《短距离无线通信的挑战与前景》小结

本次课程介绍了短距离无线通信的背景与内涵，比较分析了现有的短距离无线通信技术的技术特点和技术难点，主要包括WLAN、Bluetooth、Zigbee、UWB、NFC和60GHz通信等短距离通信技术。

一、背景与内涵

目前的移动通信向大宽带、高速率、大容量、多媒体的方向发展，频率资源和通信容量的之间矛盾日益突出，如何使用一种更好的无线方法建立起设备之间的信息传输，这给各种短距离无线通信技术和网络的发展提供了广阔空间。

短距离无线通信并没有一个严格的定义。一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，单跳传输距离限制在较短（通常最远为数百米）的范围内，就可以称为短距离无线通信。短距离无线通信的特点是：通信距离短，在在几厘米到几百米；功耗低，无线发射功率在?W到mW量级；不需要申请频率资源使用许可证（ISM，CR等）应用场景众多，特别是频率资源稀缺情况。

短距离无线通信技术大部分工作在2.4G(2.45G±50MHz)和5G（5.8G±0.75G）频段。短距离无线通信主要是实现空间复用，即实现小范围的热点覆盖，如何避免多用户之间的相互干扰成为其技术难点问题。

二、现有的短距离无线通信技术

1、WLAN

WLAN工作在ISM频段，包括2.4G和5G两个频段。在这些频段上，互不干扰的频段十分有限。为了进行频谱共享，在ＷＬＡＮ中采用ＡＬＯＨＡ接入方式，包括PureＡＬＯＨＡ和Slotted ＡＬＯＨＡ，并分析了其吞吐率和信道的利用效率。ＡＬＯＨＡ不进行载波侦听，想发送就可以发送，适用于任何无协调关系的多用户争用信道。在ALOHA协议中，各站点在发送数据时从不考虑其它站点是否已经在发送数据，这样会引起许多冲突。对一个大的WLAN网络来说，同一信道常常需要被不同AP使用,两个AP之间将根据CSMA/CA原则，进行互相退避，实现干扰回避。

2、Bluetooth

蓝牙技术是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，它可以在较小的范围内，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙工作在全球通用的

2.4GHz ISM(即工业、科学、医学）频段，其技术演进从蓝牙1.0、蓝牙2.0、蓝牙3.0发展到最新的蓝牙4.0技术规范版本。

蓝牙技术为了回避干扰，采用时分多址和高速跳频方案以确保链路稳定。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。采用FEC抑制了长距离链路的随机噪音，采用了二进制调频技术的跳频收发器来抑制干扰和防止衰落。

3、Zigbee

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成

本的双向无线通信技术，要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee使用2.4 GHz波段，采用扩频技术抗干扰，其特点是：低功耗、成本低、短时延、网络容量大、可靠性高、安全性强。

ZigBee采用扩频方式进行抗干扰，采用预约+竞争的机制实现频谱共享。ZigBee协议栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，包括IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层、网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层等。

4、UWB

超宽带是指信号绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于等于20%，就称之为超宽带信号。超宽带的发展历史一开始是使用脉冲无线电技术，此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案。

UWB的实现方式，类似于基带信号，可采用OOK，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB无线系统的关键技术主要包括：脉冲信号串(发送源)的产生方法，脉冲串的调制方法，适用于UWB有效的天线设计方法及接收机的设计方法等。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。

5、NFC

NFC是近场通信技术，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据。NFC通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递信息，具有双

向连接和识别的特点。NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。通过NFC，电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷地进行无线连接，进而实现数据交换和服务。 NFC可用于智能媒体 、付款和购票、电子票证等方面。

6、60GHz（毫米波）通信

当前无线通信频谱资源越来越紧张，而数据传输速率越来越高，使得60GHz频段无线短距通信技术也越来越受到关注,成为未来无线通信技术中最具潜力的技术之一。60GHz通信面向超高清、非压缩的数据传输，能够实现设备间数据Gbps的超高速无线传输，其特点是：强抗干扰能力、高安全性、高传输速率；能量具有高度的方向性；带宽大、允许的最大发射功率高。由于60GHz通信发射能量集中，指向性强，频谱共享和干扰等传统问题不再重要，而其技术难点是天线对准和波束跟踪问题。

第二篇：无线通信知识总结

1.通信技术的发展主要经历了三个阶段。

（1）初级通信阶段（以18xx年电报发明为标志）

年代历史事件

18xx年莫尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段

18xx年亚历山大?本取得电传打字电报的专利

18xx年麦克斯韦创立了电磁辐射理论，并被当时的赫兹证明，促使了后来无线通信的出现 18xx年贝尔利用电磁感应原理发明了电话

18xx年第一个专用人工电话交换系统投入运行

18xx年第一个付费电话系统运营

18xx年加拿大政府开始规定电话频率

18xx年马可尼发明无线电报

（2）近代通信阶段（以19xx年香农提出信息论为标志）

年代历史事件

19xx年香农提出了信息论，建立了通信统计理论

19xx年时分多路通信应用于电话系统

19xx年直拨长途电话开通

19xx年铺设越洋通信电缆

19xx年发射第一颗人造地球卫星

19xx年发射第一颗通信卫星

19xx年发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段

20世纪xx年代彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现

19xx年电视电话业务开通

20世纪xx年代商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构

（3）现代通信阶段（以20世纪xx年代以后出现的光纤通信应用、综合业务数字网崛起为标志）

年代历史事件

20世纪xx年代开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定

20世纪xx年代蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网得到极大发展

19xx年68个国家签定国际协定，互相开放电信市场

2.无线通信技术的应用

移动消息应用平台, 蜂窝移动通信, 宽带无线接入，集群通信、卫星通信，以及手机视频业务与技术

3.单工通信，双工通信，半双工通信

单工通信：信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向；

半双工通信：信号可以双向传送，但是必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送； 全双工通信：信号可以同时双向传送

以下是单工通信，双工通信，半双工通信示意图：

4.电波传输的三种模式

TE波，TM波，TEM波是属于电磁波的三种模式。

TE波指电矢量与传播方向垂直，或者说传播方向上没有电矢量。

TM波是指磁矢量与传播方向垂直。

TEM波指电矢量于磁矢量都与传播方向垂直。

因此可以将在波导中传播的导行电磁波分为三种波型(或模式)：TEM波型、TE波型及TM波型。

5.地磁场产生的原因,特点以及对电离层的影响

地磁场产生原因：地球的自转在地核中所形成涡旋的电流

电磁场的特点：（1）磁场南北轴线与地球南北轴线间有一夹角，并在不断变化中

（2）磁场强度也在不断变化 6.电离层不同波长电磁波的反射情况

电离层其实就是等离子层。稀薄的大气一部分被电离后，形成电子样子跟分子共存的状态，具有一定的能量

附加：(1)长波传播的特点

由于长波的波长很长，地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略。在通信距离小于300km

时，到达接收点的电波，基本上是表面波。长波穿入电离层的深度很浅，受电离层变化的影响很小，电离层对长波的吸收也不大。因而

长波的传播比较稳定。虽然长波通信在接收点的场强相当稳定，但是它有两个重要的缺点：

① 于表面波衰减慢，发射台发出的表面波对其他接受台干扰很强烈。 ② 天电干扰对长波的接收影响严重，特别是雷雨较多的夏季。

(2).中波传播的特点

中波能以表面波或天波的形式传播，这一点和长波一样。但长波穿入电离层极浅，在电离层的下界面即能反射。

中波较长波频率高，故需要在比较深入的电离层处才能发生反射。波长在3000－20xx米的无线电通信，用无线或表面波传播，接收场强都很稳定，可用以完成可靠的通信，如船舶通信与导航等。波长在20xx－200m的中短波主要用于广播，故此波段又称广播波段。

( 3).短波传播的特点

与长，中波一样，短波可以靠表面波和天波传播。由于短波频率较高，地面吸收较强，用表面波传播时，衰减很快，在一般情况下，短波的表面波传播的距离只有几十公里，不适合作远距离通信和广播之用。与表面波相反，频率增高，天波在电离层中的损耗却减小。可利用电离层对天波的一次或多次反射，进行远距离无线电通信。

(4).超短波和微波传播的特点

超短波，微波的频率很高，表面波衰减很大；电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来，所以超短波，微波一般不用表面波，天波的传播方式，而只能用空间波，散射波和穿透外层空间的传播方式。超短波，微波，由于他们的频带很宽，因此应用很广。超短波广泛应用于电视，调频广播，雷达等方面。利用微波通信时，可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰。

超短波和微波在传播特点上有一些差别，但基本上是相同的，主要是在低空大气层做视距传播。因此，为了增大通信距离，一般把天线架高。 7.微波通信技术的发展特点

微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务传送，如电话、电报、数据、传真以及采色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高楼阻挡，因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划，使之不受高楼的阻隔而影响通信。 8.对流层对微波传输的影响，对那些频率的电磁波作用

（1）对流层降雨和闪烁特性主要对较高频段(10GHz以上)的电波传播造成较大的影响。

（2）对流层的闪烁强度与物理参数(温度、湿度、风速等)、纬度位置和时节(包括日变化、季变化)有关

（3）闪烁将导致信号衰落，特别是在低仰角时，衰落可达10dB

9.数字微波中继通信系统传输质量标准中，高级假设参考电路的译码性能

（1）考虑衰落、干扰及其他性能恶化因素的影响，对2500km长的64kb／s高级假设参考数字通道输出端的比特误码率要求应满足：

①任何月份一分钟的平均误码率大于1xl0-6的时间概率不得超过0.4％(低误码率指标)； ②任何月份一秒钟的平均误码率大于1x10-3的时间概率不得超过0.054％(高误码率指标) ③任何月份的误码秒累计时间概率不大于0.32％；

④残余误码率不大于5x10-9

（2）对长度为280—2500km时的误码率指标，对于非2500km的实际高级数字通道微波电路，当线路长度L时的64kb／s码流的数字电路上，其误码率指标为：

①任何月份一分钟的平均误码率大于1xl0-6的时间概率不得超过0.4 ×L/2500 ％(恶化分)； ②任何月份一秒钟的平均误码率大于1x10-3的时间概率不得超过0.054 ×L/2500 ％(严重误码秒)

③任何月份的误码秒累计时间概率不大于0.32 ×L/2500 ％；

④残余误码率不大于5x10-9 ×L/2500 ；

⑤当L＜280km时，按L＝280km规定其误码性能指标。

10.数字微波中继通信系统传输质量标准中，中级假设参考电路的译码性能

当实际数字微波通道作为数字通信网络的中级通道时（标准情况下），误码性能指标如下：

-6①任何月份一分钟的平均误码率大于1xl0的时间概率不得超过1.5％(低误码率指标)；

-3②任何月份一秒钟的平均误码率大于1x10的时间概率不得超过0.04％(高误码率指标)

③任何月份的误码秒累计时间概率不大于1.2％；

-④残余误码率不大于1.8x109。

11数字微波中继通信系统传输质量标准中，用户级假设参考电路的译码性能 当实际数字微波通道作为数字通信网络的用户级通道，且其长度不大于50 km时，误码性能指标如下：

①任何月份一分钟的平均误码率大于1xl0-6的时间概率不得超过0.75％(恶化分)；

②任何月份一秒钟的平均误码率大于1x10-3的时间概率不得超过0.0075％(严重误码秒) ③任何月份的误码秒累计时间概率不大于0.6％；

④残余误码率不大于0.9x10-9。

附加：

误码率指标是数字微波中继通信系统在可用期间内的主要质量指标，也是确定不可用门限的一项重要指标。ITU-R针对数字微波假设参考通道的误码性能做了以下几项规定。 误码恶化分

误码秒

严重误码秒

残余误码率

误码恶化分（低码率指标）指在1分钟统计时间内，误码率大于l x10-6的分钟数与相应的恶化分占总通信时间(也以分钟计)的百分比，通常认为这时的误码主要是由设备不完善及干扰等因素造成的。

严重误码秒（高误码率指标）指在1秒钟统计时间内，误码率大于l x10-3的秒数与相应的误码秒占总通信时间(也以秒计)的百分比，影响这项指标的主要因素是传播衰落。

误码秒指在1秒钟统计时间内出现一个或多个误码的秒数相应的误码秒占总通信时间的百分比，此项指标主要是针对数据传输而规定的，主要取决于设备性能的完善程度。

残余误码率即背景小误码率，指在较长的一定时间间隔内(例如15分钟等)进行统计处理所得的平均比特误码率，或其他较长统计时间统计方法所获得的平均比特误码率，这往往用于表征设备及环境不完善引起的极小的背景误码性能。这一指标要求主要针对ISDN的多种业务综合传输时必须具备严格的传输质量要求而规定，以限制各数字微波传输段低误码率不断累计造成不可收拾的传输性能恶化。

对于这些指标，在各级建设参考数字通道中都有具体的要求。

具体如上

13.在进行微波线路的路由和站址的选择时必须先明确哪些条件?

(1)线路或被连接的终端的位置，沿线城市或单位

(2)沿线附近原有的通信线路站址及其频段、方向图等，它们涉及到线路之间或站间的相互干扰问题

(3)沿线附近卫星地面站的位置、同步卫星轨道指向和工作频率，有关飞机场、雷达站等设施位置、工作频率和通信设施，它们涉及到线路之间的相互干扰问题

(4)沿线的地形、地物、气候等自然环境，它们对电磁波的传播和接收以及信号的衰落特性都有严重的影响

根据这些已知条件，在地图上进行图上作业，从线路的终端站开始，逐段确定线路的路由和中间站的地址，选择线路路由和站址的基本原则：从长远规划出发，近期需求和长远需求相结合；充分利用有利的地理条件，站距不宜过大，各中继段的长度也不宜过大；

14.TT&C 站（跟踪、遥测和指令站）与卫星之间，控制链路的作用有哪些？

在TT&C站与卫星之间，有一条控制和监视链路，以便对卫星进行3方面的监控：

（1）在卫星发射阶段，一旦最后一级火箭释放，TT&C就必须对卫星进行跟踪和定位，并对天线和太阳能帆板的展开实施控制

（2）在系统运行过程中，对卫星的位置和轨道进行监测和校正，以便将轨道的漂移和卫星摄动控制在允许的范围内

（3）SCC（地面卫星控制中心）通过TT&C可对卫星转发器的输出以及整个空间通信分系统进行测试、监控，并对出现的故障进行检修

15.卫星通信的特点

（1）覆盖区域大，通信距离远，通信成本与通信距离无关

（2）以广播方式工作，便于实现多址联接，组网方式灵活

（3）通信容量较大，能应用的业务种类多

（4）可自发自收进行监测

（5）机动灵活

（6）设备复杂，有时延

（7）要解决星蚀及空间干扰问题

注：卫星通信系统只是地面公用网的补充、扩展和备份 附加：卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：星载设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。用户段即是各种用户终端

16.卫星通信系统主要应用于哪些业务？

? 卫星固定网业务

? 卫星移动通信业务

? VSAT通信业务

? 卫星广播业务

? 卫星专线业务

17. 电离层、对流层闪烁对卫星信号传输的影响

（1）电离层往往在正常电子浓度分布的背景上还夹杂着或漂浮着各种不同尺度的 不均匀等离子体块，人们称之为电离层的不均匀结构。电离层中不均匀气体的发 生和发展，造成了穿过其中电波的折射和散射，使得电磁能量在时空中重新分布， 造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则的变化，即电

离层闪烁现象。由于电离层中的大量带电粒子随机波动，会降低卫星通信和导航信号强度， 甚至中断特高频(UI-IF)与L波段通信卫星、全球定位系统和天基雷达的信号传输，

使卫星导航用户无法捕获或跟踪全球定位系统卫星，使天基雷达的覆盖范围和分 辨率受到不利影响。

（2）对流层对卫星通信链路的影响主要表现为吸收衰减，对流层中的水蒸气对2GHz以上的信号损伤较大，且随频率增加而影响加剧。Ku波段（10~20GHz）除了对水蒸气吸收敏感外，对对流层中的尘埃也较为敏感。频率在20GHz以上的信号除了以上因素外，还会出现谐振吸收，如某些频率的信号会同空气中的氧气分子产生谐振，其能量会因此被吸收。对流层对卫星传输最常见和最显著的影响是雨雪衰。

18.太阳辐射对卫星信号传输所形成的噪声干扰。

在剧烈太阳活动中，太阳辐射射线大增，致使大气层温度升高，大气层外层空气密度增大，对低轨卫星的运动阻力增大，这加速了低轨卫星的轨道衰落，从而将大大缩减低轨卫星的寿命。

19.微波中继站的转接方式

微波中继站的转接方式有基带转接、中频转接、微波转接。其中基带转接可以实现上、下话路。

20.有线电通信与无线电通信的概念及特点

无线电通信：利用无线电波传输信息的通信方式即称为无线电通信。它能传输声音、文字、数据和图像等。

无线电通信特点：（与有线电通信相比）

（1）不需要架设传输线路

（2）不受通信距离限制

（3）机动性好，建立迅速

（4）传输质量不稳定，信号易受干扰或易被截获，保密性差 有线电通信：利用导线传输信息（电信号）的通信方式即称为有线电通信。它能传输声音、文字、数据和图像等。

有线电通信特点：（与无线电通信相比）

（1）传输质量高，保密性较好，信号不易受干扰或被截获

（2）受传输线路限制，机动性差