基于数字化背景的无线通信工程技术研究

杨 宇，陈兆强，祁 晗

（国网吉林省电力有限公司信息通信公司，吉林 长春 130022）

1 无线通信工程技术内涵简析

无线通信工程技术的特点是，摆脱了过去的有线通信工程模式。具体来说，在无线网络架构下，信号不再以真实存在的信道（如有线网络架构下，原始媒介为电缆，后来逐渐升级至光缆）作为搭载信号的媒介，而是将信号搭载于电磁波上——智能设备在发射、接收电磁波的过程中，实现对信号的上传和下载[1]。无线通信工程技术经过多年发展后，才达到如今的“智能无线”模式。在此之前，相对“原始”且具有代表性的无线通信系统即为无线电话通信系统，主要由天线、接收机、发射机三个部分组成,该系统的通信原理是，借助特定的音频传输通道，将通话人员的语音信息转变成音频信号，进而经由特定的无线音频传输通道，完成音频信号的传递。在这个过程中，每当射频载波信号形成之后，可经由天线向无线信道进行发射（发射的频道是相对固定的，比如，家用电话产生的音频信号被限制在X频道，企业电话产生的音频信号被限制在Y频道，这里提到的X、Y都是具体的频道数字，不同来源的音频信号在无线网络中的传输频道泾渭分明，互相之间不会造成干扰），且在发射之前、接收之后，音频信号经装置转换处理。例如，电话用户所说的话即为“语音信息”，被话筒接收后，便形成了低频信号；经由调制设备调成高频载波信号后发射、传输；接收端设备收到信号之后，会进行“反向操作”，将高频载波信号恢复成低频音频信号，进而提供给另一端的电话用户。这样做的目的类似于发电厂发电之后，经由电网传输至不同区域之前，首先需要通过变压器转变成高压电，输送给用电户之前再次经过变压器转变成低压（常压）电，可以有效降低输电过程中的损耗量。为进一步提高信息数据在远距离传输下的稳定性，技术人员逐渐在天线系统中加入了信号放大电路，其具有强化信号功能。因此与传统技术相比，无线通信工程技术可以显著提升信号传输质量。

在上述无线通信系统中，天线实质上是“能量转换中心”，其主要作用是：改变内部电场或磁场，并形成下一个电磁场。在此基础上，上述技术架构可以促使电场与磁场完成能量转换，从而使搭载信息的电磁波能够在无线信道场域内更加稳定地传播。由于射频载波信号的频率一般高于其他信号，故在电磁场内的传输速度相对较快，能够实现高速传播。需要考虑的重点内容是，射频载波信号只具备搭载并传输信息的功能，在传输过程中不具备抗干扰能力，自身也很难保证搭载信息的完整性。基于此，相关学者提出了基于电磁波信号接收装置的处理措施，该装置在获得天线信号之后，可根据实际情况，对信号进行放大或过滤处理，进而筛选出有用信号、去除内部噪声后输出，这便是无线通信的全过程。

2 数字化背景下的无线通信工程技术简析

2.1 微波无线通信技术

微波是指频率介于300 MHz～300 GHz之间的电磁波。这种电磁波特点是：集聚成束的难度较低，具有高度定向性，传播过程中大多“走直线”。由于是电磁波，故微波同样具有波粒二象性，有良好的穿透、反射性能，并且在接触不同物体时，可以根据所接触物体的特性，相应地做出动作。比如，微波接触玻璃、塑料、瓷器时，可以直接穿越这些物体，不会被这些物体吸收；但在接触水、食物时，这些物体便会因吸收微波而令自身温度升高（这便是微波炉能够在短时间内加热、烤制食物的原理）；当微波与金属类物体接触时，会发生反射现象。由于微波在空气中传播时受到自身特性的影响，会产生大量的损耗，并且其传输距离较短。但相对的，微波具有较强的机动性且工作频宽较大，故时至今日已经被广泛应用于无线通信。微波无线通信传输类似光线直线传输，是一种视距范围内的接力传输，具有视距范围内的直线传输和多径传输的特点。在信号传播过程中只要两个“点（可以理解为信号发射端与信号接收端）”之间的直线距离内不存在任何障碍，便可以进行微波无线通信。现阶段，我国的微波通信频段包括L频段、S频段、C频段、X频段，此外还有正在开发的K频段。微波无线通信的特点是，频率极高但波长很短。由于微波在空气中的传播特性与光十分相似（沿直线前行，遇到任何障碍后，或是被阻断吸收，或是被折射，又或被反射），故微波无线通信是一种“视距通信”。当超出视距之外时，一段距离内的微波信号传输便宣告结束，若要继续传输，必须借助中继站。基于这种特性，微波无线通信俗称“微波接力通信”。比如，信息的发射方与接收方彼此之间相隔数千千米，在如此遥远的距离跨度内，两端（点）的直线连线区域内不可能没有障碍，且微波本身不具备长距离持续传输特点。因此，需要在两端（点）之间设置数十个中继站，通过几十次“短距离直线微波传输”，高质量地完成无线通信。

2.2 5G技术在不同领域的应用

2.2.1 无人控制技术

5G技术在无人控制领域的应用范围广阔，其性能特征包括：①支持高速传输。无人控制对信号传输与识别提出了严格的要求，传统技术条件下主要采用局域网或者存储设备完成数据传输，但是该方法存在数据安全性偏低、传输效率低等问题。而相比之下，5G技术则可提供更快的传播速度以及低延迟的技术支持，使无人控制技术可实现高效采集数据、便捷控制功能。②提供网络协同支持。5G技术不仅可以提供高速、低延迟、大带宽的通信服务，还可以通过网络协同的方式，实现多个无人设备之间的协同作业和数据共享。这样可以大大提高无人设备的工作效率。

现阶段，受关注程度最高的无人控制技术便为智能汽车无人驾驶技术。传统的非智能汽车由多个零部件组成，驾驶员在驾驶汽车的过程中，当要使用汽车的任何功能时，都需手动操作。比如，除了常规脚踩刹车、油门、离合器、手控制方向盘外，驾驶员开关车内空调、开关车灯、开关雨刷器等，都需手动操作。在传统车辆控制模式向“无人驾驶技术”演进的过程中，还存在“半自动控制”阶段，即驾驶员依然手动操控汽车的行进、转向，但可通过“声控”的方式，启闭汽车其他功能。如驾驶员在驾车过程中，如果需要播放音乐，则无须手动按车载系统触摸屏，而是在系统启动的状态下，直接说出“播放音乐”后，系统便可自动获悉这一“音频信息”，进而进行解读，之后执行相应的操作。从上述技术流程中可发现，无人控制技术可以将音频信息的接收、解析、执行整合在一起，具有更高的智能化水平。而完全无须人工操作的无人驾驶功能对这种技术进行了进一步的升级——车载系统除了对车内人员说出的音频信息进行自动接收和识别，还在更加广义的范围内，与无线通信网络连接。具体来说，智能汽车品牌商已经构建了较为完善的5G通信网络，用于远程无线控制车辆搭载的智能系统。当驾驶员选择无人驾驶模式时，车载系统可实时读取GPS定位信号，使系统智能化判定车辆行驶位置，经雷达识别车辆周围的环境信息，并向GPS定位导航系统传递环境信息。按照车辆行驶的初步设计阶段所设定的自动运行路线，向中控中心传递车辆状态数据以及周围环境数据。通过5G网络联网，对车辆进行自动化控制，与上端控制中心完成通信交互。促使车辆与其他路上行驶的车辆之间形成智能的“沟通对话”效果。例如，在路过交叉路口等复杂地形位置时，车辆能够对环境中的其他车辆位置加以识别，自动导航避障前进。

在无人驾驶模式下，智能汽车制造商需要解决的关键问题是，如何确保车辆在行驶过程中，不与周围任何物体发生碰撞，保持足够的安全距离。实现这一功能同样需要借助数字化无线通信技术。具体来说，在5G技术的支持下，智能汽车前后左右等多个方位均设置了摄像头，当车载系统通电启动之后，这些摄像头会对车辆周围的动态信息进行无死角监控，获得的视频信息会经由5G网络及时传递至品牌商构建的控制中心。除了视觉信息，车辆四周同样会设置“交互传感器”，该传感器类似于雷达，能够获取附近有无障碍物、与障碍物之间的距离等信息，将其上传至控制中心，控制中心根据车载系统上传递的车辆运行过程中车辆本身及车辆周围的多维信息，判断车辆的行驶状态，进而远程向车辆下达控制指令。这些控制指令同样会经由5G网络传输给车载系统，进而实现对车辆的智能控制，这便是无人控制技术在智能汽车无人驾驶中的应用。

2.2.2 虚拟现实技术

虚拟现实技术是多种智能技术的综合产物，包括三维计算机图形技术、广角立体显示技术、触觉/力觉反馈技术、立体声环绕技术、有线/无线智能网络传输技术、语音输入输出技术等。笼统而言，虚拟现实技术可作如下解读：技术人员构建一个虚拟场景，该场景中的所有事物都是基于计算机构建的虚拟事物，在现实世界中并不存在。由于虚拟现实技术的服务对象是现实世界中的人，故人是虚拟现实技术、虚拟世界的唯一“体验者”。所谓“体验”，是指体验者穿戴各类设备（如VR眼镜、数据手套、数据衣等）后，眼中所见的“世界（事物）”会发生变化（比如，戴VR眼镜观看3D电影时，观众与屏幕之间的距离会被消除，屏幕中出现的任何景象都仿佛笼罩于观众周围）。这种单纯视觉层面的虚拟现实技术尚未过多涉及数字化无线通信技术，而高级VR系统中，涉及“智能感知”的功能必须依赖数字化无线通信技术。比如，在虚拟世界中，体验者会“看”到自己身前有一块“石头”。这块石头是虚拟世界中的产物，却会在技术及工具的作用下，令体验者感觉到这块石头的存在。但体验者的“本体”毕竟身处于现实世界之中，其“本体”身前并没有这块石头。思维意识深处虚拟世界中的体验者如果希望“摸一摸”这块石头，便会伸出自己的双手。在这种情况下，无论是虚拟世界还是现实世界，体验者的双手均确实伸出。于是问题随之而来，这块石头在现实中并不存在，如何才能令思维意识在虚拟世界中的体验者在“双手触碰到石头”的一瞬间便“真正摸到了石头”？采用数字化无线通信技术则可以解决上述问题，具体实现过程如下。

（1）虚拟场景以及虚拟场景中的所有事物都需借助计算机智能软件（如3Dmax、Zbrush、C4DBodypainter、photoshop等）构建而成。比如，“石头”可以利用3Dmax软件制作而成，之后在引擎系统中，将“石头”放置于虚拟场景中。在计算机智能控制系统下，若要使这块石头“真实存在”，需要以“石头所在位置”的“三维空间信息是否被占用”加以区分。如果相关数据被更改为“占用”，那么意味着虚拟世界相应位置出现了这块石头，如果没有被占用，则这块石头只是“徒有其表”，实际上是虚拟现实技术尚未得到完整运用。

（2）改变“石头”在虚拟世界中对应位置的“三维空间信息”之后，当体验者佩戴数据手套的双手接触“石头”时，石头所在位置对应的“已被占用的三维空间数据信息”会经由数字化无线网络，传递至数据手套之中。此时手套内置的数据芯片会调用数据库中预先存储的有关“石头触感”的程序控制算法，调用相关函数，使手套中内置的触感传感器启动，这种模拟的“石头触感”会真实作用在体验者的双手之上，这便是虚拟世界与现实世界的“信息无线通信”过程，该过程产生的所有信号都是数字信号，而不是模拟信号。

3 结束语

总体来看，在决定通信质量、通信效率的诸多因素中，技术先进性是不容忽视的问题。在数字化通信技术出现之前，通信信号一般为模拟信号，在通信过程中极其容易受到外部杂波的影响，从而引起“失真”。在这种情况下，携带大量信息的信号在传输过程中会不同程度受损，无法保证信息的完整传输，导致远程控制缺乏足够的精度。当数字信号出现之后，传输稳定性得到了极大提升，加之集成电路及大规模集成电路的相继出现，数字信号的传播过程获得了诸多技术更好的“加持”，无线通信技术突飞猛进，使得无人控制技术、虚拟现实技术、毫米波技术均攻克了技术层面的难关，在现代生产生活中得到了广泛应用。放眼未来，数字化背景下的无线通信工程技术还拥有广阔的应用前景，值得长期探索。