5、无线传输和卫星通信（物理层）

1、无线传输

引言
在某些情况下，无线具有的优势甚至超过了固定设备的优势。例如，由于地形等陆地因素等原因造成把光纤拉到一座建筑物非常困难时，无线或许是更好的选择。现代无线数字通信始于夏威夷群岛。

1.电磁频谱

• 当电子运动时会产生电磁波，电磁波可在空中传播。英国物理学家马克斯韦尔1865年预言了电磁波存在，1887年德国物理学家赫兹观测到。
• 电磁波每秒振动的次数称为它的频率，通常用 f 表示，以赫兹度量；两个波峰（或波谷）之间的距离称为波长，通常用希腊字母 λ 表示。当一个大小适中的天线被连接到一个电路上，电磁波就可以有效地被广播出去，在一定距离内的电磁波能接收到该电磁波，所有的无线通信原理都是基于这样的原理完成的。
• 真空中，所有电磁波按同样的速度传播，跟它们的频率无关。这个速度通常称为光速，用 c 表示，近似等于3×10⁸m/s。在铜线或者光纤中，电磁波的速度会慢一些，越是光速的2/3，而且跟频率有关。f 、λ 、c之间的关系： λf=c。一条经验规则是，如果 λ 的单位是米，f 的单位是MHz，则 λ f<300。例如，100MHz的波长大约是3米，1000MHz的波长大约是0.3米，0.1米的波长频率大约是3000MHz。
• 电磁波谱如图所示，频谱中的无线电波、微波、红外光和可见光都可以通过调制波的振幅、频率或者相位来传输信息。紫外线、X射线、γ射线用来传输信息的效果可能更好，因为频率更高，但这种波很难产生和调制，其穿透能力也不太好，而且对生物有害。图中列出的波段是官方ITU（国际电信联盟）根据波长给出的命名，所以低频（LF）波段为1~10公里（30~300kHz）。LF、MF、HF、VHF、UHF、SHF、EHF、THF分别指低频、中频、高频、甚高频、超高频、特高频、极高频、特高频，再往上就没有名字了。
• 一个电磁波的信号能携带的信息量取决于接受能量，并与带宽成正比。大多数信息传输都使用相对窄的频段（即∆f/f<<1）。这些技术重点关注窄频内信号的频谱使用频率以及用多大能量的传输来获得合理的数据率。
• 使用较宽的频段有三种方法。第一种是跳频扩频，跳频扩频利用整个带宽（频谱）并将其分割为更小的子通道。发送方和接收方在每个通道上工作一段时间，然后转移到另一个通道。第二种扩频是直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息，而且由于采用相关解扩，所以只要每部通信的解扩码（PN）不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有互相干扰，只是多增加一点背景噪声而已（同频工作，使用了码分多址技术）。第三种宽带通信方式是超宽带通信（UWB）。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。
• 跳频是用于扩频信号传输中的两种基本调制技术中的一种。它在无线电传输过程中反复转换频率，通常能将电子对抗（就是未经授权的对无线电通讯的中途拦截或人为干扰）影响减少到最小。它也被认为是分配多重通路的调频代码。
• 扩频能使信号通过频率带传输，这个频率带比信息信号要求的最小带宽要宽很多。发送器“展开”最初集中于窄带的能量，通过在一个宽的电磁频谱上的大量的频率带频道。优点包括改进私密性、减少窄带干扰以及增加信号容量）。

2.无线电传输

• 无线电的频率的波形容易产生，可以传输很长的距离，并容易穿透建筑物。无线电是全方向传播的，这意味着它们从信号源沿着所有方向传播出去。
• 无线电波的特性和频率有关。在低频部分，无线电波能够很好地穿透障碍物；随着里信号源越来越远，能量急剧下降，因为信号能量稀疏的分布在大面积的表面，在空中传播时的信号能量至少以1/r²速度衰减（r是离信号源的距离）。这种衰减称为路径损耗。在高频部分，无线电波倾向于以直线传播，并且遇到障碍物会反弹回来。虽然接收到的信号很大程度上取决于信号的反射，路径损耗依然降低了能量，而且易被雨水和其他障碍物吸收。在所有频率上，无线电波都会受到马达和其他电气设备的干扰。
• 光纤、同轴电缆和双绞线上的信号在单位距离下降的能量比例相同，例如信号沿双绞线每传播100米能量下降20分贝。而在无线电中，信号下降的速度与距离的平方成反比，例如在自由空间（真空）中距离每增加一倍下降6分贝。无线电可以传播更长距离，但用户之间会互相干扰。
• VLF、LF、MF波段，无线电沿着地面传播，在较低频率上，这些电波可以在1000千米外被检测到，如果频率高一些，距离会短一些。调幅（AM）无线电广播使用了MF波段，这就是为什么波士顿调幅广播电台发出的地面波在纽约听不到的原因，因为这些波段中的无线电波容易穿透建筑物，所以收音机可以在室内使用。这些波段的主要问题是带宽太低。
• HF、VHF波段，地面波会被地球表面吸收。当无线电波到达电离层时（100~500千米高空处），电磁波易被折射回地球，在某些特定大气条件下，信号可以被反弹多次。

3.微波传输

• 在100MHz（微波起始处）以上的频段，电磁波几乎按直线传播，音质它们可以被聚集成窄窄的一束，可以通过抛物线形状的天线实现（像碟形卫星电视天线），从而获得极高的信噪比，但是要求发射端和接收端的天线必须精准对齐。
• 微波按直线传播，如果两个微波塔相距太远，那么地球本身（地形）就会阻挡传输路径，因此，每隔一段距离就需要一个中继器。微波塔越高，微波传的距离就越远。中继器之间的距离大致与塔高的平方根成正比。对于高度为100米的微波塔，两个中继器之间的距离可以为80千米。
• 微波不能很好的穿透建筑物，而且在传播过程中会有发散。有些微波会被过低的大气层折射回来，比直线传播更远，延迟抵达的微波与直线传播的微波可能不同相，因而信号会相互抵消。这种传播效果称为多径衰落（问题严重啊）。多径衰落与天气和频率有关，有些运营商将10％的信道保持空闲，当多径衰落使得某些频段临时失效时立即切换到这段空闲频率。频段达到4GHz左右，出现了雨水吸收微波情况，唯一的解决方案就是停止使用这些受雨水影响的链路，并避开这些链路。
• 微波通信已经被广泛用于长途电话通信、移动电话和电视传播。相比光纤而言，微波不需要路权，并且相对来说并不昂贵。

4.电磁频谱政策（以美国为例）

• 为了避免混乱，各个国家和国际组织针对谁可以使用哪一段频率都有相应的协定。国家政府机构为本国的调频/调幅无线电台、电视、移动电话等应用分配了相应的频谱，同时也为电话公司、警察、海军、航空、军队、政府和其他许多竞争者等组织机构规定了使用的频谱。全球性的代理（WRC）机构ITU-R试图协调这些分配方案，以便厂商能够制造出再过个国家可以使用的无线电设备，然而各国并不受其建议的约束。
• 分配频段中的不同频段，美国史上使用过三种方法，第一种是递交提案（为什么能给公众谋取更好的利益）；第二种是摸彩；第三种是拍卖。一种与上述方法完全不同的频率分配方法是根本不分配频率。相反地，这种方法允许任何人随意传输数据，但对所用的功率进行控制，使得发射台只能在很短的距离内工作，因而不会和其他用户相互干扰。大多数政府把一些频率保留下来用于非许可性应用，这些频段称为工业科学医学（ISM）。车库门控制器、无绳电话、无线电遥控玩具、无线鼠标等都使用ISM频段。

5.红外传输

红外波被广泛应用于短程通信。电视机、录像机和立体声音响的遥控器都采用红外通信。相对来说，红外线的传播具有方向性、便宜并且易于制造，但是它们有个很大的特点；就是不能穿过固体物体，不过这也意味着某个房间中的一个红外系统不会干扰其相邻房间或建筑物内的另一个类似的系统，这一点也使得红外系统防窃听安全性比无线电更好，并且经营红外线系统不需要政府许可。一般而言，当长波无线电向可见光变化时，波的行为越来越像可见光，同时也越来越不像无线电波。

6.光通信

• 比较现代一点的应用是将两个建筑物内的局域网通过安装在各自房顶的激光连接起来。使用激光的光信号本质上是单向的，所以通信的每一端都必须有自己的激光发射器和光探测器。这种方案以极低的成本提供了非常大的带宽，相对来说安装容易。
• 激光的强度，体现在一个很窄的一束光，同时这也是它的弱点。将一束1毫米的激光，瞄准500米开外的一个只有针头大的目标，难度可想而知。通常，在系统中放置一个镜头可以让激光束轻微地张开。风和温度的变化可以扭曲激光束的形状；而且激光束无法穿透雨水或大雾。
• 利用光通信可能不太普遍，不过，通过特定的编码方案，可以将数据通信奖励在一些显示器的层次之上。信息可以根据LED灯的开启和关闭来编码，但开关应低于人类的感知阈值。以这种可将光方式实行通信在本质上是安全的，可以创建一个围绕显示器的低俗网络，由此衍生出各种各样无处不在的梦幻普适计算场景。

2、通信卫星

引言

• 通信卫星可以被想象为天空中一个大型的微博中继器。它包含几个转发器。每个转发器侦听频谱中的某一个部分，对入境信号进行放大；然后在另一个频率上将放大的信号重新广播出去；出境信号采用不同的频率可以避免与入境信号相互干扰，这种操作模式称为弯管。还可以将数字化处理添加到分别处理数据，或者把数据流重新定向到整个波段，甚至在卫星接收数字信息后再重新广播，以这种方式重新生成的信号相比弯管性能更好，因为卫星没有将上行信号中的噪声放大。下行波束可以很宽，覆盖地球表面相当大一部分；也可以很窄，仅仅覆盖几百千米直径的区域。
• 根据开普勒原理，一颗卫星的轨道周期随着轨道半径之2/3次幂而变化。卫星越高，则轨道周期就越长，但它不是确定卫星安放位置的唯一因素；另一个问题是范艾伦辐射带的存在。所谓范艾伦辐射带，是指受地球磁场影响的一些高带电粒子层。任何飞进范艾伦辐射带中的卫星会很快被毁坏。综合上述因素，可以算出安全防止卫星的三个区域。
  1.地球同步卫星
• 在360°赤道平面内把两颗同步卫星之间的距离设为小于2°显然是不明智的，因为这样会产生干扰。按照2°的空间间隔，太空中同时最多只能放置180颗同步卫星。然而，每个转发器可以使用多个频率和多种极性来提高可用带宽。为了避免太空中出现混乱，轨道槽的分配工作由ITU统一完成，然而这个过程已经被高度政治化了。（本目录是说地球静止卫星，赤道之上）
• 现代卫星非常巨大，重量可达5吨，消耗的电能要几千瓦，这些电能由太阳电池板产生。太阳、月亮以及行星引力都试图将卫星从它们预定的轨道槽和方向上移开，这种影响需要通过卫星上的火箭发动机来消除。由此进行的微调活动称为轨道控制。然而，当发动机的燃料耗尽时（通常需要10年），卫星将会漂流，升至开始翻滚乱动，所以必须将它关闭。最后，轨道衰落，卫星重新进入大气层，最终烧毁（偶尔撞击到地球上）。
• 轨道槽并不是国家争抢的唯一焦点。频率也是争抢的资源之一，因为下行链路的传输会干扰到原有微波用户。因此，ITU给卫星用户分配了特定的频率，其中主要的频率如图所示。C频段首先被分配给商业卫星用，在这频段中分配了两个频率范围，其中较低的频率用于下行链路流量（从卫星发出），较高的频率用于上行链路流量（发向卫星）。为了能够同时在两个方向上传输流量，需要两个信道，每个方向一个信道。L、S频段是在2000年根据国际协议加入的，但是这两个频段都很窄，也很拥挤。商业电信运营商可用的次最高频段是Ku频段，该频段目前不拥挤，在它的最高频率上，卫星的空间间隔可以近到1％，然而，雨水能很好地吸收它们，由于暴雨通常发生在局部地区，所以使用几个相距较远的地面站而不是一个地面站就可以解决这个问题，当然这需要额外投入。Ka频段的带宽也已经被分配用作商业卫星流量，但是使用该频段所需的设备通常昂贵。除了这些商业频段外，还有许多政府和军队使用的频段 。
• 一颗现代卫星大约有40个转发器，大多数转发器具有36MHz带宽。通常，每个转发器想一个弯曲的管道意义工作；但是最新的卫星具备了一定的处理能力。在最早的卫星上，转发器之间的信道划分是静态的：整个带宽这简单地分成固定的频段。现在，每个转发器的波束被分成多个时间槽，不同的用户可以轮流使用这些时间槽。
• 第一颗同步卫星只有一个空间波束，它可以覆盖大约1/3的地球表面，它的范围称为它的足迹。随着技术的发展，通信同步卫星已经有可能使用更为复杂的广播策略。每颗同步卫星都装配了多个天线和转发器。每个下行波束可以集中到一个很小的地理区域中，所以多个上行和下行传输可以同时进行。通常，这些所谓的点波束呈现椭圆形状，覆盖范围可以小到直径只有几百公里。美国通信卫星往往使用一个宽的波束覆盖48个相互连接的州，而在拉斯维加和夏威夷使用点波束技术。
• 通信卫星的最新发展是低成本的微型站，有时候也被称为小孔终端（VSAT）。这些微型终端有一个1米或者更小的天线，消耗功率在1W左右。上行链路一般可达1Mbps，质量还很好，下行链路往往高达数Mbps。直播卫星电视使用这项技术实现单向传输。在许多VSAT系统中，微型站没有足够多功率相互通信（而是使用卫星），一种特殊的地面站可以中继VSAT之间的流量，这种中继站具有很大的高增益天线，使用较长的延迟来换取廉价的终端用户站。VSAT在农村具有很大的应用潜力，安装1米VSAT碟形天线并用太阳能电池来供电进行通信是可行的选择。
• 延迟：即使信号从地面到卫星的往返两程都是以光速传播的，但长距离仍然带来了相当大的延迟，根据用户与地面站之间的距离及卫星的海拔高度，可以得出端到端的传输时间再250~300毫秒之间，典型时间是270毫秒（对于使用了中继站的VSAT系统来说，一般是540毫秒）。地面微波链路的传输延迟大致上是每千米3微秒；同轴电缆或光纤链路的传输延迟大约是每千米5微秒（电磁信号在空中传播比在固体材料中传播得快）。
• 卫星本质上是一个广播介质。它给转发器足迹范围内的上千个栈发送一条消息的成本并不比给一个站发所需的成本高。对应某些应用，这种特性很有用，另一方面，不利于保护隐私，当需要安全性保障时，必须对卫星通信进行加密处理。
• 卫星传输消息的成本与该消息经过的距离无关；卫星的错误率极低，而且可以立即部署，因而成为紧急救灾和军事通信中最主要的考虑因素。

2.中地球轨道卫星
位于两条范艾伦带之间。这些卫星大约6小时绕地球一圈。它们覆盖在地面上的足迹比地球静止轨道卫星小，目前这中卫星只用于导航系统，尚未用于通信领域。GPS全球定位系统是30颗中地球轨道卫星组成（我国的北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。）

3.低地球轨道卫星

• 由于低地球轨道卫星运行速度极快，一个完整的系统需要大量这样的卫星。另一方面，因为距离地球较近，地面站不需要多大的功率就能收发往来卫星的信号，上行和下行的往返延迟只有几个毫秒，这种卫星的发射成本也比较低。
• 简介一下美国铱星系统和全球星系统。图示为铱星系统。铱星卫星位于高度为750千米的圆形极地轨道上。它们被排列成南北向的项链状，每隔32维度有一颗卫星，每颗卫星最多有48个单元格（点波束）和3840个信道容量，一些信道用于寻呼和导航，其他用于数据通信和语音通信。6条卫星链覆盖了地球表面。铱星有一个特性：相距遥远的客户之间通信必须通过太空进行，一个北极的呼叫者直接与一颗卫星联络，每颗卫星可以和四个邻居通信，其中2个位于同一链中，另外两个位于相邻的链上，卫星中继北极用户的呼叫通过网络直至转发到南极的被呼叫者。
  
• 全球星系统。共使用了48颗卫星。鉴于铱星系统中需要在卫星之间中继呼叫，因而必须在卫星上装备复杂的交换设备，全球星系统采用了一种传统的弯管设计思想。北极发送的呼叫型号首先被发送回地球，被Santa工厂的大型地面战捕捉到；然后，该呼叫通过地面网络被路由到离被呼叫者最近的一个地面站；再通过一个弯管连接传递给被呼叫者。这种模式的好处在于它把大量的复杂性放在了地面上，相比空中处理的复杂性，在地面上要容易得多。而且使用大型地面站天线还有额外的好处，它可以发出强烈的信号并接受微弱的信号，毕竟电话发出的信号只有几个毫瓦的功率，当它回到地面时已经非常弱，即使被卫星放大后依然很弱。
  4.卫星与光纤
  卫星可以快速部署响应，对于战争年代的军事通信和和平年代的灾难救助非常重要；在基础设施不发达的地区提供通信相对容易，例如在印度尼西亚的13677个群岛岛屿之间拉数千跟电缆是及其昂贵的，在海上沙漠地区也更适合卫星通信；卫星更易于广播，如果一个组织需要将大量的股票债券信息发送给几千个经销商，那么选择卫星通信比采用地面上的模拟广播更加便宜。