大的带宽，会对其他无线通信系统产生干扰。在军用方面，用于UWB雷达、预警机、舰船、探测雷达、检测地下埋藏的军事目标及以叶簇伪装的物体等领域；2002年准予其用于民用生产，主要是在地质探测及穿透障碍物的传感器、汽车防撞传感器、家电及其他设备之间的无线数据传输；UWB可进行直接的基带传输，使得设备功耗小、成本低，适用于便携式无线应用，可用于数字电视、家庭影院、DVD机、投影机、数码相机、机顶盒等家用电器设备之间的数据传输;通过UWB组建的无

52、线个人局域网使得无线局域网与无线个域网可以互联接入。1,8,9,10,118.5 ZigBee紫蜂ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层执行IEEE802.15.4标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层由具体的用户需要进行研发。主要用于构建无线个域网和无线传感网络。据IEEE802.15.4标准，ZigBee工作频段有三个：欧盟的868MHz，美国的915MHz和2.4MHz。其中2.4MHz是ISM全球通用免执照频段；三个频段上的数据传输速率分别为为40kbit/s、20kbit/s、250kbit/s。“Zigbee”源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“Zi

53、gZag”形舞蹈来相互告知，达到交换信息目的。ZigBee技术致力于提供一种廉价、便携及提供设备使用的低复杂、低功耗和低速率的技术，它的特点如下：低功耗，工作状态下，传输速率低、数据量小，收发时间短，一般处于休眠状态，两节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。低成本，传输速率低、标准协议简单且免收专利费，现在ZigBee芯片价格一般低于15元。低速率，ZigBee工作在250kbps的通信速率，满足低速率传输数据的应用需求。短距离，在相邻节点之间传输距离一般在10100m之间。网络容量大,ZigBee可采用星状（Star）、片状（Mesh）和网状网络（Cluster Tree）结构

54、，一个主节点至多管理254个子节点；主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。时延短，ZigBee的响应速度比较快，一般从睡眠转换为工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步减少了电能的消耗，而Bluetooth需要310 s，而Wi-FI需要3 s。高安全，ZigBee有3级安全性选择，即无安全设定方式、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据和采用高级加密标准（基于128位AES算法的安全软件）的对称密码，以灵活确定其安全属性及可支持简单设备。1，8ZigBee技术具有的上述优点，使得ZigBee技术具有广阔的的发展空间，到目前为止，ZigBee技

55、术的应用范围有无线数传、无线传感器网络、无线实时定位、射频识别、数字家庭、安全监视、无线键盘、无线遥控器、无线抄表、汽车电子、医疗电子、消费类电子、工业自动化等方面。具体应用如表10：1，17应用领域设备家庭及楼宇自动化照明、空调、窗帘等设备的远程监控消费类电子产品电视、录像机、DVD机及CD机等的远程遥控PC外接无线键盘、鼠标及游戏操纵杆等工业各类监控器、传感器的自动化控制农业收集土壤信息及气候信息医疗医疗传感器、老年人的紧急呼叫按钮等玩具及游戏产品电子宠物、游戏垫等军事应用在友军人员及装备上加装传感器以识别、监控战场环境应用监控空气污染、水污染及土壤污染等其他车辆追踪及控制；监控大型商品及车辆等表108.6 射频识别技术（Radio Frequency Identification,R