1、無線傳輸

引言
在某些情況下，無線具有的優勢甚至超過了固定裝置的優勢。例如，由於地形等陸地因素等原因造成把光纖拉到一座建築物非常困難時，無線或許是更好的選擇。現代無線數字通訊始於夏威夷群島。

1.電磁頻譜

• 當電子運動時會產生電磁波，電磁波可在空中傳播。英國物理學家馬克斯韋爾1865年預言了電磁波存在，1887年德國物理學家赫茲觀測到。
• 電磁波每秒振動的次數稱為它的頻率，通常用 f 表示，以赫茲度量；兩個波峰（或波谷）之間的距離稱為波長，通常用希臘字母 λ 表示。當一個大小適中的天線被連線到一個電路上，電磁波就可以有效地被廣播出去，在一定距離內的電磁波能接收到該電磁波，所有的無線通訊原理都是基於這樣的原理完成的。
• 真空中，所有電磁波按同樣的速度傳播，跟它們的頻率無關。這個速度通常稱為光速，用 c 表示，近似等於3×10⁸m/s。在銅線或者光纖中，電磁波的速度會慢一些，越是光速的2/3，而且跟頻率有關。f 、λ 、c之間的關係： λf=c。一條經驗規則是，如果 λ 的單位是米，f 的單位是MHz，則 λ f<300。例如，100MHz的波長大約是3米，1000MHz的波長大約是0.3米，0.1米的波長頻率大約是3000MHz。
• 電磁波譜如圖所示，頻譜中的無線電波、微波、紅外光和可見光都可以通過調製波的振幅、頻率或者相位來傳輸資訊。紫外線、X射線、γ射線用來傳輸資訊的效果可能更好，因為頻率更高，但這種波很難產生和調製，其穿透能力也不太好，而且對生物有害。圖中列出的波段是官方ITU（國際電信聯盟）根據波長給出的命名，所以低頻（LF）波段為1~10公里（30~300kHz）。LF、MF、HF、VHF、UHF、SHF、EHF、THF分別指低頻、中頻、高頻、甚高頻、超高頻、特高頻、極高頻、特高頻，再往上就沒有名字了。
• 一個電磁波的訊號能攜帶的資訊量取決於接受能量，並與頻寬成正比。大多數資訊傳輸都使用相對窄的頻段（即∆f/f<<1）。這些技術重點關注窄頻內訊號的頻譜使用頻率以及用多大能量的傳輸來獲得合理的資料率。
• 使用較寬的頻段有三種方法。第一種是跳頻擴頻，跳頻擴頻利用整個頻寬（頻譜）並將其分割為更小的子通道。傳送方和接收方在每個通道上工作一段時間，然後轉移到另一個通道。第二種擴頻是直接序列擴頻，就是直接用具有高位元速率的擴頻碼序列在傳送端去擴充套件訊號的頻譜。而在接收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻訊號還原成原始的資訊，而且由於採用相關解擴，所以只要每部通訊的解擴碼（PN）不同，幾部通訊機就可以使用同一載頻而不會有互相干擾，只是多增加一點背景噪聲而已（同頻工作，使用了分碼多重進接技術）。第三種寬頻通訊方式是超寬頻通訊（UWB）。它通過對具有很陡上升和下降時間的衝激脈衝進行直接調製，使訊號具有GHz量級的頻寬。
• 跳頻是用於擴頻訊號傳輸中的兩種基本調製技術中的一種。它在無線電傳輸過程中反覆轉換頻率，通常能將電子對抗（就是未經授權的對無線電通訊的中途攔截或人為干擾）影響減少到最小。它也被認為是分配多重通路的調頻程式碼。
• 擴頻能使訊號通過頻率帶傳輸，這個頻率帶比資訊訊號要求的最小頻寬要寬很多。傳送器“展開”最初集中於窄帶的能量，通過在一個寬的電磁頻譜上的大量的頻率帶頻道。優點包括改進私密性、減少窄帶干擾以及增加訊號容量）。

2.無線電傳輸

• 無線電的頻率的波形容易產生，可以傳輸很長的距離，並容易穿透建築物。無線電是全方向傳播的，這意味著它們從訊號源沿著所有方向傳播出去。
• 無線電波的特性和頻率有關。在低頻部分，無線電波能夠很好地穿透障礙物；隨著裡訊號源越來越遠，能量急劇下降，因為訊號能量稀疏的分佈在大面積的表面，在空中傳播時的訊號能量至少以1/r²速度衰減（r是離訊號源的距離）。這種衰減稱為路徑損耗。在高頻部分，無線電波傾向於以直線傳播，並且遇到障礙物會反彈回來。雖然接收到的訊號很大程度上取決於訊號的反射，路徑損耗依然降低了能量，而且易被雨水和其他障礙物吸收。在所有頻率上，無線電波都會受到馬達和其他電氣裝置的干擾。
• 光纖、同軸電纜和雙絞線上的訊號在單位距離下降的能量比例相同，例如訊號沿雙絞線每傳播100米能量下降20分貝。而在無線電中，訊號下降的速度與距離的平方成反比，例如在自由空間（真空）中距離每增加一倍下降6分貝。無線電可以傳播更長距離，但使用者之間會互相干擾。
• VLF、LF、MF波段，無線電沿著地面傳播，在較低頻率上，這些電波可以在1000千米外被檢測到，如果頻率高一些，距離會短一些。調幅（AM）無線電廣播使用了MF波段，這就是為什麼波士頓調幅廣播電臺發出的地面波在紐約聽不到的原因，因為這些波段中的無線電波容易穿透建築物，所以收音機可以在室內使用。這些波段的主要問題是頻寬太低。
• HF、VHF波段，地面波會被地球表面吸收。當無線電波到達電離層時（100~500千米高空處），電磁波易被折射回地球，在某些特定大氣條件下，訊號可以被反彈多次。

3.微波傳輸

• 在100MHz（微波起始處）以上的頻段，電磁波幾乎按直線傳播，音質它們可以被聚整合窄窄的一束，可以通過拋物線形狀的天線實現（像碟形衛星電視天線），從而獲得極高的信噪比，但是要求發射端和接收端的天線必須精準對齊。
• 微波按直線傳播，如果兩個微波塔相距太遠，那麼地球本身（地形）就會阻擋傳輸路徑，因此，每隔一段距離就需要一箇中繼器。微波塔越高，微波傳的距離就越遠。中繼器之間的距離大致與塔高的平方根成正比。對於高度為100米的微波塔，兩個中繼器之間的距離可以為80千米。
• 微波不能很好的穿透建築物，而且在傳播過程中會有發散。有些微波會被過低的大氣層折射回來，比直線傳播更遠，延遲抵達的微波與直線傳播的微波可能不同相，因而訊號會相互抵消。這種傳播效果稱為多徑衰落（問題嚴重啊）。多徑衰落與天氣和頻率有關，有些運營商將10％的通道保持空閒，當多徑衰落使得某些頻段臨時失效時立即切換到這段空閒頻率。頻段達到4GHz左右，出現了雨水吸收微波情況，唯一的解決方案就是停止使用這些受雨水影響的鏈路，並避開這些鏈路。
• 微波通訊已經被廣泛用於長途電話通訊、行動電話和電視傳播。相比光纖而言，微波不需要路權，並且相對來說並不昂貴。

4.電磁頻譜政策（以美國為例）

• 為了避免混亂，各個國家和國際組織針對誰可以使用哪一段頻率都有相應的協定。國家政府機構為本國的調頻/調幅無線電臺、電視、行動電話等應用分配了相應的頻譜，同時也為電話公司、警察、海軍、航空、軍隊、政府和其他許多競爭者等組織機構規定了使用的頻譜。全球性的代理（WRC）機構ITU-R試圖協調這些分配方案，以便廠商能夠製造出再過個國家可以使用的無線電裝置，然而各國並不受其建議的約束。
• 分配頻段中的不同頻段，美國史上使用過三種方法，第一種是遞交提案（為什麼能給公眾謀取更好的利益）；第二種是摸彩；第三種是拍賣。一種與上述方法完全不同的頻率分配方法是根本不分配頻率。相反地，這種方法允許任何人隨意傳輸資料，但對所用的功率進行控制，使得發射臺只能在很短的距離內工作，因而不會和其他使用者相互干擾。大多數政府把一些頻率保留下來用於非許可性應用，這些頻段稱為工業科學醫學（ISM）。車庫門控制器、無繩電話、無線電遙控玩具、無線滑鼠等都使用ISM頻段。

5.紅外傳輸

紅外波被廣泛應用於短程通訊。電視機、錄影機和立體聲音響的遙控器都採用紅外通訊。相對來說，紅外線的傳播具有方向性、便宜並且易於製造，但是它們有個很大的特點；就是不能穿過固體物體，不過這也意味著某個房間中的一個紅外系統不會干擾其相鄰房間或建築物內的另一個類似的系統，這一點也使得紅外系統防竊聽安全性比無線電更好，並且經營紅外線系統不需要政府許可。一般而言，當長波無線電向可見光變化時，波的行為越來越像可見光，同時也越來越不像無線電波。

6.光通訊

• 比較現代一點的應用是將兩個建築物內的區域網通過安裝在各自房頂的鐳射連線起來。使用鐳射的光訊號本質上是單向的，所以通訊的每一端都必須有自己的鐳射發射器和光探測器。這種方案以極低的成本提供了非常大的頻寬，相對來說安裝容易。
• 鐳射的強度，體現在一個很窄的一束光，同時這也是它的弱點。將一束1毫米的鐳射，瞄準500米開外的一個只有針頭大的目標，難度可想而知。通常，在系統中放置一個鏡頭可以讓鐳射束輕微地張開。風和溫度的變化可以扭曲鐳射束的形狀；而且鐳射束無法穿透雨水或大霧。
• 利用光通訊可能不太普遍，不過，通過特定的編碼方案，可以將資料通訊獎勵在一些顯示器的層次之上。資訊可以根據LED燈的開啟和關閉來編碼，但開關應低於人類的感知閾值。以這種可將光方式實行通訊在本質上是安全的，可以建立一個圍繞顯示器的低俗網路，由此衍生出各種各樣無處不在的夢幻普適計算場景。

2、通訊衛星

引言

• 通訊衛星可以被想象為天空中一個大型的微博中繼器。它包含幾個轉發器。每個轉發器偵聽頻譜中的某一個部分，對入境訊號進行放大；然後在另一個頻率上將放大的訊號重新廣播出去；出境訊號採用不同的頻率可以避免與入境訊號相互干擾，這種操作模式稱為彎管。還可以將數字化處理新增到分別處理資料，或者把資料流重新定向到整個波段，甚至在衛星接收數字資訊後再重新廣播，以這種方式重新生成的訊號相比彎管效能更好，因為衛星沒有將上行訊號中的噪聲放大。下行波束可以很寬，覆蓋地球表面相當大一部分；也可以很窄，僅僅覆蓋幾百千米直徑的區域。
• 根據開普勒原理，一顆衛星的軌道週期隨著軌道半徑之2/3次冪而變化。衛星越高，則軌道週期就越長，但它不是確定衛星安放位置的唯一因素；另一個問題是範艾倫輻射帶的存在。所謂範艾倫輻射帶，是指受地球磁場影響的一些高帶電粒子層。任何飛進範艾倫輻射帶中的衛星會很快被毀壞。綜合上述因素，可以算出安全防止衛星的三個區域。
  1.地球同步衛星
• 在360°赤道平面內把兩顆同步衛星之間的距離設為小於2°顯然是不明智的，因為這樣會產生干擾。按照2°的空間間隔，太空中同時最多隻能放置180顆同步衛星。然而，每個轉發器可以使用多個頻率和多種極性來提高可用頻寬。為了避免太空中出現混亂，軌道槽的分配工作由ITU統一完成，然而這個過程已經被高度政治化了。（本目錄是說地球靜止衛星，赤道之上）
• 現代衛星非常巨大，重量可達5噸，消耗的電能要幾千瓦，這些電能由太陽電池板產生。太陽、月亮以及行星引力都試圖將衛星從它們預定的軌道槽和方向上移開，這種影響需要通過衛星上的火箭發動機來消除。由此進行的微調活動稱為軌道控制。然而，當發動機的燃料耗盡時（通常需要10年），衛星將會漂流，升至開始翻滾亂動，所以必須將它關閉。最後，軌道衰落，衛星重新進入大氣層，最終燒燬（偶爾撞擊到地球上）。
• 軌道槽並不是國家爭搶的唯一焦點。頻率也是爭搶的資源之一，因為下行鏈路的傳輸會干擾到原有微波使用者。因此，ITU給衛星使用者分配了特定的頻率，其中主要的頻率如圖所示。C頻段首先被分配給商業衛星用，在這頻段中分配了兩個頻率範圍，其中較低的頻率用於下行鏈路流量（從衛星發出），較高的頻率用於上行鏈路流量（發向衛星）。為了能夠同時在兩個方向上傳輸流量，需要兩個通道，每個方向一個通道。L、S頻段是在2000年根據國際協議加入的，但是這兩個頻段都很窄，也很擁擠。商業電信運營商可用的次最高頻段是Ku頻段，該頻段目前不擁擠，在它的最高頻率上，衛星的空間間隔可以近到1％，然而，雨水能很好地吸收它們，由於暴雨通常發生在區域性地區，所以使用幾個相距較遠的地面站而不是一個地面站就可以解決這個問題，當然這需要額外投入。Ka頻段的頻寬也已經被分配用作商業衛星流量，但是使用該頻段所需的裝置通常昂貴。除了這些商業頻段外，還有許多政府和軍隊使用的頻段 。
• 一顆現代衛星大約有40個轉發器，大多數轉發器具有36MHz頻寬。通常，每個轉發器想一個彎曲的管道意義工作；但是最新的衛星具備了一定的處理能力。在最早的衛星上，轉發器之間的通道劃分是靜態的：整個頻寬這簡單地分成固定的頻段。現在，每個轉發器的波束被分成多個時間槽，不同的使用者可以輪流使用這些時間槽。
• 第一顆同步衛星只有一個空間波束，它可以覆蓋大約1/3的地球表面，它的範圍稱為它的足跡。隨著技術的發展，通訊同步衛星已經有可能使用更為複雜的廣播策略。每顆同步衛星都裝配了多個天線和轉發器。每個下行波束可以集中到一個很小的地理區域中，所以多個上行和下行傳輸可以同時進行。通常，這些所謂的點波束呈現橢圓形狀，覆蓋範圍可以小到直徑只有幾百公里。美國通訊衛星往往使用一個寬的波束覆蓋48個相互連線的州，而在拉斯維加和夏威夷使用點波束技術。
• 通訊衛星的最新發展是低成本的微型站，有時候也被稱為小孔終端（VSAT）。這些微型終端有一個1米或者更小的天線，消耗功率在1W左右。上行鏈路一般可達1Mbps，質量還很好，下行鏈路往往高達數Mbps。直播衛星電視使用這項技術實現單向傳輸。在許多VSAT系統中，微型站沒有足夠多功率相互通訊（而是使用衛星），一種特殊的地面站可以中繼VSAT之間的流量，這種中繼站具有很大的高增益天線，使用較長的延遲來換取廉價的終端使用者站。VSAT在農村具有很大的應用潛力，安裝1米VSAT碟形天線並用太陽能電池來供電進行通訊是可行的選擇。
• 延遲：即使訊號從地面到衛星的往返兩程都是以光速傳播的，但長距離仍然帶來了相當大的延遲，根據使用者與地面站之間的距離及衛星的海拔高度，可以得出端到端的傳輸時間再250~300毫秒之間，典型時間是270毫秒（對於使用了中繼站的VSAT系統來說，一般是540毫秒）。地面微波鏈路的傳輸延遲大致上是每千米3微秒；同軸電纜或光纖鏈路的傳輸延遲大約是每千米5微秒（電磁訊號在空中傳播比在固體材料中傳播得快）。
• 衛星本質上是一個廣播介質。它給轉發器足跡範圍內的上千個棧傳送一條訊息的成本並不比給一個站發所需的成本高。對應某些應用，這種特性很有用，另一方面，不利於保護隱私，當需要安全性保障時，必須對衛星通訊進行加密處理。
• 衛星傳輸訊息的成本與該訊息經過的距離無關；衛星的錯誤率極低，而且可以立即部署，因而成為緊急救災和軍事通訊中最主要的考慮因素。

2.中地球軌道衛星
位於兩條範艾倫帶之間。這些衛星大約6小時繞地球一圈。它們覆蓋在地面上的足跡比地球靜止軌道衛星小，目前這中衛星只用於導航系統，尚未用於通訊領域。GPS全球定位系統是30顆中地球軌道衛星組成（我國的北斗衛星導航系統由空間段計劃由35顆衛星組成，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。）

3.低地球軌道衛星

• 由於低地球軌道衛星執行速度極快，一個完整的系統需要大量這樣的衛星。另一方面，因為距離地球較近，地面站不需要多大的功率就能收發往來衛星的訊號，上行和下行的往返延遲只有幾個毫秒，這種衛星的發射成本也比較低。
• 簡介一下美國銥星系統和全球星系統。圖示為銥星系統。銥星衛星位於高度為750千米的圓形極地軌道上。它們被排列成南北向的項鍊狀，每隔32維度有一顆衛星，每顆衛星最多有48個單元格（點波束）和3840個通道容量，一些通道用於尋呼和導航，其他用於資料通訊和語音通訊。6條衛星鏈覆蓋了地球表面。銥星有一個特性：相距遙遠的客戶之間通訊必須通過太空進行，一個北極的呼叫者直接與一顆衛星聯絡，每顆衛星可以和四個鄰居通訊，其中2個位於同一鏈中，另外兩個位於相鄰的鏈上，衛星中繼北極使用者的呼叫通過網路直至轉發到南極的被呼叫者。
  
• 全球星系統。共使用了48顆衛星。鑑於銥星系統中需要在衛星之間中繼呼叫，因而必須在衛星上裝備複雜的交換裝置，全球星系統採用了一種傳統的彎管設計思想。北極傳送的呼叫型號首先被髮送回地球，被Santa工廠的大型地面戰捕捉到；然後，該呼叫通過地面網路被路由到離被呼叫者最近的一個地面站；再通過一個彎管連線傳遞給被呼叫者。這種模式的好處在於它把大量的複雜性放在了地面上，相比空中處理的複雜性，在地面上要容易得多。而且使用大型地面站天線還有額外的好處，它可以發出強烈的訊號並接受微弱的訊號，畢竟電話發出的訊號只有幾個毫瓦的功率，當它回到地面時已經非常弱，即使被衛星放大後依然很弱。
  4.衛星與光纖
  衛星可以快速部署響應，對於戰爭年代的軍事通訊和和平年代的災難救助非常重要；在基礎設施不發達的地區提供通訊相對容易，例如在印度尼西亞的13677個群島島嶼之間拉數千跟電纜是及其昂貴的，在海上沙漠地區也更適合衛星通訊；衛星更易於廣播，如果一個組織需要將大量的股票債券資訊傳送給幾千個經銷商，那麼選擇衛星通訊比採用地面上的模擬廣播更加便宜。