基于數字化背景的無線通信工程技術研究

楊 宇，陳兆強，祁 晗

（國網吉林省電力有限公司信息通信公司，吉林 長春 130022）

1 無線通信工程技術內涵簡析

無線通信工程技術的特點是，擺脫了過去的有線通信工程模式。具體來說，在無線網絡架構下，信號不再以真實存在的信道（如有線網絡架構下，原始媒介為電纜，后來逐漸升級至光纜）作為搭載信號的媒介，而是將信號搭載于電磁波上——智能設備在發(fā)射、接收電磁波的過程中，實現對信號的上傳和下載[1]。無線通信工程技術經過多年發(fā)展后，才達到如今的“智能無線”模式。在此之前，相對“原始”且具有代表性的無線通信系統(tǒng)即為無線電話通信系統(tǒng)，主要由天線、接收機、發(fā)射機三個部分組成,該系統(tǒng)的通信原理是，借助特定的音頻傳輸通道，將通話人員的語音信息轉變成音頻信號，進而經由特定的無線音頻傳輸通道，完成音頻信號的傳遞。在這個過程中，每當射頻載波信號形成之后，可經由天線向無線信道進行發(fā)射（發(fā)射的頻道是相對固定的，比如，家用電話產生的音頻信號被限制在X頻道，企業(yè)電話產生的音頻信號被限制在Y頻道，這里提到的X、Y都是具體的頻道數字，不同來源的音頻信號在無線網絡中的傳輸頻道涇渭分明，互相之間不會造成干擾），且在發(fā)射之前、接收之后，音頻信號經裝置轉換處理。例如，電話用戶所說的話即為“語音信息”，被話筒接收后，便形成了低頻信號；經由調制設備調成高頻載波信號后發(fā)射、傳輸；接收端設備收到信號之后，會進行“反向操作”，將高頻載波信號恢復成低頻音頻信號，進而提供給另一端的電話用戶。這樣做的目的類似于發(fā)電廠發(fā)電之后，經由電網傳輸至不同區(qū)域之前，首先需要通過變壓器轉變成高壓電，輸送給用電戶之前再次經過變壓器轉變成低壓（常壓）電，可以有效降低輸電過程中的損耗量。為進一步提高信息數據在遠距離傳輸下的穩(wěn)定性，技術人員逐漸在天線系統(tǒng)中加入了信號放大電路，其具有強化信號功能。因此與傳統(tǒng)技術相比，無線通信工程技術可以顯著提升信號傳輸質量。

在上述無線通信系統(tǒng)中，天線實質上是“能量轉換中心”，其主要作用是：改變內部電場或磁場，并形成下一個電磁場。在此基礎上，上述技術架構可以促使電場與磁場完成能量轉換，從而使搭載信息的電磁波能夠在無線信道場域內更加穩(wěn)定地傳播。由于射頻載波信號的頻率一般高于其他信號，故在電磁場內的傳輸速度相對較快，能夠實現高速傳播。需要考慮的重點內容是，射頻載波信號只具備搭載并傳輸信息的功能，在傳輸過程中不具備抗干擾能力，自身也很難保證搭載信息的完整性?；诖?，相關學者提出了基于電磁波信號接收裝置的處理措施，該裝置在獲得天線信號之后，可根據實際情況，對信號進行放大或過濾處理，進而篩選出有用信號、去除內部噪聲后輸出，這便是無線通信的全過程。

2 數字化背景下的無線通信工程技術簡析

2.1 微波無線通信技術

微波是指頻率介于300 MHz～300 GHz之間的電磁波。這種電磁波特點是：集聚成束的難度較低，具有高度定向性，傳播過程中大多“走直線”。由于是電磁波，故微波同樣具有波粒二象性，有良好的穿透、反射性能，并且在接觸不同物體時，可以根據所接觸物體的特性，相應地做出動作。比如，微波接觸玻璃、塑料、瓷器時，可以直接穿越這些物體，不會被這些物體吸收；但在接觸水、食物時，這些物體便會因吸收微波而令自身溫度升高（這便是微波爐能夠在短時間內加熱、烤制食物的原理）；當微波與金屬類物體接觸時，會發(fā)生反射現象。由于微波在空氣中傳播時受到自身特性的影響，會產生大量的損耗，并且其傳輸距離較短。但相對的，微波具有較強的機動性且工作頻寬較大，故時至今日已經被廣泛應用于無線通信。微波無線通信傳輸類似光線直線傳輸，是一種視距范圍內的接力傳輸，具有視距范圍內的直線傳輸和多徑傳輸的特點。在信號傳播過程中只要兩個“點（可以理解為信號發(fā)射端與信號接收端）”之間的直線距離內不存在任何障礙，便可以進行微波無線通信?，F階段，我國的微波通信頻段包括L頻段、S頻段、C頻段、X頻段，此外還有正在開發(fā)的K頻段。微波無線通信的特點是，頻率極高但波長很短。由于微波在空氣中的傳播特性與光十分相似（沿直線前行，遇到任何障礙后，或是被阻斷吸收，或是被折射，又或被反射），故微波無線通信是一種“視距通信”。當超出視距之外時，一段距離內的微波信號傳輸便宣告結束，若要繼續(xù)傳輸，必須借助中繼站?；谶@種特性，微波無線通信俗稱“微波接力通信”。比如，信息的發(fā)射方與接收方彼此之間相隔數千千米，在如此遙遠的距離跨度內，兩端（點）的直線連線區(qū)域內不可能沒有障礙，且微波本身不具備長距離持續(xù)傳輸特點。因此，需要在兩端（點）之間設置數十個中繼站，通過幾十次“短距離直線微波傳輸”，高質量地完成無線通信。

2.2 5G技術在不同領域的應用

2.2.1 無人控制技術

5G技術在無人控制領域的應用范圍廣闊，其性能特征包括：①支持高速傳輸。無人控制對信號傳輸與識別提出了嚴格的要求，傳統(tǒng)技術條件下主要采用局域網或者存儲設備完成數據傳輸，但是該方法存在數據安全性偏低、傳輸效率低等問題。而相比之下，5G技術則可提供更快的傳播速度以及低延遲的技術支持，使無人控制技術可實現高效采集數據、便捷控制功能。②提供網絡協(xié)同支持。5G技術不僅可以提供高速、低延遲、大帶寬的通信服務，還可以通過網絡協(xié)同的方式，實現多個無人設備之間的協(xié)同作業(yè)和數據共享。這樣可以大大提高無人設備的工作效率。

現階段，受關注程度最高的無人控制技術便為智能汽車無人駕駛技術。傳統(tǒng)的非智能汽車由多個零部件組成，駕駛員在駕駛汽車的過程中，當要使用汽車的任何功能時，都需手動操作。比如，除了常規(guī)腳踩剎車、油門、離合器、手控制方向盤外，駕駛員開關車內空調、開關車燈、開關雨刷器等，都需手動操作。在傳統(tǒng)車輛控制模式向“無人駕駛技術”演進的過程中，還存在“半自動控制”階段，即駕駛員依然手動操控汽車的行進、轉向，但可通過“聲控”的方式，啟閉汽車其他功能。如駕駛員在駕車過程中，如果需要播放音樂，則無須手動按車載系統(tǒng)觸摸屏，而是在系統(tǒng)啟動的狀態(tài)下，直接說出“播放音樂”后，系統(tǒng)便可自動獲悉這一“音頻信息”，進而進行解讀，之后執(zhí)行相應的操作。從上述技術流程中可發(fā)現，無人控制技術可以將音頻信息的接收、解析、執(zhí)行整合在一起，具有更高的智能化水平。而完全無須人工操作的無人駕駛功能對這種技術進行了進一步的升級——車載系統(tǒng)除了對車內人員說出的音頻信息進行自動接收和識別，還在更加廣義的范圍內，與無線通信網絡連接。具體來說，智能汽車品牌商已經構建了較為完善的5G通信網絡，用于遠程無線控制車輛搭載的智能系統(tǒng)。當駕駛員選擇無人駕駛模式時，車載系統(tǒng)可實時讀取GPS定位信號，使系統(tǒng)智能化判定車輛行駛位置，經雷達識別車輛周圍的環(huán)境信息，并向GPS定位導航系統(tǒng)傳遞環(huán)境信息。按照車輛行駛的初步設計階段所設定的自動運行路線，向中控中心傳遞車輛狀態(tài)數據以及周圍環(huán)境數據。通過5G網絡聯網，對車輛進行自動化控制，與上端控制中心完成通信交互。促使車輛與其他路上行駛的車輛之間形成智能的“溝通對話”效果。例如，在路過交叉路口等復雜地形位置時，車輛能夠對環(huán)境中的其他車輛位置加以識別，自動導航避障前進。

在無人駕駛模式下，智能汽車制造商需要解決的關鍵問題是，如何確保車輛在行駛過程中，不與周圍任何物體發(fā)生碰撞，保持足夠的安全距離。實現這一功能同樣需要借助數字化無線通信技術。具體來說，在5G技術的支持下，智能汽車前后左右等多個方位均設置了攝像頭，當車載系統(tǒng)通電啟動之后，這些攝像頭會對車輛周圍的動態(tài)信息進行無死角監(jiān)控，獲得的視頻信息會經由5G網絡及時傳遞至品牌商構建的控制中心。除了視覺信息，車輛四周同樣會設置“交互傳感器”，該傳感器類似于雷達，能夠獲取附近有無障礙物、與障礙物之間的距離等信息，將其上傳至控制中心，控制中心根據車載系統(tǒng)上傳遞的車輛運行過程中車輛本身及車輛周圍的多維信息，判斷車輛的行駛狀態(tài)，進而遠程向車輛下達控制指令。這些控制指令同樣會經由5G網絡傳輸給車載系統(tǒng)，進而實現對車輛的智能控制，這便是無人控制技術在智能汽車無人駕駛中的應用。

2.2.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術是多種智能技術的綜合產物，包括三維計算機圖形技術、廣角立體顯示技術、觸覺/力覺反饋技術、立體聲環(huán)繞技術、有線/無線智能網絡傳輸技術、語音輸入輸出技術等?；\統(tǒng)而言，虛擬現實技術可作如下解讀：技術人員構建一個虛擬場景，該場景中的所有事物都是基于計算機構建的虛擬事物，在現實世界中并不存在。由于虛擬現實技術的服務對象是現實世界中的人，故人是虛擬現實技術、虛擬世界的唯一“體驗者”。所謂“體驗”，是指體驗者穿戴各類設備（如VR眼鏡、數據手套、數據衣等）后，眼中所見的“世界（事物）”會發(fā)生變化（比如，戴VR眼鏡觀看3D電影時，觀眾與屏幕之間的距離會被消除，屏幕中出現的任何景象都仿佛籠罩于觀眾周圍）。這種單純視覺層面的虛擬現實技術尚未過多涉及數字化無線通信技術，而高級VR系統(tǒng)中，涉及“智能感知”的功能必須依賴數字化無線通信技術。比如，在虛擬世界中，體驗者會“看”到自己身前有一塊“石頭”。這塊石頭是虛擬世界中的產物，卻會在技術及工具的作用下，令體驗者感覺到這塊石頭的存在。但體驗者的“本體”畢竟身處于現實世界之中，其“本體”身前并沒有這塊石頭。思維意識深處虛擬世界中的體驗者如果希望“摸一摸”這塊石頭，便會伸出自己的雙手。在這種情況下，無論是虛擬世界還是現實世界，體驗者的雙手均確實伸出。于是問題隨之而來，這塊石頭在現實中并不存在，如何才能令思維意識在虛擬世界中的體驗者在“雙手觸碰到石頭”的一瞬間便“真正摸到了石頭”？采用數字化無線通信技術則可以解決上述問題，具體實現過程如下。

（1）虛擬場景以及虛擬場景中的所有事物都需借助計算機智能軟件（如3Dmax、Zbrush、C4DBodypainter、photoshop等）構建而成。比如，“石頭”可以利用3Dmax軟件制作而成，之后在引擎系統(tǒng)中，將“石頭”放置于虛擬場景中。在計算機智能控制系統(tǒng)下，若要使這塊石頭“真實存在”，需要以“石頭所在位置”的“三維空間信息是否被占用”加以區(qū)分。如果相關數據被更改為“占用”，那么意味著虛擬世界相應位置出現了這塊石頭，如果沒有被占用，則這塊石頭只是“徒有其表”，實際上是虛擬現實技術尚未得到完整運用。

（2）改變“石頭”在虛擬世界中對應位置的“三維空間信息”之后，當體驗者佩戴數據手套的雙手接觸“石頭”時，石頭所在位置對應的“已被占用的三維空間數據信息”會經由數字化無線網絡，傳遞至數據手套之中。此時手套內置的數據芯片會調用數據庫中預先存儲的有關“石頭觸感”的程序控制算法，調用相關函數，使手套中內置的觸感傳感器啟動，這種模擬的“石頭觸感”會真實作用在體驗者的雙手之上，這便是虛擬世界與現實世界的“信息無線通信”過程，該過程產生的所有信號都是數字信號，而不是模擬信號。

3 結束語

總體來看，在決定通信質量、通信效率的諸多因素中，技術先進性是不容忽視的問題。在數字化通信技術出現之前，通信信號一般為模擬信號，在通信過程中極其容易受到外部雜波的影響，從而引起“失真”。在這種情況下，攜帶大量信息的信號在傳輸過程中會不同程度受損，無法保證信息的完整傳輸，導致遠程控制缺乏足夠的精度。當數字信號出現之后，傳輸穩(wěn)定性得到了極大提升，加之集成電路及大規(guī)模集成電路的相繼出現，數字信號的傳播過程獲得了諸多技術更好的“加持”，無線通信技術突飛猛進，使得無人控制技術、虛擬現實技術、毫米波技術均攻克了技術層面的難關，在現代生產生活中得到了廣泛應用。放眼未來，數字化背景下的無線通信工程技術還擁有廣闊的應用前景，值得長期探索。