第2章無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)1

1、第2章 無線傳輸技術(shù)基礎(chǔ)主要內(nèi)容n2.1 無線傳輸媒體n2.1.1 電磁波頻譜n2.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)中射頻傳輸面臨的挑戰(zhàn)n2.1.3 電磁波的傳播方式2.1 無線傳輸媒體 n 傳輸媒體是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑。n 傳輸媒體可分為導(dǎo)向的(guided)和非導(dǎo)向的(unguided)兩類。n對(duì)導(dǎo)向媒體而言，電磁波被引導(dǎo)沿某一固定媒體前進(jìn)，例如雙絞線、同軸電纜和光纖。n非導(dǎo)向媒體的例子是大氣和外層空間，它們提供了傳輸電磁波信號(hào)的手段，但不引導(dǎo)它們的傳播方向，這種傳輸形式通常稱為無線傳播(wireless transmission) n 數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦砸约皞鬏斮|(zhì)量取決于傳輸媒體的性

2、質(zhì)和傳輸信號(hào)的特性。n導(dǎo)向媒體的傳輸取決于媒體的自身性質(zhì)。n非導(dǎo)向媒體的傳輸特性則主要依賴于發(fā)送天線生成的信號(hào)的帶寬。n 天線發(fā)射的信號(hào)有一個(gè)重要的屬性是方向性。通常，低頻信號(hào)是全向的，也就是說，信號(hào)從天線發(fā)射后會(huì)沿所有方向傳播。當(dāng)頻率較高時(shí)，信號(hào)才有可能被聚集成有向波。2.1.1 電信用的電磁波頻譜 無線電頻譜的劃分頻率范圍（Hz）波長(zhǎng)930KHz3310km甚低頻（VLF）30300KHz101km低頻（LF）3003000KHz1000100m中頻（MF）330 MHz10010m高頻（HF）30300 MHz101m甚高頻（VHF）3003000 MHz1000100mm特高頻（UHF

3、）330GHz10010mm超高頻（SHF）30-300GHz101mm極高頻（EHF）30THz數(shù)十微米紅外區(qū)域紅外區(qū)域波長(zhǎng)()=光速(c)/頻率(f)人們最關(guān)注的3個(gè)頻段n 無線電頻率，簡(jiǎn)稱射頻（RF），RF頻段是指3kHz300GHz之間的電磁頻譜。n 微波：1GHz100GHz，可實(shí)現(xiàn)高方向性的波束，而且非常適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，也可用于衛(wèi)星通信。n 無線電廣播頻段：30MHz1GHz，適用于全向應(yīng)用。n 紅外線頻譜段：31011Hz21014Hz，適于本地應(yīng)用，在有限的區(qū)域(如一個(gè)房間)內(nèi)對(duì)于局部的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及多點(diǎn)應(yīng)用非常有用。 無線電的頻譜管理n 造成無線信號(hào)損傷的一個(gè)原因是干擾，隨著微

4、波應(yīng)用的不斷增多，傳輸區(qū)域重疊，干擾始終是一個(gè)威脅。因此，頻帶的分配需要嚴(yán)格控制。n 無線電管理是國(guó)家通過專門機(jī)關(guān)，對(duì)無線電頻譜資源和衛(wèi)星軌道資源的研究、開發(fā)、使用所實(shí)施的，以實(shí)現(xiàn)合理、有效利用無線電頻譜和衛(wèi)星軌道資源的行為、全過程。我國(guó)的無線電管理機(jī)構(gòu)n 工業(yè)和信息化部無線電管理局n 國(guó)家無線電檢測(cè)中心n 中國(guó)人民解放軍無線電管理機(jī)構(gòu)n 省市級(jí)無線電管理機(jī)構(gòu)n 國(guó)務(wù)院有關(guān)部門的無線電管理機(jī)構(gòu)其他國(guó)家的無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)n 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）n 歐洲歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）n 加拿大加拿大工業(yè)部n 日本日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)（ARIB）n 在無線電使用中，頻段分配給不同的授權(quán)和

5、非授權(quán)業(yè)務(wù)，而且不同頻段信號(hào)所允許的傳輸功率大小有不同國(guó)家和地區(qū)的管理機(jī)構(gòu)控制。n 嚴(yán)格的無線電控制會(huì)對(duì)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)帶來不必要的麻煩，為此國(guó)際通信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R，ITU Radio Communication Sector）專門定義了一些頻段開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(Industrial、Scientific、Medical)三種主要機(jī)構(gòu)使用，這些頻段就是所謂的ISM頻段。n ISM頻段屬于Free License，無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。ISM頻段頻率范圍（Hz）中心頻率（Hz）6.7656.795 MHz

6、6.780 MHz13.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4202.4835GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz122123 GHz122.5 GHz244246 GHz245 GHz注：歐洲915MHz的頻段有部份用于了GSM通信，因此劃出了868MHz頻

7、段代替915MHz頻段。n 絕大部分無線網(wǎng)絡(luò)使用的都是ISM頻段915/868MHz：ZigBee 2.4GHz：IEEE 802.11 b/g/n,藍(lán)牙,ZigBee5.8GHz: IEEE 802.11a/nn 在國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）世界無線電通信會(huì)議的促使下，不同國(guó)家和地區(qū)的頻譜管理協(xié)調(diào)化趨勢(shì)在不斷增長(zhǎng)，但在頻譜分配和其他方面仍存在著很多不同。n 例如，各國(guó)允許的發(fā)射機(jī)功率都有所不同，這對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)和互操作性有著很大的影響。n 再如，5.8GHz的ISM頻段上運(yùn)行的IEEE802.11a網(wǎng)絡(luò)，美國(guó)FCC規(guī)定的最大發(fā)射功率是1W，而歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）允許的最大等效全輻射

8、功率（EIRP）只有100mW EIRP，或者10mW/MHz2.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)中射頻傳輸面臨的挑戰(zhàn)n 與傳統(tǒng)電纜相比，使用射頻傳輸作為網(wǎng)絡(luò)媒體帶來了很多挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)考慮因素和解決方案鏈路可靠性信號(hào)傳播、干擾、設(shè)備選址、鏈路預(yù)算媒體接入感知其他用戶（隱藏站點(diǎn)和暴露站點(diǎn)問題）、服務(wù)質(zhì)量要求安全性WEP、WPA、802.11i、定向天線n 安全性問題是無線網(wǎng)絡(luò)最重要的問題；n 鏈路可靠性、干擾帶來的比特傳輸錯(cuò)誤以及其它信號(hào)傳播問題是無線網(wǎng)絡(luò)第二重要問題；n 控制多個(gè)用戶設(shè)備或站點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸媒體的接入也是無線媒體的另一個(gè)挑戰(zhàn)，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的共享信道類似，無線網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)不能同時(shí)收發(fā)信息。n 隱藏站點(diǎn)和

9、暴露站點(diǎn)問題可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。接入控制n 我們知道，以太網(wǎng)的接入控制協(xié)議是CSMA/CD，無線局域網(wǎng)卻不能簡(jiǎn)單地搬用 CSMA/CD 協(xié)議這里主要有兩個(gè)原因。nCSMA/CD 協(xié)議要求一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送本站數(shù)據(jù)的同時(shí)，還必須不間斷地檢測(cè)信道，但在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這種功能就花費(fèi)過大。n即使我們能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測(cè)的功能，并且當(dāng)我們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道是空閑的，在接收端仍然有可能發(fā)生碰撞。無線局域網(wǎng)的特殊問題 當(dāng) A 向B發(fā)送信號(hào)時(shí)， 檢測(cè)不到C在向B發(fā)送信號(hào)，以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。C是A的隱藏站點(diǎn)這種未能檢測(cè)出媒體上已存在的信號(hào)的問題叫做隱藏站問題(hi

10、dden station problem) A 的作用范圍C 的作用范圍ABCD無線局域網(wǎng)的特殊問題 B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，而 C 又想和 D 通信。C 檢測(cè)到媒體上有信號(hào)，于是就不敢向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。B是C的暴露站點(diǎn)。 其實(shí) B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響 C 向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposed station problem) ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍2.1.3 電磁波的傳播方式n 由天線輻射出去的信號(hào)以三種方式傳播：地波傳播、天波傳播、直線傳播。n 地波(ground wave)：地波傳播或多或少要沿著地球的輪廓前行，且可傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，較好地跨越可視的地平線

11、。n 電磁波頻率低于2M時(shí)，就會(huì)以地波傳播方式傳播。這一頻段易被大氣散射，不能穿透大氣層。這一波段的典型應(yīng)用是調(diào)幅（AM）無線電。n天波(sky wave)：來自基于地球天線的電磁波被電離層反射回地球表面，可以通過多個(gè)跳躍，在電離層和地球表面之間前后反彈地穿行。n 直線LOS(line of sight) ：當(dāng)要傳播的信號(hào)頻率在30MHz以上時(shí)，電磁波不能被電離層反射，可穿透電離層，雖然由于大氣折射會(huì)出現(xiàn)一定彎曲，但不足以達(dá)到地球曲率，因此天波與地波的傳播方式均無法工作，通信必須用直線方式。 2.1.4 電信中的無線傳輸媒體n地面微波n地面微波系統(tǒng)主要用于長(zhǎng)途電信服務(wù)，可代替同軸電纜和光纖，通

12、過地面接力站中繼。 n用于建筑物之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)線路。 n常見的用于傳輸?shù)念l率范圍為2GHz40GHz。頻率越高，可能的帶寬就越寬，因此可能的數(shù)據(jù)傳輸速率也就越高。n微波天線最常見的類型是呈拋物面的“碟形”天線，其典型尺寸約為直徑3米。 n 衛(wèi)星微波n通信衛(wèi)星實(shí)際上一個(gè)微波接力站，用于將兩個(gè)或多個(gè)稱為地球站或地面站的地面微波發(fā)送器/接收器連接起來。n衛(wèi)星使用上下行兩個(gè)頻段：接收一個(gè)頻段(上行)上的傳輸信號(hào)，放大或再生信號(hào)后，再在另一個(gè)頻段(下行)上將其發(fā)送出去。 n 衛(wèi)星傳輸?shù)淖罴杨l率范圍為1GHz10GHz。n 特點(diǎn)n衛(wèi)星通信距離遠(yuǎn)，一個(gè)地面站發(fā)送到另一個(gè)地面站接收，約有1/4s傳播延遲。在差控

13、和流控方面，也帶來一系列問題。n衛(wèi)星微波是廣播設(shè)施，許多站點(diǎn)可以向衛(wèi)星發(fā)送信息，同時(shí)從衛(wèi)星上傳送下來的信息也會(huì)被眾多站點(diǎn)接收。n 衛(wèi)星主要應(yīng)用：電視廣播、長(zhǎng)途電話傳輸和個(gè)人用商業(yè)網(wǎng)絡(luò) 廣播無線電波 n 廣播無線電波是全向性的，不要求使用碟形天線，天線也無需嚴(yán)格地安裝到一個(gè)精確地校準(zhǔn)位置上。n 非正式術(shù)語廣播無線電波(broadcast radio) 包括VHF頻段和部分的UHF頻段：30MHz1GHz。n 廣播無線電波損傷的一個(gè)主要來源是多路徑干擾。 紅外線 n 紅外線傳輸不能超過視線范圍，距離短n 紅外線傳輸無法穿透墻體。微波系統(tǒng)中遇到的安全性和干擾問題在紅外線傳輸中都不存在。n 紅外線不需

14、要頻率分配許可。光波 n 頻率更高的光波，主要指非導(dǎo)向光波，而非用于光纖的導(dǎo)向光波。n 提供非常高的帶寬，成本也很低，相對(duì)容易安裝，而且與微波不同，不要求FCC許可。n 激光的強(qiáng)度(非常窄的一束光)是它的弱點(diǎn)，不易瞄準(zhǔn)。n 激光束不能穿透雨或者濃霧，白天太陽的熱量使氣流上升也會(huì)激光束產(chǎn)生偏差。 頻帶頻帶頻率范圍頻率范圍波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍傳播特性傳播特性典型的應(yīng)用典型的應(yīng)用ELF(極低頻)30Hz300Hz10000km1000km地波功率線頻率；用于某些家庭控制系統(tǒng)中VF(音頻)300Hz3000Hz1000km100km地波用于電話系統(tǒng)中使用的模擬用戶線路VLF(甚低頻)3KHz30KHz100km10km地波；白天夜晚低衰減；高大氣噪聲級(jí)長(zhǎng)距離導(dǎo)航；航海通信LF(低頻)30KHz300KHz1000km1km地波；比VLF的可靠性略差；白天會(huì)被吸收長(zhǎng)距離導(dǎo)航；航海通信中的無線電信號(hào)MF(中頻)300KHz3MHz1km100m地波和天波(夜)；衰減夜間低白天高；有大氣噪聲海事無線電；定向查找HF(高頻)3MHz30MHz100m10m天波；質(zhì)量隨一天的時(shí)間、季節(jié)和頻率而變化無線電業(yè)余愛好者；國(guó)際廣播，軍事通信；長(zhǎng)距離通信VHF(高頻)30MHz300MHz10m1m直線；由于溫度倒置出現(xiàn)散射；宇宙噪聲VHF電視；調(diào)頻廣播和雙向無線電，調(diào)幅飛機(jī)通信；飛機(jī)導(dǎo)航UHF(特高頻)