無線通信傳輸方式及技術原理

無線通信傳輸方式及技術原理
無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。無線通信技術自身有很多優點，成本較低，無線通信技術不必建立物理線路，更不用大量的人力去鋪設電纜，而且無線通信技術不受工業環境的限製，對抗環境的變化能力較強，故障診斷也較為容易，相對於傳統的有線通信的設置與維修，無線網絡的維修可以通過遠程診斷完成，更加便捷；擴展性強，當網絡需要擴展時，無線通信不需要擴展布線；靈活性強，無線網絡不受環境地形等限製，而且在使用環境發生變化時，無線網絡隻需要做很少的調整，就能適應新環境的要求。
常見的無線通信（數據）傳輸方式及技術分為兩種：“近距離無線通信技術”和“遠距離無線傳輸技術”。
1、近距離無線通信技術
短（近）距離無線通信技術是指通信雙方通過無線電波傳輸數據，並且傳輸距離在較近的範圍內，其應用範圍非常廣泛。近年來，應用較為廣泛及具有較好發展前景的短距離無線通信標準有：Zig-Bee、藍牙（Bluetooth）、無線寬帶（Wi-Fi）、超寬帶（UWB）和近場通信(NFC）。

（1）Zig-Bee：Zig-Bee是基於IEEE802.15.4標準而建立的一種短距離、低功耗的無線通信技術。Zig-Bee來源於蜜蜂群的通信方式，由於蜜蜂（Bee）是靠飛翔和‘嗡嗡’（Zig）地抖動翅膀的來與同伴確定食物源的方向、位置和距離等信息，從而構成了蜂群的通信網絡。其特點是距離近，其通常傳輸距離是10-100m；低功耗，在低耗電待機模式下，2節5號幹電池可支持1個終端工作6-24個月，甚至更長；其成本，Zig-Bee免協議費，芯片價格便宜；低速率，通Zig-Bee常工作在20-250kbps的較低速率；短時延，Zig-Bee的響應速度較快等。主要適用於家庭和樓宇控製、工業現場自動化控製、農業信息收集與控製、公共場所信息檢測與控製、智能型標簽等領域，可以嵌入各種設備。

（2）藍牙（Bluetooth）：能夠在10米的半徑範圍內實現點對點或一點對多點的無線數據和聲音傳輸，其數據傳輸帶寬可達1Mbps通訊介質為頻率在2.402GHz到2.480GHz之間的電磁波。藍牙技術可以廣泛應用於局域網絡中各類數據及語音設備，如PC、撥號網絡、筆記本電腦、打印機、傳真機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等，實現各類設備之間隨時隨地進行通信。
藍牙技術被廣泛應用於無線辦公環境、汽車工業、信息家電、醫療設備以及學校教育和工廠自動控製等領域，藍牙目前存在的主要問題是芯片大小和價格較高；抗幹擾能力較弱。

（3）無線寬帶（Wi-Fi）：它是一種基於802.11協議的無線局域網接入技術。（Wi-Fi）技術突出的優勢在於它有較廣的局域網覆蓋範圍，其覆蓋半徑可達100米左右，相比於藍牙技術，（Wi-Fi）覆蓋範圍較廣；傳輸速度非常快，其傳輸速度可以達到11mbps（802.11b）或者54mbps（802.11.a），適合高速數據傳輸的業務；無須布線，可以不受布線條件的限製，非常適合移動辦公用戶的需要。在一些人員密集的地方，比如火車站、汽車站、商場、機場、圖書館、校園等地方設置‘熱點’，可以通過高速線路將因特網接入上述場所。用戶隻需要將支持無線網絡的終端設備該區域內，即可高速接入因特網；健康安全，具有WiFi功能的產品發射功率不超過100毫瓦，實際發射功率約60-70毫瓦，與手機、手持式對講機等通訊設備相比，WiFi產品的輻射更小。
（4）超寬帶（UWB）：UWB是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據，其傳輸距離通常在10M以內，使用1GHz以上帶寬，通信速度可以達到幾百兆bit/s以上，UWB的工作頻段範圍從3.1GHz到10.6GHz，最小工作頻寬為500MHz。
其主要特點是：傳輸速率高；發射功率低，功耗小；保密性強；UWB通信采用調時序列，能夠抗多徑衰落；UWB所需要的射頻和微波器件很少，可以減小係統的複雜性。由於係UWB統占用的帶寬很高，UWB係統可能會幹擾現有其他無線通信係統。UWB主要應用在高分辨率"較小範圍"能夠穿透牆壁"地麵等障礙物的雷達和圖像係統中。
這種裝置可以用來檢查樓房、橋梁、道路等工程的混凝土和瀝青結構中的缺陷，以及定位地下電纜及其它管線的故障位置，也可用於疾病診斷。另外，在救援、治安防範、消防及醫療、醫學圖像處理等領域都大有用途。

（5）NFC：NFC是一種新的近距離無線通信技術，其工作頻率為13.56MHz，由13.56MHz的射頻識別（RFID)技術發展而來，它與目前廣為流行的非接觸智能卡ISO14443所采用的頻率相同，這就為所有的消費類電子產品提供了一種方便的通訊方式。NFC采用幅移鍵控（ASK）調製方式，其數據傳輸速率一般為106kbit/s和424kbit/s三種。NFC的主要優勢是：距離近、帶寬高、能耗低，與非接觸智能卡技術兼容，其在門禁、公交、手機支付等領域有著廣闊的應用價值。

NFC的應用情境基本可以分為以下五類：
A接觸-通過，主要應用在會議入場、交通關卡、門禁控製和賽事門票等方麵；
B接觸-確認/支付，主要應用在手機錢包、移動和公交付費等方麵；
C接觸-連接，這種應用可以實現2個具有NFC功能的設備實現數據的點對點傳輸；
D接觸-瀏覽，用戶可以通過NFC手機了解和使用係統所能提供的功能和服務；
E下載-接觸，通過具有NFC功能的終端設備，使用GPRS/CDMA網絡接收或下載相關信息，用於門禁或支付等功能。

2、遠距離無線傳輸技術
遠距離無線傳輸技術：目前偏遠地區廣泛應用的無線通訊技術主要有GPRS/CDMA、數傳電台、擴頻微波、無線網橋及衛星通信、短波通信技術等。它主要使用在較為偏遠或不宜鋪設線路的地區，如：煤礦、海上、有汙染或環境較為惡劣地區等。

（1）GPRS/CDMA無線通信技術：GPRS(通用無線分組業務)是由中國移動開發運營的一種基於GSM通信係統的無線分組交換技術，是介於第二代和第三代之間 的技術，通常稱為2.5G它是利用?包交換?概念發展的一種無線傳輸方式。包交換就將數據封裝成許多獨立的包，再將這些包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，其優勢在於有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且是以資料量計價，有效的提高網絡的利用率。GPRS網絡同時支持電路型數據和分組交換數據，從而GPRS網絡能夠方便的和因特網互相連接，相比原來的GSM網絡的電路交換數據傳送方式，GRRS的分組交換技術具有實時在線"按量計費"高速傳輸等優點。
CDMA(是碼分多址的英文縮寫)由中國電信運行的一種基於碼分技術和多址技術的新的無線通信係統，其原理基於擴頻技術。

(2)數傳電台通信：數傳電台是數字式無線數據傳輸電台的簡稱。它是采用數字信號處理、數字調製解調、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的一種無線數據傳輸電台。數傳電台的工作頻率大多使用220--240MHz或400--470MHz頻段，具有數話兼容、數據傳輸實時性好、專用數據傳輸通道、一次投資、沒有運行使用費、適用於惡劣環境、穩定性好等優點。數傳電台的有效覆蓋半徑約有幾十公裏，可以覆蓋一個城市或一定的區域。數傳電台通常提供標準的RS-232數據接口，可直接與計算機、數據采集器、RTU、PLC、數據終端、GPS接收機、數碼相機等連接。已經在各行業取得廣泛的應用，在航空航天、鐵路、電力、石油、氣象、地震等各個行業均有應用，在遙控、遙測、搖信、遙感等SCADA領域也取得了長足的進步和發展。

（3）擴頻微波通信：擴頻通信，即擴展頻譜通信技術是指其傳輸信息所用信號的帶寬遠大於信息本身帶寬的一種通信技術。最早始用於軍事通信。它傳輸的基本原理是將所傳輸的信息用偽隨機碼序列（擴頻碼）進行調製，偽隨機碼的速率遠大於傳送信息的速率，這時發送信號所占據帶寬遠大於信息本身所需的帶寬實現了頻譜擴展，同時發射到空間的無線電功率譜密度也有大幅度的降低。在接收端則采用相同的擴頻碼進行相關解調並恢複信息數據!其主要特點是：抗噪聲能力極強；抗幹擾能力極強；抗衰落能力強；抗多徑幹擾能力強；易於多媒體通信組網；具有良好的安全通信能力；不幹擾同類的其他係統等，同時具有傳輸距離遠、覆蓋麵廣等特點，特別適合野外聯網應用。

（4）無線網橋：無線網橋是無線射頻技術和傳統的有線網橋技術相結合的產物。無線網橋是為使用無線（微波）進行遠距離數據傳輸的點對點網間互聯而設計。它是一種在鏈路層實現LAN互聯的存儲轉發設備，可用於固定數字設備與其他固定數字設備之間的遠距離（可達50Km）、高速（可達百兆bps）無線組網。擴頻微波和無線網橋技術都可以用來傳輸對帶寬要求相當高的視頻監控等大數據量信號傳輸業務。

（5）衛星通信：衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電信號，從而實現在多個地麵站之間進行通信的一種技術，它是地麵微波通信的繼承和發展。衛星通信係統通常由二部分組成，分別是衛星端、地麵端。衛星端在空中，主要用於將地麵站發送的信號放大再轉發給其它地麵站。地麵站主要用於對衛星的控製、跟蹤以及實現地麵通信係統接入衛星通信係統。

衛星可分為同步衛星和非同步衛星，同步衛星在空中的運行方向和周期與地球的自轉方向及周期相同，從地麵的任何位置看，該衛星都是靜止不動的；非同步衛星的運行周期大於或小於地球的運行周期，其軌道高度"傾角"形狀都可根據需要調整。
衛星通信的的特點是：覆蓋範圍廣，工作頻帶寬，通信質量好，不受地理條件限製，成本與通信距離無關等。其主要用在國際通信，國內通信，軍事通信，移動通信和廣播電視等領域，衛星通信的主要缺點是通信具有一定的延遲，比如打衛星電話時，不能立即聽到對方回話，主要原因是衛星通信的傳輸距離較長，無線電波在空中傳輸是有一定延遲的。

（6）短波通信：按照國際無線電谘詢委員會的劃分，短波是指波長100m——10m，頻率為3MHZ-30MHZ的電磁波。短波通信是指利用短波進行的無線電通信，又稱高頻（HF）通信。短波通信可分為地波傳播和天波傳播。地波傳播的衰耗隨工作頻率的升高而遞增，在同樣的地麵條件下，頻率越高，衰耗越大。利用地波隻適用於近距離通信，其工作頻率一般選在5MHZ以下。地波傳播受天氣影響小，比較穩定，信道參數基本不隨時間變化，故信道可視為恒參信道。天波傳播是無線電波經電離層反射來進行遠距離通信的方式，傾斜投射的電磁波經電離層反射後，可以傳到幾千千米外的地麵。天波的傳播損耗比地波小得多，經地麵與電離層之間多次反射之後，可以達到極遠的地方，因此，利用天波可以進行環球通信。天波傳播因受電離層變化和多徑傳播的嚴重影響極不穩定，其信道參數隨時間而急劇變化，因此稱為變參信道。短波通信的特點是：建設維護費用低，周期短，設備簡單，電路調度容易，抗毀能力強，頻段窄，通信容量小，天波信道信號傳輸穩定性差等。