現(xiàn)代通信技術基礎及應用- 課件 第5章 無線通信

《現(xiàn)代通信技術基礎及應用》第五章無線通信第九章無線通信12345無線通信概述無線通信的關鍵技術微波通信衛(wèi)星通信無線接入6無線通信案例7實訓項目理解無線傳播的基本特性掌握天線及無線信道的基本概念認識無線通信的關鍵技術認識微波通信技術及其應用認識衛(wèi)星通信技術及其應用了解無線接入技術及其應用充分利用資源，愛護資源，由此認識到綠水青山就是金山銀山；樹立創(chuàng)新意識；搶占先機，科技是第一生產(chǎn)力；培養(yǎng)學生細心，全面思考的良好習慣；樹立憂患意識，防范于未然。本章學習重點本章素養(yǎng)目標5本章摘要5.1.1無線通信發(fā)展概述世界上第一次無線電話對話出現(xiàn)在1880年，當時使用的是光電話，由亞歷山大·格拉漢姆·貝爾及查爾斯·薩姆納·天特發(fā)明，并且申請專利。光電話借由調(diào)變的光束來傳遞語音訊號。他們的發(fā)明在當時看來并沒有實用價值，而且通話的效果還會受到陽光及天氣的限制。光電話和自由空間光通信系統(tǒng)一樣，在傳送器及發(fā)射器之間不能有阻隔光束的物體。數(shù)十年后，光電話才應用到了軍事通訊領域。戴維·E·休斯在1878年利用發(fā)射器傳送無線電達數(shù)百米遠。當時馬克士威的電磁理論還不為世人周知，因而當代的科學家將此發(fā)明視為感應的結(jié)果。1885年湯瑪斯·愛迪生利用振動器磁鐵來作為感應的傳輸，在1888年時愛迪生布署了哈伊谷鐵路的信號傳輸系統(tǒng)，在1891年獲得使用電感的無線電專利。1888年時海因里?！ず掌澱故玖穗姶挪ǖ拇嬖?，這成了后來大部分無線科技的基礎。赫茲證明了電磁波在空間中會沿直線前進，可以被實驗設備所接收，不過他沒有繼續(xù)進行其他相關的實驗。賈格迪什·錢德拉·博斯當時開發(fā)了一個早期的無線電偵測設備，也有助于了解波長在數(shù)厘米內(nèi)的電磁波特性?！盁o線”一開始是指無線電的接收器，或稱為收發(fā)器，早在無線電報時代就已應用過類似設備。現(xiàn)在“無線”一詞是指現(xiàn)代的無線通訊，例如蜂窩式網(wǎng)絡以及無線寬頻通訊，無線一詞也泛指任何一種不需要電線即可進行的應用，例如“無線遙控”、“無線能量轉(zhuǎn)換”，而不去區(qū)分實際應用的技術是無線電、紅外線或是超音波。

古列爾莫·馬可尼和卡爾·布勞恩因為在無線電報上的貢獻，獲得1909年的諾貝爾物理獎。5.1.2無線傳播的基本特性對于無線通信來說，一個重要的特點是無線電波只能攜帶模擬信號，所以若想用無線電波來運載數(shù)字數(shù)據(jù)，必須先通過調(diào)制將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號。無線通信特殊的地方在于其信道傳輸特性，無線信道的基本特征如下（1） 帶寬有限。帶寬取決于可使用的頻率資源和信道的傳播特性（2） 干擾和噪聲影響大。由無線通信工作的電磁波特性決定（3） 在移動通信中存在多徑衰落。在移動環(huán)境下，接收信號起伏變化自由空間指理想的空間，電磁傳播不發(fā)生反射、折射、繞射、散射和吸收現(xiàn)象，只存在電磁波能量擴散而引起的傳播損耗。無線電波在自由空間中的傳播速度與光速相同，約為3×10^8m/s。同時接收信號的功率與距離的平方及頻率的平方成反比關系。自由空間中的傳播路徑損耗可由如下公式計算：L(dB)=32.45+20lg?f+20lgd其中，f為工作頻率(單位為MHz)，d為收發(fā)天線距離(單位為km)。1．電波的自由空間傳播5.1.2（1）反射。當電磁波波長遠小于遇到的物體時會發(fā)生反射，反射會產(chǎn)生多徑衰落（2）繞射。當電磁波傳播路徑被尖刺的邊緣阻擋時會發(fā)生繞射。（3）散射。當電磁波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個數(shù)非常巨大時，發(fā)生散射。2.電磁信號在無線信道中傳播的基本傳播方式無線傳播的基本特性電波的地球表面?zhèn)鞑ヅc自由空間傳播明顯的區(qū)別在于：地面?zhèn)鞑サ姆秶３Ｊ艿降仄矫娴南拗?，信號從地球本身反射回來，且傳播路徑上存在各種各樣的障礙物。電波的地球表面波傳播如圖所示。（1）視距傳播（2）多徑傳播（3）移動環(huán)境3．電波的地面?zhèn)鞑?.1.2無線傳播的基本特性無線電波在傳播過程中，會受到大尺度衰落和小尺度衰落的影響（1）大尺度衰落大尺度衰落描述的是發(fā)射機與接收機之間長距離上的場強變化。也稱為慢衰落。慢衰落的信號衰落緩慢，其主要包括路徑損耗和陰影衰落。（2）小尺度衰落小尺度衰落也稱為快衰落，描述的是信號在小尺度區(qū)間的傳播過程中，信號的幅度、相位和場強瞬時值的快速變化特性，主要由多徑傳播和多普勒頻移引起。4．電波的衰落5.1.2無線傳播的基本特性5.1.3無線通信的頻率資源頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途3Hz～30kHz104～108m基低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導航、時標30～300kHz103～104m低頻LF有線線對長波無線電導航、信標、電力線通信300kHz～3MHz102～103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電30～30MHz10～102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播、定點軍用通信、業(yè)余無線電30～300MHz1～10m甚高頻VH同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導航300MHz～3GHz10～100cm特高頻UHF波導分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達3～30GHz1～10cm超高頻SHF波導厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達30～300GHz1～10mm極高頻EHF波導毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學107～108GHz3×10-5～3×10-4cm紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信在發(fā)射端通過發(fā)射天線將射頻電信號轉(zhuǎn)換成電磁波在自由空間中進行傳輸，相應地在接收端通過接收天線將電磁波轉(zhuǎn)換回射頻電信號。（1）發(fā)射天線負責將調(diào)制器發(fā)來的電信號轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去。（2）接收天線負責將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換回電信號發(fā)送給解調(diào)器。1．天線的作用5.1.4天線技術天線的類型、位置及參數(shù)選擇設置不當，會直接影響通信質(zhì)量。（1）天線方向性發(fā)射天線除了將電信號轉(zhuǎn)換為電磁波的功能外，還具有向所需方向輻射的功能，即天線的方向性。天線根據(jù)其方向性可分為全向天線和定向天線。（2）天線增益天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的球形輻射單元在空間同一處所產(chǎn)生的信號的功率密度比，其定量描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。2．天線的特性頻分多址系統(tǒng)是基于頻率劃分信道的，為每一個用戶指定了特定的信道，按要求分配給請求服務的用戶，在呼叫過程中，其他用戶不能共享這個頻段。其原理是在FDM的基礎上，將子頻帶（信道）固定分配給用戶，各用戶信號同時傳送，接收端按頻帶提取，實現(xiàn)多址通信。1.頻分多址5.2.1多址技術由于信道資源有線，一個信道往往需要同時傳送多路信號，傳送至多個用戶，這種多用戶如何共用一套資源的方法就是多路復用和多址技術。當分別以傳輸信號的載波頻率不同，存在時間不同、碼型不同和所占空間不同來區(qū)分信道建立多址接入（多用戶）時，分別稱為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）及空分多址（SDMA）。時分多址允許多個用戶在不同的時間片（時隙）來使用相同的頻率。用戶迅速的傳輸，一個接一個，每個用戶使用他們自己的時間片，允許多用戶共享同樣的無線電頻率。\時分多址無保護頻帶，占用頻帶窄，效率高，傳輸質(zhì)量高，保密較好。但同步要求嚴格，必須有精準的定時和同步，技術上較復雜。2．時分多址5.2.1多址技術碼分多址是指利用碼序列相關性實現(xiàn)的多址通信。碼分多址的基本思想是靠不同的地址碼來區(qū)分的地址。每個配有不同的地址碼，用戶所發(fā)射的載波（為同一載波）既受基帶數(shù)字信號調(diào)制，又受地址碼調(diào)制。接收時，只有確知其配給地址碼的接收機，才能解調(diào)出相應的基帶信號，而其他接收機因地址碼不同，無法解調(diào)出信號。劃分是根據(jù)碼型結(jié)構(gòu)不同來實現(xiàn)和識別的。一般選擇偽隨機碼（PN碼）作地址碼。3．碼分多址5.2.1多址技術空分多址(SDMA)，也稱為多光束頻率復用，通過標記不同方位相同頻率的天線光束來進行頻率的復用?；诳臻g角度分隔信道，頻率、時間、碼字共享，利用定向天線或窄波束天線占用不同空間的傳輸媒質(zhì)來分割構(gòu)成不同信道的技術。在電磁波作用范圍以外的空間可以使用相同的頻率，實現(xiàn)頻率的重復使用，充分利用頻率資源。在移動通信中，充分運用了SDMA方式4．空分多址5.2.1多址技術擴頻通信技術在發(fā)端以擴頻編碼進行擴頻調(diào)制，在收端以相關解調(diào)技術接收信息，這一過程使其具有諸多優(yōu)良特性。擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬，頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關，在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。1．擴頻技術概念5.2.2擴頻技術一般采用PN序列作為擴頻序列，擴頻操作就是使用擴頻序列來代替原數(shù)據(jù)序列中的‘1’，用取反的擴頻序列來代替原數(shù)據(jù)序列中的‘0’。常用的擴頻技術主要有三種方法，即直序擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻。實際使用過程中，常采用它們的混合。（1）直序擴頻(DS-SS)（2）跳頻擴頻（FH-SS）（3）跳時擴頻系統(tǒng)(TH-SS)跳時擴頻技術一般與跳頻結(jié)合起來使用，可以一起構(gòu)成一種稱為“時頻跳變”的系統(tǒng)。2．擴頻方法1）可以在物理層實現(xiàn)所有信號的碼片速率一致2）傳輸信息安全，可以使用戶數(shù)據(jù)變得偽隨機，使得破解數(shù)據(jù)變得困難3）可以用作擾碼來區(qū)分同一頻譜上的不同信號，此時可以多個用戶使用相同的頻帶。3．擴頻作用5.2.2擴頻技術解擴是將接收到的擴頻信號與擴頻信號的同步時鐘信號通過相關處理來完成的。解擴的方式與擴頻的方式相對應，可以完全恢復出原來的信號，實現(xiàn)了還原。從能量的角度，擴頻后信號的能量被分散了，解擴后信號的能量再次集中。4．解擴OFDM是多載波數(shù)字調(diào)制技術，它將數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后調(diào)制為射頻信號。不同于常規(guī)的單載波技術，如AM/FM（調(diào)幅/調(diào)頻）在某一時刻只用單一頻率發(fā)送單一信號，OFDM在經(jīng)過特別計算的正交頻率上同時發(fā)送多路高速信號。OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)要求的帶寬要少得多。由于使用無干擾正交載波技術，單個載波間無需保護頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術可動態(tài)分配在子信道上的數(shù)據(jù)，為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調(diào)制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。1．OFDM概念5.2.3正交頻分復用技術在20世紀90年代，OFDM廣泛用于各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL)，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(VDSI)，數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)，數(shù)字視頻廣播(DVB)和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。OFDM在歐洲無線通信應用中被采用，如ETSI標準的數(shù)字音頻廣播（DAB）、陸地數(shù)字視頻廣播（DVB-T）。在美國，OFDM應用于MMDS(多點多信道分布式服務)。WLAN應用標準IEEE802.11a和ETSI(歐洲通信標準委員會)的HiperLAN/2標準同樣采用OFDM作為調(diào)制方式。有線應用也同樣采用了基于OFDM的系統(tǒng)，如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調(diào)制器應用。在物理層采用OFDM的優(yōu)勢在于對窄帶信道簡化均等，高的系統(tǒng)吞吐量和噪聲抑制。2．OFDM的應用5.2.3正交頻分復用技術OFDM結(jié)構(gòu)可根據(jù)OFDM數(shù)據(jù)處理流程分為發(fā)送部分的前向糾錯編碼器、交錯器、星座圖映射、串并轉(zhuǎn)換器及接收部分的反向快速傅里葉變換器、并串轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴插入、整形有限激勵響應過濾器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等模塊。3．OFDM結(jié)構(gòu)4．OFDM技術優(yōu)點5.2.3正交頻分復用技術（1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)；（2）OFDM技術能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化；（3）該技術可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；（4）OFDM技術特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū);（5）OFDM技術的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾;（6）可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。（7）通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力;（8）OFDM技術抗窄帶干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道;（9）可以選用基于IFFT/FFT（快速傅里葉變換）的OFDM實現(xiàn)方法；（10）信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。微波通信，指的是波長在0.1到1米之間的電磁波，其對應頻率范圍在300MHz至3000GHz。使用微波作為載波，攜帶信息，進行中繼通信的方式稱為微波通信。微波按波長不同可分為分米波，厘米波、毫米波及亞毫米波，分別對應于特高頻UHF（0.3～3GHz）、超高頻SHF（3～30GHz）、極高頻EHF（30～300GHz）及至高頻THF（300GHz～3THz），微波中部分頻段常用字母表示。5.3.1微波通信概述代號頻段（GHz）波長（cm）L1-230-15S2-415-7.5C4-87.5-3.75X8-133.75-2.31Ku13-182.31-1.67K18-281.67-1.07Ka28-401.07-0.75由于微波的頻率極高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。同時由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸，如圖所示。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長距離微波通信干線可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。1．微波中繼通信概念5.3.2微波中繼通信概念及組成微波通信系統(tǒng)由發(fā)信機、收信機、天饋線系統(tǒng)、多路復用設備、及用戶終端設備等組成。其中，發(fā)信機由調(diào)制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機由低噪聲放大器、下變頻器，解調(diào)器組成；天饋線系統(tǒng)由饋線、雙工器及天線組成。用戶終端設備把各種信息變換成電信號。多路復用設備則把多個用戶的電信號構(gòu)成共享一個傳輸信道的基帶信號。在發(fā)信機中調(diào)制器把基帶信號調(diào)制到中頻再經(jīng)上變頻變至射頻，也可直接調(diào)制到射頻。微波通信天線一般為強方向性、高效率、高增益的反射面天線。饋線主要采用波導或同軸電纜。在地面接力和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，還需以中繼站或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置。在微波傳輸過程中，有不同類型的微波站。1）終端站：只有1個傳輸方向的微波站。2）中繼站：具有2個傳輸方向，為了解決微波視通問題，需要增加的微波站。分為有源中繼站和無源中繼站兩種。3）樞紐站：具有3個或3個以上傳輸方向，對不同方向的傳輸通道進行轉(zhuǎn)接的微波站，或稱為HUB站。4）分路站：具有2個傳輸方向，因傳輸業(yè)務上下的需要而設立的微波站。2．微波中繼通信系統(tǒng)組成5.3.2微波中繼通信概念及組成微波通信不但總的頻段寬，傳輸容量大，而且其通信設備的通頻帶也可以做得很寬。例如，一個4000MHz的設備，其通頻帶按1%估算，可達40MHz。模擬微波的960路電話總頻譜約為4MHz帶寬。可見，一套微波收發(fā)信設備可傳輸?shù)脑捖窋?shù)是相當多的。所以數(shù)字微波通信設備在選擇適當?shù)恼{(diào)制方式后，可傳輸?shù)脑捖啡萘咳匀皇窍喈敹嗟?。?shù)字微波通信常采用時分復用技術（TDM），早期系統(tǒng)使用準同步數(shù)字序列（PDH）定義的等級進行逐級復接，正交幅度調(diào)制技術（如16QAM、64QAM、256QAM等）的應用，使數(shù)字微波通信系統(tǒng)的傳輸效率大大提高。到了1990年后，出現(xiàn)了容量更大的數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)（采用更多路復用的512QAM、1024QAM等），并出現(xiàn)了基于同步數(shù)字系列（SDH）的系統(tǒng)。微波傳輸也會受到很多外界因素的干擾而衰落，如空間的吸收衰落、散射衰落、多徑產(chǎn)生的K型衰落等，需要使用抗衰落技術降低信號的失真。如自適應均衡、自動發(fā)信功率控制（ATPC）、前向糾錯（FEC）和分集接收技術等。自適應調(diào)制編碼(AMC)在移動通信中得到了廣泛應用，根據(jù)信道質(zhì)量對編碼速率予以調(diào)整，以此來獲取較高的吞吐量。當無線通信速率比較低的時候，信道估計相對準確，AMC的應用效果較好。3．微波中繼通信關鍵技術5.3.2微波中繼通信概念及組成由于微波具有頻率高，頻帶寬，信息量大的特點，所以被廣泛應用于各種通信業(yè)務，包括微波多路通信，微波中繼通信，移動通信和衛(wèi)星通信。目前數(shù)字微波在通信系統(tǒng)的主要應用場合如下。1）干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a充2）城市內(nèi)的短距離支線連接3）無線寬帶業(yè)務接入5.3.3微波技術的業(yè)務應用衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括通信和保障通信的全部設備。一般由空間分系統(tǒng)、通信地球站、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四部分組成。（1）跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)（2）監(jiān)控管理分系統(tǒng)（3）空間分系統(tǒng)(通信衛(wèi)星)（4）通信地球站1．衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成5.4.1衛(wèi)星通信概述（1）按照通信范圍區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為國際通信衛(wèi)星、區(qū)域性通信衛(wèi)星、國內(nèi)通信衛(wèi)星。（2）按照用途區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為綜合業(yè)務通信衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星、海事通信衛(wèi)星、電視直播衛(wèi)星等。（3）按照轉(zhuǎn)發(fā)能力區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以分為無星上處理能力衛(wèi)星、有星上處理能力衛(wèi)星。2．衛(wèi)星通信系統(tǒng)分類5.4.1衛(wèi)星通信概述（1）下行廣播，覆蓋范圍廣（2）工作頻帶寬（3）通信質(zhì)量好（4）網(wǎng)絡建設速度快、維護費用低（5）信號傳輸時延大（6）控制復雜3．衛(wèi)星通信特點按照工作軌道區(qū)分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般分為低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（LEO）、中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（MEO）及高軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（GEO）三類（1）低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)(LEO)（2）中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)(MEO)（3）高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)(GEO)即同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)目前，同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要用于VSAT系統(tǒng)（甚小口徑終端）、電視信號轉(zhuǎn)發(fā)等，較少用于個人通信。1．衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成5.4.2衛(wèi)星運動軌道衛(wèi)星通信的多址聯(lián)接指同一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以聯(lián)接多個地球站，多址技術是根據(jù)信號的特征來分割信號和識別信號，信號通常具有頻率、時間、空間等特征。衛(wèi)星通信常用的多址聯(lián)接方式有頻分多址聯(lián)接（FDMA）、時分多址聯(lián)接（TDMA）、碼分多址聯(lián)接（CDMA）和空分多址聯(lián)接（SDMA），另外頻率再用技術也是一種多址方式。在微波頻帶，整個通信衛(wèi)星的工作頻帶約有500MHz寬度，為了便于放大和發(fā)射及減少變調(diào)干擾，一般在衛(wèi)星上設置若干個轉(zhuǎn)發(fā)器。每個轉(zhuǎn)發(fā)器的工作頻帶寬度為36MHz或72MHz，衛(wèi)星通信多采用頻分多址技術，不同的地球站占用不同的頻率，即采用不同的載波。它對于點對點大容量的通信比較適合。但現(xiàn)已逐漸采用時分多址技術，即每一地球站占用同一頻帶，但占用不同的時隙，相較于頻分多址，時分多址不會產(chǎn)生互調(diào)干擾，不需用上下變頻把各地球站信號分開，適合數(shù)字通信，可根據(jù)業(yè)務量的變化按需分配，可采用數(shù)字話音插空等新技術，使容量增加5倍。另一種多址技術是碼分多址（CDMA），即不同的地球站占用同一頻率和同一時間，但有不同的隨機碼來區(qū)分不同的地址。它采用了擴展頻譜通信技術，具有抗干擾能力強，有較好的保密通信能力，可靈活調(diào)度話路等優(yōu)點。其缺點使頻譜利用率較低。它比較適合于容量小，分布廣，有一定保密要求的系統(tǒng)使用。5.4.3衛(wèi)星通信的多址聯(lián)接固定業(yè)務專用網(wǎng)建設，VSAT未來展望6G業(yè)務，中國“星鏈”事業(yè)衛(wèi)星電視廣播業(yè)務5G+衛(wèi)星+廣播電視+寬帶衛(wèi)星移動通信業(yè)務衛(wèi)星通信業(yè)務應用5.4.4無線接入技術(也稱空中接口)是無線通信的關鍵問題。它是指通過無線介質(zhì)將用戶終端與網(wǎng)絡節(jié)點連接起來,以實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡間的信息傳遞。無線信道傳輸?shù)男盘枒裱欢ǖ膮f(xié)議,這些協(xié)議即構(gòu)成無線接入技術的主要內(nèi)容。無線接入技術與有線接入技術的一個重要區(qū)別在于可以向用戶提供移動接入業(yè)務。無線接入網(wǎng)是指部分或全部采用無線電波這一傳輸媒質(zhì)連接用戶與交換中心的一種接入技術。在通信網(wǎng)中,無線接入系統(tǒng)的定位是本地通信網(wǎng)的一部分,是本地有線通信網(wǎng)的延伸、補充和臨時應急系統(tǒng)。無線接入技術分為固定接入技術和移動接入技術兩大類。固定無線接入（FWA）主要是衛(wèi)固定位置的用戶（或小范圍移動）提供通信服務，其用戶終端包括電話機、仿真機或計算機等。移動接入技術的用戶終端具有較大范圍的移動性。其主要是提供移動用戶和固定用戶之間，以及移動用戶之間的通信服務，其移動用戶終端主要包括手機，平板等可移動的PC端。5.5.1無線接入概述WiFi是一個國際無線局域網(wǎng)（WLAN）標準，全稱為WirelessFidelity，又稱IEEE802.11b標準。WiFi最早是基于IEEE802.11協(xié)議，發(fā)表于1997年，定義了WLAN的MAC層和物理層標準。繼802.11協(xié)議之后，相繼有眾多版本被推出，最典型的是IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n、802.11ac、802.11ax。無線網(wǎng)絡上網(wǎng)可以簡單的理解為無線上網(wǎng)，幾乎所有智能手機、平板電腦和筆記本電腦都支持Wi-Fi上網(wǎng)，是當今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡傳輸技術。其實質(zhì)就是把有線網(wǎng)絡信號轉(zhuǎn)換成無線信號，就如使用無線路由器供支持其技術的相關電腦，手機，平板等接收。手機的Wi-Fi功能，支持有Wi-Fi無線信號時可以不通過移動聯(lián)通的網(wǎng)絡上網(wǎng)，省掉了流量費。目前Wi-Fi技術傳輸?shù)臒o線通信質(zhì)量相對較好，其數(shù)據(jù)安全性能比藍牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進，但傳輸速度非?？?，可以達到54Mbps，符合個人和社會信息化的需求。1．WiFi概念5.5.2WiFi技術一般架設無線網(wǎng)絡的基本配備就是無線網(wǎng)卡及一臺AP，便能以無線的模式，配合既有的有線架構(gòu)來分享網(wǎng)絡資源，架設費用和復雜程度遠遠低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡。如果只是幾臺電腦的對等網(wǎng)，也可不要AP，只需要每臺電腦配備無線網(wǎng)卡。1）基于AP（無線接入點）組建的基礎無線網(wǎng)絡拓補結(jié)構(gòu)2）自主網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡中僅由兩個及以上STA組成，網(wǎng)絡中不存在AP2.WiFi系統(tǒng)組成5.5.2WiFi技術WIFI的協(xié)議架構(gòu)由5層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，由底層到高層分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層。其中數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層（LLC）及介質(zhì)訪問控制子層（MAC）。物理層及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議架構(gòu)由硬件實現(xiàn)，網(wǎng)絡層、傳輸層及應用層由軟件實現(xiàn)。3．協(xié)議架構(gòu)5.5.2WiFi技術隨著最新的802.11ax標準發(fā)布，新的WiFi標準名稱被定義為WiFi6，因為當前的802.11ax是第六代WiFi標準了，WiFi聯(lián)盟從這個標準起，將原來的802.11a/b/g/n/ac之后的ax標準定義為WiFi6，因此也可以將之前的802.11a/b/g/n/ac依次追加為WiFi1/2/3/4/5。WiFi有兩個頻段，為2.4GHz和5GHz頻段，2.4GHz頻段支持802.11b/g/n/ax標準，5GHz頻段支持802.11a/n/ac/ax標準4．WiFi信道5.5.2WiFi技術安全性主要包括兩大部分，一部分為訪問控制，即保證只有授權用戶保證才能訪問敏感數(shù)據(jù)，第二部分為加密，只有正確的接收方才能理解數(shù)據(jù)。1）謹慎使用公共場合的WiFi熱點2）使用公共場合的WiFi熱點時，盡量不要進行網(wǎng)絡購物和網(wǎng)銀的操作3）養(yǎng)成良好的WIFI使用習慣4）高強度密碼5）應安裝安全軟件5．WiFi安全機制及防范藍牙技術支持設備短距離通信（一般在10m內(nèi)）的無線電技術，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用藍牙技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠簡化設備與Internet之間的通信，是一種無線通信技術，使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。藍牙技術是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。其實質(zhì)是為固定設備或移動設備之間的通信環(huán)境建立通用的無線電空中接口（RadioAirInterface），將通信技術與計算機技術進一步結(jié)合起來，使各種3C設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作。簡單的說，藍牙技術是一種利用低功率無線電在各種3C設備間彼此傳輸數(shù)據(jù)的技術。藍牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段，使用IEEE802.15協(xié)議。1.藍牙技術概述5.5.3藍牙技術藍牙技術規(guī)范由1999年的V1.1演進至2023年的V5.4，也稱為藍牙5.4版本。每個規(guī)范版本按通信距離可再分為Class1和Class2：1）Class1：傳輸功率高、傳輸距離遠，但成本高、耗電量大，不適合作為個人通信產(chǎn)品，多用于部分商業(yè)特殊應用場合，通信距離大約在80m~100m之間。2）Class2：目前最流行的制式，通信距離大約在8~30m之間，視產(chǎn)品的設計而定，多用于手機、藍牙耳機、藍牙適配器等個人通信產(chǎn)品，耗電量和體積較小，方便攜帶。藍牙5.4版本的新增特性進一步增強了藍牙無線通信技術的安全性、有助于提升藍牙Mesh網(wǎng)絡及基于GATT的各類藍牙應用的用戶體驗、并將在新特性的基礎上開發(fā)全新藍牙應用規(guī)范。2．藍牙技術規(guī)范5.5.3藍牙技術藍牙的主/從設備通常采用點對點的配對連接方式，主動提出通信要求的設備是主設備（主機），被動進行通信的設備為從設備（從機）。藍牙設備狀態(tài)有兩種主要狀態(tài)，分別為藍牙設備待機和連接，處于連接狀態(tài)的藍牙設備可有激活、保持、呼吸和休眠4種狀態(tài)。藍牙設備在規(guī)定的范圍和數(shù)量限制下，可以自動建立相互之間的聯(lián)系，即對等網(wǎng)絡Ad-hoc。由于網(wǎng)絡中的每臺設備在物理上都是完全相同的，因此又稱為對等網(wǎng)。藍牙采用跳頻擴頻技術（FHSS），指只有匹配接收機知道發(fā)射機的跳頻方式，可以有效排除噪音和其他干擾信號，正確地接收數(shù)據(jù)。由于藍牙采用跳頻擴頻技術，跳頻頻率為1600跳/秒，即每個跳頻點上停留的時間為625us，這625us就是藍牙的一個時隙。藍牙時鐘是藍牙設備內(nèi)部的系統(tǒng)時鐘。3．藍牙技術關鍵5.5.3藍牙技術藍牙協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，遵循開放系統(tǒng)互聯(lián)。4．藍牙協(xié)議架構(gòu)及優(yōu)勢5.5.3藍牙技術1）可全球范圍使用2）同時可傳輸語音和數(shù)據(jù)3）可以建立臨時性的對等連接4）具有很好地抗干擾能力5）藍牙模塊體積很小，便于集成6）低功耗7）開發(fā)的接口標準8）成本低ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE802.15.4標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全，目標是實現(xiàn)類似于蜂群的低功耗、低復雜度、低速率、自組織的短距無線通信網(wǎng)絡，為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之間的低速互連提供統(tǒng)一標準。1．ZigBee技術特點5.5.4zigbee技術1）低功耗：ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW2）低成本3）時延短:典型的搜索設備時延30ms，休眠激活的時延是15ms4）網(wǎng)絡容量大5）可靠6）安全2．ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)5.5.4zigbee技術ZigBee的網(wǎng)絡協(xié)議是分層結(jié)構(gòu)，自下而上主要由四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別是物理層，MAC層，網(wǎng)絡/安全層和應用/支持層。其中應用/支持層與網(wǎng)絡/安全層由Zigbee聯(lián)盟定義，而MAC層和物理層由IEEE802.15.4協(xié)議定義。1）物理層：作為Zigbee協(xié)議結(jié)構(gòu)的最低層，提供了最基礎的服務，為上一層MAC層提供了服務，如數(shù)據(jù)的接口等等。同時也起到了與現(xiàn)實（物理）世界交互的作用；2）MAC層：負責不同設備之間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立，維護，結(jié)束，確認的數(shù)據(jù)傳送和接收；3）網(wǎng)絡/安全層：保證了數(shù)據(jù)的傳輸和完整性，同時可對數(shù)據(jù)進行加密；4）應用/支持層：根據(jù)設計目的和需求使多個器件之間進行通信。3．ZigBee應用5.5.4zigbee技術（1）智能抄表3．ZigBee應用5.5.4zigbee技術（2）家庭自動化組網(wǎng)5.6無線通信案例案例：數(shù)字無線通信系統(tǒng)在鐵路公安的應用。鐵路公安是鐵路系統(tǒng)的重要部門之一，主要負責鐵路系統(tǒng)的治安、保衛(wèi)等，實施警察職能的單位。模擬常規(guī)通信系統(tǒng)的應用，提高了鐵路公安的工作效率與應對突發(fā)事件的能力。但隨著無線通信系統(tǒng)的多元化發(fā)展，模擬系統(tǒng)技術落后、覆蓋范圍小、干擾嚴重等問題日益凸顯，嚴重制約了鐵路公安的日常工作，尤其對于西部區(qū)域，地域廣闊，活動頻繁，對鐵路的管理指揮能力提出了更為嚴峻的考驗。因此，構(gòu)建一套大型、綜合的數(shù)字無線通信指揮系統(tǒng)，對鐵路公安工作的順利開展具有里程碑的意義。5.6.2項目需求某鐵路公安局下轄4個直屬鐵路公安處，40余個鐵路沿線車站派出所，覆蓋范圍廣、通信盲區(qū)多、語音不清晰、無法做到統(tǒng)一調(diào)度指揮等多重問題，一直阻礙著鐵路公安的順暢運作與發(fā)展。構(gòu)建低投入、管轄范圍全覆蓋并成功實現(xiàn)梯度指揮調(diào)度的綜合系統(tǒng)，是實現(xiàn)該局鐵路公安綜合調(diào)度、密保性管理、時效性強工作需求的有力舉措。（1）多區(qū)域無線覆蓋需要完成鐵路工作區(qū)域的全覆蓋；實現(xiàn)1個局中心、4個直屬鐵路公安處，40個車站派出所的系統(tǒng)分級調(diào)度管理；實現(xiàn)全網(wǎng)互聯(lián)互通。（2）沿線巡線干警通信的互聯(lián)各鐵路干線執(zhí)勤巡視人員，實現(xiàn)與直屬鐵路公安處調(diào)度中心的互通互聯(lián)。（3）應急事件處理實現(xiàn)一對一，一對多、強插等呼叫功能，實現(xiàn)應急信息的及時、準確傳遞。（4）GPS定位精準定位呼叫信息、并在調(diào)度中心顯示，實現(xiàn)每個終端用戶瞬時響應的準確定位與追蹤。5.6.3項目解決方案系統(tǒng)由中央交換控制服務器、數(shù)字基站、有線調(diào)度臺和數(shù)據(jù)服務器組成，通過鐵路公安局和4個鐵路公安處分別設置調(diào)度指揮系統(tǒng)、鐵路公安管理部門區(qū)域分別建設數(shù)字通信基站、40個派出所分別建設數(shù)字通信基站，完成鐵路公安工作區(qū)域的無線通信覆蓋、實現(xiàn)對講機在全局各基站信號覆蓋范圍內(nèi)的自動漫游并解決無線通訊覆蓋范圍內(nèi)的人為及非人為干擾問題。（1）解決無線通信覆蓋問題（2）在鐵路公安管理區(qū)域和40個沿線派出所新建數(shù)字基站（3）提供數(shù)字化的語音通信服務（4）全面提高無線通訊的使用及管理水平5.6.4項目優(yōu)勢及成效（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器采用專業(yè)的工業(yè)控制計算機，通過網(wǎng)絡接入系統(tǒng),實現(xiàn)鐵路全網(wǎng)覆蓋的同時，實時存儲系統(tǒng)語音、數(shù)據(jù)、狀態(tài)及鐵路移動性管理等信息，便于鐵路案件追蹤與數(shù)據(jù)的查詢。（2）對系統(tǒng)網(wǎng)絡信息進行集中交換、控制管理，并對系統(tǒng)內(nèi)的終端用戶進行集中管理、監(jiān)控與準確定位。（3）系統(tǒng)數(shù)字終端可采用MOTOTRBO系統(tǒng)任意型號的終端，無需進行任何改裝即可加入系統(tǒng)使用，充分利用現(xiàn)有設備，低投資完成升級。（4）系統(tǒng)可根據(jù)分級調(diào)度需要，將用戶分成不同的呼叫小組，可實現(xiàn)組內(nèi)的一呼百應，組間的獨立通信，或使用數(shù)字全呼功能實現(xiàn)全網(wǎng)用戶的一呼百應，滿足鐵路公安私密性、緊急性、即時性的行業(yè)特點應用。（5）系統(tǒng)采用IPV4架構(gòu)，預留網(wǎng)絡接口，具備平滑的擴容能力，能夠滿足系統(tǒng)未來擴容和發(fā)展的需要。系統(tǒng)的組網(wǎng)模式和技術解決了目前模擬常規(guī)和數(shù)字常規(guī)的諸多問題，能夠有效擴大無線通信覆蓋率，增加用戶容量，提供集中交換、控制的功能應用，完全兼容用戶方現(xiàn)有數(shù)字產(chǎn)品設備，系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，可以靈活方便的組建臨時基站和延伸基站，全面提高鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)的管理和調(diào)度能力。5.7實訓項目1.目的要求：（1）根據(jù)無線技術特點及產(chǎn)品特性掌握智能設備的網(wǎng)絡接入技術；（2）查找相關的智能產(chǎn)品（包括組網(wǎng)產(chǎn)品及智能家居產(chǎn)品），了解產(chǎn)品特性，盡可能多的選擇合適的智能家居產(chǎn)品進行組網(wǎng)；（3）組網(wǎng)方案符合實際，保證每一個智能產(chǎn)品能正常入網(wǎng)。（4）使用CAD繪制該房子組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)；（5）盡可能設置場景，結(jié)合生活實際，說明智能家居聯(lián)動場景。2.實施過程（1）尋找案例：可以通過網(wǎng)絡尋找相關案例（2）分析案例1）確定房子格局，說明房間面積，了解路由器、網(wǎng)關等入網(wǎng)實訓:智能家居組網(wǎng)方案設備（相關產(chǎn)品參數(shù)及詳情說明）的覆蓋范圍，為確保信號覆蓋，查找實際組網(wǎng)方案，確定網(wǎng)絡接入設備合適的布網(wǎng)位置。2）根據(jù)房間特性及實際使用，為每一個房間盡可能多且實用的添加智能設備產(chǎn)品，通過了解產(chǎn)品詳情及參數(shù)，保證其能成功入網(wǎng)（組網(wǎng)方案拓撲結(jié)構(gòu)里說明接入技術，若接入WIFI，需特別說明使用5G頻段的產(chǎn)品），并分析生活實際，圖文描述多產(chǎn)品多場景的聯(lián)動效果（3）提交組網(wǎng)CAD圖設計，按以上要求撰寫實驗報告，要求能詳細并切合實際的說明智能家居組網(wǎng)方案。5.8本章小結(jié)序號知識點內(nèi)容1無線通信無線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無線電波，它傳送的距離一般只有幾十千米，但微波的頻帶很寬，通信容量很大。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立微波通信聯(lián)系。2自由空間的傳播損耗自由空間的傳播損耗是指球面波在傳播過程中，隨著傳播距離的增