无线通信频谱与主流技术课件

无线数据通信技术概述《典型无线传输技术应用》课程教学资源无线数据通信技术概述《典型无线传输技术应用》课程教学资源第一节

无线传输技术概述

第二节

无线传输技术的发展第三节

无线传输技术面临的主要问题第四节

各种常用的短距离无线通信技术

《典型无线传输技术应用》课程教学资源第一节无线传输技术概述《典型无线传输技术应用》课第一节无线传输技术概述一、通信的发展二、通信的方式

单工、半双工、全双工三、无线通信的概念

利用电磁波可以在空间中传播实现空间中的信息交换。9/13/2023第一节无线传输技术概述一、通信的发展8/3/2023第一节无线传输技术概述四、无线通信网

通信的基本形式是点对点之间建立通信系统。

无线通信网是将许多的通信系统通过交换系统按照一定的拓扑结构组合在一起。

无线通信网构成要素有四：

①用户终端（硬件）

②传输线路（硬件）

③交换设备（硬件）

④通信协议和标准（软件）9/13/2023第一节无线传输技术概述四、无线通信网8/3/2023第一节无线传输技术概述五、无线通信频谱与主流技术1、频谱9/13/2023波段名称波长范围频率范围频段名称主要用途超长波100~10km3~30kHz甚低频（VLF）语音，电话和数据传送长波（LW）10~1km30~300kHz低频（LF）海上船舶通信，海上导航中波（MW）1000~100m0.3~3MHz中频（MF）中波广播，业余无线电通信短波（SW）100~10m3~30MHz高频（HF）短波广播军事通信和业余无线电通信超短波（米波）10~1m30~300MHz甚高频（VHF）中继通信，电视，调频广播和外空间费孝通通信微波100~10cm0.3~3GHz特高频（UHF）电视，雷达，导航，移动通信，蓝牙技术和空间遥控10~1cm3~30GHz超高频（SHF）数字通信，微波接力，雷达，卫星和空间通信10~1mm30~300GHz极高频（EHF）第一节无线传输技术概述五、无线通信频谱与主流技术8/3第一节无线传输技术概述2、无线通信的主流技术PAN（PersonalAreaNetwork，个人局域网）：射频识别（RFID）、蓝牙（Bluetooth）、超宽带（UWB）等。LAN（LocalAreaNetwork，局域网）：Wi-Fi、ZigBee（802.11x）、DECT（无绳电话）等。MAN（MetropolitanAreaNetwork，城域网）：Wi-MAX（802.16x）等。WAN（WideAreaNetwork，广域网）：2G、3G、4G等9/13/2023第一节无线传输技术概述2、无线通信的主流技术8/3/2第一节无线传输技术概述六、短距离无线通信1.什么是短距离无线通信？短距离无线通信并没有一个严格的定义。一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，单跳传输距离限制在较短（通常最远为数百米）的范围内，就可以称为短距离无线通信。9/13/2023第一节无线传输技术概述六、短距离无线通信8/3/202第一节无线传输技术概述典型的短距离无线通信技术包括无线个域网和无线传感器网络。无线个域网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）如Bluetooth（IEEE802.15.1）、UWB（IEEE802.15.3）、ZigBee（IEEE802.15.4）等无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）当前以ZigBee为代表。9/13/2023第一节无线传输技术概述典型的短距离无线通信技术包括无线第一节无线通信技术概述短距离无线通信技术的特征：（1）无线发射功率在

W到100mW量级。（2）通信距离在几厘米到几百米。（3）使用全向天线和线路板天线。（4）应用场景众多，特别是频率资源稀缺情况。（5）不需要申请频率资源使用许可证（ISM，CR等）。（6）无中心，自组网。（7）电池供电。9/13/2023第一节无线通信技术概述短距离无线通信技术的特征：8/3第二节无线通信技术发展无线通信技术发展到今天大约经历了以下几个阶段：第一阶段为20年代初至50年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该段末期才出现150MHZVHF单工汽车公用移动电话系统MTS。第二阶段为50年代到60年代，此时频段扩展至UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为70年代初至80年代初频段扩展至800MHZ，美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。9/13/2023第二节无线通信技术发展无线通信技术发展到今天大约经历了以下10第二节无线通信技术发展

第四阶段为80年代初至90年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进；此时出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS等各类系统与业务运行，频段扩展至900MHZ~1.9GHZ，而且除公众蜂窝电话通信系统外，无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统、无中心多信道选址移动通信系统等各类移动通信手段适应用户市场需求同时兴起并各显神通。

第五阶段为90年代中至今，随着数据通信与移动多媒体IP业务需求的发展，第三代移动通信投入全面应用，定位于宽带多媒体业务的第四代移动通信开始兴起，包括从第三代至第四代移动通信的平滑过渡在内。9/13/2023第二节无线通信技术发展第四阶段为80年代初至11第二节无线通信技术发展无线通信技术的演进：9/13/2023图1-1-5无线通信技术演进路径第二节无线通信技术发展无线通信技术的演进：8/3/202312第二节无线传输技术的发展无线传输技术的发展趋势：（1）网络覆盖的无缝化，即用户在任何时间、任何地点都能实现网络的接入，也有人把这称作网络的泛在化。（2）宽带化是未来通信发展的一个必然趋势，窄带的、低速的网络会逐渐被宽带网络所取代。（3）融合趋势明显加快，包括：技术融合、网络融合、业务融合、接入融合。（4）数据速率越来越高，无论是上行还是下行速度都在不断提高，频谱带宽越来越宽，频段也越来越高。（5）业务内容更加多样化，这是离不开速率和带宽的提高的，无线通信经历了从仅支持单一语音业务逐渐发展到支持语音、数据、图像等多种媒体流业务的历程。（6）绿色无线通信。9/13/2023第二节无线传输技术的发展无线传输技术的发展趋势：8/3/13第三节无线传输技术面临的主要问题一、无线信号衰落

无线数据传输技术面临的问题首先是衰落现象，由于多径衰落的小尺度效应，以及诸如由距离衰减引起的路径损耗和障碍物引起的阴影等大尺度效应，导致信道的时变特性增强。对于无阻挡传输，引起微波空间传输电平衰耗和衰落的主要是因为自由空间传播衰耗、降水衰落、大气吸收衰落、反射衰落、波导型衰落、闪烁衰落。比较而言，GSM和GPRS网络算是比较稳定的，信号衰落最小，面Zigbee技术和3G技术则表现的相对明显。9/13/2023第三节无线传输技术面临的主要问题一、无线信号衰落8/3/2二、无线信号干扰

与有线传输中各发射机一接收机对通常看成相互隔离的点对点链路不同，无线用户是在空中进行数据传输，因此彼此之间存在严重的干扰。这里所说的干扰可以是与同一台接收机数据传输的发射机之间的干扰（例如蜂窝系统的上行链路），也可以是一台发射机发送给多台接收机的信号之间的干扰（例如蜂窝系统的下行链路），还可以是不同发射机一接收机对之间的干扰（例如不同小区中用户之间的干扰）。这一点对于工作于2.4GHZ频段的无线数据传输技术来说体现得尤为深刻，Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、无线USB都处于同一频段，这些技术的电磁兼容问题日益凸显，信号干扰强度大。9/13/2023第三节无线传输技术面临的主要问题二、无线信号干扰8/3/2023第三节无线传输技术面临的主第三节无线传输技术面临的主要问题三、无线传输数据安全四、数据带宽

显然，带宽问题，无线网络带宽远不如有线网络。在有线网络系统中，视频监控系统可用带宽很轻易达到70Mb/s至700Mb/s之间。而在无线网络系统中，通常的带宽不会高于5Mb/s至25Mb/s之间。9/13/2023第三节无线传输技术面临的主要问题三、无线传输数据安全8/3五、无线电频谱有效利用

无线电频谱资源作为宝贵的资源，在近几年引起全球的高度重视，这是由于无线电频谱资源利用的问题越来越突出，整体频谱利用效率低，频谱需求和供应间矛盾日益突出。当前人们对频谱的认识还存在一些误区，而旧的频谱利用技术不能满足通信行业对频谱资源的迫切要求。9/13/2023第三节无线传输技术面临的主要问题五、无线电频谱有效利用8/3/2023第三节无线传输技术面9/13/2023第四节各种常用的短距离无线通信技术

一、Wi-Fi技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

Wi-Fi俗称无线宽带（中国电信将CDMA1X/3G也称为无线宽带）。所谓Wi-Fi，其实就是IEEE802.11b的别称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（WirelessEthernetCompatibilityAlliance,WECA）的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随著技术的发展，以及IEEE802.11a及IEEE802.11g等标准的出现，现在IEEE802.11这个标准已被统称作Wi-Fi。8/3/2023第四节各种常用的短距离无线通信技术一、W9/13/2023二、蓝牙技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

所谓蓝牙技术，实际上是一种短距离无线通信技术，它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝牙系统一般由无线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。蓝牙的传输距离为10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外设可达到100m的传输距离。它采用2.4GHzISM频段和调频、跳频技术，使用权向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以面世以来得到了广泛的应用。

第四节各种常用的短距离无线通信技术

8/3/2023二、蓝牙技术第四节各种常用的短距离无9/13/2023三、ZigBee技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE无线个人区域网工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。ZigBee并不仅仅只是802.15.4的名称，IEEE只处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。第四节各种常用的短距离无线通信技术

8/3/2023三、ZigBee技术第四节各种常用9/13/2023三、ZigBee技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

ZigBee技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器），间歇性数据（如照明控制）和重复低反应时间数据（如鼠标）。其目标功能是自动化控制，它采用跳频技术，使用的频段分别为2.4GHz(ISM)、868MHz(欧洲)及915MHz（美国）。而且均为免执照频段，有效覆盖范围10～75m。当网络速率降低到28kb/s时，传输范围甚至可以扩大到134m，具有更高的可靠性。

第四节各种常用的短距离无线通信技术

8/3/2023三、ZigBee技术第四节各种常用9/13/2023四、IrDA技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

IrDA技术即IrDA红外线数据技术。红外通讯，顾名思义，就是通过红外线传输数据。在电脑技术发展早期，数据都是通过蓝牙、802.11等无线数据传输技术。在红外通讯技术发展早期，存在好几个红外通讯标准，不同标准之间的红外设备不能进行红外通讯。为了使各种红外设备能够互联互通，1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会(IrDA)，统一了红外通讯的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通讯协议及规范。IrDA即红外数据协会，全称TheInfraredDataAssociation，是1993年6月成立的一个国际性组织，专司制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式。由于标准的统一和应用的广泛，更多的公司开始开发和生产IrDA模块，技术的进步也使得IrDA模块的集成越来越高，体积也越来越小。IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率，而IrDA1.1可以支持的通信速率达到4Mbps。

第四节各种常用的短距离无线通信技术

8/3/2023四、IrDA技术第四节各种常用的短距离9/13/2023四、IrDA技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

IrDA数据通信按发送速率分为三大类：SIR、MIR和FIR。串行红外（SIR）的速率覆盖了RS-232端口通常支持的速率（9600b/s～115.2kb/s）。MIR可支持0.576Mb/s和1.152Mb/s的速率；高速红外（FIR）通常用于4Mb/s的速率，有时也可用于高于S1R的所有速率。IrDA提出了对工作距离、工作角度（视角）、光功率、数据速率不同品牌设备互联时抗干扰能力的建议。当前红外通讯距离最长为3米，接收角度为30度。第四节各种常用的短距离无线通信技术

8/3/2023四、IrDA技术第四节各种常用的短距离9/13/2023五、NFC技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

NFC（Near

Field

Communication，近距离无线传输）是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接。在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。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，不用再听到各种电子杂音。NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。

第四节各种常用的短距离无线通信技术

8/3/2023五、NFC技术第四节各种常用的短距离9/13/2023五、NFC技术

第四节各种常用的短距离无线通信技术

NFC有三种应用类型：

◆

设备连接。除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。

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实时预定。比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且，这些芯片无需独立的能源。

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移动商务。飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率