無線通信基本技術(shù)

1無線通信基本技術(shù)目錄contents無線通信概述電磁波與天線技術(shù)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)信道編碼與差錯控制技術(shù)多址接入與擴(kuò)頻通信技術(shù)無線傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)安全與加密技術(shù)301無線通信概述定義與發(fā)展歷程定義無線通信是指利用電磁波在自由空間中傳播信息，實(shí)現(xiàn)兩個或多個設(shè)備間通信的技術(shù)。發(fā)展歷程從早期的無線電報到現(xiàn)代移動通信、衛(wèi)星通信等，無線通信經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，技術(shù)不斷革新。將待傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換為電磁波信號，并發(fā)射到空中。發(fā)射器傳輸媒介接收器即電磁波傳播的空間，可以是空氣、水或其他介質(zhì)。接收空中的電磁波信號，并將其轉(zhuǎn)換回原始信息。030201無線通信系統(tǒng)組成移動通信衛(wèi)星通信無線局域網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)無線通信應(yīng)用領(lǐng)域01020304手機(jī)通信、移動數(shù)據(jù)傳輸?shù)取ｋ娨晱V播、電話通信、軍事應(yīng)用等。Wi-Fi、藍(lán)牙等短距離無線通信技術(shù)。智能家居、工業(yè)自動化、智能交通等領(lǐng)域。302電磁波與天線技術(shù)

電磁波傳播特性電磁波的產(chǎn)生變化的電場和磁場相互激發(fā)，形成電磁波向外傳播。電磁波的頻譜按照頻率從低到高，電磁波可分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波的傳播方式電磁波在空間中的傳播遵循麥克斯韋方程組，以光速傳播，無需介質(zhì)支持。由兩根相等長度的直導(dǎo)線組成，中間饋電，產(chǎn)生電磁輻射。偶極子天線利用拋物面的反射特性，將饋源發(fā)出的球面波反射成平面波，實(shí)現(xiàn)定向輻射。拋物面天線在介質(zhì)基片上覆蓋一層金屬薄膜構(gòu)成輻射元，通過微帶線或同軸線饋電實(shí)現(xiàn)電磁輻射。微帶天線天線類型及工作原理天線增益天線方向性天線帶寬天線選型天線性能參數(shù)與選型描述天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，增益越高，信號傳輸距離越遠(yuǎn)。指天線在某一頻率范圍內(nèi)能夠正常工作，且性能參數(shù)滿足一定要求的頻率范圍。表示天線輻射或接收電磁波的空間指向性，即天線在空間的輻射場強(qiáng)分布。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，綜合考慮天線的增益、方向性、帶寬等性能參數(shù)以及成本、尺寸等因素進(jìn)行選型。303調(diào)制與解調(diào)技術(shù)通過改變載波的振幅來傳遞信息，如普通調(diào)幅廣播。振幅調(diào)制（AM）通過改變載波的頻率來傳遞信息，如調(diào)頻廣播和電視伴音。頻率調(diào)制（FM）通過改變載波的相位來傳遞信息，常用于模擬通信系統(tǒng)中。相位調(diào)制（PM）模擬調(diào)制方法123通過改變載波的振幅來表示二進(jìn)制數(shù)字信號“0”和“1”。振幅鍵控（ASK）通過改變載波的頻率來表示二進(jìn)制數(shù)字信號“0”和“1”，如無線電話和藍(lán)牙通信。頻移鍵控（FSK）通過改變載波的相位來表示二進(jìn)制數(shù)字信號“0”和“1”，如QPSK、8PSK等。相移鍵控（PSK）數(shù)字調(diào)制方法相干解調(diào)01利用與發(fā)送端相同的載波進(jìn)行解調(diào)，通過比較接收信號與本地載波的相位或頻率差異來恢復(fù)原始信號。相干解調(diào)需要嚴(yán)格的載波同步，但性能較好。非相干解調(diào)02不需要與發(fā)送端相同的載波，而是直接利用接收信號的包絡(luò)或頻率變化來恢復(fù)原始信號。非相干解調(diào)相對簡單，但性能略差于相干解調(diào)。差分解調(diào)03利用相鄰信號間的差異進(jìn)行解調(diào)，不需要嚴(yán)格的載波同步。差分解調(diào)常用于移動通信等場景，以降低同步要求并提高抗干擾能力。解調(diào)原理及實(shí)現(xiàn)方式304信道編碼與差錯控制技術(shù)通過在發(fā)送端對信息進(jìn)行編碼，增加冗余度，以便在接收端能夠檢測和糾正傳輸過程中可能發(fā)生的錯誤，提高通信的可靠性。根據(jù)編碼方式的不同，信道編碼可分為線性分組碼、卷積碼、級聯(lián)碼、Turbo碼、LDPC碼等。信道編碼原理及分類信道編碼分類信道編碼原理發(fā)送端在編碼時加入冗余信息，接收端根據(jù)這些冗余信息自動糾正錯誤。這種方法不需要反向信道，但糾錯能力有限。前向糾錯（FEC）接收端在檢測到錯誤后，通過反向信道向發(fā)送端發(fā)送請求，要求重新發(fā)送出錯的數(shù)據(jù)。這種方法需要反向信道，但糾錯能力強(qiáng)。自動重傳請求（ARQ）結(jié)合前向糾錯和自動重傳請求的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)接收端檢測到錯誤時，首先嘗試用前向糾錯方法糾正錯誤；如果無法糾正，則通過反向信道請求重傳?；旌霞m錯（HEC）差錯控制方法卷積碼一種非線性分組碼，通過卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)編碼。卷積碼具有較低的編碼復(fù)雜度和較高的糾錯能力，廣泛應(yīng)用于無線通信中。Turbo碼一種并行級聯(lián)卷積碼，通過交織器和兩個遞歸系統(tǒng)卷積編碼器實(shí)現(xiàn)高性能的編碼。Turbo碼具有接近香農(nóng)極限的性能，被廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。LDPC碼一種低密度奇偶校驗(yàn)碼，通過稀疏的校驗(yàn)矩陣實(shí)現(xiàn)高性能的編碼。LDPC碼具有較低的譯碼復(fù)雜度和較高的糾錯能力，被廣泛應(yīng)用于寬帶無線通信、光纖通信等領(lǐng)域。典型信道編碼方案介紹305多址接入與擴(kuò)頻通信技術(shù)頻分多址（FDMA）將通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干等間隔的頻道，分配給不同的用戶使用。每個頻道只傳輸一路信號，各頻道之間無干擾。時分多址（TDMA）將時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號。碼分多址（CDMA）利用擴(kuò)頻技術(shù)，使不同用戶占用同一頻率和時間，但采用不同的編碼方式，以實(shí)現(xiàn)多址通信。多址接入方式及其特點(diǎn)保密性好由于擴(kuò)頻信號的帶寬很寬，使得竊聽者難以截獲和破譯。擴(kuò)頻通信原理通過發(fā)送比信息數(shù)據(jù)速率高得多的擴(kuò)頻碼，將信息數(shù)據(jù)的頻譜擴(kuò)展到一個較寬的頻帶內(nèi)，在接收端通過相關(guān)接收技術(shù)解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)?？垢蓴_能力強(qiáng)由于擴(kuò)頻信號的帶寬遠(yuǎn)大于信息帶寬，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力?？苟鄰礁蓴_擴(kuò)頻信號的多徑分量在接收端可以通過相關(guān)接收技術(shù)進(jìn)行分離和合并，從而減小多徑干擾的影響。擴(kuò)頻通信原理及優(yōu)勢要點(diǎn)三直接序列擴(kuò)頻（DS-SS）在發(fā)送端直接用高速率的擴(kuò)頻碼序列對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生寬帶信號進(jìn)行傳輸。在接收端通過相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)和相關(guān)接收，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。要點(diǎn)一要點(diǎn)二跳頻擴(kuò)頻（FH-SS）在發(fā)送端，信息數(shù)據(jù)通過調(diào)制器調(diào)制到不同的頻率上，這些頻率按照某種特定的規(guī)律進(jìn)行跳變。在接收端，通過同步跳變的本地振蕩器產(chǎn)生的頻率與接收到的信號進(jìn)行混頻和相關(guān)接收，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。跳時擴(kuò)頻（TH-SS）在發(fā)送端，信息數(shù)據(jù)在不同的時間片上進(jìn)行發(fā)送，時間片的選取按照某種特定的規(guī)律進(jìn)行跳變。在接收端，通過同步跳變的時間片選擇器和相關(guān)接收技術(shù)，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。要點(diǎn)三典型擴(kuò)頻通信系統(tǒng)舉例306無線傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)VS藍(lán)牙協(xié)議棧由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高層應(yīng)用層組成。底層硬件模塊負(fù)責(zé)無線信號的收發(fā)和調(diào)制解調(diào)；中間協(xié)議層包括鏈路管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路層的建立和管理；高層應(yīng)用層則提供各類應(yīng)用服務(wù)。藍(lán)牙協(xié)議特點(diǎn)藍(lán)牙協(xié)議具有低功耗、低成本、短距離通信的特點(diǎn)，支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式。同時，藍(lán)牙協(xié)議還具有較好的兼容性和互操作性，可廣泛應(yīng)用于手機(jī)、耳機(jī)、音箱等設(shè)備的無線連接。藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)Wi-Fi協(xié)議棧結(jié)構(gòu)Wi-Fi協(xié)議棧主要由物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）和上層應(yīng)用組成。物理層負(fù)責(zé)無線信號的調(diào)制和解調(diào)；媒體訪問控制層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的傳輸和控制；上層應(yīng)用則提供各類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。Wi-Fi協(xié)議特點(diǎn)Wi-Fi協(xié)議具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。它采用基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，支持多種傳輸速率和調(diào)制方式，可廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室等場景的無線接入。Wi-Fi協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧由物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）組成。物理層和媒體訪問控制層負(fù)責(zé)無線信號的收發(fā)和數(shù)據(jù)處理；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理；應(yīng)用層則提供各類應(yīng)用服務(wù)。ZigBee協(xié)議特點(diǎn)ZigBee協(xié)議具有低功耗、低成本、低速率、近距離通信的特點(diǎn)，適用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的智能家居、工業(yè)自動化等場景。它采用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式，具有自組網(wǎng)和自愈能力。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)307無線網(wǎng)絡(luò)安全與加密技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)安全威脅分析攻擊者通過截獲無線信號，竊取通信內(nèi)容。攻擊者偽裝成合法用戶或基站，誘騙其他用戶連接并竊取信息。攻擊者截獲并復(fù)制合法用戶的通信內(nèi)容，再次發(fā)送給接收方，造成混亂。攻擊者通過發(fā)送大量無用信號，干擾正常通信，使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。竊聽假冒重放拒絕服務(wù)03混合加密結(jié)合對稱加密和非對稱加密的優(yōu)點(diǎn)，保證安全性和效率。01對稱加密加密和解密使用相同密鑰，典型算法有AES、DES等。02非對稱加密加密和解密使用不同密鑰，分為公鑰和私鑰，典型算法有RSA、ECC等。加密算法原理及分