無線通信頻譜與主流技術(shù)課件

無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)概述《典型無線傳輸技術(shù)應(yīng)用》課程教學(xué)資源無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)概述《典型無線傳輸技術(shù)應(yīng)用》課程教學(xué)資源第一節(jié)

無線傳輸技術(shù)概述

第二節(jié)

無線傳輸技術(shù)的發(fā)展第三節(jié)

無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題第四節(jié)

各種常用的短距離無線通信技術(shù)

《典型無線傳輸技術(shù)應(yīng)用》課程教學(xué)資源第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述《典型無線傳輸技術(shù)應(yīng)用》課第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述一、通信的發(fā)展二、通信的方式

單工、半雙工、全雙工三、無線通信的概念

利用電磁波可以在空間中傳播實現(xiàn)空間中的信息交換。9/21/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述一、通信的發(fā)展8/6/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述四、無線通信網(wǎng)

通信的基本形式是點對點之間建立通信系統(tǒng)。

無線通信網(wǎng)是將許多的通信系統(tǒng)通過交換系統(tǒng)按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起。

無線通信網(wǎng)構(gòu)成要素有四：

①用戶終端（硬件）

②傳輸線路（硬件）

③交換設(shè)備（硬件）

④通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)（軟件）9/21/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述四、無線通信網(wǎng)8/6/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述五、無線通信頻譜與主流技術(shù)1、頻譜9/21/2023波段名稱波長范圍頻率范圍頻段名稱主要用途超長波100~10km3~30kHz甚低頻（VLF）語音，電話和數(shù)據(jù)傳送長波（LW）10~1km30~300kHz低頻（LF）海上船舶通信，海上導(dǎo)航中波（MW）1000~100m0.3~3MHz中頻（MF）中波廣播，業(yè)余無線電通信短波（SW）100~10m3~30MHz高頻（HF）短波廣播軍事通信和業(yè)余無線電通信超短波（米波）10~1m30~300MHz甚高頻（VHF）中繼通信，電視，調(diào)頻廣播和外空間費孝通通信微波100~10cm0.3~3GHz特高頻（UHF）電視，雷達(dá)，導(dǎo)航，移動通信，藍(lán)牙技術(shù)和空間遙控10~1cm3~30GHz超高頻（SHF）數(shù)字通信，微波接力，雷達(dá)，衛(wèi)星和空間通信10~1mm30~300GHz極高頻（EHF）第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述五、無線通信頻譜與主流技術(shù)8/6第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述2、無線通信的主流技術(shù)PAN（PersonalAreaNetwork，個人局域網(wǎng)）：射頻識別（RFID）、藍(lán)牙（Bluetooth）、超寬帶（UWB）等。LAN（LocalAreaNetwork，局域網(wǎng)）：Wi-Fi、ZigBee（802.11x）、DECT（無繩電話）等。MAN（MetropolitanAreaNetwork，城域網(wǎng)）：Wi-MAX（802.16x）等。WAN（WideAreaNetwork，廣域網(wǎng)）：2G、3G、4G等9/21/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述2、無線通信的主流技術(shù)8/6/2第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述六、短距離無線通信1.什么是短距離無線通信？短距離無線通信并沒有一個嚴(yán)格的定義。一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，單跳傳輸距離限制在較短（通常最遠(yuǎn)為數(shù)百米）的范圍內(nèi)，就可以稱為短距離無線通信。9/21/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述六、短距離無線通信8/6/202第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述典型的短距離無線通信技術(shù)包括無線個域網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線個域網(wǎng)（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）如Bluetooth（IEEE802.15.1）、UWB（IEEE802.15.3）、ZigBee（IEEE802.15.4）等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，WirelessSensorNetwork）當(dāng)前以ZigBee為代表。9/21/2023第一節(jié)無線傳輸技術(shù)概述典型的短距離無線通信技術(shù)包括無線第一節(jié)無線通信技術(shù)概述短距離無線通信技術(shù)的特征：（1）無線發(fā)射功率在

W到100mW量級。（2）通信距離在幾厘米到幾百米。（3）使用全向天線和線路板天線。（4）應(yīng)用場景眾多，特別是頻率資源稀缺情況。（5）不需要申請頻率資源使用許可證（ISM，CR等）。（6）無中心，自組網(wǎng)。（7）電池供電。9/21/2023第一節(jié)無線通信技術(shù)概述短距離無線通信技術(shù)的特征：8/6第二節(jié)無線通信技術(shù)發(fā)展無線通信技術(shù)發(fā)展到今天大約經(jīng)歷了以下幾個階段：第一階段為20年代初至50年代初，主要用于艦船及軍有，采用短波頻及電子管技術(shù)，至該段末期才出現(xiàn)150MHZVHF單工汽車公用移動電話系統(tǒng)MTS。第二階段為50年代到60年代，此時頻段擴(kuò)展至UHF450MHZ，器件技術(shù)已向半導(dǎo)體過渡，大都為移動環(huán)境中的專用系統(tǒng)，并解決了移動電話與公用電話網(wǎng)的接續(xù)問題。第三階段為70年代初至80年代初頻段擴(kuò)展至800MHZ，美國Bell研究所提出了蜂窩系統(tǒng)概念并于70年代末進(jìn)行了AMPS試驗。9/21/2023第二節(jié)無線通信技術(shù)發(fā)展無線通信技術(shù)發(fā)展到今天大約經(jīng)歷了以下10第二節(jié)無線通信技術(shù)發(fā)展

第四階段為80年代初至90年代中，為第二代數(shù)字移動通信興起與大發(fā)展階段，并逐步向個人通信業(yè)務(wù)方向邁進(jìn)；此時出現(xiàn)了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS等各類系統(tǒng)與業(yè)務(wù)運行，頻段擴(kuò)展至900MHZ~1.9GHZ，而且除公眾蜂窩電話通信系統(tǒng)外，無線尋呼系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、集群系統(tǒng)、無中心多信道選址移動通信系統(tǒng)等各類移動通信手段適應(yīng)用戶市場需求同時興起并各顯神通。

第五階段為90年代中至今，隨著數(shù)據(jù)通信與移動多媒體IP業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，第三代移動通信投入全面應(yīng)用，定位于寬帶多媒體業(yè)務(wù)的第四代移動通信開始興起，包括從第三代至第四代移動通信的平滑過渡在內(nèi)。9/21/2023第二節(jié)無線通信技術(shù)發(fā)展第四階段為80年代初至11第二節(jié)無線通信技術(shù)發(fā)展無線通信技術(shù)的演進(jìn)：9/21/2023圖1-1-5無線通信技術(shù)演進(jìn)路徑第二節(jié)無線通信技術(shù)發(fā)展無線通信技術(shù)的演進(jìn)：8/6/202312第二節(jié)無線傳輸技術(shù)的發(fā)展無線傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢：（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋的無縫化，即用戶在任何時間、任何地點都能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入，也有人把這稱作網(wǎng)絡(luò)的泛在化。（2）寬帶化是未來通信發(fā)展的一個必然趨勢，窄帶的、低速的網(wǎng)絡(luò)會逐漸被寬帶網(wǎng)絡(luò)所取代。（3）融合趨勢明顯加快，包括：技術(shù)融合、網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、接入融合。（4）數(shù)據(jù)速率越來越高，無論是上行還是下行速度都在不斷提高，頻譜帶寬越來越寬，頻段也越來越高。（5）業(yè)務(wù)內(nèi)容更加多樣化，這是離不開速率和帶寬的提高的，無線通信經(jīng)歷了從僅支持單一語音業(yè)務(wù)逐漸發(fā)展到支持語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種媒體流業(yè)務(wù)的歷程。（6）綠色無線通信。9/21/2023第二節(jié)無線傳輸技術(shù)的發(fā)展無線傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢：8/6/13第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題一、無線信號衰落

無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)面臨的問題首先是衰落現(xiàn)象，由于多徑衰落的小尺度效應(yīng)，以及諸如由距離衰減引起的路徑損耗和障礙物引起的陰影等大尺度效應(yīng)，導(dǎo)致信道的時變特性增強(qiáng)。對于無阻擋傳輸，引起微波空間傳輸電平衰耗和衰落的主要是因為自由空間傳播衰耗、降水衰落、大氣吸收衰落、反射衰落、波導(dǎo)型衰落、閃爍衰落。比較而言，GSM和GPRS網(wǎng)絡(luò)算是比較穩(wěn)定的，信號衰落最小，面Zigbee技術(shù)和3G技術(shù)則表現(xiàn)的相對明顯。9/21/2023第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題一、無線信號衰落8/6/2二、無線信號干擾

與有線傳輸中各發(fā)射機(jī)一接收機(jī)對通?？闯上嗷ジ綦x的點對點鏈路不同，無線用戶是在空中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此彼此之間存在嚴(yán)重的干擾。這里所說的干擾可以是與同一臺接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)射機(jī)之間的干擾（例如蜂窩系統(tǒng)的上行鏈路），也可以是一臺發(fā)射機(jī)發(fā)送給多臺接收機(jī)的信號之間的干擾（例如蜂窩系統(tǒng)的下行鏈路），還可以是不同發(fā)射機(jī)一接收機(jī)對之間的干擾（例如不同小區(qū)中用戶之間的干擾）。這一點對于工作于2.4GHZ頻段的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來說體現(xiàn)得尤為深刻，Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、無線USB都處于同一頻段，這些技術(shù)的電磁兼容問題日益凸顯，信號干擾強(qiáng)度大。9/21/2023第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題二、無線信號干擾8/6/2023第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題三、無線傳輸數(shù)據(jù)安全四、數(shù)據(jù)帶寬

顯然，帶寬問題，無線網(wǎng)絡(luò)帶寬遠(yuǎn)不如有線網(wǎng)絡(luò)。在有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可用帶寬很輕易達(dá)到70Mb/s至700Mb/s之間。而在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通常的帶寬不會高于5Mb/s至25Mb/s之間。9/21/2023第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題三、無線傳輸數(shù)據(jù)安全8/6五、無線電頻譜有效利用

無線電頻譜資源作為寶貴的資源，在近幾年引起全球的高度重視，這是由于無線電頻譜資源利用的問題越來越突出，整體頻譜利用效率低，頻譜需求和供應(yīng)間矛盾日益突出。當(dāng)前人們對頻譜的認(rèn)識還存在一些誤區(qū)，而舊的頻譜利用技術(shù)不能滿足通信行業(yè)對頻譜資源的迫切要求。9/21/2023第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面臨的主要問題五、無線電頻譜有效利用8/6/2023第三節(jié)無線傳輸技術(shù)面9/21/2023第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

一、Wi-Fi技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

Wi-Fi俗稱無線寬帶（中國電信將CDMA1X/3G也稱為無線寬帶）。所謂Wi-Fi，其實就是IEEE802.11b的別稱，是由一個名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（WirelessEthernetCompatibilityAlliance,WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語，中文譯為“無線相容認(rèn)證”。它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE802.11a及IEEE802.11g等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE802.11這個標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。8/6/2023第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)一、W9/21/2023二、藍(lán)牙技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

所謂藍(lán)牙技術(shù)，實際上是一種短距離無線通信技術(shù)，它是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范。藍(lán)牙系統(tǒng)一般由無線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)牙軟件（協(xié)議棧）單元四個功能單元組成。它將各種通信設(shè)備、計算機(jī)及其終端設(shè)備、各種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)、甚至家用電器采用無線方式聯(lián)接起來。藍(lán)牙的傳輸距離為10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外設(shè)可達(dá)到100m的傳輸距離。它采用2.4GHzISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，使用權(quán)向糾錯編碼、ARQ、TDD和基帶協(xié)議。由于藍(lán)牙采用無線接口來代替有線電纜連接，具有很強(qiáng)的移植性，適用于多種場合，加上該技術(shù)功耗低、對人體危害小，而且應(yīng)用簡單、容易實現(xiàn)，所以面世以來得到了廣泛的應(yīng)用。

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

8/6/2023二、藍(lán)牙技術(shù)第四節(jié)各種常用的短距離無9/21/2023三、ZigBee技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。ZigBee并不僅僅只是802.15.4的名稱，IEEE只處理低級MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

8/6/2023三、ZigBee技術(shù)第四節(jié)各種常用9/21/2023三、ZigBee技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，因此非常適用于家電和小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器），間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)）。其目標(biāo)功能是自動化控制，它采用跳頻技術(shù)，使用的頻段分別為2.4GHz(ISM)、868MHz(歐洲)及915MHz（美國）。而且均為免執(zhí)照頻段，有效覆蓋范圍10～75m。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率降低到28kb/s時，傳輸范圍甚至可以擴(kuò)大到134m，具有更高的可靠性。

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

8/6/2023三、ZigBee技術(shù)第四節(jié)各種常用9/21/2023四、IrDA技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

IrDA技術(shù)即IrDA紅外線數(shù)據(jù)技術(shù)。紅外通訊，顧名思義，就是通過紅外線傳輸數(shù)據(jù)。在電腦技術(shù)發(fā)展早期，數(shù)據(jù)都是通過藍(lán)牙、802.11等無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在紅外通訊技術(shù)發(fā)展早期，存在好幾個紅外通訊標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間的紅外設(shè)備不能進(jìn)行紅外通訊。為了使各種紅外設(shè)備能夠互聯(lián)互通，1993年，由二十多個大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA)，統(tǒng)一了紅外通訊的標(biāo)準(zhǔn)，這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及規(guī)范。IrDA即紅外數(shù)據(jù)協(xié)會，全稱TheInfraredDataAssociation，是1993年6月成立的一個國際性組織，專司制訂和推進(jìn)能共同使用的低成本紅外數(shù)據(jù)互連標(biāo)準(zhǔn)，支持點對點的工作模式。由于標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和應(yīng)用的廣泛，更多的公司開始開發(fā)和生產(chǎn)IrDA模塊，技術(shù)的進(jìn)步也使得IrDA模塊的集成越來越高，體積也越來越小。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達(dá)到4Mbps。

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

8/6/2023四、IrDA技術(shù)第四節(jié)各種常用的短距離9/21/2023四、IrDA技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

IrDA數(shù)據(jù)通信按發(fā)送速率分為三大類：SIR、MIR和FIR。串行紅外（SIR）的速率覆蓋了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；高速紅外（FIR）通常用于4Mb/s的速率，有時也可用于高于S1R的所有速率。IrDA提出了對工作距離、工作角度（視角）、光功率、數(shù)據(jù)速率不同品牌設(shè)備互聯(lián)時抗干擾能力的建議。當(dāng)前紅外通訊距離最長為3米，接收角度為30度。第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

8/6/2023四、IrDA技術(shù)第四節(jié)各種常用的短距離9/21/2023五、NFC技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

NFC（Near

Field

Communication，近距離無線傳輸）是由Philips、NOKIA和Sony主推的一種類似于RFID(非接觸式射頻識別)的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。和RFID不同，NFC采用了雙向的識別和連接。在20cm距離內(nèi)工作于13.56MHz頻率范圍。NFC最初僅僅是遙控識別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并，但現(xiàn)在已發(fā)展成無線連接技術(shù)。它能快速自動地建立無線網(wǎng)絡(luò)，為蜂窩設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、Wi-Fi設(shè)備提供一個“虛擬連接”，使電子設(shè)備可以在短距離范圍進(jìn)行通訊。NFC的短距離交互大大簡化了整個認(rèn)證識別過程，使電子設(shè)備間互相訪問更直接、更安全和更清楚，不用再聽到各種電子雜音。NFC通過在單一設(shè)備上組合所有的身份識別應(yīng)用和服務(wù)，幫助解決記憶多個密碼的麻煩，同時也保證了數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

8/6/2023五、NFC技術(shù)第四節(jié)各種常用的短距離9/21/2023五、NFC技術(shù)

第四節(jié)各種常用的短距離無線通信技術(shù)

NFC有三種應(yīng)用類型：

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設(shè)備連接。除了無線局域網(wǎng)，NFC也可以簡化藍(lán)牙連接。比如，手提電腦用戶如果想在機(jī)場上網(wǎng)，他只需要走近一個Wi-Fi熱點即可實現(xiàn)。

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實時預(yù)定。比如，海報或展覽信息背后貼有特定芯片，利用含NFC協(xié)議的手機(jī)或PDA，便能取得詳細(xì)信息，或是立即聯(lián)機(jī)使用信用卡進(jìn)行票卷購買。而且，這些芯片無需獨立的能源。

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移動商務(wù)。飛利浦Mifare技術(shù)支持了世界上幾個大型交通系統(tǒng)及在銀行業(yè)為客戶提供Visa卡等各種服務(wù)。索尼的FeliCa非接觸智能卡技術(shù)產(chǎn)品在中國香港及深圳、新加坡、日本的市場占有率