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第2章无线传输技术基础主要内容2.1无线传输媒体2.1.1电磁波频谱2.1.2无线网络中射频传输面临的挑战2.1.3电磁波的传播方式2.1无线传输媒体传输媒体是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。传输媒体可分为导向的(guided)和非导向的(unguided)两类。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。非导向媒体的例子是大气和外层空间，它们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导它们的传播方向，这种传输形式通常称为无线传播(wirelesstransmission)数据传输的特性以及传输质量取决于传输媒体的性质和传输信号的特性。导向媒体的传输取决于媒体的自身性质。非导向媒体的传输特性则主要依赖于发送天线生成的信号的带宽。天线发射的信号有一个重要的属性是方向性。通常，低频信号是全向的，也就是说，信号从天线发射后会沿所有方向传播。当频率较高时，信号才有可能被聚集成有向波。2.1.1电信用的电磁波频谱无线电频谱的划分频率范围（Hz）波长9–30KHz33~10km甚低频（VLF）30~300KHz10~1km低频（LF）300–3000KHz1000~100m中频（MF）3–30MHz100~10m高频（HF）30–300MHz10~1m甚高频（VHF）300–3000MHz1000~100mm特高频（UHF）3–30GHz100~10mm超高频（SHF）30-300GHz10~1mm极高频（EHF）30THz数十微米红外区域波长(λ)=光速(c)/频率(f)人们最关注的3个频段无线电频率，简称射频（RF），RF频段是指3kHz~300GHz之间的电磁频谱。微波：1GHz~100GHz，可实现高方向性的波束，而且非常适用于点对点的传输，也可用于卫星通信。无线电广播频段：30MHz～1GHz，适用于全向应用。红外线频谱段：3×1011Hz～2×1014Hz，适于本地应用，在有限的区域(如一个房间)内对于局部的点对点及多点应用非常有用。无线电的频谱管理造成无线信号损伤的一个原因是干扰，随着微波应用的不断增多，传输区域重叠，干扰始终是一个威胁。因此，频带的分配需要严格控制。无线电管理是国家通过专门机关，对无线电频谱资源和卫星轨道资源的研究、开发、使用所实施的，以实现合理、有效利用无线电频谱和卫星轨道资源的行为、全过程。我国的无线电管理机构工业和信息化部无线电管理局国家无线电检测中心中国人民解放军无线电管理机构省市级无线电管理机构国务院有关部门的无线电管理机构其他国家的无线电频谱管理机构美国——联邦通信委员会（FCC）欧洲——欧洲电信标准协会（ETSI）加拿大——加拿大工业部日本——日本无线工业及商贸联合会（ARIB）在无线电使用中，频段分配给不同的授权和非授权业务，而且不同频段信号所允许的传输功率大小有不同国家和地区的管理机构控制。严格的无线电控制会对工业、科学、医学等行业带来不必要的麻烦，为此国际通信联盟无线电通信局（ITU-R，ITURadioCommunicationSector）专门定义了一些频段开放给工业、科学、医学(Industrial、Scientific、Medical)三种主要机构使用，这些频段就是所谓的ISM频段。ISM频段属于FreeLicense，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段频率范围（Hz）中心频率（Hz）6.765–6.795MHz6.780MHz13.553–13.567MHz13.560MHz26.957–27.283MHz27.120MHz40.66–40.70MHz40.68MHz433.05–434.79MHz433.92MHz902–928MHz915MHzRegion2only2.420–2.4835GHz2.450GHz5.725–5.875GHz5.800GHz24–24.25GHz24.125GHz61–61.5GHz61.25GHz122–123GHz122.5GHz244–246GHz245GHz注：欧洲915MHz的频段有部份用于了GSM通信，因此划出了868MHz频段代替915MHz频段。绝大部分无线网络使用的都是ISM频段915/868MHz：ZigBee2.4GHz：IEEE802.11b/g/n,蓝牙,ZigBee5.8GHz:IEEE802.11a/n在国际电信联盟（ITU）世界无线电通信会议的促使下，不同国家和地区的频谱管理协调化趋势在不断增长，但在频谱分配和其他方面仍存在着很多不同。例如，各国允许的发射机功率都有所不同，这对无线网络的硬件设计和互操作性有着很大的影响。再如，5.8GHz的ISM频段上运行的IEEE802.11a网络，美国FCC规定的最大发射功率是1W，而欧洲电信标准协会（ETSI）允许的最大等效全辐射功率（EIRP）只有100mWEIRP，或者10mW/MHz2.1.2无线网络中射频传输面临的挑战与传统电缆相比，使用射频传输作为网络媒体带来了很多挑战：挑战考虑因素和解决方案链路可靠性信号传播、干扰、设备选址、链路预算媒体接入感知其他用户（隐藏站点和暴露站点问题）、服务质量要求安全性WEP、WPA、802.11i、定向天线安全性问题是无线网络最重要的问题；链路可靠性、干扰带来的比特传输错误以及其它信号传播问题是无线网络第二重要问题；控制多个用户设备或站点对数据传输媒体的接入也是无线媒体的另一个挑战，与传统以太网的共享信道类似，无线网络的站点不能同时收发信息。隐藏站点和暴露站点问题可能导致网络性能下降。接入控制我们知道，以太网的接入控制协议是CSMA/CD，无线局域网却不能简单地搬用CSMA/CD协议这里主要有两个原因。CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。无线局域网的特殊问题当A向B发送信号时，检测不到C在向B发送信号，以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生碰撞。C是A的隐藏站点这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏站问题(hiddenstationproblem)A的作用范围C的作用范围ABCD无线局域网的特殊问题B向A发送数据，而C又想和D通信。C检测到媒体上有信号，于是就不敢向D发送数据。B是C的暴露站点。其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题(exposedstationproblem)ADCB？B的作用范围C的作用范围2.1.3电磁波的传播方式由天线辐射出去的信号以三种方式传播：地波传播、天波传播、直线传播。地波(groundwave)：地波传播或多或少要沿着地球的轮廓前行，且可传播相当远的距离，较好地跨越可视的地平线。电磁波频率低于2M时，就会以地波传播方式传播。这一频段易被大气散射，不能穿透大气层。这一波段的典型应用是调幅（AM）无线电。天波(skywave)：来自基于地球天线的电磁波被电离层反射回地球表面，可以通过多个跳跃，在电离层和地球表面之间前后反弹地穿行。直线LOS(lineofsight)：当要传播的信号频率在30MHz以上时，电磁波不能被电离层反射，可穿透电离层，虽然由于大气折射会出现一定弯曲，但不足以达到地球曲率，因此天波与地波的传播方式均无法工作，通信必须用直线方式。2.1.4电信中的无线传输媒体地面微波地面微波系统主要用于长途电信服务，可代替同轴电缆和光纤，通过地面接力站中继。用于建筑物之间的点对点线路。常见的用于传输的频率范围为2GHz～40GHz。频率越高，可能的带宽就越宽，因此可能的数据传输速率也就越高。微波天线最常见的类型是呈抛物面的“碟形”天线，其典型尺寸约为直径3米。卫星微波通信卫星实际上一个微波接力站，用于将两个或多个称为地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来。卫星使用上下行两个频段：接收一个频段(上行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另一个频段(下行)上将其发送出去。卫星传输的最佳频率范围为1GHz～10GHz。特点卫星通信距离远，一个地面站发送到另一个地面站接收，约有1/4s传播延迟。在差控和流控方面，也带来一系列问题。卫星微波是广播设施，许多站点可以向卫星发送信息，同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。卫星主要应用：电视广播、长途电话传输和个人用商业网络广播无线电波广播无线电波是全向性的，不要求使用碟形天线，天线也无需严格地安装到一个精确地校准位置上。非正式术语广播无线电波(broadcastradio)包括VHF频段和部分的UHF频段：30MHz～1GHz。广播无线电波损伤的一个主要来源是多路径干扰。红外线红外线传输不能超过视线范围，距离短红外线传输无法穿透墙体。微波系统中遇到的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在。红外线不需要频率分配许可。光波频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波。提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳的热量使气流上升也会激光束产生偏差。频带频率范围波长范围传播特性典型的应用ELF(极低频)30Hz～300Hz10000km～1000km地波功率线频率；用于某些家庭控制系统中VF(音频)300Hz～3000Hz1000km～100km地波用于电话系统中使用的模拟用户线路VLF(甚低频)3KHz～30KHz100km～10km地波；白天夜晚低衰减；高大气噪声级长距离导航；航海通信LF(低频)30KHz～300KHz1000km～1km地波；比VLF的可靠性略差；白天会被吸收长距离导航；航海通信中的无线电信号MF(中频)300KHz～3MHz1km～100m地波和天波(夜)；衰减夜间低白天高；有大气噪声海事无线电；定向查找HF(高频)3MHz～30MHz100m～10m天波；质量随一天的时间、季节和频率而变化无线电业余爱好者；国际广播，军事通信；长距离通信VHF(高频)30MHz～300MHz10m～1m直线；由于温度倒置出现散射；宇宙噪声VHF电视；调频广播和双向无线电，调幅飞机通信；飞机导航UHF(特高频)300MHz～3GHz100cm～10cm直线；宇宙噪声UHF电视；蜂窝电话；雷达；微波链路；个人通信系统SHF(超高频)3GHz～30GHz10cm～1cm直线；下雨会带来衰减；由氧气和水蒸气带来大气衰减卫星通信；雷达；陆地微波链路；无线本地环EHF(极高频)30GHz～300Gz10mm～1mm直线；由于氧气和水蒸气带来大气衰减实验；无线本地环红外线300GHz～400THz1mm～770nm直线红外局域网；客户电子应用可见光400THz～900THz770nm～330nm直线光通信