無(wú)線通信技術(shù)及應(yīng)用探究

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【摘要】為了解決有線通信技術(shù)靈活性差、成本高的先天缺陷，更為靈活的無(wú)線通信技術(shù)得到了關(guān)注，并且通過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)大有取代有線通信的趨勢(shì)。無(wú)線通信技術(shù)是不借助數(shù)據(jù)線等實(shí)體傳輸媒介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，并且已在數(shù)據(jù)傳輸方面得到了廣泛的應(yīng)用，如藍(lán)牙技術(shù)、微波通信等。本文概述了無(wú)線通信的原理及其與有線通信的差異，并重點(diǎn)總結(jié)了若干種無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)，最后對(duì)無(wú)線通信的局限性及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做了概述。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線通信；電磁波；藍(lán)牙

1引言

從人類文明誕生起，信息的傳遞就是一項(xiàng)十分重要的社會(huì)活動(dòng)，無(wú)線通信的起源可追溯到數(shù)千年以前，人們?cè)趹?zhàn)爭(zhēng)時(shí)通過(guò)烽火等形式傳播信息就可以說(shuō)是原始意義上的無(wú)線通信。1895年，馬可尼發(fā)明了無(wú)線電報(bào)，標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的誕生。由于無(wú)線通信相比于有線通信的種種優(yōu)點(diǎn)，在近代無(wú)線通信便被應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)等方面。在現(xiàn)代，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的普及科學(xué)技術(shù)探索領(lǐng)域的擴(kuò)展，無(wú)線通信技術(shù)又得到了進(jìn)一步的發(fā)展。不僅其頻段和帶寬得到了擴(kuò)展，而且其安全性也得到了極大地提升。如今，無(wú)線通信技術(shù)不僅與我們的生活密切結(jié)合，如4G網(wǎng)絡(luò)、3S技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等，而且也深刻地促進(jìn)著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，如利用無(wú)線通信促進(jìn)航空航天技術(shù)的發(fā)展、實(shí)現(xiàn)深海探測(cè)、建立全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)等，都是無(wú)線通信在生產(chǎn)生活中典型的應(yīng)用。

2無(wú)線通信概述

2.1無(wú)線通信的原理概述

無(wú)線通信技術(shù)就是不借助網(wǎng)線等有限媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與接收的技術(shù)。其主要通過(guò)電磁波來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線通信系統(tǒng)主要由三部分組成，以簡(jiǎn)單的電話通信為例，分別是發(fā)信器、天線（包括饋線）、收信器。其中，發(fā)信器主要的功能是將音頻信號(hào)通過(guò)音頻放大、調(diào)制、變頻、放大等程序變?yōu)樯漕l載波信號(hào)并將其傳至天線。音頻信號(hào)要先通過(guò)調(diào)制成為高頻的已調(diào)載波信號(hào)，再通過(guò)變頻成為射頻載波信號(hào)，另外，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，就必須要增加信號(hào)所具有的能量，放大電路可以完成這一任務(wù)。天線則把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁波或者進(jìn)行該過(guò)程的逆變換，其實(shí)在本質(zhì)上，天線就相當(dāng)于一種能量轉(zhuǎn)化器，它通過(guò)電場(chǎng)的不斷變化產(chǎn)生不斷變化的磁場(chǎng)，而不斷變化的磁場(chǎng)又激發(fā)出不斷變化的電場(chǎng)，依此類推，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的產(chǎn)生和傳播，并且由于射頻載波信號(hào)頻率較高，所以其激發(fā)出的磁場(chǎng)和隨之產(chǎn)生的電場(chǎng)的變化也較快，使電磁波快速地傳播開來(lái)，提高了傳輸速度。收信器在收到天線傳來(lái)的射頻載波信號(hào)后首先要進(jìn)行放大并去掉無(wú)用的信號(hào)，同時(shí)濾波可以去掉一些噪聲，但是由于射頻載波信號(hào)本身并不帶有信息，其只能傳播信息，所以要將其傳播的信息分離出來(lái)，這就是解調(diào)。通過(guò)解調(diào)，可得到原始的音頻信號(hào)。再經(jīng)過(guò)放大輸出，就實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信。

2.2無(wú)線通信的特點(diǎn)

無(wú)線通信相比于有線通信，其建設(shè)的成本低、靈活性強(qiáng)，適合在惡劣的環(huán)境下使用，在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)較為方便，并且網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)的維修相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，無(wú)線通信也有一些不足。無(wú)線通信與有線通信相比，首先是其穩(wěn)定性較差，隨著距離的增加，無(wú)線通信可能會(huì)變得不穩(wěn)定；其次是可靠性，無(wú)線通信的電磁波可以被“捕獲”，并且可以被破解，使用戶的信息發(fā)生泄漏；最后便是速度，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至今其網(wǎng)速已有了極大的提升，但仍較有線網(wǎng)絡(luò)有一定的差距。

3無(wú)線通信分類及應(yīng)用

3.1短距離的無(wú)線通信技術(shù)

短距離的無(wú)線通信技術(shù)主要指應(yīng)用于百米以內(nèi)的無(wú)線通信技術(shù)，解決了短距離的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，其包括藍(lán)牙、NFC、Zigbee等，這三個(gè)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。NFC即近距離通信技術(shù)，是三者中應(yīng)用距離最短的，其傳輸距離在10cm以內(nèi)，由于其應(yīng)用成本低且較為便捷，目前已應(yīng)用于手機(jī)支付、電子票識(shí)別等。藍(lán)牙技術(shù)的通信距離在10~100m之間，是對(duì)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)進(jìn)行短距離傳播的技術(shù)，目前主要應(yīng)用于電子設(shè)備短距離通信中（包括數(shù)據(jù)、語(yǔ)音的傳輸）。在短距離通信中藍(lán)牙技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，首先其應(yīng)用靈活便利，當(dāng)今藍(lán)牙技術(shù)的收發(fā)器尺寸小，可方便地?cái)y帶或插入設(shè)備中。其次，其耗能少，其縮短了開啟和建立連接的時(shí)間并發(fā)送較短的數(shù)據(jù)包，增長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間。最后，其實(shí)現(xiàn)了同一信道由多個(gè)用戶共享，可建立個(gè)人的網(wǎng)絡(luò)，克服了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接帶來(lái)的不便。但是，藍(lán)牙技術(shù)也有不足，首先，芯片制造成本相對(duì)較高并且有時(shí)芯片太大，難以應(yīng)用在小型耳機(jī)等小型電子設(shè)備中。其次，由于藍(lán)牙技術(shù)使用和微波爐等在同一頻率范圍的電磁波，因此其易受同一頻率范圍中其它電磁波的干擾，且對(duì)人體有較大的安全隱患。為了彌補(bǔ)藍(lán)牙技術(shù)的不足，就必須使用另一種技術(shù)，那就是Zigbee技術(shù)，其傳輸速率雖不及藍(lán)牙，但由于其可靠性強(qiáng)且具有一定的網(wǎng)路自愈能力，主要應(yīng)用于短距離且傳輸速率不高的電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2中距離的無(wú)線通信技術(shù)

中距離的無(wú)線通信技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)幾百米到數(shù)十千米之間的通信，其主要是微波通信技術(shù)和WiFi技術(shù)。微波傳播的信息容量大質(zhì)量好且較為穩(wěn)定。但由于微波的傳播和光的傳播類似，易受大氣折射的影響，所以，微波通信主要是視距傳播，但是由于微波也可以被散射，因此微波通信也可實(shí)現(xiàn)超視距傳播。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)微波通信的實(shí)現(xiàn)仍然主要通過(guò)視距傳播，并且如果要傳播較遠(yuǎn)的距離（超過(guò)50km）就需要建立中繼站來(lái)提升微波傳播的距離。由于微波主要在視距范圍內(nèi)進(jìn)行直線傳播，且其繞射能力較弱，所以在傳播過(guò)程中，不能有高大建筑物的阻擋，所以微波通信的實(shí)現(xiàn)，在我國(guó)一般都是在政府的建設(shè)規(guī)劃下運(yùn)行的，主要應(yīng)用于移動(dòng)通信、廣播電視通信等公共服務(wù)領(lǐng)域，很少有完全私人的中距離微波通信。WiFi技術(shù)為用戶提供無(wú)線接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)，其采用了IEEE802協(xié)議集，WiFi由于成本低、速度快并且安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，不僅被應(yīng)用在一些公共場(chǎng)合，如機(jī)場(chǎng)、辦公室等，更是被應(yīng)用為家庭環(huán)境之中。

3.3遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信技術(shù)

遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)百千米乃至更遠(yuǎn)的通信，一般來(lái)說(shuō)通信范圍廣、質(zhì)量高，目前主要應(yīng)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。GPRS技術(shù)就是所謂的2.5G，是向3G過(guò)渡的一種技術(shù)，它和2G技術(shù)同樣是使用戶可以在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，并且其覆蓋范圍和2G一樣廣闊，但其以數(shù)據(jù)包的形式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)而不是占用整個(gè)頻道，因此其價(jià)格更低廉、資源利用率更高且傳輸速度更快。GPRS技術(shù)不僅為個(gè)人提供服務(wù)，如發(fā)送郵件、瀏覽網(wǎng)頁(yè)等，還為企業(yè)用戶提供遠(yuǎn)程通信服務(wù)，如防盜、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。當(dāng)前，4G已經(jīng)普及，相比于3G和GPRS技術(shù)，4G的傳播速度更快，其能以100Mbps的速度下載，并且傳輸?shù)目煽啃缘玫搅嗽鰪?qiáng)，如可傳輸高質(zhì)量的圖像。4G通信現(xiàn)已普及，5G通信目前正在研發(fā)之中。

4無(wú)線通信未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前的無(wú)線通信技術(shù)具有抗干擾能力弱、延遲大等缺點(diǎn)，并且其通信速度也慢于有線通信。所以，無(wú)線通信在將來(lái)要更好地發(fā)揮其靈活性并克服上述缺點(diǎn)。因此，可以將有線通信和無(wú)線通信結(jié)合使用如在長(zhǎng)距離的通信中，將有線和無(wú)線融合為一個(gè)通信系統(tǒng)，為了減少信號(hào)的衰弱，可以使用有線通信，而在環(huán)境復(fù)雜，用戶較多的地方可以使用無(wú)線通信。同時(shí)無(wú)線通信未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一就是無(wú)線通信寬帶化，相比于有線寬帶接入，無(wú)線寬帶接入更加靈活、方便，并且通過(guò)擴(kuò)大無(wú)線通信的帶寬可以增大無(wú)線通信傳遞信息的速率，這也是無(wú)線通信進(jìn)一步發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)并彌補(bǔ)其在通信速度方面的不足的一種途徑。無(wú)線通信技術(shù)還可以繼續(xù)擴(kuò)展頻段，由于有時(shí)同一頻段中信號(hào)干擾較強(qiáng)，可通過(guò)擴(kuò)展頻段減少干擾。最后，為了提升安全性，無(wú)線通信還可以開發(fā)新的安全協(xié)議，特別是在軍事和國(guó)家安全領(lǐng)域，增加通信的安全性和隱私性。值得一提的是，量子通信正在快速度地發(fā)展，雖然現(xiàn)在量子通信在自由空間內(nèi)只能達(dá)到極短的距離，但在信息呈爆炸式增長(zhǎng)的背景下，量子通信的高效性無(wú)疑適應(yīng)了當(dāng)前的信息狀況，因此，可能在將來(lái)無(wú)線通信最終會(huì)被量子通信所代替。

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作者:崔子劍 單位:濰坊實(shí)驗(yàn)中學(xué)