「知识笔记」无线通信基础

无线通信构成了现代互联互通的基石。理解其基本原理对于深入研究诸如大规模MIMO、智能反射表面、可移动天线等先进技术至关重要。本节将介绍无线通信的核心概念，为后续探讨信道估计、可移动天线奠定基础。

核心概念：信号与电磁波

无线通信的本质是在不依赖物理导线或电缆的情况下，远距离传输信息。其核心媒介是电磁波，特别是无线电波，它们能够在空间中传播，承载需要传递的信息。这些承载着信息的电磁波通常被称为“信号” 。信号可以传播几米到数千公里。

电磁波具有频率（f）和波长（λ）两个关键物理属性，它们之间存在反比关系：λ=c/f，其中 c 是自由空间中的光速（约 3×10^8 m/s）。这个关系非常重要，因为它直接影响无线通信系统的设计，特别是天线的尺寸。例如，低频信号（如音频信号）的波长很长，而高频信号的波长则短得多。

信息的原始形式（如语音、数据、图像）被称为基带信号。然而，直接传输基带信号在无线通信中通常是不可行或效率低下的。这就引出了调制的需求。

调制：将信息编码到电磁波上

调制是将信息（基带信号）编码到高频载波信号（如无线电波）上的过程。载波本身具有适合远距离传播的高频率特性，但不能直接携带信息。调制通过改变载波的某些特性（如幅度、频率或相位）来加载信息。在接收端，需要进行解调（Demodulation）操作，即从已调制的载波信号中恢复出原始信息。

调制之所以在无线通信中必不可少，主要基于以下几个原因：

实现远距离高效传输：低频的基带信号（如语音信号）在空气中衰减很快，传输距离有限。将其调制到高频载波上，可以显著改善信号的传播特性，实现更远距离的有效传输。
实现实际的天线尺寸：天线的物理尺寸通常需要与所传输信号的波长相当（例如，波长的几分之一）才能有效辐射和接收信号。对于低频基带信号，例如 20 kHz 的音频信号，其波长长达 15 公里，需要的天线尺寸是完全不切实际的。通过将信息调制到高频载波（例如 100 MHz）上，信号波长大大缩短（100 MHz 对应波长为 3 米），使得天线可以设计得非常小巧和便携。
实现多路复用（Multiplexing）：调制使得多个发射机可以在同一物理介质（如空气）中同时传输信号而互不干扰。通过为每个信号分配不同的载波频率，接收机可以根据频率选择性地接收所需的信号。这是广播电视、移动电话网络等系统能够同时服务大量用户的关键技术，称为频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）。例如，Wi-Fi 利用不同的信道（载波频率）同时为多个用户传输数据。
提高抗噪声能力：某些调制技术，如频率调制（FM），本身具有较好的抗噪声和干扰能力，有助于在嘈杂环境中保证传输信息的完整性。
便于信号处理和控制：调制允许对信号的特性（如带宽、功率）进行调整和控制，以满足特定的传输需求，优化信号强度，减少干扰，并确保与不同通信系统的兼容性。

调制技术主要分为两大类：模拟调制和数字调制。

模拟调制：载波的某个参数（幅度、频率或相位）随模拟信息信号连续变化。
- 幅度调制 (AM)：载波幅度随信息信号变化，频率和相位保持不变。
- 频率调制 (FM)：载波频率随信息信号变化，幅度和相位保持不变。
- 相位调制 (PM)：载波相位随信息信号变化，幅度和频率保持不变。例如，用 0° 相位代表 '1'，180° 相位代表 '0' 。
数字调制：用数字信息（比特流）来调制载波。常见的数字调制方式包括：
- 幅移键控 (ASK)：用不同的幅度电平表示数字信息。
- 频移键控 (FSK)：用不同的频率表示数字信息。
- 相移键控 (PSK)：用不同的相位表示数字信息。例如，二进制PSK (BPSK) 。
- 正交幅度调制 (QAM)：同时改变幅度和相位来表示数字信息，能在给定带宽内传输更多数据。
- 正交频分复用 (OFDM)：一种先进的多载波调制技术，将高速数据流分成多个并行的低速数据流，在大量正交的子载波上进行调制和传输。广泛应用于现代无线通信系统（如 Wi-Fi, LTE, 5G）。

理解调制是理解无线通信系统如何将信息转化为可在空中传播的信号的关键一步。它不仅解决了直接传输基带信号的物理限制（如天线尺寸和传输距离），还通过允许多路复用极大地提高了频谱资源的利用效率，是现代无线通信得以实现的基础。

多路复用：共享空中信道

无线电频谱是一种有限的宝贵资源。为了让众多用户能够同时使用有限的频谱进行通信，必须采用多路复用（Multiplexing）或多址接入（Multiple Access）技术。这些技术的核心思想是如何有效地划分和共享通信信道资源（主要是时间和频率）。

主要的多种接入技术包括：

频分多址 (FDMA - Frequency Division Multiple Access)：为每个用户分配一个独占的、不重叠的频段（子信道）。用户在分配给自己的频段内连续进行通信。这种方式比较简单，常用于窄带系统（如模拟移动电话、无线电广播）。其缺点是如果某个用户没有通信需求，其分配的频段就会闲置浪费。需要严格的滤波来减少相邻信道间的干扰。
时分多址 (TDMA - Time Division Multiple Access)：多个用户共享同一个载波频率，但将时间划分为周期性的帧（Frame），每个帧再划分为若干个时隙（Time Slot）。每个用户被分配一个或多个时隙，在指定的时隙内进行突发式（Burst）数据传输。在其他用户的时隙内，该用户处于非活动状态。TDMA允许根据用户需求动态分配时隙数量，实现按需分配带宽。由于传输不是连续的，切换（Handoff）过程相对简单，且收发可以在不同时隙进行，无需双工器。GSM系统是TDMA的一个典型应用。
码分多址 (CDMA - Code Division Multiple Access)：所有用户可以同时使用整个频段进行传输。用户之间通过分配独特的扩频码（Spreading Code）来区分。接收机利用对应用户的码字，可以将期望信号从混合信号中解调出来，同时将其他用户的信号视为噪声。CDMA具有较好的抗干扰能力和较高的频谱效率，被认为是语音和数据通信的推荐技术，提供了比TDMA更大的容量。IS-95是CDMA系统的一个例子。
空分多址 (SDMA - Space Division Multiple Access)：利用天线的空间维度来区分用户。通过使用定向天线或多天线阵列（MIMO架构），基站可以向不同方向的用户同时发送或接收信号，即使他们使用相同的频率和时间资源。SDMA可以有效地提高系统容量和频谱利用率，尤其是在MIMO系统中。基站可以通过波束赋形（Beamforming）技术将信号能量集中在用户方向，并跟踪移动用户。
正交频分多址 (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access)：是OFDM调制技术在多用户场景下的扩展。它将OFDM的子载波分配给不同的用户，从而在频域上实现多址接入。用户可以被分配一部分子载波，而不是整个带宽。OFDMA具有良好的频谱效率和抗多径衰落能力，是4G LTE和5G NR系统中的关键多址技术。

这些多路复用技术是无线网络能够支持大量用户并发通信的基础。不同的技术有不同的特性和复杂度，适用于不同的系统需求。例如，FDMA和TDMA相对简单，而CDMA和OFDMA/SDMA则更为复杂但通常能提供更高的容量和灵活性。选择哪种技术对整个系统的设计，包括资源管理、干扰控制和硬件实现都有深远影响。

无线信道：信号传播的媒介

无线信道（Wireless Channel）是指信号从发射端（Tx）传播到接收端（Rx）所经过的物理媒介，通常是空气或自由空间。与有线信道（如光纤或电缆）相比，无线信道环境极其复杂多变，会对传输的信号产生各种不利影响，是无线通信系统设计的核心挑战之一。

无线信道的主要物理特性和损伤包括：

路径损耗 (Path Loss)：信号功率随传播距离增加而自然衰减的现象。这是最基本的损耗，通常与距离的幂次方成正比，幂指数（路径损耗指数）取决于环境（如自由空间、城市、室内等）。路径损耗也与信号频率有关，频率越高，通常自由空间路径损耗越大。
阴影衰落 (Shadowing / Large-Scale Fading)：由大型障碍物（如建筑物、山丘）对信号路径的阻挡或吸收引起的信号功率的缓慢、大范围波动。这种衰落通常发生在几十米到几百米的距离尺度上，其统计特性常用对数正态分布来描述。
多径传播 (Multipath Propagation)：由于信号在传播过程中遇到各种物体（如地面、建筑物、车辆等）发生反射（Reflection）、衍射（Diffraction）和散射（Scattering），信号会沿着多条不同的路径到达接收端。这些不同路径的信号副本具有不同的幅度、相位和到达时间。
快衰落 (Fast Fading / Small-Scale Fading)：由多径信号在接收端的相干叠加（ constructive or destructive interference）引起的信号幅度和相位的快速、短距离（通常在半个波长量级）或短时间内的剧烈波动。这是无线信道最具挑战性的特性之一，会导致接收信号强度在短时间内发生几十dB的变化。其统计特性通常用瑞利（Rayleigh）或莱斯（Rician）分布来描述。
多普勒频移 (Doppler Shift)：当发射端、接收端或传播路径中的散射体之间存在相对运动时，会导致接收信号的频率发生偏移。多普勒频移的大小与相对速度和信号频率成正比。多普勒效应使得信道特性随时间变化（时变性）。
时延扩展 (Delay Spread)：由于多径效应，不同路径的信号到达接收端的时间不同。最早到达和最晚到达的主要信号分量之间的时间差称为时延扩展。时延扩展会导致接收信号在时间上弥散，引起符号间干扰（Inter-Symbol Interference, ISI），即当前接收到的符号会受到前后符号的干扰。
干扰 (Interference)：来自其他无线系统或用户的无用信号。主要包括：
- 同频干扰 (Co-channel Interference)：来自使用相同频率资源的其他小区或用户的干扰。
- 邻道干扰 (Adjacent Channel Interference)：来自使用相邻频段的信号，由于滤波器不理想等原因泄漏到当前信道的干扰。
- 其他干扰源：如其他无线设备、电器等产生的电磁干扰。
噪声 (Noise)：在信号传输和接收过程中引入的随机、不期望的信号。主要来源包括：
- 热噪声：由电子元器件中电子的热运动产生，是不可避免的。
- 外部噪声：如宇宙噪声、大气噪声等。
- 接收机内部噪声：如放大器产生的噪声。

这些信道损伤共同作用，使得接收到的信号与发射信号相比发生失真、衰减和叠加噪声。为了在如此恶劣和复杂的信道条件下实现可靠通信，无线系统必须采用各种先进的信号处理技术，如信道编码、均衡、分集以及信道估计。理解无线信道的这些基本特性是设计和分析无线通信系统性能的基础，也是理解为何需要信道估计的关键。

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