无线通信中的“无线”机制，你了解多少？（下篇）

通信技术还在进步，特别是通过5G、物联网等无线技术以及数字化。

本文上篇简单回顾了无线通信的历史演变，介绍了无线通信系统的基础构成和应用。这里为您介绍数据传输方向、通信协议、以及有关电波的基本知识：

目录

01. 引子：无线通信的历史和演变
02. 什么是无线通信？
03. 无线通信的用途事例
04. 无线通信系统的基本构成
05. 无线通信的方式
06. 数据传输方向
07. 什么是通信协议？
08. 附录：电波及其频率简介

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数据传输方向 : 双向(全双工/半双工)和单向

无论是无线还是有线，将数据向何处传输的传输形式都是通信应用的重要规格，这种形式可以分为双向传输和单向传输。双向传输又可以进一步分为全双工传输和半双工传输。下面，我们将对多种传输形式进行说明。

双向传输(Duplex transmission)

双向传输是一种被认为在现在的数字通信设备中占有相当比率的传输形式，有全双工传输和半双工传输两种方式。

这里需要说明的是，双向传输中经常会听到“下载/上传”、“下行链路/上行链路”等术语。如果将您使用的终端或PC作为设备A，则从设备B接收数据称为下载，反之，从设备A向设备B发送数据则称为上传。此外，如果数据传输本身并不重要，而设备A和设备B之间的连接，例如终端和基站之间的连接非常重要，则称为下行链路/上行链路。

全双工传输

如上图所示，这是一种能同时从设备A到设备B、从设备B到设备A双向（双工）同时进行数据通信和会话的传输形式。此外，当接收和发送（有时分别称为“Rx”和“Tx”）的信号被分配了不同的频率时，将它们分开的电子元件称为双工器（以橙色显示）。

双向传输的典型采用示例包括固定电话、手机、智能手机等（终端之间直接方向）。

如果是一种设备A和设备B通过相互切换发送和接收来传输数据的形式，则这种形式与全双工传输不同，因为数据不能同时在两个方向上传输，称为半双工传输(Half-duplex transmission)，如图8-2a和8-2b所示：

半双工传输

半双工传输的应用示例为收发器。

单向传输(Simplex transmission)

单向传输是一种数据在设备A（发送器）和设备B（接收器）之间仅从设备A沿一个方向（单向）传输到设备B的传输形式，如下图：

单向传输

单向传输采用示例为AM/FM无线电广播、使用电波的遥控器等。

什么是通信协议？

到目前为止，我们已经从硬件方面对无线通信的概要进行了说明。另一方面，无论是无线还是有线，软件对于建立电信也很重要。那就是被称为通信协议或协议的通信约定。

协议是在包括计算机在内的数据通信（数字通信）系统中的一些步骤和规则，用于在不同系统之间无差错地相互传输数据。下图显示了数据传输相关协议的作用示例。

以全双工通信方式为例的通信协议作用

为了可靠地传输数据，需要规定用于多种作用和功能的协议，例如控制步骤、数据结构和接口等，其范围广泛，数据量庞大。如果将协议固定为1种模型，则在需要向协议添加内容或变更协议等版本升级时，很难应对。为了使升级更容易，人们为每个协议分配了作用和功能，并为这些协议创建了层次结构。这种经过系统组织后的协议结构称为协议栈（有时也称为协议套件或网络体系结构）。

该协议栈已被按照国际标准进行模型化，并称为OSI基本参考模型（下表）。

OSI参考模型协议栈

现实中并没有采用这种模型，而是针对每种用途采用与其相适应的规格（数据传输效率高、数据传输可靠性高等）的协议栈。下表以互联网标准使用的TCP/IP模型和Bluetooth® LE模型中的协议栈为例，给出了与OSI基本参考模型之间的对应关系。TCP/IP模型和Bluetooth® LE模型中各层的说明已被省略，但您可以看到层数较少，并且省略了一些层。

OSI参考模型、TCP/IP模型及Bluetooth® LE的协议栈

此外，4G LTE和5G通信的机制是通过基站，因此其通信协议比TCP/IP和Bluetooth® LE模型更加复杂。

附：关于电波及其频率

电波与运动和热一样，都是能量的一种形态，也被称为电磁波（实际上，光也是电磁波的一种）。根据日本的《电波法》和《国际电信公约》附带的《无线通信规则》，电波被定义为频率为3000GHz或更低的电磁波。

这些电波是从无线设备发射的，但将它们实际可视化并不容易。因此，对于电波的产生和传播，我们借由正弦交流电通过金属等导体棒时发生的现象进行说明，以便您更加容易理解。

电波传播示意图

上图显示了无线电波此时的行进情况。实际上，电波是三维传播的，但这里我们重点关注沿着与导体垂直的方向传播的电波，以显示其传播情况。电场和磁场保持彼此为直角（正交），磁场的变化产生电场，电场的变化产生磁场，这种效果不断重复并作为正弦波振动进行传播。电波的主要性质如下所示：

·  电波是一种横波，相对于行进方向，电场和磁场的振幅（强度）进行垂直变化，并且电场和磁场也相互垂直地传播；
·  电波的传播速度与光速相同；
·  电波没有介质（空气振动并以波的形式传播，传入人耳就会感觉到声音。此时将空气称为介质）。

尽管上述电波没有介质的性质与我们的日常感觉相去甚远，但目前认为即使在外层空间那样的真空中传播的电波也是由电场和磁场空间本身的振动而产生的。

顺便说一下，开头我们指出了电波是频率为3000GHz或更低的电磁波。频率f（Hz）可以通过f = c/λ计算，其中的电波波长λ（m）如前图所示，c（3×108 m/s）是光速。电磁波根据频率和波长分为几种类型（下图）：

按频率和波长进行的电磁波分类

初学者理解电波时，特别需要理解关于电场和磁场的概念。

电场是电力的作用空间，磁场是磁力的作用空间。下图是一张示意图，用箭头线分别表示了通过施加电压产生的电场的范围和磁体周围产生的磁场的范围。

电场和磁场的覆盖范围示意图

初学者经常会看到将磁场变化产生电场和电场变化产生磁场的现象单纯组合后的电波传播示意图（下图）。如果因与天线相关等而想认真学习电波，请勿按此示意图理解！

直觉性电波传播示意图

正确的理解方法是要按照本节的电波传播示意图——即将电场和磁场的强度用箭头表示后的矢量（电场矢量和磁场矢量）——的示意图来理解（源自麦克斯韦方程式）。如果按照自觉示意图理解，则BS播放中使用的电波会被说明为电波传播图中的电场矢量一边向左或向右旋转一边以螺旋形状传播的圆偏振波的电波。

电波传播图中的电场矢量和磁场矢量都是表示向右旋转和旋转速度的矢量（从这个意思上，它们也称为“旋转矢量”）。两者都不像速度矢量那样表示物体等某种事物的移动方向。两者都推导至麦克斯韦方程式——与电磁场相关的基本方程式，表达了电和磁之间的所有关系。电磁学初学者学习的库仑定律也可以从这个方程式推导出来。