无线通信 - 快速指南

无线通信 - 概述

无线通信是指在没有电线、电缆或任何其他形式的电导体帮助的情况下，在一定距离内传输信息。

无线通信是一个广泛的术语，它包含了所有使用无线通信技术和设备通过无线信号在两个或多个设备之间连接和通信的程序和形式。

无线通信的特点

无线技术的演进带来了许多进步及其有效的特性。

传输距离可以在几米（例如，电视机的遥控器）到数千公里（例如，无线电通信）之间。
无线通信可用于蜂窝电话、无线互联网接入、无线家庭网络等。
无线电无线技术的其他应用示例包括 GPS 设备、车库门开启器、无线计算机鼠标、键盘和耳机、耳机、无线电接收器、卫星电视、广播电视和无绳电话。

无线 - 优点

无线通信涉及在两点或多点之间无需任何物理连接即可传输信息。由于不存在任何“物理基础设施”，因此无线通信具有一定的优势。这通常包括缩短距离或空间。

无线通信有几个优点；下面将讨论最重要的几个：

成本效益

有线通信需要使用连接线。在无线网络中，通信不需要复杂的物理基础设施或维护实践。因此，成本降低了。

示例 - 任何提供无线通信服务的公司都不会产生很多成本，因此，它能够以低廉的价格向客户收取费用。

灵活性

无线通信使用户能够无论身处何地都能进行通信。无需在办公室或某些电话亭才能传递和接收信息。

偏远地区的矿工可以依靠卫星电话与亲人联系，从而通过与他们最亲近的人保持联系来改善他们的整体福祉。

便利性

移动电话等无线通信设备非常简单，因此任何人都可以在任何地方使用它们。无需物理连接任何东西即可接收或传递信息。

示例 - 无线通信服务也可以在 Wi-Fi 等互联网技术中看到。由于没有网络电缆阻碍移动，我们现在几乎可以在任何时间、任何地点与任何人连接。

速度

速度方面也得到了改进。网络连接或可访问性在准确性和速度方面得到了很大改善。

示例 - 无线遥控器可以比有线遥控器更快地操作系统。如果出现问题，无线控制机器可以轻松停止其工作，而直接操作则无法如此快速地做出反应。

可访问性

无线技术有助于轻松访问，因为无法正确铺设地面线路的偏远地区正在轻松连接到网络。

示例 - 在农村地区，在线教育现在成为可能。教育工作者不再需要前往偏远地区授课。这要归功于他们教育模块的直播。

持续连接

持续连接还可以确保人们能够相对快速地应对紧急情况。

示例 - 无线手机可以确保您在移动或旅行时保持持续连接，而有线固定电话则无法做到。

移动电话术语

在移动电话中使用的各种术语中，这里将讨论最常用的术语。

移动台 (MS) - 移动台 (MS) 与用户通信并将信息修改为空中接口的传输协议以与 BSS 通信。用户信息通过麦克风和扬声器与 MS 通信（用于语音），通过键盘和显示器通信（用于短信），通过电缆连接通信（用于其他数据终端）。移动台有两个元素：移动设备 (ME) 和用户识别模块 (SIM)。

移动设备 (ME) - ME 是客户从设备制造商处购买的一件硬件。硬件部分包含实施协议以与用户和空中接口到基站进行交互所需的所有组件。

用户识别模块 (SIM) - 这是一张在订阅时发行的智能卡，用于识别用户的地址和服务类型等规格。GSM 中的呼叫定向到 SIM 而不是终端。

短信也存储在 SIM 卡中。它包含每个用户的个人信息，这使得许多有用的应用程序成为可能。

基站 (BS) - 基站传输和接收用户数据。当移动设备仅负责其用户的数据传输和接收时，基站能够同时处理多个用户的呼叫。

基站收发信机 (BTS) - 用户数据传输通过基站收发信机在手机和基站 (BS) 之间进行。收发信机是一种既能发送又能接收的电路。

移动交换中心 (MSC) - MSC 是无线交换机的硬件部分，可以使用信令系统 7 (SS7) 协议以及服务提供商覆盖范围内的其他 MSC 与 PSTN 交换机通信。MSC 还提供与其他有线和无线网络的通信，以及支持与移动台的连接注册和维护。

下图说明了不同子系统的各个部分。HLR、VLR、EIR 和 AuC 是网络子系统的子系统。

信道 - 为特定服务或系统分配的一段频率范围。

控制信道 - 用于传输呼叫建立、呼叫请求、呼叫发起和其他信标或控制目的的无线电信道。

前向控制信道 (FCC) - 用于从基站到移动设备传输信息的无线电信道。

反向信道 (RC) - 用于从移动设备到基站传输信息的无线电信道。

语音信道 (VC) - 用于语音或数据传输的无线电信道。

切换 - 定义为将呼叫从一个信道或基站转移到另一个基站。

漫游用户 - 在订阅服务区域以外的服务区域中运行的移动台。

收发信机 - 一种能够同时发送和接收无线电信号的设备。

无线通信 - 多址接入

多址接入方案用于允许许多移动用户同时共享有限量的无线频谱。

多址接入技术

在无线通信系统中，通常希望允许用户从移动台到基站同时发送信息，同时从基站到移动台接收信息。

蜂窝系统将任何给定区域划分为小区，其中每个小区中的移动单元与基站通信。蜂窝系统设计的核心目标是能够提高信道容量，即在给定的带宽内以足够的服务质量处理尽可能多的呼叫。

有几种不同的方法可以访问信道。主要包括以下内容：

频分多址 (FDMA)
时分多址 (TDMA)
码分多址 (CDMA)
空分多址 (SDMA)

根据如何将可用带宽分配给用户，这些技术可以分为窄带和宽带系统。

窄带系统

使用比相干带宽窄得多的信道工作的系统称为窄带系统。窄带 TDMA 允许用户使用相同的信道，但为信道上的每个用户分配一个唯一的时间槽，从而在时间上将少量用户分隔在一个信道上。

宽带系统

在宽带系统中，单个信道的传输带宽远大于信道的相干带宽。因此，多径衰落不会对宽带信道内的接收信号产生很大影响，并且频率选择性衰落仅发生在信号带宽的一小部分。

频分多址 (FDMA)

FDMA 是高级移动电话服务的核心技术。FDMA 的特点如下。

FDMA 为每个不同的用户分配不同的频带子信道以访问网络。
如果 FDMA 未被使用，则信道保持空闲，而不是分配给其他用户。
FDMA 实施在窄带系统中，它比 TDMA 复杂性低。
这里进行严格的滤波以减少邻道干扰。
基站 BS 和移动台 MS 在 FDMA 中同时且连续地发送和接收。

时分多址 (TDMA)

在不需要连续传输的情况下，使用 TDMA 代替 FDMA。TDMA 的特点包括以下内容。

TDMA 将单个载波频率与多个用户共享，其中每个用户使用不重叠的时间槽。
TDMA 中的数据传输不是连续的，而是以突发形式发生的。因此，切换过程更简单。
TDMA 使用不同的时间槽进行发送和接收，因此不需要双工器。
TDMA 的一个优点是可以为不同的用户分配每个帧中不同数量的时间槽。
可以通过根据优先级连接或重新分配时间槽来按需向不同的用户提供带宽。

码分多址 (CDMA)

码分多址技术是一种多址技术的例子，其中多个发射机使用单个信道同时发送信息。其特点如下。

在CDMA中，每个用户使用全部可用频谱，而不是分配单独的频率。
CDMA非常推荐用于语音和数据通信。
虽然在CDMA中多个码占用相同的信道，但具有相同码的用户可以相互通信。
CDMA提供的空中容量比TDMA更大。
CDMA非常有效地处理基站之间的切换。

空分多址 (SDMA)

空分多址或空间分多址是一种技术，它采用MIMO（多输入多输出）架构，主要用于无线和卫星通信。它具有以下特点。

所有用户可以使用同一信道同时通信。
SDMA完全不受干扰。
单个卫星可以与同一频率的多个卫星接收器通信。
使用定向点波束天线，因此SDMA中的基站可以跟踪移动用户。
控制每个用户在空间中的辐射能量。

扩频多址

扩频多址 (SSMA) 使用信号，这些信号的传输带宽幅度大于所需的最小射频带宽。

扩频多址技术主要有两种：

跳频扩频 (FHSS)
直接序列扩频 (DSSS)

跳频扩频 (FHSS)

这是一种数字多址系统，其中各个用户的载波频率以伪随机方式在宽带信道内变化。数字数据被分成大小相同的突发数据，然后在不同的载波频率上传输。

直接序列扩频 (DSSS)

这是CDMA最常用的技术。在DS-SS中，消息信号乘以伪随机噪声码。每个用户都分配了自己的码字，该码字与其他用户的码字正交，为了检测用户，接收机必须知道发射机使用的码字。

组合序列（称为**混合**）也用作另一种类型的扩频。**跳时**也是另一种很少提到的类型。

由于许多用户可以共享相同的扩频带宽而不会相互干扰，因此扩频系统在多用户环境中变得**带宽高效**。

信道特性

无线信道容易受到各种传输障碍的影响，例如**路径损耗、干扰**和**阻塞**。这些因素限制了无线传输的范围、数据速率和可靠性。

路径类型

这些因素影响传输的程度取决于环境条件以及发射机和接收机的移动性。信号到达接收器所遵循的路径有两种，例如：

直射路径

当发射信号直接到达接收机时，可以称为**直射路径**，并且信号中存在的成分称为**直射路径分量**。

多径

当发射信号通过不同的方向经历不同的现象到达接收机时，这样的路径称为**多径**，发射信号的分量称为**多径分量**。

它们被环境反射、衍射和散射，并且相对于直射路径分量在幅度、频率和相位上发生偏移到达接收机。

无线信道特性

无线信道最重要的特性是：

路径损耗
衰落
干扰
多普勒频移

在接下来的章节中，我们将逐一讨论这些信道特性。

路径损耗

路径损耗可以表示为发射信号功率与接收机在给定路径上接收到的同一信号功率的比率。它是传播距离的函数。

路径损耗的估计对于无线通信网络的设计和部署非常重要。
路径损耗取决于许多因素，例如使用的无线电频率和地形类型。
自由空间传播模型是最简单的路径损耗模型，其中发射机和接收机之间存在直射路径信号，没有大气衰减或多径分量。

在这个模型中，发射功率**P_t**和接收功率**P_r**之间的关系由下式给出：

$$P_{r} = P_{t}G_{t}G_{r}(\frac{\lambda}{4\Pi d})^2$$

其中

G_t是发射天线增益
G_r是接收天线增益
d是发射机和接收机之间的距离
λ是信号的波长

双向模型也称为双路径模型，是一种广泛使用的路径损耗模型。上面描述的自由空间模型假设从发射机到接收机只有一条路径。

实际上，信号通过多条路径到达接收机。双路径模型试图捕捉这种现象。该模型假设信号通过两条路径到达接收机，一条是视线路径，另一条是接收反射波的路径。

根据双路径模型，接收功率由下式给出：

$$P_{r} = P_{t}G_{t}G_{r}(\frac{h_{t}h_{r}}{d^2})^2$$

其中

p_t是发射功率
G_t表示发射机的天线增益
G_r表示接收机的天线增益
d是发射机和接收机之间的距离
h_t是发射机的高度
h_r是接收机的高度

衰落

衰落是指接收机接收到的信号强度发生波动。衰落可以分为两种：

快衰落/小尺度衰落和
慢衰落/大尺度衰落

快衰落是指由于到达接收机的同一发射信号的多个版本的干扰，接收信号的幅度、相位或多径延迟发生快速波动。

接收第一个信号版本和最后一个回波信号之间的时间称为**延迟扩展**。导致快衰落的发射信号的多径传播是由于三种传播机制，即：

反射
衍射
散射

多个信号路径有时可能在接收机处相加或相消，导致接收信号的功率水平发生变化。快衰落信号的接收单包络据说遵循**瑞利分布**，以查看发射机和接收机之间是否存在视线路径。

慢衰落

“慢衰落”这个名称本身就意味着信号缓慢衰减。慢衰落的特点如下。

当发射机和接收机之间存在部分吸收传输的物体时，就会发生慢衰落。
慢衰落之所以被称为慢衰落，是因为衰落的持续时间可能持续几秒钟或几分钟。
当接收机位于建筑物内并且无线电波必须穿过建筑物的墙壁，或者当接收机被建筑物暂时屏蔽而无法接收到发射机时，可能会发生慢衰落。阻塞物体导致接收信号功率发生随机变化。
即使发射机和接收机之间的距离保持不变，慢衰落也可能导致接收信号功率发生变化。
慢衰落也称为**阴影衰落**，因为导致衰落的物体（可能是大型建筑物或其他结构）阻挡了从发射机到接收机的直射路径。

干扰

无线传输必须抵御来自各种来源的干扰。干扰的两种主要形式是：

邻道干扰和
同道干扰。

在邻道干扰的情况下，附近频率的信号在其分配范围之外具有分量，这些分量可能会干扰邻近频率中正在进行的传输。可以通过在分配的频率范围之间仔细引入保护带来避免这种情况。

**同道干扰**，有时也称为**窄带干扰**，是由于其他附近的系统使用相同的传输频率造成的。

**符号间干扰**是另一种类型的干扰，其中接收信号的失真是由信号中各个脉冲的时间扩展和随之而来的重叠引起的。

**自适应均衡**是一种常用的对抗符号间干扰的技术。它涉及将分散的符号能量收集到其原始时间间隔内。均衡过程中使用复杂的数字处理算法。

无线通信 - TCP/IP

最初的TCP/IP协议被定义为构建在硬件之上的四个软件层。然而，如今，TCP/IP被认为是一个五层模型，其层名称类似于OSI模型中的层名称。

OSI和TCP/IP套件的比较

当我们比较这两个模型时，我们发现TCP/IP协议中缺少会话层和表示层。套件中的应用层通常被认为是OSI模型中三个层的组合。

OSI模型指定哪些功能属于其每个层，但TCP/IP协议套件的层包含相对独立的协议，可以根据系统的需要混合和匹配。术语“分层”意味着每个上层协议都由一个或多个下层协议支持。

TCP/IP套件中的层

TCP/IP模型的四层是主机到网络层、互联网/网络层、传输层和应用层。下面详细介绍了TCP/IP协议套件中每一层的用途。

上图表示TCP/IP协议套件的各层。

物理层

TCP/IP没有为物理层定义任何特定的协议。它支持所有标准和专有协议。

在此级别，通信发生在两个跳点或节点之间，无论是计算机还是路由器。通信单位是**单个比特**。
当两个节点之间建立连接时，比特流将在它们之间流动。但是，物理层将每个比特单独处理。

物理层的职责除了传递比特外，与 OSI 模型中物理层提到的职责相符，但主要取决于提供链路的底层技术。

数据链路层

TCP/IP 也没有为数据链路层定义任何特定的协议。它支持所有标准和专有协议。

在这个层次上，通信仍然是在两个跳点或节点之间进行。然而，通信的单位是一个称为**帧**的数据包。
**帧**是一个数据包，它封装了从网络层接收到的数据，并添加了报头，有时还添加了尾部。
报头除了其他通信信息外，还包括帧的源地址和目标地址。
**目标地址**是必要的，因为许多节点可能连接到链路上，因此需要定义帧的正确接收者。
**源地址**是为了可能需要的响应或确认，这可能是某些协议所要求的。

LAN、分组无线电和点对点协议都支持此层。

网络层

在网络层，TCP/IP 支持互联网协议 (IP)。互联网协议 (IP) 是 TCP/IP 协议使用的传输机制。

IP 以称为**数据报**的数据包传输数据，每个数据包单独传输。
数据报可以沿着不同的路由传输，并且可以乱序到达或重复。

IP 不跟踪路由，也没有在数据报到达目的地后重新排序数据报的功能。

传输层

传输层和网络层之间存在主要区别。虽然网络中的所有节点都需要网络层，但只有两个端计算机需要传输层。

网络层负责将单个数据报从计算机 A 发送到计算机 B；传输层负责将整个消息（称为**段**）从 A 传输到 B。
一个段可能包含几个或几十个**数据报**。这些段需要被分解成数据报，并且每个数据报都必须传递给网络层进行传输。
由于互联网为每个数据报定义了不同的路由，因此数据报可能会乱序到达，也可能会丢失。
计算机 B 上的传输层需要等待所有这些数据报到达，将它们组装起来，并从中构建一个段。

传统上，TCP/IP 套件中的传输层由两个协议表示：**用户数据报协议 (UDP)** 和**传输控制协议 (TCP)**。

在过去几年中，引入了名为**流控制传输协议 (SCTP)** 的新协议。

应用层

TCP/IP 中的应用层相当于 OSI 模型中会话层、表示层和应用层的组合。

应用层允许用户访问我们的私有互联网或全球互联网的服务。
此层定义了许多协议，以提供诸如电子邮件文件传输、访问万维网等服务。
此层支持的协议有**TELNET、FTP** 和**HTTP**。

蜂窝无线网络

蜂窝网络是移动电话、个人通信系统、无线网络等的底层技术。该技术是为移动无线电话开发的，以取代高功率发射/接收系统。蜂窝网络使用更低的功率、更短的范围和更多的发射器进行数据传输。

蜂窝系统的特点

无线蜂窝系统解决了频谱拥塞问题并提高了用户容量。蜂窝系统的特点如下：

在有限的频谱中提供非常高的容量。
在不同的小区中重用无线电信道。
通过在整个覆盖区域重用信道，使固定数量的信道能够服务于任意数量的用户。
通信始终在移动设备和基站之间进行（而不是移动设备之间直接进行）。
每个蜂窝基站都在一个称为小区的小地理区域内分配一组无线电信道。
相邻小区分配不同的信道组。
通过将覆盖范围限制在小区边界内，可以重用信道组来覆盖不同的小区。
将干扰水平保持在可容忍的范围内。
频率复用或频率规划。
无线蜂窝网络的组织

蜂窝网络组织成多个低功率发射器，每个发射器的功率为 100 瓦或更低。

小区的形状

蜂窝网络的覆盖区域被划分为**小区**，每个小区都有自己的天线来传输信号。每个小区都有自己的频率。蜂窝网络中的数据通信由其基站发射机、接收机及其控制单元提供服务。

小区的形状可以是正方形或六边形：

正方形

正方形小区有四个邻居在距离**d**处，四个在距离根号**2d**处。

如果所有相邻天线等距，则效果更好。
简化了选择和切换到新天线的过程。

六边形

六边形小区形状因其易于覆盖和计算而被强烈推荐。它具有以下优点：

提供等距天线。
从中心到顶点的距离等于边的长度。

频率复用

频率复用是指在给定区域内使用相同无线电频率的概念，这些频率在相当的距离上分开，干扰最小，以建立通信。

频率复用具有以下优点：

允许在小区内使用给定频率进行通信。
限制泄漏到相邻小区的功率。
允许在附近的小区中重新使用频率。
使用相同的频率进行多个对话。
每个小区有 10 到 50 个频率。

例如，当**N**个小区使用相同数量的频率，并且**K**为系统中使用的频率总数时。然后，每个**小区频率**通过使用公式**K/N**计算。

在高级移动电话服务 (AMPS) 中，当 K = 395 且 N = 7 时，每个小区的平均频率将为 395/7 = 56。这里，**小区频率**为 56。

传播损耗

天线和波传播在无线通信网络中起着至关重要的作用。天线是一种电导体或导体系统，它将电磁能量辐射/收集（传输或接收）到空间或从空间中收集。理想的各向同性天线向所有方向辐射相同的能量。

传播机制

无线传输以三种模式传播。它们是：

地波传播
天波传播
视距传播

**地波传播**遵循地球的轮廓，而**天波传播**则利用地球和电离层的反射。

**视距传播**要求发射天线和接收天线彼此之间保持视距。根据底层信号的频率，遵循特定的传播模式。

地波和天波通信的示例有**调幅广播**和**国际广播**，如 BBC。在 30 MHz 以上，地波和天波传播均不工作，通信通过视距进行。

传输限制

在本节中，我们将讨论影响电磁波传输的各种限制。让我们从衰减开始。

衰减

信号强度随着传输介质中距离的增加而下降。衰减的程度是距离、传输介质以及底层传输频率的函数。

失真

由于不同频率的信号衰减程度不同，因此包含一系列频率成分的信号会发生失真，即接收到的信号形状会发生变化。

解决此问题（并恢复原始形状）的一种标准方法是放大较高频率，从而均衡一系列频率上的衰减。

色散

色散是电磁能量在传播过程中扩散的现象。由于色散，快速连续发送的数据突发往往会合并。

噪声

最普遍的噪声形式是热噪声，通常使用加性高斯模型对其进行建模。热噪声是由电子的热扰动引起的，并且在整个频谱中均匀分布。

其他形式的噪声包括：

**互调噪声**（由在载波频率之和或之差产生的频率处产生的信号引起）
**串扰**（两个信号之间的干扰）
**脉冲噪声**（由外部电磁干扰引起的能量高的不规则脉冲）。

虽然脉冲噪声可能不会对模拟数据产生重大影响，但它会对数字数据产生明显的影響，导致**突发错误**。

上图清楚地说明了噪声信号如何与原始信号重叠并试图改变其特性。

衰落

衰落是指信号强度随时间/距离变化，在无线传输中非常普遍。无线环境中衰落的最常见原因是多径传播和移动（物体以及通信设备的移动）。

多径传播

在无线媒体中，信号使用三个原理传播，即反射、散射和衍射。

当信号遇到尺寸远大于信号波长的较大固体表面时，会发生**反射**，例如实体墙。
当信号遇到尺寸大于信号波长的边缘或拐角时，会发生**衍射**，例如墙的边缘。
当信号遇到尺寸小于信号波长的较小物体的时，会发生**散射**。

多径传播的一个结果是，沿着多条不同路径传播的信号的多个副本在不同的时间到达任何一点。因此，在某一点接收到的信号不仅受信道中**固有的噪声、失真、衰减**和**色散**的影响，还受沿着多条路径传播的信号**相互作用**的影响。

延迟扩展

假设我们从某个位置发送探测脉冲，并测量接收位置处接收到的信号随时间的变化。由于多径传播，接收到的信号的信号功率会随时间推移而扩展。

延迟扩展由由此产生的延迟随时间的扩展的密度函数决定。可以计算出**平均延迟扩展**和**均方根延迟扩展**这两个参数。

多普勒扩展

这是由移动无线电信道变化率引起的**频谱展宽**的度量。它是由移动设备和基站之间的相对运动或信道中物体的移动引起的。

当移动设备的速度较高时，多普勒扩展也较高，并且由此产生的信道变化比基带信号的变化快，这被称为快衰落。当信道变化比基带信号变化慢时，则由此产生的衰落被称为慢衰落。

无线通信 - 技术

在某些情况下，存在性能下降的可能性，这会影响输出。造成这种情况的主要原因可能是移动信道损伤。为了解决这个问题，有三种常用的技术：

均衡器

接收器中的均衡器补偿预期信道幅度和延迟特性的平均范围。换句话说，均衡器是移动接收器中的一个滤波器，其冲激响应是信道冲激响应的逆。这种均衡器在频率选择性衰落信道中得到应用。

分集

分集是另一种用于补偿快衰落的技术，通常使用两个或多个接收天线来实现。它通常用于减少平坦衰落信道中接收器经历的衰落深度和持续时间。

信道编码

信道编码通过在发送的消息中添加冗余数据位来提高移动通信链路的性能。在发射机的基带部分，信道编码器将数字消息序列映射到另一个包含比消息中原始位数更多的特定码序列。信道编码用于纠正深衰落或频谱零点。

均衡

ISI（符号间干扰）已被确定为在移动无线信道上传输高速数据的最大障碍之一。如果调制带宽超过无线信道的相干带宽（即频率选择性衰落），则调制脉冲会随时间推移而扩展，从而导致ISI。

接收器前端的均衡器补偿预期信道幅度和延迟特性的平均范围。由于移动衰落信道是随机的且时变的，因此均衡器必须跟踪移动信道的时变特性，因此应该是时变的或自适应的。自适应均衡器有两个操作阶段：训练和跟踪。

训练模式

最初，发射机发送已知的固定长度训练序列，以便接收器均衡器可以平均到合适的设置。训练序列通常是伪随机二进制信号或固定且具有规定比特模式的信号。

训练序列旨在允许接收器中的均衡器在最差的信道条件下获得合适的滤波器系数。因此，接收器中的自适应滤波器使用递归算法来评估信道并估计滤波器系数以补偿信道。

跟踪模式

训练序列完成后，滤波器系数接近最优。在训练序列之后，立即发送用户数据。

当接收用户数据时，均衡器的自适应算法会跟踪信道的变化。因此，自适应均衡器会随着时间的推移不断改变滤波器特性。

分集

分集是一种强大的通信接收器技术，能够以相对较低的成本提高无线链路的性能。分集技术用于无线通信系统，主要目的是提高衰落无线信道的性能。

在这种系统中，接收器接收相同信息信号的多个副本，这些副本通过两个或多个真实或虚拟通信信道传输。因此，分集的基本思想是信息的重复或冗余。在几乎所有应用中，分集决策都由接收器做出，发射器不知道。

分集类型

衰落可分为小尺度和大尺度衰落。小尺度衰落以深而快的幅度波动为特征，这些波动发生在移动设备移动几波长距离时。对于窄带信号，这通常会导致瑞利衰落包络。为了防止发生深衰落，微观分集技术可以利用快速变化的信号。

如果接收器的天线元件之间的距离为发射波长的几分之一，则信息信号的各个副本或通常称为分支可以适当地组合，或者可以选择其中最强的作为接收信号。这种分集技术被称为天线或空间分集。

频率分集

相同的信息信号在不同的载波上传输，它们之间的频率间隔至少为相干带宽。

时间分集

信息信号在时间上以规则的间隔重复发送。发送时间之间的间隔应大于相干时间T_c。时间间隔取决于衰落速率，并且随着衰落速率的降低而增加。

极化分集

在这里，携带信息的信号的电场和磁场被修改，并且许多这样的信号被用于发送相同的信息。因此获得了正交类型的极化。

角度分集

在这里，定向天线用于通过多条路径创建传输信号的独立副本。

空间分集

在空间分集中，有多个接收天线放置在不同的空间位置，从而导致不同的（可能是独立的）接收信号。

各种分集方案之间的区别在于，在前两种方案中，由于要发送的信息信号的重复，导致带宽浪费。因此，在其余三种方案中避免了这个问题，但代价是增加了天线复杂性。

信号之间的相关性作为天线元件之间距离的函数由以下关系给出：

$$\rho = J_0^2 \lgroup\frac{2\Pi d}{\lambda}\rgroup$$

其中，

J₀ = 零阶第一类贝塞尔函数
d = 天线元件在空间上的分离距离
λ = 载波波长。

无线通信 - 广域网

在计算机领域，群连接的广泛使用已成为不可避免的趋势，这导致了LAN（局域网）的引入。这些LAN属于单一建筑物或校园内的小型网络类别。

WAN是广域网，覆盖较大的区域，例如城市或比LAN更大的有限区域。无线个人局域网 (PAN) 是WLAN的下一步，覆盖较小的区域，使用低功率传输，用于连接便携式和移动计算设备，例如PC、个人数字助理 (PDA)。

WLAN基础

为了了解有线网络和无线网络之间的区别，必须了解WLAN中的技术问题。然后研究WLAN的使用及其设计目标。还详细介绍了WLAN的类型、组件及其基本功能。

IEEE 802.11标准

本节介绍了WLAN中一个突出的标准，即IEEE 802.11标准。解释了介质访问控制 (MAC) 层和物理层机制。本节还介绍了一些可选功能，例如安全性和服务质量 (QoS)。

HIPERLAN标准

本节描述了另一个WLAN标准，HIPERLAN标准，这是一个基于无线电访问的欧洲标准。

蓝牙

本节介绍蓝牙标准，该标准使个人设备能够在没有基础设施的情况下相互通信。

WLAN基础

便携式终端和移动终端都可以从一个地方移动到另一个地方，但便携式终端只能在静止时访问。

另一方面，移动终端 (MT) 功能更强大，可以在移动时访问。WLAN旨在支持真正的移动工作站。

WLAN用途

无线计算机网络能够提供多功能的功能。WLAN非常灵活，可以根据应用程序配置为各种拓扑结构。下面描述了WLAN的一些可能用途。

用户将能够在移动中浏览互联网、查看电子邮件和接收即时消息。
在地震或其他灾害影响的地区，现场可能没有合适的基础设施。WLAN在这些位置非常方便，可以随时设置网络。
许多历史建筑需要建立计算机网络。在这些地方，可能不允许布线，或者建筑设计可能不利于有效的布线。WLAN在这些地方是非常好的解决方案。

设计目标

以下是一些在设计WLAN时必须实现的目标：

操作简单性 - 无线LAN的设计必须包含使移动用户能够以简单有效的方式快速设置和访问网络服务的功能。
节能运行 - 笔记本电脑和PDA等移动计算设备的电源受限特性使得WLAN以最低功耗运行成为一项重要要求。因此，WLAN的设计必须包含节能功能，并使用适当的技术和协议来实现这一点。
免许可证运行 - 影响无线接入成本的主要因素之一是特定无线接入技术运行频谱的许可证费用。低接入成本是推广WLAN技术的重要方面。因此，WLAN的设计应考虑频谱的一部分。对于其不需要明确许可证的操作。
抗干扰性 - 不同无线网络技术的激增，无论是民用还是军用应用，都导致了整个无线电频谱的干扰水平显着提高。

WLAN设计应考虑这一点，并通过选择技术和协议来采取适当的措施，以便在存在干扰的情况下运行。
全球可用性 - WLAN的设计、技术的选型以及工作频谱的选择应考虑世界各国现行的频谱限制。这确保了该技术在世界范围内的可接受性。
安全性 - 无线介质固有的广播特性增加了在WLAN技术设计中包含安全功能的要求。
安全要求 - WLAN技术的设计应遵循可分为以下几类的安全要求。
- 对医疗和其他仪器设备的干扰。
- 发射机功率水平提高，可能导致健康危害。
设计良好的WLAN应遵循给定频谱中适用的功率发射限制。
服务质量要求 - 服务质量 (QoS) 指为多媒体流量提供指定的性能级别。WLAN的设计应考虑到支持各种流量（包括多媒体流量）的可能性。
与其他技术和应用的兼容性 − 不同局域网之间的互操作性对于在使用不同局域网技术的主机之间进行高效通信非常重要。

网络架构

网络架构描述了WLAN的类型、典型WLAN的组成部分以及WLAN提供的服务。

基于基础设施的局域网与Ad Hoc局域网

根据底层架构，WLAN可以广泛地分为两种类型，即基础设施网络和Ad hoc局域网。

基础设施网络

基础设施网络包含称为接入点 (AP) 的特殊节点，这些节点通过现有网络连接。

AP之所以特殊，是因为它们可以与无线节点以及现有的有线网络进行交互。
其他无线节点，也称为移动站 (STA)，通过AP进行通信。
AP也充当与其他网络的桥梁。

Ad hoc局域网

Ad hoc局域网不需要任何固定的基础设施。这些网络可以在任何地方即时建立。节点之间直接通信以转发消息，通过其他可以直接访问的节点。

无线通信 - 蓝牙

蓝牙无线技术是一种短距离通信技术，旨在取代连接便携式设备的电缆并保持高安全级别。蓝牙技术基于Ad-hoc技术，也称为Ad-hoc微微网，它是一个覆盖范围非常有限的局域网。

蓝牙的历史

WLAN技术使设备能够通过无线运营商连接到基于基础设施的服务。个人设备在没有既定基础设施的情况下无线相互通信的需求导致了个人局域网 (PAN) 的出现。

爱立信于1994年的蓝牙项目定义了PAN的标准，以实现使用低功耗和低成本无线电接口的移动电话之间的通信。
1988年5月，IBM、英特尔、诺基亚和东芝等公司加入爱立信，组成了蓝牙特别兴趣小组 (SIG)，其目标是开发PAN的事实标准。
IEEE已批准一项名为IEEE 802.15.1的基于蓝牙的无线个人局域网 (WPAN) 标准。IEEE标准涵盖MAC和物理层应用。

蓝牙规范详细说明了整个协议栈。蓝牙采用射频 (RF) 进行通信。它利用频率调制在ISM频段生成无线电波。

由于其特殊功能，蓝牙的使用已得到广泛普及。

蓝牙为各种设备提供了一个统一的结构，使它们能够相互连接和通信。
蓝牙技术已获得全球认可，因此世界上几乎任何地方的任何启用蓝牙的设备都可以与启用蓝牙的设备连接。
蓝牙技术的低功耗和高达十米的有效范围为多种使用模式铺平了道路。
蓝牙通过建立笔记本电脑的Ad Hoc网络提供交互式会议。
蓝牙使用模型包括无线电脑、对讲机、无线电话和移动电话。

微微网和散射网

启用蓝牙的电子设备通过称为微微网的短距离设备无线连接和通信。蓝牙设备以小型Ad Hoc配置存在，能够充当主设备或从设备，该规范允许主设备和从设备切换其角色。具有一个主设备和一个从设备的点对点配置是最简单的配置。

当两个以上蓝牙设备相互通信时，这称为微微网。一个微微网最多可以包含七个围绕单个主设备聚集的从设备。初始化建立微微网的设备成为主设备。

主设备负责传输控制，方法是将网络划分为网络成员之间的一系列时隙，作为时分多路复用方案的一部分，如下所示。

微微网的功能如下所示：

在微微网内，各种设备的定时和各个设备的跳频序列由主设备的时钟和唯一的48位地址确定。
每个设备可以同时与单个微微网内的最多七个其他设备通信。
每个设备可以同时与多个微微网通信。
微微网是动态且自动建立的，因为启用蓝牙的设备进入和离开微微网。
从设备之间没有直接连接，所有连接本质上都是主设备到从设备或从设备到主设备。
从设备在被主设备轮询后才能传输。
传输从主设备轮询数据包之后的从设备到主设备时隙立即开始。
一个设备可以是两个或多个微微网的成员，通过调整第二个微微网的主设备规定的传输机制-定时和跳频序列，从一个微微网跳到另一个微微网。
它可以在一个微微网中充当从设备，在另一个微微网中充当主设备。但是，它不能在一个以上微微网中充当主设备。
位于相邻微微网中的设备提供桥接以支持微微网内部连接，允许链接的微微网的集合形成一个物理可扩展的通信基础设施，称为散射网。

频谱

蓝牙技术在2.4至2.485 GHz的未经许可的工业、科学和医疗 (ISM) 频段工作，使用跳频扩频全双工信号，标称速率为1600跳/秒。2.4 GHz ISM频段在大多数国家/地区可用且未经许可。

范围

蓝牙工作范围取决于设备。3类无线电的范围最远可达1米或3英尺。2类无线电最常见于移动设备中，范围为10米或30英尺。1类无线电主要用于工业用例，范围为100米或300英尺。

数据速率

蓝牙支持1.2版1 Mbps数据速率和2.0版3 Mbps数据速率，并结合错误数据速率。

无线通信 - 互联网

互联网的出现彻底改变了计算机的使用和信息搜索方式。互联网影响了传统的信息交换方式，现在几乎每个城市、每个城镇和每条街道都可以访问互联网。

如今，家庭、学校和企业使用各种不同的方法连接到互联网。其中一种方法是无线互联网服务，它为客户提供互联网接入，而无需地下铜线、光纤或其他形式的商业网络布线。与DSL和有线互联网等更成熟的有线服务相比，无线技术为计算机网络带来了更高的便利性和移动性。

以下各节描述了每种流行的无线互联网服务类型。

卫星互联网

卫星于20世纪90年代中期推出，成为第一种主流的消费者无线互联网服务。与其他形式的无线互联网服务相比，卫星具有可用性的优势。卫星只需要一个小型的碟形天线、卫星调制解调器和订阅计划，几乎可以在所有其他技术无法覆盖的农村地区使用。

但是，卫星也提供性能相对较低的无线互联网。由于信号在地球和轨道站之间传输的距离较长，卫星存在高延迟（延迟）连接问题。卫星还支持相对适量网络带宽。

公共Wi-Fi网络

一些市政当局使用Wi-Fi技术构建了其公共无线互联网服务。这些所谓的网状网络将众多无线接入点连接在一起，以覆盖更大的城市区域。单个Wi-Fi热点还在特定地点提供公共无线互联网服务。

相对于其他形式的无线互联网服务，Wi-Fi是一种低成本的选择。设备价格低廉（许多较新的计算机内置了所需的硬件），并且在某些地区Wi-Fi热点仍然免费。

固定无线宽带

固定无线是一种宽带类型，它利用安装在天线上的天线指向无线电发射塔。

移动宽带

蜂窝电话已经存在了几十年，但直到最近，蜂窝网络才发展成为一种主流的无线互联网服务形式。使用安装的蜂窝网络适配器，或通过将蜂窝电话连接到笔记本电脑，可以在任何有蜂窝塔覆盖的区域保持互联网连接。如果没有某些提供商提供的互联网数据订阅，移动宽带服务将无法正常工作。

经典的有线网络已经产生了许多应用程序协议，例如TELNET、FTP和SMTP。无线应用程序协议 (WAP) 架构旨在在应用程序级别弥合无线用户与为其提供的服务之间的差距。

无线互联网

无线互联网是指将互联网提供的服务扩展到移动用户，使他们能够访问信息和数据，而无论其位置如何。与无线域相关的固有问题（节点的移动性和互联网中使用的现有协议的设计）需要多种解决方案才能使无线互联网成为现实。

无线互联网需要考虑的主要问题如下：

地址移动性
传输层协议的效率低下以及
应用层协议的效率低下

地址移动性

互联网中使用的网络层协议是互联网协议 (IP)，它是为具有固定节点的有线网络设计的。IP采用分层寻址，使用全局唯一的32位地址，该地址有两个部分：网络标识符和主机标识符。

网络标识符指的是主机连接到的子网地址。寻址方案用于减小互联网核心路由器中的路由表大小，这些路由器仅使用IP地址的网络部分进行路由决策。

这种寻址方案可能无法直接用于互联网的无线扩展，因为移动主机可能会从一个子网移动到另一个子网，但发送到移动主机的分组可能会被传递到节点最初连接的旧子网。

传输层协议的效率低下

传输层在互联网中非常重要，它确保建立和维护**端到端连接**、可靠的**端到端数据包交付**、**流量控制**和**拥塞控制**。TCP是大多数有线网络的主要传输层协议，尽管某些应用程序使用**UDP**（一种无连接的不可靠传输层协议）。

无线互联网需要传输层协议高效运行，因为无线介质由于其时变和环境相关的特性而固有地不可靠。传统的TCP调用**拥塞控制算法**来处理网络中的拥塞。如果数据包或ACK包丢失，则TCP假设**丢失是由于拥塞**造成的，并将拥塞窗口的大小减半。

每次出现连续的丢包时，**拥塞窗口都会减小**，因此TCP在无线链路中的性能会下降。即使在数据包丢失是由**链路错误**或**碰撞**引起的，TCP也会调用拥塞控制算法，导致吞吐量非常低。

识别导致数据包丢失的真正原因对于提高TCP在无线链路上的性能至关重要。传输层问题的部分解决方案包括：

间接TCP (ITCP)
Snoop TCP 和
移动TCP

应用层协议的低效性

互联网中使用的传统应用层协议，如**HTTP、TELNET**、简单邮件传输协议（**SMTP**）以及几种标记语言，如**HTML**，都是为有线网络设计和优化的。许多这些协议在无线链路中使用时效率不高。

阻止HTTP在无线互联网中使用的主要问题是其无状态操作、字符编码带来的高开销、HTTP请求中携带的冗余信息以及每次事务都要打开**新的TCP连接**。

手持设备的功能有限，这使得处理计算量大且带宽消耗高的应用程序协议变得困难。无线应用协议（**WAP**）和对传统HTTP的优化是应用层问题的部分解决方案。

无线通信 - 无线应用协议

WAP代表无线应用协议。WAP代表一组协议，而不是单个协议。WAP旨在将一个简单的轻量级浏览器（也称为微浏览器）集成到手持设备中，从而使这些设备所需的资源（如**内存**和**CPU**）最少。

WAP试图通过将更多智能集成到网络节点（如**路由器、Web服务器**和**基站**）中来弥补无线手持设备和无线链路的不足。

WAP协议套件的主要目标如下。

独立于无线网络标准
服务提供商之间的互操作性
克服无线介质的不足
克服手持设备的缺点
提高效率和可靠性
提供安全性、可扩展性和可扩展性

WAP模型

WAP采用客户端-服务器方法。它指定了一个代理服务器，充当无线域和核心有线网络之间的接口。这个代理服务器，也称为**WAP网关**，负责各种功能，例如协议转换和优化无线介质上的数据传输。

无线网络部分包括：

内容提供商（应用程序或源服务器）
移动设备（WAP客户端）
WAP网关
WAP代理

WAP架构的设计紧密遵循Web。唯一的区别是存在WAP网关，用于在HTTP和WAP之间进行转换。

WAP客户端

关于WAP客户端，需要提及三个部分：WAE用户代理、WTA用户代理和WAP协议栈。

**WAE用户代理** - 无线应用环境用户代理是呈现内容以供显示的浏览器。
**WTA用户代理** - 无线电话应用代理从WTA服务器接收编译后的WTA文件并执行它们。
**WAP协议栈** - WAP协议栈允许手机使用WAP协议连接到WAP网关。

应用服务器

网络中存储信息（Web、WAP）应用程序的元素是WAP代理、WAP网关或WAP服务器：

**代理** - 这是一个中间元素，在网络中充当客户端和服务器，位于客户端和服务器之间。客户端向它发送请求，它通过联系源服务器检索和缓存所需的信息。
**网关** - 这是一个中间元素，通常用于连接两种不同类型的网络。

WAP网关基本上是放置在支持**WAP和IP数据包网络**（如Internet）的网络之间的软件。

WAP协议栈

WAP协议栈如下图所示：

应用层

应用层提供一个应用环境，用于开发和执行可移植的应用和服务。WAE由位于客户端的两个不同的用户代理组成。

WAE用户代理包含浏览器和文本消息编辑器以及WTA用户代理。

会话层

会话层提供客户端/服务应用程序之间内容有序交换的方法。

WAP包含以下组件：

**面向连接的会话服务** - 这些服务运行在WTP之上。
**无连接的会话服务** - 这些服务直接运行在WDP之上。
**会话服务** - 这些功能有助于使用基本消息建立客户端和服务器之间的连接。

**基本消息**定义为客户端发送到服务器以请求服务设施的消息。客户端发送请求原语并接收确认原语，服务器可以发送响应原语并接收指示原语。

无连接会话服务仅提供非确认服务。要启动会话，客户端调用提供一些参数的WSP原语，例如服务器地址、客户端地址和客户端标头。在某些方面，WSP基本上是HTTP的二进制形式。

事务层

提供用于执行不同可靠性程度的事务的不同方法。

安全层

可选层，在存在身份验证、隐私和安全连接时，提供应用程序之间的安全连接。它基于**SSL（安全套接字层）**。它提供确保隐私、服务器身份验证、客户端身份验证和数据完整性的服务。

在Web服务器和WAP网关之间打开一个标准的SSL会话，并在**网关**和**移动设备**之间初始化WTLS会话。加密的内容通过此连接从服务器发送到网关，网关将其转换并发送到手机。**SSL**和**WTLS**之间的事务发生在WAP网关的内存中。

传输层

这是底层，连接到运营商提供的承载服务。承载服务是手机和基站之间的通信。它们包括**SMS、CSD、USSD、GSM、GPRS、DECT、CDMA、FDMA**和**TDMA**。

物理层准备从移动设备通过空中服务发送的数据，并使用设备正在运行的网络中实现的承载服务发送数据。**WDP**与各种承载网络具有接口，因此必须具有特定于承载的实现。WDP是唯一需要重写以支持不同承载网络的层。WTP层实现了一个简单的**请求-响应事务**导向协议，而不是三方握手连接机制。

无线通信 - 卫星

卫星是围绕另一个物体旋转的物体。例如，地球是太阳的卫星，月球是地球的卫星。

**通信卫星**是太空中用于电信、无线电和电视信号的**微波中继站**。通信卫星处理来自一个地球站的数据，将其转换为另一种形式，并将其发送到第二个地球站。

卫星如何工作

地球上的两个站点想要通过无线广播进行通信，但距离太远而无法使用传统方法。这两个站点可以使用中继站进行通信。一个地球站将信号传输到卫星。

**上行链路频率**是地面站与卫星通信的频率。卫星转发器转换信号并将其发送到第二个地球站，这称为**下行链路频率**。第二个地球站也以相同的方式与第一个地球站通信。

卫星的优点

卫星通信的优点如下：

覆盖范围比地面系统高得多。
传输成本与覆盖范围无关。
更高的带宽是可能的。

卫星的缺点

卫星通信的缺点如下：

将卫星发射到轨道是一个昂贵的过程。
带宽正在逐渐被用完。
卫星系统的传播延迟比传统地面系统高。

卫星通信基础

卫星通信过程始于**地球站**。这里设计了一个设施，用于传输和接收来自绕地球运行的卫星的信号。地球站以高功率、高频率（GHz范围）信号的形式将信息发送到卫星。

卫星**接收**并**转发**信号回地球，然后由卫星覆盖范围内的其他地球站接收。**卫星足迹**是接收来自卫星的有用强度信号的区域。

从地球站到卫星通过信道的传输系统称为**上行链路**。从卫星到地球站通过信道的系统称为**下行链路**。

卫星频段

通常用于通信的卫星频段是**C波段、Ku波段**和**Ka波段**。C波段和Ku波段是当今卫星常用的频谱。

需要注意的是，频率和波长之间存在反比关系，即频率增加，波长减小，这有助于理解**天线直径**和**传输频率**之间的关系。随着波长增加，需要更大的天线（卫星天线）来收集信号。

地球轨道

卫星发射到太空后，需要放置在特定的轨道上，以提供特定的旋转方式，以便保持可访问性并发挥其作用，无论是科学的、军事的还是商业的。这些分配给卫星相对于地球的轨道称为**地球轨道**。这些轨道上的卫星是地球轨道卫星。

地球轨道的重要类型包括：

地球同步轨道
地球静止轨道
中地球轨道
低地球轨道

地球同步轨道（GEO）卫星

地球同步轨道卫星是指放置在地球上方22,300英里（约35,786公里）高度的卫星。该轨道与恒星日（即23小时56分钟）同步。此轨道可以有倾角和偏心率。它可能不是圆形的。此轨道可以相对于地球的两极倾斜。但从地球上观察时，它看起来是静止的。

如果同一个地球同步轨道是圆形的并且位于赤道平面，则称为地球静止轨道。这些卫星放置在地球赤道上方35,900公里（与地球同步轨道相同）的高度，并且它们相对于地球的方向（自西向东）持续旋转。这些卫星被认为相对于地球是静止的，因此得名。

地球静止轨道卫星用于天气预报、卫星电视、卫星广播和其他类型的全球通信。

上图显示了地球同步轨道和地球静止轨道之间的区别。旋转轴表示地球的运动。

这里需要特别注意的是，每个地球静止轨道都是地球同步轨道。但并非每个地球同步轨道都是地球静止轨道。

中地球轨道 (MEO) 卫星

中地球轨道 (MEO) 卫星网络将在距地球表面约8000英里（约12,875公里）的高度运行。从MEO卫星传输的信号传播距离较短。这意味着接收端信号强度得到改善。这表明接收端可以使用更小、更轻的接收终端。

由于信号到卫星和从卫星返回的传播距离较短，因此传输延迟较小。传输延迟可以定义为信号从发送端到卫星再到接收站的传播时间。

对于实时通信，传输延迟越短，通信系统越好。例如，如果GEO卫星往返需要0.25秒，那么MEO卫星完成相同行程需要不到0.1秒。MEO的工作频率范围为2 GHz及以上。

低地球轨道 (LEO) 卫星

LEO卫星主要分为三类，即小型LEO、大型LEO和巨型LEO。LEO将在距地球表面500至1000英里（约805至1610公里）的高度运行。

这个相对较短的距离将传输延迟减少到仅0.05秒。这进一步减少了对灵敏且笨重的接收设备的需求。小型LEO将在800 MHz（0.8 GHz）范围内运行。大型LEO将在2 GHz或更高范围内运行，巨型LEO在20-30 GHz范围内运行。

与巨型LEO相关的较高频率转化为更大的信息承载能力，并产生实时、低延迟视频传输方案的能力。

高空长航时 (HALE) 平台

实验性HALE平台基本上是携带通信设备的高效轻型飞机。这将充当极低地球轨道地球同步卫星。

这些飞行器将由电池和太阳能或高效涡轮发动机的组合提供动力。HALE平台在仅70,000英尺（约21,336米）的高度提供小于0.001秒的传输延迟，甚至为非常轻便的手持接收设备提供更好的信号强度。

轨道槽位

这里可能出现一个问题，那就是在同步轨道上存在超过200颗卫星，我们如何防止它们相互碰撞或试图使用相同的太空位置？为了解决这个问题，国际电信联盟 (ITU) 等国际监管机构和美国联邦通信委员会 (FCC) 等国家政府机构指定了通信卫星可以位于地球同步轨道上的位置。

这些位置以经度度数表示，称为轨道槽位。由于对轨道槽位的巨大需求，FCC和ITU已逐步将所需的间距缩小到C波段和Ku波段卫星仅2度。

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