无线通信的基本概念：工作频带、信道、多址方式

射频是一种高频电磁波，如同可见光、红外线一样，属于一定频率范围内的电磁波。无线通信电子设备，以电磁波的形式通过天线，以一定的频率发射到空中，或者从空中接收电磁波，达到传递信息和通信的目的。

任何无线通信系统都被划分到专属的频段（Operating Band），这个频段就是占据一定频率范围的频谱。广义上来讲，国际上把频率范围在3kHz～300GHz的频谱称为射频（Radio Frequency，RF）。实际上，射频并不存在一个严格意义上的精确界限，通常在几十兆赫兹（MHz）和几吉赫兹（GHz）之间，再高的频率又被称为微波。随着无线通信技术的巨大发展，射频和微波的界限已经越来越不清晰了，比如，802.11ad采用高达60GHz的频段，5G已经把频率扩展到了86GHz。

一、工作频段

无线通信以无线电磁波的形式进行通信的，而无线电磁波都有自己的频率，也就是产生于按照一定频率变化的交流信号，所以，每一种无线通信电磁波的频率范围称为工作频段。任何一个无线通信系统都有规定的工作频率，这个工作频率的区间范围就是工作频段（Operating Band）。

为什么需要划分工作频段？1.合理利用频率资源。无线通信技术标准越来越多，占据的频率范围越来越宽，频率这种看不见的资源也变得非常紧张。2.避免各种无线通信之间的干扰。无线通信传播的基础是电磁波，电磁波具有辐射性，如果各种无线通信技术在一个频率范围内辐射，将产生非常严重的干扰，因此必须对各种无线通信进行频率划分，以防止干扰。

工作频段是由谁来划分？国际上，由ITU来统一指导工作频段的划分。在我国，由工业和信息化部无线电管理局/国家无线电办公室负责编制无线电频率规划，以及无线电频率的划分、分配与指配。

二、信道的概念

信道指以传输介质为基础的信号通路，信道的作用是传输信号。通信质量的高低主要取决于传输介质的特性。信道一般指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道实质是一段频带，允许信号通过，同时又给信号以限制和损害。这种对信道的理解是直观的，但从研究信息传输的角度，仅仅有传输介质是不够的，所以信道分为狭义信道和广义信道。狭义信道仅指传输媒介，是发送设备和接收设备之间用以传输信号的传输媒介。通信质量的优差，在很大程度上依赖于狭义信道的特性。通信系统中，凡信号经过的一切通道统称为广义信道。可以理解为，广义信道不但包括传输媒介，还包括馈线、天线、调制/解调器、编码/译码器等各种形式的转换、耦合等设备。

三、信道的分类

狭义信道通常可分为有线信道和无线信道两大类，有线信道包括架空明线、对称电缆、同轴电缆和光缆等，无线信道包括地波传播、短波电离层散射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。

1.有线信道

①架空明线指平行而相互绝缘的架空裸线线路。

②对称电缆，也称为双绞线，由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺线状绞合在一起。通常将许多这样的线对捆扎在一起，并用坚硬的、起保护作用的护皮包裹成一根电缆。将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内的相邻线对之间的串扰。

③同轴电缆分为50Ω的细缆和75Ω的粗缆。细缆用于基带信号传输，主要用于数字信号传输系统，实验室仪器的连线使用的就是细缆；粗缆用于宽带信号传输，可以用于数字/模拟信号传输系统。

④光缆由缆芯、加强件、填充物和护层等几部分构成，除了这些基本结构之外，根据实际需要还要有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件，核心是二氧化硅或塑料制作的光纤。

2.无线信道

无线信道主要指以无线电波作为传输载体的信道，电磁波根据波长的不同有超长波、长波、中波、短波、超短波、微波等。

①短波是指频率为3～30MHz 的无线电波，基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波。短波的波长短，沿地球表面传播的地波绕射能力差，传播的有效距离短。

②地面微波接力,在100MHz以上的频段内，无线电波几乎按直线进行传播，而且这样的电磁波可以被汇集成一束窄窄的波束，因此它可以通过抛物线形状的天线接收。而微波的频率范围为300MHz～300GHz，在这个范围内，它在空中主要沿直线传播，可经电离反射到很远的地方。

③卫星通信是指用人造卫星作为中继信道的一种通信方式。卫星中继信道由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路构成。其中上行与下行线路是地球站至卫星及卫星至地球站的电波传播路径，而信道设备集中于地球站与卫星中继站中。

四、多址方式

1.多址方式概念

多址方式，多址接入方式或多址技术，指在一个网络（如移动通信的小区、无线局域网）中，当多个用户接入网络时，解决如何高效地共享一个无线资源（时间/频率/空间/载波）的技术。当多个用户在共享一个无线资源时，按照时间、频率、空间、编码、子载波等进行划分，从而使不同用户在不同的分割下使用（接入）该资源进行通信。占用不同的分割资源就像拥有不同的地址，而同一资源可以有多个地址，因此称为多址接入。

2.常见的多址方式

FDMA（Frequency Division Multiple Access），频分多址，不同用户采用不同的频率（信道）进行通信，从而区分不同用户。

TDMA（Time Division Multiple Access），时分多址，不同用户在不同的时间（时隙）进行通信，从而区分不同用户。比如，GSM的信道分成8个时隙轮流使用，每个时间点上只有1个用户使用。

CDMA（Code Division Multiple Access），码分多址，不同用户采用不同的编码序列（伪随机码）进行扩频。

SDMA（Space Division Multiple Access），空分多址，不同用户采用不同的空间信道（定向天线波束），从而区分不同用户。

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），正交频分多址，是从OFDM信道调制技术演变而来的。OFDM是一种多载波调制技术，它把一个信道分为若干个正交的子载波，每个子载波就是一个子信道；而OFDMA是把若干子信道组成的载波集分配给不同用户的一种多址技术。

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance），带有冲突避免的载波监听多用户接入，也属于TDMA技术。CSMA/CA的原理，在发送数据前先监听链路（信道），如空闲（没有其他用户占用），则立即发送；边发送边监听，如果检测到冲突，则立即停止发送，随机等待一段时间后再尝试。

NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access），非正交多址。之前的正交多址技术是在时域、频域、码域上做文章，NOMA则增加了一个新的维度—功率域，不同用户采用相同的时间和频率资源发送信息，利用每个用户的不同路径损耗来实现用户的复用，在接收端采用自干扰消除（SIC）技术对信号进行处理。

NOMA是目前多址技术领域中的热门技术，如华为提出的 SCMA（稀疏码多址）、诺基亚提出的IDM（交织分多址）、中兴通讯提出的MUSA（基于多用户共享接入）、三星提出的 IGMA（交织分割多址接入）、高通提出的RSMA（资源扩展多址接入）等。

五、多径干扰

多径效应是无线通信系统中普遍存在的一种现象。它指的是信号在传播过程中会遇到各种障碍物（如建筑物、山脉等）并产生反射、折射或散射，形成多条路径到达接收器，也就是无线信号多径传输。接收机在同一时刻接收到的多条路径的信号具有不同的幅度和相位，最终同相位的信号产生相长干涉，反相位的信号之间产生相消干涉，进而导致接收信号的幅度产生剧烈变化，这一现象称之为多径效应。

1.多径效应的原理与影响

多径效应的产生源于信号的传播特性。在理想情况下，信号应该沿着直线路径从发射器直达接收器。然而，在现实环境中，信号会遇到各种障碍物，导致传播路径发生改变。这些反射、折射和散射的信号会在不同的时间到达接收器，形成多个重叠的信号波形，从而产生多径效应。

多径效应对通信系统的影响主要表现在以下几个方面：

1）信号失真：多径信号的叠加可能导致接收信号的波形失真，影响数据的准确解码。

2）码间干扰：不同路径上的信号到达时间的差异可能引起码间干扰（ISI），使得相邻的信号符号相互干扰，降低通信的可靠性。

3）频率选择性衰落：多径效应还会导致频率选择性衰落，即不同频率的信号受到不同程度的衰减，影响整个通信带宽的利用效率。

2.应对多径效应的策略

为了减少多径效应对通信系统的影响，研究人员和工程师们提出了多种策略和技术。

1）均衡技术：均衡器可以对接收信号进行处理，减少或消除由于多径传播引起的码间干扰。通过调整接收信号的相位和幅度，均衡器能够补偿信号失真，提高数据传输的准确性。

2）多载波调制技术：正交频分复用（OFDM）是一种有效的多载波调制技术，它将宽带信号分配到多个正交的子载波上，每个子载波上的信号传输速率较低，从而减少多径效应的影响。OFDM技术通过在频域上进行处理，有效地对抗了多径引起的时域失真。

3）扩频技术：扩频技术通过将信号扩展到更宽的频带上，使得信号对多径效应更加鲁棒。码分多址（CDMA）是一种应用广泛的扩频技术，它通过为每个用户分配唯一的码片序列，使得信号在频域上扩展，从而抵抗多径效应。

4）多天线技术：多输入多输出（MIMO）技术利用多个发射和接收天线，通过空间分集和信号的空时编码，提高通信系统的性能。MIMO技术能够同时利用多径路径传输信息，将多径效应转化为通信性能的提升。

来源：雨飞工作室

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