无线通信技术的变革与详解
无线通信架构
声音在无线网络中的传输
这是一张关于无线通信过程的架构图，讲述了声音信号如何从发声人到接收人进行传递。
- 首先发送者的信号传递到了麦克风，由于人声的频率较低（100Hz 到 10000Hz），而无线通信频率较高（850/900/1800/1900MHz），需要通过调制器，将人声变成高频信号
- 之后通过功率放大器和发送天线，将信号发送出去
- 在对端接收到该信号后，通过逆过程，将信号转变为声音信号
无线基站架构
The baseband unit (BBU) is the baseband processing unit of telecom systems. The BBU has the advantage of modular design, small size, high integration, low power consumption and easy deployment. A typical wireless base station consists of the baseband processing unit (BBU) and the RF processing unit (remote radio unit - RRU). The BBU is placed in the equipment room and connected with the RRU via optical fiber. The BBU is responsible for communication through the physical interface.
基带单元（BBU）是电信系统的基带处理单元。 BBU 具有模块化设计、体积小、集成度高、功耗低、部署方便等优点。 一个典型的无线基站由基带处理单元（BBU）和射频处理单元（远程无线电单元-RRU）组成。 BBU 放置在机房内，通过光纤与 RRU 相连。 BBU 负责通过物理接口进行通信。
现代无线通信技术总览
| 蜂窝移动通信 | 调制技术(基带信号 → 高频信号) | 通信方式(用来区分用户的技术) |
|---|---|---|
| 1G | FM/2FSK | FDMA/频分多址 |
| 2G | FSK/QPSK | TDMA/时分多址 |
| 3G | BPSK/QPSK/8PSK | CDMA/码分多址 |
| 4G | QAM/16QAM/64QAM | OFDM/正交频分多址 |
调制技术
介绍
- 发送端的原始电信号通常具有
频率很低的频谱分量，一般不适宜直接在信道中进行传输。 - 通过调制可以将多个基带信号搬移到
高频载波，实现频谱搬移。
数字调制
幅移键控 ASK：
有幅度表示 1，无幅度表示 0频移键控 FSK：
频率高表示 1，频率低表示 0相移键控 PSK：
用不同
相位表示不同信息二进制相移键控 BPSK：
相移键控的特殊形式，只能用两个特定的
相位表示 0 和 1 两个数字正交相移键控 QPSK：
相移键控的特殊形式，可以使用 4 种
相位，表示 4 种信息（两个比特），抗干扰能力减弱但速率提升8 相移键控 8PSK：
相移键控的特殊形式，可以使用 8 种
相位，表示 8 种信息（3 个比特），抗干扰能力进一步减弱但速率进一步提升正交振幅调制 QAM：
如果期望混合后的信号的幅度和相位都能发生变化，用
幅度和相位一起区分来区分不同波形，这就是 QAM 调制。当多进制调制中 N>=4, 不再采用 PSK 调制仅仅控制相位，而采用 QAM 调制控制相位与幅度，QAM 调制又称为高阶调制。
不同调制方式的比较
- BPSK：2 进制相位调制，每个子载波携带
1个比特的二进制数据，主要用于信道质量非常差的场景以及用于物联网应用的场景。 - QPSK：4 进制相位调制, 每个子载波携带
2个比特的二进制数据。 - 16QAM：16 进制相位幅度调制, 每个子载波携带
4个比特的二进制数据。 - 64QAM：64 进制相位幅度调制, 每个子载波携带
6个比特的二进制数据。 - 256QAM：256 进制相位幅度调制, 每个子载波携带
8个比特的二进制数据。 - 1024QAM：1024 进制相位幅度调制, 每个子载波携带
10个比特的二进制数据。主要应用在5G.
多址技术
多址技术是用来区分用户的技术，先进的多址技术能让一个基站为更多用户服务
移动通信是以多址技术来划分时代的
FDMA-频分多址
模拟信号(1G)是通过频率的不同来区分不同的用户（每个用户专属一段频率）
TDMA-时分多址
GSM(2G) 是通过及其微小的时隙来区别不同的用户（每个用户专属一段时间），类似于 CPU 调度策略中的时间片轮转(RR)
CDMA-码分多址
码分多址是指利用码序列相关性实现的多址通信;码分多址(CDMA)的基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。每个配有不同的地址码，用户所发射的载波(为同一载波)既受基带数字信号调制，又受地址码调制。(类似于广播机制，同一频段客户端的都能收到，但只有属于自己的报文才会处理)
接收时，只有确知其配给地址码的接收机，才能解调出相应的基带信号，而其他接收机因地址码不同，无法解调出信号。划分是根据码型结构不同来实现和识别的。
一般选择伪随机码(PN 码)作地址码。由于 PN 码的码元宽度远小于 PCM 信号码元宽度(通常为整数倍)，这就使得加了伪随机码的信号频谱远大于原基带信号的频谱，因此，码分多址也称为扩频多址。
| 运营商 | 编码 |
|---|---|
| 联通 CDMA2000 | Walsh 码（同步正交码） |
| 移动 TD-SCDMA | OVSF 码 |
| 电信 WCDMA | OVSF 码 （正交可变扩频因子码） |
虽然已有正交频分复用（OFDM） 的技术，但仍发展CDMA的原因主要为调制/解调并不需要太精确的频谱分析。而OFDM使用DFT需做复数运算，较CDMA使用Walsh Transform复杂。 CDMA 的优点条列如下：
- 运算量相对于频分多工减少很多
- 可以减少噪声及干涉的影响
- 可以应用在保密和安全传输上
- 就算只接收部分的信号，也有可能把原来的信号还原回来
- 相邻的区域的干扰问题可以减少
OFDM-正交频分复用
正交频分复用，英文原称 Orthogonal Frequency Division Multiplexing，缩写为OFDM，实际上是 MCM Multi-CarrierModulation 多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
在过去的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成 N 个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM 采用 N 个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。OFDM 系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。
OFDMA-正交频分多址
正交频分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA 是 OFDM 技术的演进，将 OFDM 和 FDMA 技术结合。在利用 OFDM 对信道进行副载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。
OFDM 是一种调制方式；OFDMA 是一种多址接入技术，用户通过 OFDMA 共享频带资源，接入系统。
OFDMA 又分为子信道（Subchannel）OFDMA 和跳频 OFDMA。
OFDMA技术与OFDM技术相比，用户可以选择条件较好的子载波进行数据传输，而不像OFDM技术那样，一个用户在整个频带内发送，从而保证了子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上的分集增益。在OFDMA中，一组用户可以同时接入到某一子载波。
目前使用OFDMA的无线通信技术有：IEEE 802.16、Wi-Fi 6。
