浅谈无线通信的基本概念

文章来源：老虎说芯

原文作者：老虎说芯

本文主要讲述无线通信基本概念：频段、信道、多址、双工、调制、分集和MIMO。  

从工作频段到信道的划分，再到多址方式、双工方式、调制方式、分集技术和MIMO，这些概念共同作用，使得无线通信能够高效、可靠地进行。随着技术的不断发展，这些基础技术也在不断演进，尤其是在5G系统中，新的多址方式、双工技术和更复杂的MIMO系统都为未来的通信提供了更多的可能性。

1. 工作频段

工作频段是指无线通信系统使用的频率范围。所有无线通信都依赖于电磁波，而电磁波的传输依赖于特定的频率。在无线通信系统中，每种技术都会规定一个“工作频段”，也就是系统能够正常工作的频率区间。频段的划分有两个主要目的：

合理利用频率资源：无线电频率是有限的，就像土地一样，因此必须合理规划，以避免资源浪费。

避免干扰：如果不同的通信系统使用相同的频率带宽，会相互干扰，影响通信质量。所以，必须对频段进行有效划分，确保各个系统之间不互相干扰。

2. 信道

在无线通信中，信道可以类比为公路上的车道。工作频段虽然定义了可用的频率范围，但这些频率并不直接分配给每个用户使用。信道就是在这个频段内划分出来的“车道”，每个信道对应一个特定的频率范围，供一个用户占用并进行通信。这样做的好处是：

提高频率利用率：通过划分信道，可以允许多个用户在不同的信道上并行通信，最大化频谱的使用。

减少干扰：每个用户通过不同的信道来传输信息，从而避免了相同频率下的干扰。

便于管理：通过信道，系统能够对每个用户进行独立管理和控制。

信道的带宽决定了数据传输的速率，带宽越大，能传输的信息量就越多。

3. 多址方式 (Multiple Access)

多址方式是指多个用户如何在同一通信网络中共享有限的无线资源（如频率、时间、空间等）。通过不同的多址方式，可以让多个用户同时使用相同的频谱而不会相互干扰。常见的多址方式有两种：

正交多址（OMA）：在这种方式下，用户之间的信号是相互正交的，不会产生干扰。传统的2G、3G、4G系统使用这种方式。

非正交多址（NOMA）：与正交多址不同，在NOMA方式下，不同用户的信号可以存在一定的干扰，但系统采用复杂的技术来消除或减少干扰，提高频谱的利用率。

随着5G的到来，NOMA被引入，并开始结合更多的资源共享方法，以适应更复杂的网络环境。

4. 双工方式 (Duplex)

双工方式描述了通信双方如何在同一时间内进行数据的发送和接收。无线通信系统常见的双工方式有：

时分双工（TDD）：在TDD系统中，通信的发送和接收是通过时间划分的。在某一时刻，一个方向上只能发送，另一个方向只能接收。时间被分成多个时隙，每个时隙用来发送或接收。

频分双工（FDD）：在FDD系统中，通信双方通过不同的频率进行数据的发送和接收，即发送和接收各使用一个独立的频率通道。

同时同频全双工（CCFD）：这是5G技术中发展出的新型双工方式，通信双方可以在相同时间和相同频率上进行同时的发送和接收，从而提高频谱的利用率。

5. 调制方式 (Modulation)

调制方式是指如何将要传输的信息加载到载波上。无线电通信中，载波的某些特性（如幅度、频率、相位）会随信息变化，从而将信息编码到电磁波上。调制方式可以分为模拟调制和数字调制两大类：

模拟调制：如调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。

数字调制：如移频键控（FSK）、移幅键控（ASK）和移相键控（PSK）。例如，GSM系统采用高斯最小频移键控（GMSK），Wi-Fi和3G系统则常采用正交相移键控（QPSK）。

调制方式的选择对信号的抗干扰能力、传输速率等性能都有很大影响。

6. 分集 (Diversity)

分集是通过接收多个相同信息的信号副本来提升信号的质量和可靠性。在无线通信中，信号在传输过程中会经历衰减和干扰，这时，分集技术可以通过接收多个路径上的信号来提高数据接收的可靠性。常见的分集方式包括：

时域分集：利用不同时间段接收的信号副本。

频域分集：利用不同频率上接收到的信号副本。

空间分集：通过在不同位置设置多个天线接收信号，从而获得多条独立的信号路径。

7. 多输入多输出 (MIMO)

MIMO（多输入多输出）技术是通过多个天线在发送端和接收端同时传输多个数据流，从而提高无线通信的容量和数据传输速率。MIMO利用空间复用技术，将信号分布到多个传输路径上，通过这些不同路径同时发送不同的数据流。这样做的好处是：

增加数据吞吐量：通过多个信号路径传输数据，显著提高系统的总数据传输速率。

改善信号质量：MIMO可以利用空间分集提高信号的抗衰落能力，改善通信质量。

提升频谱效率：MIMO可以在同一频谱下传输更多的数据，提升频谱利用率。

MIMO是现代通信系统（尤其是4G和5G网络）中非常重要的技术之一。