无线电频谱

作为一种电磁波，无线电频谱范围较广，而常用无线电频谱仅占其中一小部分。无线电频谱资源是全人类共享的自然资源，在一定时间、空间、地点是有限的。我国已颁布了专门法规来保护、开发和管理无线电频谱资源，由专设机构予以执行。

无线电频谱的特点

频段划分

根据无线电波传播及使用的特点，国际上将其划分为 12 个频段，通常的无线电通信只使用其中的第 4 ~ 12 频段。

许多波段目前都有广泛应用：

值得一提的是 ITU 规定的 ISM（Industrial Scientific Medical, 工业科学医疗）频段，开放给工业、科学和医疗三类机构使用，无须许可证授权，可免费使用。ISM 频段在各国的规定并不统一，使用需遵守一定的发射功率（一般低于 1W），且不能干扰其他频段。

无限电管理部门

美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）专门负责管理其国内及对外的无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务，涉及美国各州及所属地区。各种无线通信和数字产品进入美国市场，都需 FCC 认可。
我国的无线电管理局是专业无线电管理部门，依据《中华人民共和国无线电管理条例》等法律法规负责无线电管理。其具体职责包括：频率使用和管理，固定台站的布局规划，台站设置认可，频率分配，电台执照管理，公用移动通信基站的共建共享，监督无线电发射设备的研制生产销售，无线电波辐射和电磁环境监测等。

无线传输介质

传输介质

无线传输空间主要是地球大气层和外层空间，使得人们在自由空间利用电磁波发送和接收信号，进行无线通信。传输介质指数据传输系统中发送方和接收方之间的物理路径，传输介质可分导向和非导向两类。导向传输介质一般指有线通信的双绞线、同轴电缆（粗缆和细缆）、光纤等，而无线通信和无线网络一般使用非导向传输介质，如无线电波。

微波通信

微波频率高，波长很短，在空中的传播特性与光波相似，即直线传播，遇到阻挡会被反射或阻断。因此微波通信的主要方式是视距（Line of Sight,LOS）通信，超过视距则
需中继转发。微波通信的特点是容量大、质量好、传输距离很远。使用频率越高，可用带宽就越宽，相应的数据传输速率也越高。
和其他传输系统一样，微波传输的主要损耗源于衰减。对于微波及无线电广播频段，d 是距离，λ 是波长，其损耗 L（单位 dB）可表示如下：

目前的微波通信主要分为两大类：地面微波通信和卫星微波通信。地面微波通信通常在视距范围内进行，收、发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。地面的微波中继站和中继链路可互联多个局域网，以扩大网络范围。

卫星微波通信由卫星和地球站两部分组成，卫星在空中起中继作用，连接两个或多个地球站的地面微波发射器或接收器，一个卫星可操作多个频段。地球站是卫星通信中地面网络的接口，地面用户通过地球站连入卫星链路。

红外线通信

红外线通信是以红外线为载体进行数据传输的通信方式，使用收发器调制出互不相干的红外线就可实现。红外线通信技术发展早期存在多个标准，不同标准的设备不能彼此通信。为解决设备互联互通的问题，1993 年红外数据协会（IrDA）成立，统一规定了红外数据通信协议及规范。

损耗和衰落

损耗

损耗会使接收方收到的信号不完全等同于初始信号，模拟信号损耗引发的随机改动降低了信号质量，数字信号损耗则会导致位差错。

衰减和衰减失真

衰减指信号强度随所跨越的任一传输介质的距离而下降，一般应考虑以下 3 个因素的影响：

1. 接收信号应有足够强度，以使接收方能检测并解释信号；
2. 与噪声相比，信号必须维持较高强度，以便准确接收；
3. 高频下的衰减更严重，会引起失真。

前两个因素可使用放大器或中继器解决，转发器的信号强度须足够强，使接收方易于接收。但强度过高会导致收发设备电路超负荷，而产生失真。第 3 个因素是衰减失真，相应对策可考虑跨频带的衰减均匀，或用放大器更多地放大高频部分。

自由空间损耗

自由空间损耗无线通信过程中，离发射天线越远，接收的信号功率就越低。即使无其他衰减或损耗源，长距离的信号传输也会有衰减，因为信号随距离增加会在越来越大的面积范围内散布。

噪声

通信过程中的传输信号可能被传输系统的各种失真所影响和修改，还可能夹杂额外噪声，严重影响通信性能。

大气吸收

大气吸收也会导致损耗，一般源于水蒸气和氧气,雨雾会散射无线电波，导致衰减。针对大气吸收的损耗，在降水量充沛的地区，可多用短路径，或使用低频带。

多径

无线通信环境中的障碍物会反射信号，接收方会收到不同时延的同一信号的多路副本。在移动通信和天线位置不佳的环境中，多径因素的影响较明显，极端情况下可能没有直接收到的信号。针对多路径信号，在固定且位置较好的天线之间，或在卫星和固定地面站间的通信中可有效控制。

折射

大气层会折射传播无线电波，信号高度的变化会引起信号速率改变，大气条件下空间的改变也会引起折射。

衰落

衰落指因传输介质或路径改变引起的接收信号功率随时间的变化，固定环境中下雨等天气变化会引发衰落。而移动环境中一个天线相对另一个移动，使得各种障碍物的相对位置随时间而变化，传输结果更为复杂。

多径传播

多径传播机制分为 3 种：反射、衍射和散射。

衰落类型

移动通信中的衰落效果可分为快衰落和慢衰落。

衰落效果也可分为平面衰落或选择性衰落。平面衰落（或称为非选择性衰落）指收到信号的所有频率成分同时按相同比例波动，而选择性衰落中这种影响并不相同。

调制

调制指将输入信息变换为适于信道传输的形式。信号源信息通常包含直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号一般不能直接用于传输，需变换为一个远高于基带频率的信号，即已调信号。
调制过程改变了高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率，使其随基带信号幅度而变化。相逆的解调过程则将基带信号从载波中提取出来，使接收方能正确处理。

扩频

扩频（Spread Spectrum，SS）是一种重要的通信技术，发送方输入的数据首先进入信道编码器，生成模拟信号，该模拟信号围绕某个中心频率具有相对较窄的带宽。然后使用扩频码或扩展序列进一步调制，通常扩频码由伪噪声或伪随机数产生器生成。调制后传输信号的带宽显著增加，即扩展了频谱。接收方使用同一扩频码进行解扩，解扩后的信号通过信道解码器，最终还原为数据。

以上扩频方法的优点如下：

1. 对各类噪声（如多径失真）具有免疫性。
2. 可用于隐藏和加密信号。接收方必须知道扩频码，才可恢复原始信息。
3. 多个用户可独立使用同样的较高带宽，且几乎无干扰。

扩频技术最早用于军事和情报部门，通过将携带信息的信号扩展到较大的带宽中，以加大干扰和窃听的难度。目前主流的两个扩频技术是跳频扩频和直接序列扩频。

复用和多址

传输效率是通信技术的关键问题之一，提高传输速率就是要尽量充分利用信道资源，实际就是同时传输多个信号。在两点间的信道中同时传输互不干扰的多个信号称“信道复用”，而多点间实现互不干扰的多边通信称“多址接入”。其本质是信号分割，即赋予各信号不同特征或地址。然后根据特征间的差异来区分，按不同地址分发，以实现互不干扰的通信。
常见的复用方式有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）和空分复用（SDM）等。多址通信的方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等。此外还有极化复用和波分复用等，一般需结合其他方式。

天线

无线通信系统的外界传播介质接口是天线，它是发射和接收无线电波的重要设备。发送方先将信号通过馈线（电缆）输送到天线，再以电磁波形式辐射出去。接收方则由天线吸收到达的电磁波，仅接收极小一部分功率，通过馈线送至无线电接收机。

天线的分类

天线的主要指标

除此之外还有很多指标，例如电压驻波比、端口隔离度、回波损耗、无源互调、功率容量、防护能力、工作温度和湿度、外观尺寸等。

天线关键技术

天线分集

衰落效应影响通信质量，加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法并不现实，且会干扰。分集技术在若干支路上接收彼此相关性很小的同一数据信号，然后合并输出，可在接收方降低深衰落概率。采用分集接收减轻衰落影响，获得分集增益，提高接收灵敏度。
分集通过多信道(时间、空间、频率)接收到载有相同信息的多个副本，各信道传输特性不同，各副本衰落相关性较小，同时出现深衰落概率较小，可提高接收性能。
分集的特点有：

1. 分散传输：接收机能获得多个独立携带同一信息的衰落信号；
2. 集中处理：接收机将收到的多个独立衰落信号合并，以降低衰落影响。

   赋形波束

   赋形波束根据系统性能指标，对基带(中频)信号的最佳组合或分配。它的任务是补偿传播过程中由空间损耗、多径效应等导致的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间干扰。先系统建模，描述系统中各处信号。再根据性能要求，将信号组合或分配转化为数学问题，寻求最优解。

   智能天线

   智能天线指基站的双向天线，通过一组有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并同时获取基站和移动终端间各链路的方向特性，通过调整接收或发射特性来增强天线性能。
   

   MIMO

   MIMO(Multiple Input Multiple Output，多入多出) 指利用多发射、多接收天线进行空间和时间分集，利用多天线抑制信道衰落。发送方和接收方均采用多根天线或天线阵列，构成无线 MIMO
   系统。多径传输会引起衰落，但 MIMO 利用了多径因素。多天线接收机利用空时编码处理分开并解码这些数据子流，实现优化处理。
   
   MIMO 的关键技术包括信道估计、空时信号处理、同步和分集等。

认知无线电

认知无线电（Cognitive Radio, CR）由 Joseph Mitola 于 1999 年提出，也称为智能无线电，可看作一种对环境极度敏感的软件无线电。CR 可感知周围环境特征，实时调整自身内部状态和收发参数，选择合适的载波频率、传输功率和调制方式，实现最佳系统性能。CR 的目标是提高频谱利用率。

认知无线电的基本功能包括：

1. 分析无线环境，估计空间电磁环境中的干扰温度和检测频谱空洞；
2. 信道状态估计及容量预测；
3. 功率控制和动态频谱管理。

认知无线电的关键技术包括：

参考资料

《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》，金光、江先亮编著，清华大学出版社