2.1　無線通信基礎

無線通信技術是指通過電磁波傳輸信息的一種技術，其原理是通過調制將待傳輸信息加載到電磁波上并通過天線發射出去。無線通信技術與有線通信技術有很多共同點，如信號都要經過發送端的編碼和調制處理，以及接收端的解調和解碼處理。兩者不同之處在于無線通信的傳輸媒介是電磁波，而且無線信道也比有線信道復雜。

電磁波在無線信道中有直射、反射、散射和折射等傳播方式，它的傳播與環境聯系非常密切。在傳播的過程中，電磁波的能量會被一些障礙物吸收，造成電磁波的損耗。為了減少對傳輸的影響，在無線通信中通常會使用一些抗衰減技術，常用的抗衰減技術有擴頻技術、信道編碼技術、信道均衡技術和分集接收技術。

無線通信是以電磁波作為傳輸媒介，利用電磁波來傳輸信息的通信系統。無線通信具有建設成本低、周期短、覆蓋范圍廣、擴容靈活和維護簡單等優點。

2.1.1　無線通信簡介

1.概述

無線通信始于19世紀后期，英國的麥克斯韋是人類歷史上第一個預言電磁波存在的人，他于1864年提出了電磁場的動力學理論，又于1873年出版了科學名著《電磁理論》，該著作系統、全面、完美地闡述了電、磁、光相統一的電磁理論，這一理論成為經典物理學的重要支柱之一，為無線通信奠定了堅實的理論基礎。

無線通信可用來傳輸電報、電話、傳真、圖像數據和廣播電視等，與有線通信相比，無線通信無須架設傳輸線路、不受通信距離限制、機動性能好、建立速度快。

通信方式是指通信雙方或多方之間的工作形式和信號傳輸方式。根據不同的標準，無線通信方式也有不同的分類。

（1）按通信對象數量的不同，通信方式可分為點對點通信（兩個對象之間的通信）、點對多點通信（一個對象和多個對象之間的通信）和多點對多點通信（多個對象和多個對象之間的通信），這三種通信方式的示意圖如圖2.1所示。

（2）按信號傳輸方向與傳輸時間的不同，任意兩點間的通信方式可分為單工、半雙工和雙工通信，如圖2.2所示。單工通信是指在任何一個時刻，信號只能從甲方向乙方單向傳輸，甲方只能發送信號，乙方只能接收信號，如廣播電臺與收音機、電視臺與電視機的通信、遙控玩具、航模、尋呼等均屬于單工通信。半雙工通信是指在任何一個時刻，信號只能單向傳輸，或從甲方向乙方，或從乙方向甲方，雙方不能同時收發信號，如對講機、收發報機之間的通信。雙工通信是指在任何一個時刻，信號能夠雙向傳輸，雙方能同時收發信號，如普通電話、手機之間的通信。

（3）按信號傳輸順序的不同（主要指數字通信），通信方式可分為串行通信與并行通信，如圖2.3所示。串行通信是指將表示一定信息的數字信號序列按信號變化的時間順序一位接一位地從發送端經過信道傳輸到接收端。并行通信是指將表示一定信息的數字信號序列按碼元數分成多路（通常n為一個字長，如8路、16路、32路等），同時在多路并行信道中傳輸，發送端一次可以將n位數據發送到接收端。例如，在傳輸數字信號10011010時，并行方式則將該序列的8位碼用8路信道同時傳輸。

（4）按同步方式的不同，通信方式可分為同步通信和異步通信。異步通信以字符為通信單位，同步信息由硬件附加在每一個字符的數據幀上。與異步通信不同，同步通信不是對每個字符單獨同步，而是以數據塊為傳輸單位并對其進行同步。每個數據塊的頭部和尾部都要附加一個特殊的字符或比特序列，以標志數據塊的開始與結束，這里數據塊是指由一批字符或二進制符號序列組成的數據。

無線信號傳輸所經歷的環境與有線信號傳輸相比要復雜得多，在傳輸過程中會受到發送端和接收端間的復雜地形、移動物體、空氣溫度濕度以及它們的變化特性的影響，呈現出許多不穩定的傳輸損耗。

2.無線通信系統結構組成

實現信號傳輸所需的一切技術設備和傳輸媒介的總和稱為通信系統，無線通信系統通常包括信源、發送設備、天線、無線信道、接收設備、信宿等部分，無線通信系統的組成如圖2.4所示。

信源（或稱信息源）是把待傳輸的信息轉換成原始電信號（也可以稱為基帶信號），該信號屬于低頻信號。基帶信號可分為模擬基帶信號和數字基帶信號，同樣，信源也分為模擬信源和數字信源。

發送設備的基本功能是將信源和無線信道匹配起來，即將信源產生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在無線信道中傳輸的信號。變換方式可能是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調制是最常見的變換方式。調制器可以將低頻的基帶信號加載到高頻的載波上，變換成發射時所需的頻帶信號，再經功率放大后由天線發射到自由空間中進行傳播的電磁波。為了傳輸數字信號，發送設備又常常采用信源編碼和信道編碼等技術。

無線信道是電磁波傳輸的通道，對于無線通信來說，無線信道主要是指自由空間，也包括水等。對于電磁波而言，它在無線信道中傳輸時，并沒有一個有形的連接，其傳播路徑也往往不止一條，因此電磁波在傳輸過程中必然會受到多種干擾的影響而產生各種衰減，從而造成系統通信質量的下降。噪聲與干擾是無線通信系統中各種設備及無線信道中所固有的，對于無線通信，無線信道中的噪聲和干擾對信號傳輸的影響較大，是不可忽略的。

接收設備的功能與發送設備的功能作用相反。接收設備選取相應的頻帶信號進行放大，通過解調、譯碼、解碼等過程，最終將頻帶信號轉換為原始電信號。

信宿也稱受信者，它可將復原的原始電信號轉換成相應的信息。

無線通信系統可以根據傳輸方法、頻率范圍、用途等分為很多類型。不同的無線通信系統，其設備組成和復雜度都有較大的差異，但是組成設備的基本電路及其原理都是類似的。在無線通信設備內部通常既包括發射機也包括接收機，它們共用同一個天線。

3.無線通信系統分類

無線通信系統可分為無線模擬通信系統和無線數字通信系統，目前多采用無線數字通信系統。

（1）無線模擬通信系統。在信道中傳輸模擬信號的系統稱為無線模擬通信系統，該系統主要完成兩種信息的重要變換。其一是把信息變換成電信號（即原始電信號，在信源完成），其二是將電信號恢復成最初的信息（在信宿完成）。信源輸出的電信號（基帶信號）具有頻率較低的頻譜分量，一般不能直接在信道中傳輸。因此，無線模擬通信系統常采用調制方式將基帶信號變換成適合信道傳輸的信號，這一變換由調制器完成。在接收端同樣需經相反的變換，它由解調器完成。經過調制后的信號通常稱為已調信號，已調信號具有攜帶信息、適合在信道中傳輸和頻譜具有帶通形式，且中心頻率具有較高頻率三個基本特性。因此，已調信號又常稱為頻帶信號。通常，在一個通信系統里可能還有濾波、放大、天線發射與接收、控制等環節。

（2）無線數字通信系統。在信道中傳輸數字信號的系統稱為無線數字通信系統。無線數字通信系統可進一步細分為無線數字頻帶傳輸通信系統、無線數字基帶傳輸通信系統、無線模擬信號數字化傳輸通信系統三種類型。

①無線數字頻帶傳輸通信系統。無線數字通信系統的基本特征是其信號具有“離散”或“數字”的特性，其特點如下：

●　在傳輸數字信號時，信道噪聲或干擾所造成的差錯原則上是可以控制的（可通過差錯控制編碼來實現），這樣在發送端就需要增加一個編碼器，而在接收端相應需要增加一個解碼器。

●　當需要實現保密通信時，可對數字信號進行人為“擾亂”（加密），此時在接收端就必須進行解密。

●　由于無線數字通信系統是按一定節拍傳輸數字信號的，因而接收端必須有一個與發送端相同的節拍。否則，就會因收發節拍不一致而造成混亂。

●　為了表述信息內容，基帶信號都是按信息特征進行分組的，因此在收發兩端之間的分組的規律也必須一致，否則接收端將無法恢復原來的信息。在無線數字通信系統中，節拍一致稱為位同步或碼元同步，分組一致稱為群同步或幀同步，故無線數字通信中還必須解決同步這個重要問題。

綜上所述，常用的無線數字頻帶傳輸通信系統框圖如圖2.5所示，圖中加密器/解密器、編碼器/譯碼器、調制器/解調器等環節在具體的通信系統中是否全部采用取決于具體設計條件和要求。如果發送端中具有調制、加密、編碼功能，則在接收端中就必須具有解調、解密、譯碼功能。通常把采用調制器/解調器的無線數字通信系統稱為無線數字頻帶傳輸通信系統。

②無線數字基帶傳輸通信系統。與無線數字頻帶傳輸通信系統相對應，把沒有采用調制器/解調器的無線數字通信系統稱為無線數字基帶傳輸通信系統，其框圖如圖2.6所示。

在無線數字基帶傳輸通信系統中，基帶信號形成器中應包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器包括譯碼器、解密器等。

③無線模擬信號數字化傳輸通信系統。在上面論述的無線數字通信系統中，信源輸出的信號均為數字基帶信號。實際上，在日常生活中大部分信號（如語音信號）都是連續變化的模擬信號。要想在數字系統中傳輸模擬信號，就必須在發送端將模擬信號數字化，即進行A/D轉換；在接收端需要進行相反的轉換，即進行D/A轉換。無線模擬信號數字化傳輸的通信系統框圖如圖2.7所示。

2.1.2　無線通信系統的主要技術參數和性能指標

1.無線通信系統的主要技術參數

不同的無線數字通信系統有不同的技術參數，主要包括無線信道帶寬、數據傳輸速率、信噪比、頻帶利用率和差錯率等。

（1）無線信道帶寬。帶寬即頻帶寬度，一般是指波長、頻率或能量帶的范圍，用B表示，單位是Hz。不同的帶寬，其含義是不同的，因此在用到帶寬時，往往需要說明是哪種帶寬。通常帶寬分為信道帶寬和信號帶寬，信道帶寬是一個信道能夠傳輸電磁波的有效頻率范圍。信號帶寬是指信號所占據的頻率范圍，由信號的特點決定。對于無線通信來說，無線信道傳輸的信號都是具有一定帶寬的信號，通常信號帶寬是小于信道帶寬的，香農定理中的信道容量定理給出了傳輸信號的最大帶寬。無線信道帶寬除了與信道的特性有關，還與國際頻段管理組織的頻段劃分與通信體制有關。

香農定理指的是當信號的平均功率與信道高斯白噪聲的平均功率給定時，在具有一定帶寬B的信道上，理論上單位時間內可以傳輸的信息量的極限。香農定理可用式（2.1）表示：

式中，B表示帶寬，單位Hz；S/N為信噪比，S是信號平均功率，N是噪聲平均功率。

（2）數據傳輸速率。數據傳輸速率是指在單位時間內傳輸信息的大小，它是評估通信系統的重要指標，經常用到的指標有碼元傳輸速率、數據信號速率和數據傳輸速率。

①碼元傳輸速率。碼元傳輸速率簡稱傳碼率，又稱為波特率、符號速率、碼元速率、調制速率，表示單位時間內（每秒）信道上實際傳輸碼元個數，單位是波特（Baud），常用符號B來表示。值得注意的是，碼元傳輸速率僅僅表征單位時間內傳輸的碼元數目，并沒有限定碼元采用何種進制。但對于數據信號速率，必須換算為相應的二進制碼元來計算。碼元傳輸速率的計算公式為：

式中，T是周期，即傳輸單位調制信號波所用時間，單位是s。

②數據信號速率。數據信號速率簡稱傳信率，又稱為信息速率、比特率，它表示單位時間（每秒）內傳輸實際信息的比特數，單位為比特/秒（bps）。在信息論中，比特是信息量的度量單位。一般在數字通信中，如果1和0出現的概率是相同的，則每個1和0就是一比特的信息量。

若以串行方式進行數據傳輸時，則數據信號速率可定義為：

式中，RB為波特率；m為調制信號波的狀態數；T為單位調制信號波的時間。

③數據傳輸速率。所謂數據傳輸速率，是指在單位時間內數據的傳輸量，數據的單位可以是比特、字符等，時間的單位可以是時、分、秒等，如將“字符/min”作為數據傳輸速率的單位。數據在實際傳輸時需要附加一定數量的位，計算時應根據實際情況確定傳輸數據的長度及附加位。

（3）信噪比。信號在傳輸過程中會不可避免地受到噪聲的影響，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）用來描述在此過程中信號受噪聲影響程度的量，它是衡量無線通信系統性能的重要指標之一。信噪比通常是指某一點上的信號平均功率與噪聲平均功率的比值，即：

式中，是信噪比；Ps是信號平均功率；Pn是噪聲平均功率。通常采用分貝（dB）來表示信噪比，即：

（4）差錯率。由于數字信息是由離散的二進制數字序列來表示的，因此在傳輸過程中，不論它經歷了何種變換，產生了什么樣的失真，只要在接收端能正確地恢復出原始發送的二進制數字序列，就達到了傳輸的目的。衡量無線通信系統可靠性的主要指標是差錯率，差錯率越大表明系統可靠性越差。

（5）頻帶利用率。在比較不同的無線通信系統的效率時，只看它們的數據傳輸速率是不夠的，還要看傳輸信息所占用的頻帶。無線通信系統占用的頻帶越寬，傳輸信息的能力就應該越大。在通常情況下，可以認為二者成正比。所以用來衡量無線通信系統傳輸效率的指標應該是單位頻帶內的數據傳輸速率，記為η，可表示為：

式中，η的單位為比特/秒·赫茲（bps·Hz），或者波特/赫茲（Baud/Hz）。

2.數據傳輸損耗

在計算機通信技術飛速發展的今天，各種無線通信系統在性能等諸多方面得到了不斷完善。然而在傳輸過程中一定會出現傳輸損耗，因為對于無線通信系統，在接收端得到的信號不可能與發送端發送的信號完全一致。這些損耗會隨機地引起模擬信號的改變，或使數字信號出現差錯，它們也是影響數據傳輸速率和傳輸距離的一個重要因素。

（1）衰減（衰損）。信號在傳輸過程中將會有部分能量轉化為熱能或者被傳輸媒介吸收，從而使信號強度不斷減弱，這就是衰減。衰減在遠距離通信系統中尤為明顯，通常采用放大器或中繼器來增加信號強度。

在遠距離通信系統中，信號通過一系列的電纜和設備后會出現衰減或增益。為了便于在各點間進行比較，通常在系統中選擇一個稱為傳輸電平的參考點。在求出用分貝表示的一個點上的增益代數和之后，就可以確定該點的相對電平，其中這個代數和的值就是該點的傳輸電平。絕對電平是由信號自身決定的，一般參考點被定為0 dB的傳輸點，簡稱零電平點，縮寫為dBm0。

（2）失真。信號不同頻率的分量在傳輸過程中會受到不同程度的衰減和延時，最終到達接收端的信號與發送端發送的信號在波形上會有所差異，我們把這種傳輸過程中信號波形的變化稱為失真。

根據產生的原因不同，失真分為振幅失真、延時失真。振幅失真是由各頻率分量振幅發生不同變化而引起的失真，是由傳輸設備和線路引起的衰減造成的。延時失真是由各頻率分量的傳播速度不一致所造成的失真，容易造成碼間串擾。

（3）噪聲。噪聲是無線通信系統性能（特別是頻帶利用率）的主要制約因素。無線通信系統中的噪聲主要有以下四類：

①熱噪聲。熱噪聲是指由電阻一類導體中自由電子的布朗運動引起的噪聲。由熱能引起的自由電子布朗運動會產生一個交流電流成分，這個交流成分稱為熱噪聲。熱噪聲是由帶電粒子在導電媒介中的分子熱運動造成的，它是絕對存在的，無法被消除的。噪聲功率密度可作為熱噪聲的度量，它以瓦/赫（W/Hz）為單位。

②交調噪聲。交調噪聲是指多個不同頻率的信號共享一個傳輸媒介時產生的噪聲，通常是無線通信系統中存在非線性因素造成的。信號的頻率可能是某兩個信號的頻率和、差或倍數，非線性因素通常是由元件故障引起的。

③串擾。串擾又稱為串音，是指一個信道中的信號對另一個信道中的信號產生的干擾。串擾分為邊帶線性串擾和邊帶非線性串擾兩種。邊帶線性串擾是指在單邊帶通信中的邊帶濾波器對另一邊帶的衰減不夠大時，上邊帶信號對下邊帶信號或下邊帶信號對上邊帶信號所造成的干擾。邊帶非線性串擾是指當單邊帶接收機的某一個邊帶在工作時，位于另一個邊帶內的兩個高頻信號形成的互調產物進入工作邊帶內所造成的干擾。

④脈沖噪聲。脈沖噪聲是一種由突發的振幅很大、持續時間很短的，并且耦合到信號通道中的非連續尖峰脈沖引起的干擾，通常是由一些無法預知的因素造成的，如電火花、雷電。該噪聲是非連續的，在短時間里具有不規則的脈沖或噪聲峰值。脈沖噪聲不僅會對模擬通信系統造成明顯影響，還是數字通信系統中產生差錯的主要因素。脈沖噪聲造成的干擾不易被消除，必須通過差錯控制的方法來確保傳輸的可靠性。

3.無線通信系統的性能指標

無線通信系統的性能指標歸納起來有以下幾個方面：

●　有效性：指無線通信系統傳輸信息的“速率”問題，即快慢問題。

●　可靠性：指無線通信系統傳輸信息的“質量”問題，即好壞問題。

●　適應性：指無線通信系統適用的環境條件。

●　經濟性：指無線通信系統的成本問題。

●　保密性：指無線通信系統對所傳輸信息的加密措施。

●　標準性：指無線通信系統的接口、各種結構及協議是否合乎國家、國際標準。

●　維修性：指無線通信系統是否維修方便。

●　工藝性：指無線通信系統各種工藝要求。

有效性和可靠性是評估無線通信系統優劣的主要性能指標。一般情況下，要增加無線通信系統的有效性通常會降低其可靠性。對于模擬通信系統來說，系統的有效性和可靠性可用系統頻帶利用率和輸出信噪比（或均方誤差）來衡量。對于數字通信系統而言，系統的可靠性和有效性可用誤碼率和數據傳輸速率來衡量，數據傳輸速率越高，系統的有效性越好。

2.1.3　無線通信系統的傳輸方式

無線通信所使用的頻段很廣，常用的有無線電波、紅外、激光。這三種頻段的電磁波對雨、霧和雷電等環境較為敏感，其中無線電波中的微波對雨、霧的敏感度較低，所需的天線尺寸較小，因此是WSN常用的傳輸媒介。

1.無線電波

無線電波是指在空間（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段的電磁波。無線電波的波長越短、頻率越高，相同時間內傳輸的信息就越多。無線電波是指工作頻率在10 kHz～300 GHz的電磁波，包括長波、中波、短波、微波等。

無線電波是由頻率很高的交變電流通過天線發射的電磁波。由電磁感應定理可知，電場的變化會產生磁場，磁場的變化又會產生電場，如此持續不斷地向空中傳播的電場和磁場就是電磁波。無線電波被廣泛應用于通信的原因是其傳播距離可以很遠，而且是全方向的傳播，因此發射無線和接收無線不必要求精確對準。

在無線通信中，根據無線電波的波長（或頻率）可以把無線電波劃分為各種不同的波段（或頻段）。不同波長（或頻率）的無線電波，其傳播特性往往不同，應用的范圍也不相同。

（1）長波。用長波通信時，在接收端的場強穩定，但由于表面波衰減慢，對其他接收端干擾大。長波受天電干擾的影響亦很嚴重。此外由于發射天線非常龐大，所以利用長波的場合不多，僅在越洋通信、導航、氣象預報等方面采用。

（2）中波。白天天波衰減大，被電離層吸收，主要靠地波傳播，夜晚天波參加傳播，傳播距離較地波遠，它主要用于船舶與導航通信，波長為200～2000 m的中波主要用于廣播。

（3）短波。短波傳播既有地波也有天波，但由于短波的頻率較高，地面吸收強烈，地波衰減很快，短波的地波傳播只有幾十千米。天波在電離層中的損耗較少，常利用天波進行遠距離通信和廣播。但由于電離層不穩定、通信質量不佳，短波主要用于電話電報通信、廣播及業余電臺。

①地波。在地面附近的空間傳播的無線電波稱為地波，通信距離在300 km以內時常采用地波進行傳輸。在無線通信中，頻率較低的電磁波在地面附近的空間傳播時，有一定的繞射能力，這種傳播方式稱為地波傳輸。根據電磁波的衍射特性，當波長大于或等于障礙物的尺寸時，電磁波才能繞過障礙物。

在地波傳播時，陸地和海洋均會引起信號的衰減。地面會因地波的傳播引起感應電流，因而地波在傳播過程中會有能量損失，頻率越高，損失的能量越多。地波不受晝夜變化和氣候影響，傳播比較穩定可靠。但在傳播過程中，能量被大地不斷吸收，因此地波的傳播距離不遠，一般在幾百千米內，適宜在較小范圍內的通信和廣播業務使用。

②天波。天波傳輸指的是將信號發射到地球上空電離層，通過電離層反射來實現信號傳輸的一種方式。在地表上空50 km到幾百千米的范圍內，大氣中一部分氣體分子由于受到太陽光的照射而丟失電子發生電離，產生帶正電的離子和帶負電的自由電子，這層大氣就稱為電離層。電離層對于不同波長的電磁波表現出不同的特性。

（4）超短波。由于超短波的頻率很高，而地波的衰減很大，電磁波穿入電離層很深甚至穿出電離層，使電磁波不能反射回來，所以超短波不能利用地波和天波的傳播方式，主要用空間波傳播。超短波主要用于調頻廣播、電視、雷達、導航傳真、中繼、移動通信等。電視頻道之所以選在超短波（微波及分米波）波段上，主要原因是電視需要較寬的帶寬（我國規定為8 MHz）。如果載頻選得比較低，例如選在短波波段，設中心頻率fo=20 MHz，則相對帶寬f/fo=8/20=40%。這么寬的相對帶寬會給發射機、天線饋線系統、接收機以及信號傳輸帶來許多困難，因此在采用超短波波段時，要提高載頻以減小相對帶寬。

（5）微波。微波中繼通信是指利用微波作為載波并采用中繼（接力）方式在地面上進行的無線通信。微波中繼通信是在第二次世界大戰后期，由美國貝爾實驗室開始研究使用的一種無線通信技術。經過幾十年的發展，微波中繼通信已經獲得廣泛的應用。微波中繼通信用于遠距離通信時，需要采用中繼（接力）接收并轉發的傳輸方式才能完成信號從信源到信宿的傳輸任務。

微波中繼通信的頻率范圍為300 MHz～300 GHz，對應的波長范圍為1 m～1 mm，具體的微波頻段可細分為特高頻（UHF）頻段/分米波頻段、超高頻（SHF）頻段/厘米波頻段和極高頻（EHF）頻段/毫米波頻段。由于衛星通信實際上也是在微波頻段采用中繼方式進行的通信，只是其中繼站設在衛星上而已，因此為了與衛星通信相區別，這里所說的微波中繼通信僅指限定在地面上的微波中繼通信。圖2.8是遠距離地面微波中繼通信系統的示意圖，其傳輸特點是在空間利用定向天線實現視距傳輸。由于受地形和天線高度的限制，以及地面和空間傳播損耗的影響，空間兩點間的傳輸距離一般為30～50 km，每隔50 km左右就需要設置中繼站，對信號進行接收、放大和轉發，遠距離微波中繼通信在經過幾十次的中繼而傳輸至數千千米時仍可保持高質量的通信。

微波中繼通信系統主要包括微波終端站、微波中繼站和天線饋線系統等部分。其中微波終端站包括微波收發設備、調制/解調設備、多路復用設備、電源設備和自動控制設備等；微波中繼站主要完成信號的雙向接收和轉發，轉發方式有微波轉接方式、中頻轉接方式和基帶轉接方式；天線主要是完成饋線中傳輸的電磁能量與空間傳播的電磁波的相互轉換，饋線則是電磁能量的傳輸通道。微波中繼通信常用的天線形式有喇叭天線、拋物面天線、喇叭拋物面天線和潛望鏡天線等。微波中繼通信的特點如下：

①通信帶寬寬，傳輸容量大。占用的帶寬越寬，可容納同時工作的無線電設備就越多，通信容量也就越大。短波通信設備一般只能容納幾條話路同時工作，而微波中繼通信設備可以容納幾千甚至上萬條話路同時工作，并可傳輸電視圖像等寬帶信號。

②受外界環境干擾影響小。微波中繼通信具有良好的抗災性能，對于水災、風災以及地震等自然災害，微波中繼通信一般都不受影響。

③通信靈活性較大。微波中繼通信采用中繼方式，可以實現地面上的遠距離通信，并且可以跨越沼澤、江河、湖泊和高山等特殊地理環境。在遭遇地震、洪水、戰爭等災禍時，通信的建立、撤收及轉移都比較容易，微波中繼通信在這些方面比電纜通信的靈活性更大。

④天線增益高、方向性強。由于微波具有視距傳播特性，可利用微波天線將電磁波聚集成很窄的波束，使微波天線具有很強的方向性，以減少通信中的相互干擾。

⑤投資少、建設快。微波中繼通信線路可以節省大量的有色金屬，建設費用低，建設時間也較短。

微波中繼通信主要用來傳輸長途電話信號、寬帶信號（如電視信號）、數據信號，以及移動通信系統基站與移動業務交換中心之間的信號等。

（6）衛星通信。衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站來實現兩個或多個地面站之間的通信。衛星通信是現代無線通信的重要手段，目前全世界有200多個國家和地區的200多顆通信衛星同時在地球靜止軌道上運行，它們提供了80%的洲際通信、100%國際電視轉播以及國內或區域內的通信和電視廣播業務。

由于通信衛星處于大氣層之外，地面上發射的電磁波必須能穿透大氣層才能到達通信衛星。同樣，從通信衛星到地面上的電磁波也必須穿透大氣層。當電磁波穿過大氣層時，必然會受到大氣層的吸收而使信號的能量損耗。人們經過大量的分析和測試得知，電磁波穿過大氣層時的損耗與使用的頻率有關。只有在微波頻段時，大氣層對電磁波的吸收最小，電磁波的能量損耗也最小，所以微波信號穿過大氣層的能力最強，因此微波頻段也稱為無線電窗口。目前大多數衛星通信系統都工作在微波頻段（0.3～30 GHz），具體頻段有UHF頻段（0.3～1 GHz）、L頻段（1～2 GHz）、S頻段（2～4 GHz）、C頻段（4～8 GHz）、X頻段（8～12 GHz）、Ku頻段（12～18 GHz）、K頻段（18～27 GHz）、Ka頻段（27～40 GHz）。由于C頻段的帶寬較寬，又便于利用成熟的微波中繼通信技術，且天線尺寸也較小，因此，衛星通信系統最常采用的是C頻段。

根據通信衛星與地面之間的位置關系，通信衛星可分為靜止通信衛星、移動通信衛星、中軌道衛星和低軌道衛星。為了進行雙向通信，衛星通信系統中的每一個地面站均包括發射系統和接收系統。由于收發系統一般是共用一副天線，因此需要使用雙工器來將收發信號分開。地面站收發系統的終端通常都與長途電信局或微波線路連接，地面站的規模大小則由通信系統的用途而定。在衛星通信系統中，各地面站發射的信號都是經過通信衛星轉發給對方地面站的，衛星轉發器的作用是接收地面站發來的信號，經變頻、放大后，再轉發給其他地面站。因此，除了要保證在通信衛星上配置轉發無線電信號的天線及通信設備，還要有保證完成通信任務的其他設備。一般來說，衛星通信系統主要由天線、接收設備、變頻器、發射設備和電源系統等部分組成。衛星通信系統組成框圖如圖2.9所示。

衛星通信系統作為現代無線通信的重要手段之一，其主要特點如下。

①覆蓋地域廣、通信距離遠、通信機動靈活、不受地理條件限制。

②工作頻段高。衛星通信系統的工作頻率使用微波頻段（0.3～30 GHz），主要原因是通信衛星處于大氣層外，地面站發射的電磁波必須穿透大氣層才能到達通信衛星，而微波頻段對大氣層的穿透能力最強。

③帶寬寬、通信容量大、傳輸業務類型多。衛星通信系統采用微波頻段，可供使用的頻段很寬，星上能量和衛星轉發器的功率可得到充分保證。隨著新技術和新體制的不斷發展，衛星通信系統的容量也越來越大，傳輸業務的類型也日趨多樣化。

④通信質量好、可靠性高。衛星通信系統中的電磁波主要在宇宙空間傳播，而宇宙空間基本是真空狀態，信道傳輸特性十分穩定，而且電磁波通常只經過通信衛星轉發一次，受噪聲和地面環境條件影響較小，通信質量穩定可靠，可靠性可達99.8%以上。

⑤線路使用費用與通信距離無關。微波中繼通信系統或光纜通信系統的建設成本和維護費用都隨通信距離的增加而增加，而衛星通信的地面站至衛星轉發器這一區間并不需要投資，因此線路使用費與通信距離無關。

目前，衛星通信系統被廣泛地應用于軍事、氣象、資源探測、偵察、宇宙通信、科學實驗、全球定位等領域。

2.紅外線

紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，頻率范圍為300 GHz～300 THz，其頻率高于微波而低于可見光，是一種人眼看不到的光線。由于紅外線的波長較長，對障礙物的衍射能力差，所以適合短距離無線通信的場合。紅外線按頻率從高到低可分為近紅外線、中紅外線、遠紅外線三部分。

IrDA是針對短距離紅外無線數據通信制定的開放的標準，屬于點對點的數據傳輸協議，其傳輸具備角度小（30°以內）、距離短、數據直線傳輸、傳輸速率較高、保密性強等特點，適用于傳輸大容量的文件和多媒體數據，而且無須申請頻率的使用權，成本較為低廉。目前主流的軟硬件平臺均提供對IrDA的支持，IrDA已被全球范圍內的眾多廠商采用。

按照數據傳輸速率的不同，IrDA可分為SIR、MIR和FIR。串行紅外（SIR）速率覆蓋低速接口通常所支持的速率；中速紅外（MIR）指0.576 Mbps和1.152 Mbps的數據傳輸速率；高速紅外（FIR）通常指4 Mbps的數據傳輸速率，也可以用于高于SIR的所有數據傳輸速率。在IrDA中，物理層、鏈路接入協議（IrLAP）和鏈路管理協議（IrLMP）是必需的三個協議層。除此之外，還有一些適用于特殊應用模式的可選層。在IrDA中，設備分為主設備和從設備，主設備可以尋找從設備，然后從那些響應它的從設備中選擇一個建立連接。

IrDA可以工作在半雙工模式，通信的兩個設備通過快速轉向鏈路來模擬全雙工通信，由主設備負責控制鏈路的時序。

紅外通信大多應用于家電控制等簡單的單工通信模式下，如日常生活中使用的遙控器和計算機等都采用的是紅外通信方式。在應用上，IrDA和藍牙技術有相似之處，筆記本電腦、手持設備、計算機外設等也是IrDA目前重要的應用領域。

紅外通信的最大優點是不受電磁干擾，且紅外線的使用不受國家無線電管理機構的限制。但紅外通信受太陽光的干擾較大、有較強的方向性，通信雙方必須在直線視距之內，主要是用來取代點對點的線纜連接。紅外通信的傳輸距離短，傳輸速率相對較低，對非透明物體的透過性極差，無法靈活地組成網絡。

紅外接口是目前在世界范圍內被廣泛使用的一種無線連接技術，被眾多的軟硬件平臺所支持。通過數據脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現無線數據的收發。紅外通信系統的電路簡單、體積小、質量輕、價格低，適用于低成本的嵌入式系統。

3.激光

激光通信是指用激光束作為信息載體進行的空間（包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間）通信。與微波中繼通信相比，激光通信的波長明顯比微波中繼通信的波長短，具有高度的相干性和空間定向性，其特點如下。

（1）通信容量大。激光的頻率比微波高3～4個數量級，作為通信的載波，有更寬的帶寬，光纖通信技術可以移植到激光通信中。目前，光纖通信中的每束波束光波的數據傳輸速率可達20 Gbps以上，采用波分復用技術可使通信容量上升幾十倍。因此，在通信容量上，激光通信比微波中繼通信有更大的優勢。

（2）低功耗。激光的發散角很小，能量高度集中，故在接收機潛望鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，功耗相對較低，這對應于能量成本高昂的激光通信來說是十分適用的。

（3）體積小、質量輕。由于激光通信的能量利用率高，使得發射機及其供電系統的質量減輕。由于激光的波長短，在同樣的發散角和接收視場角的要求下，發射和接收潛望鏡天線的口徑都可以減小，擺脫了微波中繼通信巨大的碟形天線，質量減輕，體積減小。

（4）高度的保密性。激光具有高度的定向性，發射波束纖細，激光的發散角通常為毫弧度，這使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾和防竊聽的能力。

（5）建網費用低。激光通信具有較低的建網費用和維護費用。

自從20世紀60年代激光出現以來，其良好的單色性、方向住、相干性及高亮度性等特點，使得激光成為光通信的理想光源。利用激光在空間傳輸信息的通信方式稱為自由空間光通信，也稱為無線激光通信或無線光通信。一般而言，光通信分為有線光通信和無線光通信兩種。有線光通信即光纖通信，已成為遠距離傳輸的主要方式之一。無線光通信早期主要應用于軍事和航天領域，隨著技術的發展和制造成本的下降，近幾年在寬帶接入等領域得到越來越多的應用。

無線光通信的工作頻率為326～365 THz。無線光通信系統主要由光源、調制器、光發射機、光接收機及附加發送和接收設備等組成。無線光通信和紅外通信相似，收發兩端存在無遮擋的視距和足夠的發射功率就可以進行通信，可實現點對點或點對多點的連接。無線光通信技術除了具有帶寬寬、數據傳輸速率高、頻譜資源豐富、不受微波信號輻射或受電磁環境干擾等優點，還具有方向性好、安全保密、部署便捷、成本低、無須申請頻率使用許可證等優勢。

無線光通信只能在視線范圍內建立通信鏈路，通信距離受限，雨、霧等天氣會影響通信鏈路的可靠性，通常情況下環境照明條件也會對光通信產生一定的干擾，安裝點的晃動會影響激光對準，意外因素容易阻斷通信鏈路，可用性受到了限制。因此，光通信只能在一些特殊的場合中使用。

與無線電通信相比，無線光通信不需要復雜的調制/解調設備，接收設備的電路簡單，單位數據傳輸的功耗較小。無線光通信的站點需要同時具備發射機和接收機，由于受到體積、成本、功耗等的限制，通信距離僅在幾米范圍內。由于光束的發散，傳輸距離較遠時光的強度也會較小，接收機不易檢測到光信號。

2.1.4　無線通信的頻譜和通信信道

1.無線電的管理機構

隨著技術的進步和信息化的推進，無線電用戶飛速發展，達到了前所未有的規模，這使無線電頻譜資源稀缺程度不斷加大。無線電技術的發展和應用的日益廣泛與社會大眾對無線電知識的缺乏形成了矛盾，這是無線電頻譜資源監管面臨的主要問題。例如，隨意設置無線電臺（站）和侵占無線電頻譜資源的現象，給國家造成了安全隱患。因此，實施無線電管理是保護無線電頻譜資源的客觀要求。

無線電管理是國家通過專門機構對無線電頻譜資源和衛星軌道資源的研究、開發、使用所實施的，以實現合理、有效利用無線電頻譜和衛星軌道資源為目的的行為、活動和過程。在我國，相關無線電管理機構如下：

（1）工業和信息化部無線電管理局。工業和信息化部無線電管理局是工業和信息化部主管全國無線電管理工作的職能機構，其主要職責包括：編制無線電頻譜規劃；負責無線電頻率的劃分、分配與指配；依法監督管理無線電臺（站）；負責衛星軌道位置協調和管理；協調處理軍地間無線電管理相關事宜；負責無線電監測、檢測、干擾查處，協調處理電磁干擾事宜，維護空中電磁波秩序；依法組織實施無線電管制；負責涉外無線電管理工作。

（2）國家無線電監測中心。國家無線電監測中心（國家無線電頻譜管理中心）是國家無線電管理技術機構，是工業和信息化部直屬事業單位，主要承擔無線電監測和無線電頻譜管理工作。其主要職責包括：按照《中華人民共和國無線電管理條例》的規定，作為國家無線電管理技術機構，承擔無線電頻率和衛星軌道資源、無線電臺（站）、無線電發射設備管理及涉外無線電管理相關技術工作，為國家無線電管理提供支撐保障；承擔短波、空間業務無線電信號監測及干擾源定位工作，查找未經許可設置、使用的相關無線電臺（站）；監測相關無線電臺（站）是否按國際規則、我國與其他國家簽訂的協議、行政許可事項和要求等開展工作；承擔國家無線電管理軍民融合發展相關技術工作和電磁波頻譜領域國防動員相關任務；參與北京地區超短波、微波頻段的無線電監測工作；根據需要，承擔國家重大任務無線電安全保障工作；承擔國家無線電管理機構相關技術工作信息系統的建設運維工作；開展無線電管理相關政策、技術標準和技術規范、數據應用等的研究工作，提出政策建議；為各省（區、市）無線電管理工作提供技術指導承辦工業和信息化部交辦的其他事項。

（3）中國人民解放軍無線電管理機構。負責軍事系統的無線電管理工作，其主要職責包括：參與擬訂并貫徹執行國家無線電管理的方針、政策、法規和規章，擬訂軍事系統的無線電管理辦法；審批軍事系統無線電臺（站）的設置，核發電臺執照；負責軍事系統無線電頻率的規劃、分配和管理；核準研制、生產、銷售軍用無線電設備和軍事系統購置、進口無線電設備的有關無線電管理的技術指標；組織軍事無線電管理方面的科研工作，擬制軍用無線電管理技術標準；實施軍事系統無線電監督和檢查；參與組織協調處理軍地無線電管理方面的事宜。

（4）省級無線電管理機構。省、自治區、直轄市在上級無線電管理機構和同級人民政府領導下，負責轄區內除軍事系統外的無線電管理工作。其主要職責包括：貫徹執行國家無線電管理的方針、政策、法規和規章；擬訂地方無線電管理的具體規定；協調處理本行政區域內無線電管理方面的事宜；根據審批權限審查無線電臺（站）的建設布局和臺址，指配無線電臺（站）的頻率和呼號，核發電臺執照；負責本行政區域內無線電監測。

（5）國務院有關部門的無線電管理機構。負責本系統的無線電管理工作，其主要職責包括：貫徹執行國家無線電管理的方針、政策、法規和規章；擬訂本系統無線電管理的具體規定；根據國務院規定的部門職權和國家無線電管理機構的委托，審批本系統無線電臺（站）的建設布局和臺址，指配本系統無線電臺（站）的頻率、呼號，核發電臺執照；國家無線電管理機構委托行使的其他職責。

2.無線通信的頻譜

電磁波傳播時不需要任何媒介，在真空中傳播速度為恒定值，約3×l08 m/s，與光速相同。按照波傳播的規律，電磁波傳播速度c、頻率f、波長λ三者的關系為c=λf。因此，波長與頻率具有等同的含義。在通信領域常使用頻段代表一個頻率范圍，也對應一個波長范圍，所以頻段與波段兩種叫法是對應的。

（1）電磁波頻譜。電磁波頻譜是指按照電磁波頻率或者波長排列所形成的譜系。電磁波頻譜依據電磁波頻率的高低或者波長的長短排序為條狀結構，各種電磁波在電磁波頻譜中占有不同的位置。根據波長的不同，電磁波分為短波、中波、長波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。光波的頻率要比無線電波的頻率高很多，光波的波長比無線電波的波長短很多。而X射線和γ射線的頻率則更高，波長則更短。目前電磁波頻率劃分至300 GHz，由于光波遠遠超過該頻率，所以使用無線光通信時無須政府的許可。

無線電波很容易產生，可以傳播得很遠，容易穿過建筑物，因此被廣泛用于室內或室外的無線通信。在1 GHz以上的微波沿視距傳播時，可以集中一點。但是如果微波塔相距太遠，地表就會擋住去路，因此需要中繼。無導向的紅外線和毫米波廣泛用于短距離通信，其收發設備容易制造、價格便宜，但不能穿透堅實的物體，防竊聽、安全性好于無線電波。光波及測光的裝置可以用極低的成本提供極高的帶寬，容易安裝。與無線電波傳輸相比，光波傳輸不需要復雜的調制/解調設備，接收設備電路簡單，單位數據傳輸功耗較小。

對于一個特定的基于射頻的無線通信系統，其載波頻率的選擇非常重要，因為載波頻率決定了傳輸的特性以及信道的傳輸容量。由于單一頻率不能提供信息容量，因此，通信信號的頻譜要占據一定的頻率范圍，通常將這個范圍稱為頻段或頻帶。無線電頻譜是一種不可再生的資源，無線通信特有的空間獨占性決定了其在實際應用中必須符合一定的規范。為了有效利用電磁波頻譜資源，各個國家和地區都對無線電設備使用的頻段、特定應用環境下的發射功率等做了嚴格的規定。我國無線電管理機構對電磁波頻段范圍分配及主要作用的規定如表2.1所示。

電磁波頻譜在通信中的應用如圖2.10所示。

（2）ISM頻段。頻段的選擇由很多因素決定，對于WSN來說，必須根據實際的應用場合來選擇合適的頻段。因為頻段的選擇直接決定WSN節點的天線尺寸、電感的集成度以及節點能耗。

頻譜是無線通信必需的自然資源，頻譜的利用具有有限性、排他性、易污染性等特點。世界各國對電磁波頻譜資源進行了嚴格的規劃和管理，通過拍賣、授權等方式頒發使用許可，各國主要根據用途來分配電磁波頻譜。目前，單信道WSN節點基本上采用ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，ISM頻段是對所有無線電系統都開放的頻段，發射功率要求在1W以下，無須任何許可證。

在無線通信系統中，傳輸媒介就是傳播電磁波的自由空間。為避免系統間的互相干擾，世界各國都對電磁波頻譜資源進行嚴格的規劃和管理，國際相關組織規定2.4 GHz頻段（2400～2483.5 MHz）是全球共同的免許可的ISM頻段。工作在相同或相近頻段的多個無線終端在發送數據時會產生相互碰撞或相互干擾，需要選用合適的多址接入方式和多路訪問協議來解決此問題。

2.4 GHz頻段為全世界統一、無須申請的ISM頻段，有助于設備的推廣和生產成本的降低。2.4 GHz的物理層能夠提供250 kbps的數據傳輸速率，從而提高數據吞吐量、減少通信延時、縮短數據收發時間，因此功耗更低。868 MHz是歐洲附加的ISM頻段，915 MHz和5725～5850 MHz是美國附加的ISM頻段。工作在這兩個頻率上的設備避開了來自2.4 GHz頻段中其他無線通信設備和家用電器的無線電干擾。868 MHz頻段上的數據傳輸速率為20 kbps，916 MHz頻段上的數據傳輸速率則是40kbps。這兩個頻段上無線信號的傳播損耗和所受到的無線電干擾均較小，對接收機靈敏度的要求較低，能獲得較大的有效通信距離，使用較少的設備即可覆蓋整個區域。

ISM頻段的主要特點在于無須許可、低成本和低功耗，如無繩電話、Wi-Fi、藍牙等都使用了ISM頻段。目前，WSN一般都使用ISM頻段。

3.通信信道

通信信道是數據傳輸的通路，在計算機網絡中，信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道是指用于傳輸數據的物理通路，它由傳輸媒介與有關通信設備組成。邏輯信道是指在物理信道的基礎上，發送與接收數據的雙方通過中間節點為傳輸數據形成的邏輯通路。邏輯信道可以是有連接的，也可以是無連接的。

按傳輸數據類型的不同，物理信道可分為數字信道和模擬信道，還可根據傳輸媒介的不同分為有線信道和無線信道。有線信道是使用有形的媒介進行數據傳輸的信道，包括雙絞線、同軸電纜、光纜及電話線等。無線信道是指電磁波在空間傳播的信道，包括無線電、微波、紅外線和衛星通信信道等。

（1）無線信道的傳輸特性。無線信道是影響無線通信系統的基本因素，發射端與接收端之間的無線傳輸路徑非常復雜，從簡單的直射到遭遇各種復雜的物體（如建筑物、山脈和樹葉等）所引起的反射、繞射和散射等，無線信道不像有線信道那樣固定并可預見，它具有極大的隨機性。

直射是指無線信號從發射端到接收端之間在一條直線上傳輸，中間沒有任何遮擋，即傳輸路徑為直射徑，也稱為視線傳輸、視距傳輸。

反射一般在地面、建筑物、墻壁表面發生，室內的物體（如金屬家具、文件柜和金屬門）等都可能導致無線信號的反射，室外的無線信號可能在遇到水面或大氣層時發生反射。

繞射發生在當接收端和發射端之間的無線傳播路徑被尖銳的邊緣阻擋時，阻擋物表面產生的二次波散布于空間，包括阻擋物的背面。在高頻頻段，繞射與反射一樣，依賴于物體的形狀，以及繞射點處入射波的振幅、相位以及極化情況。繞射使得無線信號繞著地面傳輸，能夠傳輸到阻擋物的后面。但是當接收端移動到阻擋物的陰影區時，接收場強衰減得非常迅速。

散射是指由傳輸媒介的不均勻性引起的無線信號向四周射去的現象，散射通常發生在粗糙表面、小物體或其他不規則物體上，一般樹葉、燈柱、沙塵等會引起散射。無線信道中的信號傳播如圖2.11所示。

（2）無線信道的組成原理。信道上傳輸的信號可分為基帶信號和頻帶信號，基帶信號是指由不同電壓表示的數字信號1或0直接在信道上傳輸，頻帶信號是指將數字信號調制后形成的模擬信號。通信信道通常由以下傳輸設備或它們的某種組合組成，即電話線路、電報線路、衛星、激光、同軸電纜、微波和光纖。

信道速度是指每秒可以傳輸的位數，又稱為波特率。根據波特率的不同，可以將信道分成三類，即次聲級、聲級和寬頻帶級。在WSN中主要使用寬頻帶級，寬頻帶級信道具有超出1 MBaud的容量，主要應用于計算機與計算機之間的通信。

無線信道是無線通信系統發送端和接收端之間通信鏈路的一個形象說法，收發兩端之間并不存在有形的連接，無線信道的傳播特性與其所處的實際環境有關。

①自由空間信道。自由空間信道是一種無阻攔、無衰減、非時變的理想的無線通道。

②多徑信道。在超短波、微波頻段以及無線電波的傳播過程中會遇到障礙物（如樓房、高大建筑物或山丘等）時會產生反射、折射或衍射等現象，因此，到達接收端的信號可能存在多種反射波，這種現象稱為多徑傳播（傳輸）。對于WSN來說，其通信主要是節點間短距離、低功耗的傳輸，且一般離地面較近，主要存在三條路徑，即障礙物反射、直射以及地面反射。

③加性噪聲信道。對于噪聲通信信道，最簡單的數學模型是加性噪聲信道。如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的，則為熱噪聲，在統計學上表征為高斯噪聲。因此，加入噪聲之后的信道模型稱為加性高斯白噪聲信道模型，該模型可以廣泛地應用于多種通信信道，且在數學上易于處理，目前，在通信系統分析和設計中主要應用該信道模型。

④實際環境中的無線信道。實際環境中的無線信道往往比較復雜，除了自由空間損耗，還有多徑、陰影以及多普勒頻移引起的衰減。對于WSN這種短距離通信而言，要進行相應的改進才能實現數據的傳輸。

IEEE 802.15.4標準涉及2450 MHz、915 MHz、868 MHz三個ISM頻段，在三個頻段上分定義了27個信道，編號為0～26。其中，在868 MHz頻段上定義了1個信道，數據傳輸速率20 kbps；在915 MHz頻段上定義了10個信道，信道間隔為2 MHz，數據傳輸速率為40 kbps；在2.4 GHz頻段上定義了16個信道，信道間隔為5 MHz，數據傳輸速率為250 kbps。注意，較大的信道間隔有助于簡化收/發濾波器的設計。ISM頻段信道分配如圖2.12所示。

ISM頻段的信道分配情況如表2.2所示，這些信道的中心頻率如下（其中k表示信道編號）：

fc=868.3 MHz，　k=0

fc=906+2×(k-1) MHz，　k=1，2，…，10

fc=2405+5×(k-11) MHz，　k=11，12，…，26

符合IEEE 802.15.4標準的設備可以根據ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數據傳輸速率在27個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數據傳輸速率為不同的應用提供較好的選擇。例如，對于有些計算機外圍設備與互動式玩具，可能需要250 kbps的數據傳輸速率，而對于其他許多應用，如各種傳感器、智能標記和家用電器等，20 kbps的數據傳輸速率就能滿足要求了。不同的數據傳輸速率適用于不同的場合。例如，868/915 MHz頻段的物理層的低速率換取了較好的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定區域所需的節點數。2.4 GHz頻段的物理層的較高速率適用于較高的數據吞吐量、低延時或低作業周期的場合。

2.4 GHz頻段日益受到重視的原因主要有三：首先它是一個全球性的頻段，開發的產品具有全球通用性；其次，它的整體帶寬勝于其他ISM頻段，這就提高了數據傳輸速率，允許系統共存；第三就是尺寸，2.4 GHz頻段的相關設備（如天線）的體積相當小。雖然每一種技術標準都進行了必要的設計來減小干擾的影響，但是為了能讓各種設備正常運行，對它們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。

2.1.5　無線通信的相關技術

無線數據的收發要比數據處理消耗更多的能量，因此需要選擇合適的應用頻段以及相關的調制/解調技術、擴頻技術、多路復用技術、超寬帶技術和天線類型等。

1.調制/解調技術

（1）基本概念。根據電磁理論可知，低頻信號不能直接以電磁波的形式有效地從天線上發射出去，因此在發送端須采用調制技術將低頻信號加載到高頻信號之上，然后將這種帶有低頻信號的高頻信號發射出去。在接收端則把帶有這種低頻信號的高頻信號接收下來，經過頻率變換和相應的解調技術檢出原來的低頻信號，從而達到數據傳輸的目的。調制是指根據來自信源的基帶信號來改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使高頻信號隨著基帶信號的變化而變化，從而使基帶信號變為適合傳輸的已調信號或頻帶信號。調制/解調方式直接決定了接收機和發射機的結構、成本與功耗。

調制是通信系統中的重要技術之一，主要具有以下功能：

①信號與信道匹配。因為自然界中要傳輸的信號大多數為低通型信號，而信道大多為帶通型信道，為了使低通型信號能夠在帶通型信道中傳輸就需要調制。調制的本質就是把信號的頻譜搬移到信道的帶通頻帶之內，使信號頻譜與信道特性匹配。

②電磁波有效輻射。根據電磁波傳播原理，為了有效地把電磁能量耦合到空間，天線直徑或長度至少要與傳輸信號波長相當，為了有效輻射必須進行調制。

③頻譜分配。隨著通信、廣播和電視等業務的發展，頻譜資源越來越緊張，為了有效利用頻譜資源，需要對頻譜進行分配，使通信、廣播和電視等業務互不干涉。要使通信、廣播、電視等業務在指定的頻譜工作，必須依靠調制來實現。

④減少干擾。因為干擾的時間、頻譜位置是不斷變化的，可以通過調制減少干擾的影響。另外，調制還可以將信號安排在專門設計的頻段中，使濾波和放大等處理易于實現。

調制技術還有以下的意義：

①采用調制方式后傳輸的是高頻振蕩信號，所需天線尺寸可大大減小。

②已調信號能夠與信道特性相匹配，更適合信道傳輸。

③每一路的信號可以采用不同頻率的高頻振蕩信號作為載波，這樣就可以在頻譜上互相區分開，便于實現多路信號的復用。

按照調制器輸入信號的不同，調制可分為模擬調制和數字調制。模擬調制是指利用輸入的模擬信號直接調制載波的振幅、頻率或相位，從而得到調幅（AM）、調頻（FM）或調相（PM）信號。數字調制是指利用數字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。

（2）模擬調制技術。模擬調制技術是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。模擬信號可以簡單地表示為：

s(t)=A(t)sin[2πf(t)+φ(f)]

正弦波信號有三個參量，即振幅、頻率和相位，根據原始信號所控制參量的不同，調制方式分為幅度調制（AM）、頻率調制（FM）和相位調制（PM）。由于模擬調制的能耗較大且抗干擾能力及靈活性差，逐步被數字調制技術替代，但模擬調制技術仍在變頻處理中起著重要的作用。

（3）數字調制技術。數字調制一般使用數字信號的離散取值來鍵控載波的某個參數（鍵控法），并利用數字電路實現。在調制時所改變的是載波的幅度、相位或頻率狀態，相應地數字調制有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）三類方式，如圖2.13所示。

M進制調制是指載波的幅度、頻率或相位可以取M個不同的值，相應地分別稱為MASK、MFSK和MPSK。通常取M=2n，其中n為正整數。由于正弦波信號的參數可取M種不同的離散值，即在一個碼元周期內發送的信號波形會有M種不同的波形，因此每個信號波形可以攜帶n=log2M bit的信息，那么信息速率就是碼元速率的n=log2M倍。

二進制幅移鍵控（2ASK）使用載波頻率的兩個不同振幅來表示兩個二進制值，如圖2.13（a）所示。一般情況下，2ASK用振幅恒定載波的存在與否（開/關）來表示兩個二進制值，又稱為OOK。2ASK的編碼效率較低，容易受增益變化的影響，抗干擾性較差。

二進制頻移鍵控（2FSK）使用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值，如圖2.13（b）所示。2FSK比2ASK的編碼效率高，不易受干擾的影響，抗干擾性較強。

二進制相移鍵控（2PSK）使用載波信號的相位偏移來表示二進制數據，如圖2.13（c）所示。2PSK具有很強的抗干擾能力，其編碼效率比2FSK還要高。

這三種數字調制方式是數字調制的基礎，也存在某些不足，如頻譜利用率低、抗多徑衰減能力差、功率譜衰減慢、帶外輻射嚴重等。為了改善這些不足，近幾十年來人們陸續提出一些新的數字調制技術。針對WSN的低功耗、低速率等通信要求，常使用OPSK技術。

（4）解調。解調是調制的逆過程，用于從已調信號中恢復出原來的基帶信號。對于幅度調制來說，解調是從它的幅度變化中提取基帶信號的過程；對于頻率調制來說，解調是從它的頻率變化中提取基帶信號的過程。

調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調制和解調在很大程度上決定著通信系統的質量。

2.擴頻通信技術

（1）擴頻通信技術簡介。擴頻（Spread Spectrum，SS）通信是20世紀40年代發展起來的一種通信技術，是將待傳輸的信號用與被傳數據無關的函數（擴頻函數）進行調制，實現頻譜擴展后再傳輸，接收端則采用相同的擴頻函數進行解調及相關處理，恢復出原始信號。

擴頻通信的基本思想就是通過擴展頻譜以換取對信噪比要求的降低。根據香農（Shannon）定理可知，在傳輸速率C不變的條件下，帶寬W和信噪比S/N是可以互換的，即通過增加帶寬的方法，可在較低的信噪比的條件下傳輸信息。擴頻通信的優點主要有抗干擾性強、誤碼率低、抗多徑衰減、保密性強、功率譜密度低、具有隱蔽性和低截獲概率、可多址復用和任意選址、可用于精確定時和測距等。擴頻通信系統具有如下特點：

●　系統占有的帶寬Bc遠遠大于要傳輸的原始信號的帶寬Bm（Bc一般是Bm的100～1000倍），且系統占有帶寬與原始信號帶寬無關。

●　解調過程是由接收信號和一個與發端擴頻碼同步的信號進行相關處理來完成的。

按照擴展頻譜方法的不同，擴頻技術可分為直接序列（Direct Sequence，DS）擴頻、跳頻（Frequency Hopping，FH）擴頻、跳時（Time Hopping，TH）擴頻、線性調頻以及混合方式。在WSN中，使用最多的擴頻技術是直接序列擴頻和跳頻擴頻。

直接序列擴頻通信系統就是用偽隨機碼序列（也稱為擴頻碼）直接對待傳輸的信號進行頻譜擴展后進行傳輸的通信系統。直接序列擴頻通信系統的原理框圖如圖2.14所示。

發送端用偽隨機碼序列c（t）直接對待傳輸的信號a（f）進行擴頻調制，獲得占用較寬帶寬的擴頻信號d（f），再進行載波調制獲得射頻信號s（f）。接收端收到的信號經載波解調后變為擴頻信號，然后由本地產生的與發送端相同的偽隨機碼序列去相關解擴，經濾波輸出后還原成原始信號。

用偽隨機碼序列直接調制后的編碼序列帶寬遠大于原始信號帶寬，從而擴展了發射信號的頻譜。在接收端用相同的偽隨機碼序列進行解調，把被擴展的擴頻信號還原成原始信號。DSSS技術是一種數字調制方法，可以直接將原始比特流與擴頻碼結合起來。例如，在發送端將1用11000100110代替，將0用00110010110代替，這個過程就實現了擴頻，而在接收端處只需把收到的11000100110恢復成1，00110010110恢復成0，這就是解擴。這樣信源速率就提高了11倍，同時也使處理增益達到10 dB以上，從而有效地提高了整機信噪比。

直接序列擴頻通信系統除了一般通信系統所要求的同步，還必須完成偽隨機碼的同步，以便接收端用同步后的偽隨機碼去對接收信號進行相關解擴。隨著偽隨機碼字的加長，直接序列擴頻通信系統要求的同步精度也更高，因而同步時間更長。

（2）跳頻擴頻通信。跳頻擴頻（FHSS）通信是載波頻率受偽隨機碼序列的控制，隨機地進行離散變化的通信方式。跳頻擴頻通信技術可看成載頻按照一定規律變化的多進制頻移鍵控（MFSK）。簡單的頻移鍵控通常只利用兩個頻率，而跳頻擴頻通信常常有更多頻率可供選用，而選用哪個頻率完全由偽隨機碼序列決定。也就是說，通信中使用的載波頻率由偽隨機碼序列控制，可以在很寬的帶寬范圍內按某種圖案進行離散跳變。從實現方式上看，跳頻是一種碼控載頻跳變的通信系統。與直接序列擴頻（DSSS）通信系統相比，跳頻擴頻通信系統中的偽隨機碼序列并不直接傳輸，而是用來選擇信道（頻率）的。

跳頻擴頻通信系統的原理框圖如圖2.15所示。跳頻擴頻通信系統是一個用戶載波頻率按某種跳頻圖案（偽隨機跳頻序列）在很寬的帶寬范圍內跳變（用戶不同則跳頻圖案不同）的系統。數據經波形變換（數據調制）后送入載波調制，載波由跳頻序列（偽隨機碼序列）控制跳變頻率合成器產生，其頻率隨跳頻序列的序列值的改變而改變。跳頻序列的值改變一次，載波頻率隨即跳變一次。數據經載波調制后形成跳頻信號，經射頻濾波器等放大發射，被接收端接收。接收端首先從接收到的跳頻信號中提取跳頻同步信號，使接收端本地偽隨機碼序列控制的頻率跳變與接收到的跳頻信號的頻率跳變同步，產生與發送端頻率完全同步一致的本地載波，再用本地載波與接收信號進行解調（載波解調），從而獲得發送端發送來的信號。

跳頻技術最初主要用于軍事通信，如戰術跳頻電臺等。目前在民用通信系統中也廣為使用，如GSM移動通信系統中手機與基站之間的跳頻速率為217跳/秒。

3.多路復用技術

在數據通信系統中，傳輸媒介的帶寬往往超過傳輸單一信號的需求，為了有效地利用通信線路，希望一個信道同時傳輸多路信號，這就是所謂的多路復用技術（Multiplexing）。采用多路復用技術能把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸，它相當于將一條物理信道劃分為幾條邏輯信道，在遠距離傳輸時可大大節省電纜的安裝和維護費用。多路復用技術的理論依據是信號分割原理，信號分割的依據是信號之間的差別，這種差別可以體現在頻率、時間或波形等參量上。

根據信號的復用方式的不同，復用方式可分為頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）和碼分復用（CDM）。頻分復用采用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍；時分復用采用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間；碼分復用采用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。傳統的模擬通信都采用頻分復用，隨著數字通信的發展，時分復用通信系統的應用也越來越廣泛，碼分復用主要用于空間的擴頻通信中。

（1）頻分復用。頻分復用（Frequency Division Multiplexing，FDM）指的是按照頻率參量的差別來分割信號的復用方式。FDM的基本原理是若干通信信道共用一條傳輸線路的帶寬，在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干與傳輸單個信號帶寬相同（或略寬）的子信道，每個子信道傳輸一路信號。FDM將傳輸線路的帶寬分成N部分后，每一個部分均可作為一個獨立的信道使用，這樣在傳輸線路的帶寬上就有N條信道，而每條信道所占用的只是其中的一個頻段。頻分復用示意圖如圖2.16所示。

FDM的每個信道分別占用分配給它的一個頻段，為了防止信道間的相互干擾，在每條通道間通過保護頻帶進行隔離。經過頻分復用后的各路信號，在頻率位置上被分開了，因此可以通過相加器將它們合并成適合信道傳輸的復用信號。合并后的復用信號可以在信道中傳輸，但有時為了更好地利用信道的傳輸特性，還可以再進行一次調制。

解復用過程是復用過程的逆過程。在接收端，可利用相應的帶通濾波器（BPF）來區分各路信號的頻譜，再通過各自的相干解調器便可恢復各路信號。解復用器采用濾波器將復用信號分解成各個獨立信號，然后將每個信號送往解調器將它們與載波信號分離，最后將傳輸信號送給接收端處理。

頻分復用的最大優點是系統效率較高，可充分利用傳輸媒介的帶寬，技術比較成熟，成為目前模擬通信中主要的一種復用方式，在有線通信系統和微波中繼通信系統中的應用十分廣泛。

頻分復用的主要缺點是設備比較復雜，會因濾波器的特性不夠理想和信道內存在的非線性因素而產生路間干擾。FDM對于信道的非線性失真具有較高要求，非線性失真會造成嚴重的串音和交叉調制干擾。FDM本身不提供差錯控制，所需的載波量大，設備隨輸入信號的增多而增多，設備繁雜，不易小型化。

這里對比說明一下多址接入（Multi-Access）的概念。多址接入是指多個用戶共享信道資源，實現各用戶之間相互通信的一種技術。由于用戶來自不同的地址，區分用戶和區分地址是一致的。多路復用與多址接入都是為了共享通信資源，是完全不同但又聯系緊密的兩個概念。

（2）時分復用。在數字通信系統內通常使用時分復用（Time Division Multiple，TDM）技術。TDM以時間作為分割信號的參量，信號在時間位置上分開，但它們能占用的頻帶是重疊的。當傳輸信道所能達到的數據傳輸速率超過了傳輸信號所需的數據傳輸速率時，就可采用TDM。時分復用示意圖如圖2.17所示。

TDM的理論基礎是采樣定理。由采樣定理可知，連續（模擬）的基帶信號可以被在時間上離散的采樣脈沖代替。這樣當采樣脈沖占據較短時間時，在采樣脈沖之間就留出了時間空隙，可以利用這種時間空隙傳輸其他信號，這就可以在一條信道中同時傳輸若干基帶信號。

多路復用信號可以直接送入信道傳輸，或者通過調制器上變換成適合信道傳輸的信號后再送入信道傳輸。在接收端，多路復用信號由分路開關依次送入各路相應的低通濾波器，恢復出原來的連續信號。在TDM中，發送端的轉換開關和接收端的分路開關必須同步，所以在發送端和接收端都設有時鐘脈沖序列來同步開關時間，以保證兩個時鐘脈沖序列合拍，TDM是按照時間片的輪轉來共同使用一個公共信道的。

（3）碼分復用。碼分復用（Code Division Multiple，CDM）是一種信道復用技術，它允許每個用戶在同一時刻同一信道上使用同一頻帶進行通信。碼分復用以擴頻技術為基礎，增強了系統的抗干擾、抗多徑、隱藏、保密和多址能力。

CDM的關鍵是信號在傳輸以前要進行特殊的編碼，編碼后的信號混合后不會丟失原來的信息。有多少個互為正交的碼序列，就可以有多少個用戶同時在一個載波上通信。每個發送端都有自己唯一的編碼（偽隨機碼），同時接收端也知道要接收的代碼，用這個編碼作為信號的濾波器，接收端就能從所有復用信號的背景中恢復出原來的信號。

適用于CDM的擴頻技術是直接序列擴頻（DSSS）技術，包括調制和擴頻兩個步驟。例如：可以先對要傳輸的載波進行調制，再用偽隨機碼序列擴展信號頻譜；也可以先用偽隨機碼序列與信號相乘（擴展信號的頻譜），再對載波進行調制。在CDM中，不同用戶傳輸的信號是靠各自不同的編碼序列來區分的，雖然信號在時域上和頻域上是重疊的，但可以依靠各自不同的編碼來區分用戶信號。

4.天線技術

（1）概述。天線是無線信道與發射機和接收機之間的接口，對無線系統的性能有著重要影響。天線的物理特性依賴于信號的頻率、天線的大小和形狀，以及收發功率。高效率是天線的關鍵性技術指標之一，從發射天線的角度看，高效率意味著盡量降低達到特定場強所需放大器的輸出功率；從接收天線的角度看，高效率意味著信噪比（SNR）與發射功率成正比。

天線是發射和接收電磁波的通信組件，也是一種能量轉換器。在發射時，發射機產生的高頻振蕩能量經過發射天線變為帶有能量的電磁波，并向預定方向發射，通過傳輸媒介到達接收天線。在接收時，接收天線將接收到的電磁波能量變為高頻振蕩能量送入接收機，完成無線電波傳輸的全過程。天線作為數據出入無線設備的通道，在WSN中起著重要的作用。天線及其相關電路往往也是影響整個節點能否高度集成的重要因素。

天線的性能會對通信設備的無線通信能力、組網模式等產生重要的影響。一般來說，WSN對天線有以下要求：

●　對于尺寸有一定的限制，并要符合極化要求；

●　實現輸入阻抗匹配，以及滿足信道帶寬等要求；

●　優化傳輸性能和輻射效率，實現節能、高效；

●　滿足低成本、可靠工作等要求。

天線是一種無源器件，本身并沒有增加所發射信號的能量，只是通過天線振子的組合改變其饋電方式。全向天線可將能量按著360°的水平發射模式均勻發射出去，便于安裝和管理。定向天線可將能量集中到某一特定方向上，相應地在其他方向上減小能量強度，可大大節省能量在無效方向上的損耗，適合遠距離定向通信。

目前，已經出現了智能天線。智能天線是指具有波束形成能力的自適應天線陣列，如相控陣雷達天線就是一種較簡單的自適應天線陣列。智能天線的原理是將電磁波的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達的方向，達到充分、高效利用用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。通常，智能天線由天線陣列、波束形成網絡和自適應控制單元組成。

（2）天線的分類。天線的種類繁多，以供在不同頻率、不同用途、不同場合和不同要求等情況下使用。天線可以按照如下方法進行分類。

①按其結構形式可分為兩大類：一類是由金屬導線構成的線天線；另一類是由尺寸遠大于波長的金屬面或口徑面構成的面狀天線，簡稱口面天線。此外，還有介質天線。介質天線是指采用同軸線饋電的介質陶瓷片/棒，由同軸線內導體的延伸部分形成一個振子，用以激發電磁波，套筒的作用是除了夾住介質棒，更主要的作用是反射電磁波，從而保證由同軸線的內導體激勵電磁波并向介質棒的自由端傳播。介質天線主要應用于全球定位系統和無線廣播系統。

②按方向性可分為強方向性天線、弱方向性天線、定向天線、全向天線、針形波束天線、扇形波束天線等。

③按極化特性可分為線極化天線、圓極化天線和橢圓極化天線，線極化天線又可分為垂直極化和水平極化天線。

④按天線上電流分布可分為行波天線和駐波天線。

⑤按工作性質可分為發射天線、接收天線和收發共用天線。

⑥按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線、導航天線、測向天線等。

⑦按使用波段可分為長波、超長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線。

⑧按載體可分為車載天線、機載天線、星載天線、彈載天線等。

⑨按頻帶特性可分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。

⑩按天線外形可分為鞭形天線、T形天線、Г形天線、V形天線、菱形天線、環天線、螺旋天線、波導口天線、波導縫隙天線、喇叭天線、反射面天線等。

另外，還有八木天線，對數周期天線、陣列天線。陣列天線又可分為直線陣列天線、平面陣列天線等。

（3）天線的主要指標。由于無線設備或裝置大多是隨機部署的，因此可能導致電磁波的各向異性傳播，從而導致信號在各個方向上的傳播差異很大。在某些情況下，當節點位置靠近地面時會使路徑損耗更加嚴重。針對特定的應用環境設計天線，對于提高傳輸質量、減小能耗具有重要作用。天線的主要指標包括方向圖、增益、輸入阻抗、極化方式和帶寬。

①方向圖。天線的方向性是指天線向某一方向發射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向的電磁波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示，方向圖可用來說明天線在空間各個方向上發射或接收電磁波的能力，方向圖是天線發射出的電磁波在自由空間存在的范圍。

②增益。天線增益用來衡量天線在一個特定方向上收發電磁波的能力，它是選擇天線最重要的參數。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向發射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的發射性能。在相同的條件下，增益越高，電磁波傳播的距離越遠。

③輸入阻抗。天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線連接的最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗。這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的阻抗匹配工作就是為了消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優劣一般用4個參數來衡量，即反射系數、行波系數、駐波比和回波損耗，這4個參數之間有固定的數值關系，使用哪一個參數可依據自己的習慣。在日常維護中，用得較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50 Ω。

④極化方式。極化方式是指天線發射電磁波時形成的電場強度方向，天線的極化方式可分為單極化和雙極化兩種。單極化又可分為垂直極化和水平極化兩種。當電場強度方向垂直于地面時，此時的電磁波就稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，此時的電磁波就稱為水平極化波。雙極化指的是組合了+45°和-45°兩個極化方向且相互正交，能同時工作在收發雙工模式。

⑤帶寬。天線的帶寬有兩種，一種是指在駐波比（Standing Wave Ratio，SWR）不超過1.5倍條件下天線的帶寬，另一種是指天線增益下降3 dB范圍內的帶寬。在移動通信系統中，通常采用第一種帶寬。

一般說來，在工作帶寬內的各個頻率點上，天線的性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。天線的工作帶寬是在實際應用中選擇天線的重要指標之一。