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1、n无线通信的历史 中国古代 烽火台 1865年，麦克斯韦（J. C. Maxwell）建立了著 名的电、磁、光现象相统一的麦克斯韦方程 1887年，赫兹（H. R. Hertz）首次证明了在数 米远两点之间可以发射和检测电磁波 ； 1895年5月7日，波波夫在俄国彼得堡的物理化 学分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系 ”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机 。 无线通信的历史 1895年，马可尼(G. M. Marconi) 成功地进行了约3公里 的无线电通信；1897年，马可尼赴英国发展，获得科学 界和实业界的重视和支持，取得了专利。1897年，马可 尼建议了世界上第一家无线电器材公
2、司-马可尼公司。 1901年，他在英格兰和纽芬兰之间进行了横跨大西洋的 莫尔斯电报码发射和接收试验，通信距离超过3000公里 ；马可尼的贡献贯穿在无线电、电视、移动电话、卫星通 信等广泛领域。1909年获得诺贝尔物理学奖。 多径效应： 由于多径传播，造成多径信号的幅度、相位和到达 时间不同，它们相互叠加会产生电平衰退(fading) 和时延扩展，产生附加的调频噪声，出现接收信号 失真。 移动台 直射波 反射波 反射体 散射波 散射体 基站 移动台 阴影衰退： 由地形、地物、气象等原因对电磁波的遮蔽引起，由此引 起的衰退为慢衰退。 例如，当移动用户穿过不同高度建筑 物、十字路口，接收到的信号平均
3、功率发生变化，且是缓 慢的变化。 快衰退和慢衰退随着移动台的移动而产生变化，这二者构 成移动通信接收信号不稳定的因素。 基站 障碍物 多普勒（Doppler）效应： 由于移动台与基站的相对运动引起接收信号的附 加频率变化，距离越近，附加频率越高。 移动台 基站 Wireless systems transmit and receive waveforms that are outside of Wireless systems transmit and receive waveforms that are outside of the spectrum of visible light - f
4、rom about 800 the spectrum of visible light - from about 800 30,000 MHz30,000 MHz 全范围无线电频谱图 极低频（ELF) 军事潜艇通信 甚低频（VLF) 导航、声纳、航空 低频（LF) 航海与航空导航信标、航空导航 中频（MF) 中波广播、航海与航空导航信标 高频（HF) 短波广播、业余无线电 甚高频（VHF) 电视与调频广播、无线寻呼、地面移动通信 超高频（UHF) 电视与调频广播、无绳电话、个人无线电 特高频（SHF) 微波链路、卫星通信 极高频（EHF) 雷达、射电天文学 微米波 远程探测、激光通信、光空间通
5、信 红外光 300kHz 30MHz 3000MHz 300GHz 3kHz 频率 两次世界大战强烈地刺激了无线通信技术的发展 1946年，首次开通公众移动服务系统, 主要用于大众安全 部门，如警察和消防部队，并逐渐向民间过渡。 正因为一个频谱只能为一对讲话者使用，频谱成为稀有资 源，日趋紧张。世界无线电管理委员会(WRC)提出频谱分 配法； 军事战争：无线电台 短波通信 长波通信 1870年，丹麦大北电报局途径俄国、日本在中国建立第一 条电报线，1882年中国第一个电报局建立（李鸿章的业务 运动）。100年以后的1982年，我国电话才234万部，电 话线2.3条/1000人。到2006年，我
6、国固定和移动电话均 超过4亿台，普及率超过30。 无线/移动通信的发展 无线/移动通信的发展 蜂窝（Celluar）概念：将通信的区域按蜂窝形状分的区域按 蜂窝形状分成若干小区，两个小区间只要相隔一段距离, 无线 载频就可重复使用。 频率复用(频分多址), 无线频谱尽可能在不同的地理位置上 重复使用，每个小区由所对应的基站来服务 。 1946年，美国 AT 采用更具有更高级的数字技术与网络管理技术，信令网络与 业务网络相分离的GSM被广泛采用。 美国 1990年IS-54， 1992年IS 95-98 (CDMA) 均为双模体制 ，我国采用900MHz频段的GSM (Global Servic
7、e for Mobile)体 制(FDMA/TDMA)。 无线/移动通信的发展 1996年：新增的面向个人的移动用户超过 固定用户增长速度 2000年： 全球移动用户：2 亿 全球固定用户：8 亿 2004年：移动用户达到17 亿，中国3.4亿 2010年：移动用户达到30 亿，与固定 用户数量持平 以移动蜂窝网用户为例 无线/移动通信的发展 终极目标： 个人通信PCN ( Personal Communication Networks )是人类通信的最高目标，它指使用各种可能的网络 技术，实现任何人(Whoever)在任何时间(Whenever) 、任何地点(Whereever)与任何人(W
8、homever)进行任 何种类(Whatever)的信息交换。 Anywhere, anyone, anyway, anytime WPAN 10 m Bluetoot、UWB、 Zigbee WLAN 150 m 11 54 Mbps 802.11a/b/e/g HiperLAN/2 WMAN 5 km 802.16a/d/e 70 Mbps LMDS 38 Mbps WWAN 15 km 802.20 GSM, GPRS, CDMA, 2.5G, 3G 无线通信网 络分类图 WPAN的核心思想是：用无线电（RF）或红外 线代替传统的有线电缆，以个人为中心实现信息 终端的智能化互联，组建个人
9、化信息网络。 从计算机网络的角度来看，WPAN是一个局域 网；从电信网络的角度来看，WPAN是一个接 入网。 人们把WPAN称为电信网络“最后一米”的解决 方案。 特征：适应范围、能耗、成本、用途等。 无线个人网（WPAN） Wired / Wireless Wired / Wireless Wired /Wireless Wired / Wireless Wired / Wireless Broadband Local high throughput delivery Long range delivery wired & wireless (Backbone) 蓝牙（Bluetooth）技
10、术 蓝牙以公元10世纪一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。 发明蓝牙技术的是瑞典爱立信公司。1998年5月，爱立信、 诺基亚、东芝、IBM和英特尔五家公司经过磋商，联合成立 了蓝牙共同利益集团（Bluetooth SIG）。 99年7月发布 Bluetooth 1.0标准。至今加盟蓝牙SIG的公司已达到2000多 个，蓝牙具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。 所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电 技术，使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备， 不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实 际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽 车等信息家电，组成
11、一个巨大的无线通信网络。 蓝牙技术主要面向10m范围内的个人网络。各类数据及语音 设备（信息家电）, 通过无线方式将它们连成一个微微网 (Piconet), 多个微微网之间也可以互连形成分布式网络从而方 便、快速地实现各类设备之间的通信（数据、音频、图象等） 。 蓝牙技术是公开的无线数据和话音通信标准(IR传输和短距无 线电链路），无线收发器集成于99mm2的微芯片内，可方便 地嵌入到便携式设备中, 从而增加设备的通信选择性。 蓝牙同步语音信道支持 64Kbps 数据传输率； 非同步信道可支持： 721Kbps， 非对称，单向最大速率 432.6Kbps，上下链路对称最大速率 蓝牙（Bluet
12、ooth）技术 蓝牙应用： 话音/数据的接入。它是将一台计算设备通过安全的无线 链路连接到一个通信设备，完成与广域通信网络互联。 外围设备互联是指将各种外设通过蓝牙链路连接到主机。 个人网络和信息的共享和交换。 蓝牙系统基本特征： (1) 网络拓扑 (2) 交换模式 (3) 节能模式 (4) 抗干扰性能 (5) 鉴权、加密 (6) 话音编码 (7) 软件结构 蓝牙（Bluetooth）技术 蓝牙包括核心协议(Core) 和简档（Profile）两个部分。协议主 要定义蓝牙的技术细节（如串口仿真协议、逻辑链路控制和适 配协议等），而简档定义相应的实现协议栈，这样即可为全球 兼容性奠定基础。 蓝牙
13、标准主要定义底层协议，也定义一些高层协议和相关接 口。整个协议体系结构分为4层： ( 1) 核心协议层（链路管理协议LMP、蓝牙逻辑链路控制与适配协议 L2CAP、服务检测协议SDP） ( 2) 线缆替代协议层 （RFCOMM） ( 3) 电话控制协议层（TCB, BIN/AT） ( 4) 其它协议层（与Internet应用相关的高层协议，如PPP、UDP/TCP/IP、 OBEX/vCard/vCal、IrMC、E-mail、WAP等 ) 蓝牙（Bluetooth）技术 蓝牙协议栈图 调制: GFSK 数据速率（峰值）: 4Mbps RF频段:2.4GHz, ISM RF载波: 23/79
14、载波间隔: 1 传输功率: 0.1w 微微网接入: FH-TDD-TDMA 频跳率:1600 分布式网络的接入: FH-CDMA 蓝牙（Bluetooth）技术 跳频的时分双工（FH-TDD-TDMA） 蓝牙（Bluetooth）技术 q 从应用的角度，它与日前广泛应用于微波通信中一点多 址技术十分相似，很容易穿透障碍物，实现全方位的语音与 数据传输，非视距通信。蓝牙也使用2.4GHz频段，采用跳 频扩频技术。对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳 /秒；对应于时隙包，跳频速率有所降低；由于使用较高的 跳频速率，使其抗干扰能力较高。在发射带宽为1MHz时， 其有效数据速率为721kbps
15、。 q 链路层和应用层进行安全管理。在链路层中，它提供了 认证、加密和密钥管理等功能，每个用户都有一个个人标识 码（PIN），被译成128bit链路密钥来进行单双向认证。蓝 牙设备还有ID标识。 蓝牙（Bluetooth）技术 蓝牙安全性： q 物理层：蓝牙跳频速度达1600 跳/s，属快速跳频，加上 通信的短距离的特性，提供一定程度的物理层的安全特性。 q 链路层：蓝牙链路级的安全特性在L2CAP协议中完成。基 于链路密钥的概念，密钥为128比特长的随和序列。蓝牙设 备在每次建链时都要核对密钥，通信时该密钥将用于鉴权和 加密。 q 业务级：采用了安全管理器的概念，安全管理器可以对每 一个设备
16、和服务指定信任等级和访问极限，满足蓝牙设备和 服务的安全接入。 蓝牙（Bluetooth）技术 q ZigBee是一种新兴的低复杂度、低功耗、低数据速率、低 成本的无线网络通信技术（IEEE 802.15.4标准），主要用于 近距离无线连接，类似蓝牙。 q ZigBee适合于承载数据流量较小的业务，如遥控、传感器 等，满足工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业和 医用设备控制等领域的特定需求。例如，在无线传感器环境 中众多传感器之间相互协调实现通信，只需要很少的能量， 以接力的方式将数据从一个传感器传到另一个传感器。 q ZigBee标准规定了两个物理层：一个与蓝牙一样，也采用 2.4 GHz波段及跳频技术；另一个868/9
