无线通信与有线通信相比,一大优势是不需要像有线电缆传输那样受场地限制,而且覆盖地域范围广,机动性好,建立迅速。数人印象中的无线网络是随处可以用手机、笔记本电脑、PAD等移动上网,但其实从大的分类上来看,无线网络可以分成很多种种类。总的来说,由于覆盖范围、传输速率和用途的不同,无线网络可以分为无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN),本文对各类无线网络各自常见和常用的通信技术进行简单介绍。
无线广域网
无线广域网(WirelessWideAreaNetwork,WWAN)是指覆盖全国或全球范围内的无线网络,提供更大范围内的无线接入。典型的无线广域网:移动通信网络。移动通信经历1G到5G的发展历程:
- 第一代移动通信也称为1G,出现于20世纪80年代,典型代表有美国的AMPS、高级移动电话系统和后来欧洲的TACS等。它们共同特征是采用FDMA,也就是频分多址技术,模拟调制语言信号。第一代移动通信在商业取得巨大成功,但是也有频谱利用率低、业务种类有限、保密性差等不完善性。
- 2G时代,第二代移动通信技术,以数字语音传输技术为核心。1G和2G最大的区别就是从模拟信号调制转变成为数字信号调制,也就是说,2G比1G具有了更高的保密性,同时系统的容量也在增加。我国采用欧洲电信的GSM(GlobalSystemforMobile)系统和美国高通公司的码分多址(CDMA)系统。另外2G发展到3G还有一段过度时期,即2.5G、2.75G。2.5G主要是GPRS(GeneralPacketRadioService),基于GSM的无线分组交换技术,理论上的分组交换速度大约是170kbps。2.75G主要是EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution),基于GSM/GPRS网络的数据增强型移动通信技术,从理论上说,EDGE提供的数据速率是GSM系统的3倍。
- 3G是第三代移动通信技术,是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。国际电信联盟(ITU)发布第3代移动通信标准IMT-2000,主要标准有:CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WIMAX。我国在2009年1月7日颁发了3张3G牌照,分别是中国电信采用CDMA2000,中国联通采用WCDMA,中国移动采用TD-SCDMA。和2G到3G一样,3G到4G也存在过渡时期,即3.5G、3.75G。3.5G主要是HSPA(HighSpeedPacketAccess)高速分组接入技术,实际上属于WCDMA技术的延申,在一个5MH载波上的传输速率可达8-10Mbps。3.75G主要是HSUPA(HighSpeedUplinkPacketAccess)高速上行分组接入,它因HSPA上行速度不足而开发的,在一个5MHZ载波上的传输速率可达10-15Mbps,上传速度达5.76Mbps。
- 4G第四代移动电话行动通信标准。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式,分别采用TDD和FDD两种双工模式,TDD是时分双工模式,即按时隙分配资源,上下行在同一频段上按照时间分配交叉进行;FDD是频分双工模式,即按频段分配资源,上下行分处不同频段同时进行。我国的4G网络,中国移动采用的是TDDLTE,而中国联通则采用的FDDLTE。4G网络速度大致可比3G网络快10倍,理论上能以100Mbps的速度下载,以20Mbps的速度上传。
- 5G就是第五代通信技术,主要特点是超宽带,超高速度,超低延时。5G时代进入了万物互联时代,实现了人与人,人与物,物与物之间的通信,催生出更多的产业链,比如无人驾驶、VR/AR、AI、远程医疗、车联网、云端机器人、智慧城市、无人工厂等等,实现5G改变社会的愿景。
无线局域网
无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)广义上是指以无线电波、激光、红外线等来代替有线局域网中的部分或全部传输介质所构成的网络。它是无线通信技术与网络技术相结合的产物,通过无线信道来实现网络设备之间的通信,并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲,无线局域网是在不采用网线的情况下,提供以太网互联功能。IEEE在1997年为无线局域网制定了第一个版本标准──IEEE802.11。其中定义了工作在2.4GHz的ISM(IndustrialScientificandMedical)频段,采用扩频通信技术,支持1Mbps和2Mbps数据速率。为了在不同的通讯环境下获取良好的通讯质量,采用CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance)硬件沟通方式。
随后又出现了两个新的标准,1998年推出的IEEE802.1b标准也是运行再ISM频段,采用CCK(ComplementaryCodeKeying)调制技术,支持11Mbps的数据速率。1999年推出的IEEE802.11a标准运行在5GHz的U-NII(UnlicensedNationalInformationInfrastructure)频段,采用OFDM调制技术,支持最高达54Mbps的数据速率。2003年推出的IEEE802.11g标准运行在ISM频段,与IEEE802.1b兼容,数据速率提高到54Mbps。另外还有2009年提出的IEEE802.11n标准,基础速率提升到72.2Mbit/s,可以使用双倍带宽40MHz,此时速率提升到150Mbit/s,支持多输入多输出技术(Multi-InputMulti-Output,MIMO)。2012年提出的IEEE802.11ac标准,当使用多基站时将无线速率提高到至少1Gbps,将单信道速率提高到至少500Mbps,使用更高的无线带宽(80MHz-160MHz),更多的MIMO流(最多8条流),更好的调制方式(QAM256)。
无线个人网
IEEE802.15工作组负责制定无线个人网(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)的技术规范。这是一种小范围的无线通信系统,覆盖半径仅10m左右,可用来代替计算机、手机、PDA、数码相机等智能设备的通信电缆,或者构成无线传感器网络和智能家庭网络等。WPAN并不是一种与无线局域网WLAN竞争的技术,WLAN可替代有线局域网,而WPAN无须基础网络连接的支持,只能提供少量小型设备之间的低速率连接。主要技术有:
- 蓝牙技术:蓝牙传输的带宽是1Mbps,通信距离一般10米左右,使用的是FHSS(跳频扩谱)方式,一般每秒钟跳变1600次,将83.5MHz的频带划分为79个频带信道,每个时刻只占1MHz的带宽,调制方式是GFSK(高斯频移键控)。利用“蓝牙”技术,可有效简化手持设备、笔记本电脑、手机、PAD等移动通信终端设备之间的通信,成功简化了这些设备与互联网的通信。
- ZigBee技术:ZigBee是建立在IEEE802.15.4标准之上,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。应用领域主要包括:工业控