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介绍

无线通信的介绍

在过去的100年中，无线通信已侵入我们生活的方方面面。但是，无线通信的存在时间比其要替换的电线的时间长得多。语音是无线系统的史前范例，尽管它先于手势，例如在人的胸口跳动以显示权限（大猩猩仍然很常见）。可悲的是，由于人类声功率的限制以及功率随距离的自然降低，限制了语音有效的距离。
对无线通信系统进行工程设计的早期尝试包括烟雾信号，火炬信号，信号弹和鼓。其中一种比较成功的方法是日光反射镜，它利用小镜子中来自太阳的反射来传送数字信号。

现代的无线通信概念依赖于电磁波的发送和接收。这个概念是由麦克斯韦（Maxwell）理论化的，并在1888年由赫兹（Hertz）进行了实践证明[151]。包括Lodge，Bose和de Moura等其他公司也为无线通信的早期展示做出了贡献。

无线通信的最早示例使用了现在称为数字通信的技术。数字一词来自拉丁语中的指石，指的是手指或脚趾。数字通信是一种通信形式，它涉及通过在任何给定时间从一组符号中选择一个符号来传达信息。例如，仅伸出一根手指，一只手就可以传达五个符号之一。一次伸出两个手指，一只手可以传达5×4 = 20个符号之一。快速重复手势可以连续发送多个符号。这是数字通信的本质。

使用电磁波的数字通信涉及改变连续时间信号（或模拟信号）的参数，以发送二进制信息或位的序列。 1800年代最常见的有线通信系统是电报，它使用摩尔斯电码通过有线网络发送数字信息，包括全国各地的字母，数字，停靠点和空间，甚至包括海洋。无线电报在1896年由Marconi申请了专利，该电报被公认为第一个无线（电磁）数字通信系统。马可尼在1901年发送了第一条跨大西洋无线摩尔斯电码消息[48]。无线数字通信的历史与无线本身一样古老。

尽管对无线电报的兴趣仍在继续，但直到1980年代，数字通信才逐渐取代模拟通信，成为无线应用中使用的主要调制方法。使用模拟通信，可根据输入端的连续时间信号连续改变波形的参数。模拟通信的早期示例是在1870年代后期开发的原始电话系统[55]，其中语音语音波通过麦克风转换成可以放大并在电线上传播的电信号。至今仍在使用的无线模拟通信的早期示例包括AM（调幅）和FM（调频）无线电以及较旧的广播电视（电视）。模拟通信已被广泛用于无线通信系统中，但现在正被数字通信所取代。

数字通信现已超越模拟通信的主要原因是数字数据的普及和半导体技术的进步。在计算机和计算机网络发展之前，数字数据并不普遍。如今，存储在计算机上或通过Internet交换的所有内容都是数字化的，包括电子邮件，语音呼叫，音乐流，视频和Web浏览等。集成电路的发展已导致在给定数量的半导体区域中增加了晶体管的数量，这增加了数字信号处理的潜力。尽管数字通信不需要，但是利用数字信号处理可以实现更好的发送器和接收器算法。在有线电话中，数字通信电路在1960年代开始完全取代网络骨干网中的模拟电路，部分原因是长距离传输时数字信号的抗干扰能力（中继器比放大器对噪声的敏感度低）。但是，直到1980年代，无线通信的类似发展才真正开始。似乎是因为，直到1980年代，集成电路技术才发展到可以考虑在便携式无线设备中使用的程度。大约在同一时间，光盘开始替换磁带和黑胶唱片。

现在，数字通信已成为无线通信的基础部分。实际上，几乎所有当前和下一代无线通信系统（实际上也是所有正在开发的标准）都使用数字通信。目前，无论哪里有有线，都建议通过无线消除该有线。无线数字通信有大量的商业，军事和消费者应用。

无线系统

本节回顾了无线通信的常见应用，并介绍了有助于在实践中讨论无线通信的关键术语。解决了几个主题，包括广播电台和广播电视，蜂窝通信，无线局域网，个人区域网，卫星网络，自组织网络，传感器网络，最后是水下通信。在此过程中重点介绍了关键概念以及与数字通信的连接。

广播无线电

广播音乐是无线通信的最早应用之一。典型的广播无线电或电视架构如图1.1所示。直到最近，无线电仍然是模拟的，可以在通常的AM和FM波段中传输，并分别利用1920年代和1940年代开发的技术[243]。 AM无线电是使用幅度调制的无线电广播过程，是20世纪前80年来无线电广播的主要方法。由于AM广播易受大气和电气干扰的影响，因此现在主要用于谈话广播和新闻节目。在1970年代，无线电广播转向了调频广播，调频广播使用调频来提供高保真声音，尤其是对于音乐广播和公共广播。

在1990年代，广播电台从模拟技术过渡到数字技术。 1995年，开发了数字音频广播（DAB）标准，也称为Eureka 147 [333]。 DAB在欧洲和世界其他地区使用，在某些情况下与传统的AM和FM发射并存。它使用一种称为COFDM（编码的正交频分复用）的数字调制技术来广播多个数字无线电流[304]。 COFDM是OFDM的一种特殊形式，本书将对此进行广泛讨论。

美国使用另一种称为HD Radio（商标名称）的数字方法，该方法于2002年被FCC（联邦通信委员会）批准为AM和FM数字广播系统，用于沿现有模拟广播发送数字音频和数据。信号[317，266]。 HD Radio使用专有的传输技术，该技术也使用OFDM，但适合现有FM广播电台之间的间隙。 HD Radio于2007年开始在美国生效。数字编码和调制技术允许从卫星或地面站广播紧凑质量的立体声信号。除了提高音频质量外，数字音频广播还可以提供其他优势：附加数据服务，多个音频源和按需音频服务。就像今天的模拟AM和FM广播一样，HD Radio不需要订阅费。目前，大多数车辆都已在工厂安装高清无线电接收器。因此，新车的车主可以立即使用提供的高清广播音频和数据服务[317]。

广播电视

广播之后的广播电视是无线的另一个著名应用。模拟电视广播始于1936年的英格兰和法国，以及1939年的美国[233]。直到最近，广播电视仍在使用1950年代开发的几种模拟标准之一：以国家电视系统委员会的名字命名的NTSC，在美国，加拿大和其他一些国家；欧洲和南亚大部分地区的PAL（相变线路）；前苏联和非洲部分地区的SECAM（séquentielcouleuràmémoire）。除了基本的质量限制外，模拟电视系统从本质上被严格定义并限制在性能范围很窄且几乎没有选择余地的范围内。转向数字电视可实现更高水平的信号质量（具有高质量环绕声音频的高清图像）以及更广泛的服务范围。

在1990年代，针对数字和高清数字电视广播发起了DVB（数字视频广播）标准套件[274，275]。 DVB标准已在世界各地部署，美国除外。像DAB一样，DVB也使用OFDM数字调制技术。为地面，卫星，电缆和手持应用指定了几种不同的DVB类型[104]。

美国选择对高清数字广播采用不同的方法，该方法会产生与模拟NTSC信号频谱相似的数字信号。 ATSC（高级电视系统委员会）数字标准采用8-VSB（矢量边带）调制，并使用特殊的网格编码器（无线系统中网格编码调制的少数示例之一）[86、276、85]。由于与DVB标准中使用的OFDM调制相比，均衡相对更加困难，因此ATSC系统需要定向天线来限制多径数量。在使用了半个多世纪之后，2009年，模拟的NTSC系统在美国被ATSC取代。

蜂窝通信网络

蜂窝通信使用基站网络在较大的地理区域上提供与移动用户的通信。术语“小区”用于指代单个基站覆盖的区域。如图1.2所示，放置基站时应使小区重叠，从而为移动用户提供覆盖范围。小区簇共享一组无线电频率，这些无线电频率在地理上可以重复使用，以充分利用有限的无线电频谱。蜂窝系统支持切换，随着移动用户的移动，连接从一个基站转移到另一个基站。基站通常通过有线网络与多个功能组件联网在一起，以提供诸如漫游和计费之类的服务。蜂窝网络通常连接到公用电话交换网（用于拨打电话的网络）和Internet。

图1.2典型蜂窝系统的组件。每个小区都有一个为多个移动台/用户/订户服务的基站。回程网络将基站连接在一起，并允许诸如切换的功能。频率在单元簇中重用。

第一代蜂窝通信设备将模拟通信，特别是FM调制用于移动用户和基站之间的无线链路。这些系统的技术是在1960年代构思的，并在1970年代末和1980年代初部署[243，366，216]。使用模拟技术的安全性极低（可以通过正确的无线电设备窃听通话），并且支持有限的数据速率。大约在同一时间部署了许多类似但不兼容的第一代系统，包括美国的AMPS（高级移动电话系统），斯堪的纳维亚的NMT（北欧移动电话）和某些国家的TACS（全面访问通信系统）在欧洲，在法国的Radiocom 2000和在意大利的RTMI（Radio Telefono Mobile Integrato）。日本有几种不同的模拟标准。在不同国家部署的多种标准使国际漫游变得困难。

第二代及以后的蜂窝标准使用数字通信。第二代系统是在1980年代构思并在1990年代部署的。最常见的标准是GSM（全球移动通信系统）[123，170]，IS-95（临时标准1995，也称为TIA-EIA-95）[139，122]，以及IS54 / IS-136的组合（称为数字AMPS）。 GSM是由欧洲几家公司合作开发的，作为ETSI（欧洲电信标准协会）标准。它最终被全世界采用，并成为促进全球漫游的第一个标准。 IS-95标准是由

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