第 1 章 绪 论
随着科学技术的发展，从传统的电报、电话到今天的卫星通信、移动通信与计算机互联网，通信已经和我们的日常生活紧密地结合在一起了，并已深入到了社会的每一个角落，进入了千家万户，每个人都从通信中得到了服务和方便。特别是计算机技术和通信的结合，使得通信越来越受到广大用户的欢迎。现在， “信息”在人类社会的“物质、能源、信息”三大基础要素中的地位已上升到一个崭新的高度，并成为推动人类社会文明、进步与发展的巨大动力。
通过本章的学习，建立起无线数据通信的基本概念，了解无线数据通信有关的标准，以及世界主要的标准化组织等，为后续章节的学习打下基础。
1.1 无线数据通信基础
1.1.1 无线数据通信的发展
按照人类通信交流方式与技术的不同，可以把通信的历史划分为 6 个阶段：
• 第一阶段的通信方式是语言，人们通过人力、马力和烽火台等原始通信手段传递信息。
• 第二阶段从发明文字和邮政通信开始。
• 第三阶段以发明印刷术为标志。
• 第四阶段从 1838 年发明莫尔斯电报开始，人们进入了电气通信的初级阶段。由于此时的通信是以电信号来远距离传递消息，所以称为电信（ Telecommunication） 。
• 第五阶段是以 1948 年香农（ Shannon）提出的信息论开始的近代通信阶段。
• 第六阶段是以 20 世纪 80 年代出现的光纤通信系统（ Optical Fiber Communication）为代表以及以移动通信和综合业务数字网的迅速崛起为标志的现代通信阶段。
数据通信并不是现在才出现，也许可以追溯到第一阶段或“烽火戏诸侯”的时代。夜晚点火或白天点狼烟表示有敌人入侵，可称为“ l”状态；无火或没有狼烟表示平安无事，称为“ 0”状态。海军的旗语是用两只手的握旗姿势表示 A～Z 等符号，这也可算是多进制的数据通信了。
无线电数据通信，也许可从 1838 年莫尔斯发明的电报（莫尔斯电报，以几个阿拉伯数字表示一个字符）算起，但作为真正意义的无线数据通信要从 20 世纪 80 年代无线数据接入和移动通信算起，即无线数据通信伴随着通信技术的进步而共同发展。
纵观通信技术特别是无线电数据通信的发展历程，可以看出，经历了点到点的通信，再到多点之间的信息传输与交换，最后进入网络时代的发展过程。
现代通信一般为各种网络用户之间的通信，与传统点到点直接通信的概念不同，通常我们把从一个地方向另一个地方进行消息（信息）的迅速、准确、有效、可靠传送与（或）交换，称为通信。这里的“迅速”指通信的及时性， “准确”指通信目标的准确性， “有效”指通信的传输效率，“可靠”指通信的差错率。传送或交换信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。
1.1.2 消息、信息与信息量
无线数据通信的任务，就是将消息以信号形式传送给接收者，并使接收者获得最多的信息。那么什么是消息、信号与信息？它们有什么不同？
1. 消息
消息（ Message） 是通信系统中传输的具体对象， 是信号的具体内容， 是表达信息的形式。消息的形式是多样的，包括符号、文字、语音、数据、图像、视频等。同一种信息的内容可用不同形式的消息来表达。例如，天气预报可用文字消息表达，也可用语音消息来表达。
2. 信息
信息（ Information）指的是消息所包含的内容。例如，每天的天气预报是一种消息，预报中告知某日某时的真实天气情况如何，就是该消息所包含的“信息”。再如，在一次传真通信中，甲方给乙方传真了一份合同，乙方收到的合同上除了文字外还有花纹和图案等，但对乙方而言，只有文字有意义；也就是说，对乙方而言，信息是文字，消息是整个合同。
消息有可能包含甚为丰富的信息，但也可能信息甚少，若一种消息并未给人们带来新的知识，那么这种消息所包含的信息实际等于零。
所以，信息是消息中对接收者有意义的部分，也就是消息中所包含的收信者原来不知道而有待知道的内容，即消息的内涵，消息是外壳。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述。
信息的传送一般都不是直接的，它必须借助于一定形式的信号（光信号、电信号等），才能传输和进行各种处理。
3. 信息量及平均信息量“熵”
在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息。例如，甲方告诉乙方一件经常可能发生的事情“明天中午 12 时正常开饭”，比起告诉乙方一件极不可能发生的事情“明天 12 时有地震”来说，前一消息所包含的信息显然要比后者少些。这是因为对乙方（接收者）来说，前一事情很可能（或必然）发生，不足为奇，而后一个事情却极难发生，听后会使人惊奇。这表明消息确实有量值的意义，而且可以看出，对接收者来说，事件越不可能发生，越会使人感到意外和惊奇，则信息量就越大。
正如已经指出的，消息是多种多样的，因此，度量消息中所含的信息量值，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。另外，消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。
由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述，事件出现（发生）的可能性越小，则概率越小；反之，概率越大。
基于这种认识，我们得到：消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大，且概率为零时（不可能发生事件）信息量为无穷大，概率为 1 时（必然事件）信息量为 0。
综上所述，消息 x 中所含信息量 I 是消息出现的概率 P(x)的函数，
信息量 I 的单位与对数的底数有关：
• a=2，单位为比特（ bit，简写为 b）；
• a=e，单位为奈特（ nat，简写为 n）；
• a=10，单位为笛特（ Det）或称为十进制单位。
通常使用的单位为 bit。下面我们以举例形式说明简单信息量的计算。
例 1-1 试计算二进制符号等概率和 M 进制等概率时每个符号的信息量。
解： 二进制等概率时，有 P(1)=P(0)=1/2，则
若每个符号出现的概率不等，则其信息量不同。这时需用平均信息量“熵” H（ x）的概
念。由于信源中的各个符号是随机出现的，所以平均信息量只能用统计平均的方法得到，则
H（ x）等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率再相加。 “熵”的单位为 bit/每符。
其中 P(A)+ P(B)+ P(C)+ P(D)=1，试求信源的平均信息量 H(x)。
解： A 符号出现包含的信息量为 I(A)=−log2(1/4)=2 bit
B 符号出现包含的信息量为 I(B)= −log2(1/8)=3 bit
C 符号出现包含的信息量为 I(C)= −log2(1/8)=3 bit
D 符号出现包含的信息量为 I(D)= −log2(1/2)=1 bit
则 4 个符号信息源的平均信息量为
从例 1-1、例 1-2 可以看出，符号不等概率出现的平均信息量小于等概率出现的平均信息
量，所以能保障等概率出现的符号传输，一定也能保障不等概率出现的符号传输。因此，在
没有特殊说明时，书中所提的信息量都为平均信息量。
1.1.3 模拟、数字与数据
消息可分为模拟消息（ Analog Message）、数字消息（ Digital Message）和数据消息（ Data Message）。
信息可分为模拟信息（ Analog Information）、数字信息（ Digital Information）和数据信息（ Data Information），它们分别与模拟消息、数字消息和数据消息对应。那么什么是模拟、数字与数据？它们有什么不同？
1. 模拟
模拟，即模仿、仿效。模拟消息是指消息的模仿与仿效，模拟消息的取值与原消息完全一致，有无穷多种可能，并与消息在时间上是否连续变化无关。例如，人嘴发出的声音，任何人在任意时刻的声音大小的取值有无穷多种可能，并在谈话停顿间隙，不出声，故在时间轴上非连续变化，但仍是典型的模拟消息。再如，人的体温在一定范围内有无穷多种可能取值，若每天测量 2 次，则体温读数在时间轴上是非连续变化，而我们仍然认为人体的温度是模拟量消息，这是因为，每次的测量结果有无穷多种可能。
2. 数字
数字是表示数目的文字或符号。数字消息即用数目字表达的消息，或者说取值为有限数目字的消息。例如阿拉伯数字，只用 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 共 10 个符号；单路语音信号的二进制数字化消息，其特点是仅用有限位二进制数字编码表达语音，常见的有 8 位二进制数字编码。同样，数字消息与消息在时间上是否连续变化无关，仅与消息的表达取值
的多少有关，只要能用有限位数目字表达的消息就可称为数字消息。数字通信与模拟通信相比较主要有以下的优点：
• 抗干扰能力强，并在数字接力通信时可以消除噪声的积累；
• 可以利用数字纠错编码技术实现差错控制；
• 易于实现数字加密；
• 易于和大规模集成电路技术、计算机信号处理技术等现代技术相结合。
3. 数据
数据，人们几乎每天都要接触到它，例如各种实验数据、各类统计报表等，它们是各种统计、计算、科学研究或技术设计等所依据的数值。尽管人们经常处理数值数据，但对数据还没有统一的严格定义。
通常意义上的“数据”是预先约定的、具有某种含义的任何一个数字或一个字母（符号）以及它们的组合构成的文字或数字记录的各种量值或内容等。
例如，我们常用的十进制阿拉伯数字位置计数法则，可以将三个数字“ 9”组合成数据“ 999”，读作“九百九十九”，而非“二十七”（ 9+9+9=27）。虽然这里都是数字 9，但每个 9的位置不同，代表的数据大小就不同。
再如，约定用正脉冲表示二进制数字“1”，表示电路接通，用负脉冲表示二进制数字“ 0”表示电路开断。这里，数字“ 1”和“ 0”就是数据。
现在，数据的来源、内容相当广泛，几乎涉及一切，最终以离散的数字信号表示的可被送到计算机中进行处理的各种信息，例如一份资料、一篇论文、一些图纸，甚至人的思维、语音及活动图像等信息编码都包括在内。因此，数据的概念逐渐从狭义过渡到广义的理解和应用。二进制编码的字母/数字符号、软件处理中的操作代码、控制代码、用户地址、程序数据或数据库信息都是数据。因此，数据是被处理、加工和存储的信息，也是消息的一种表达形式。
数据的表示形式是离散的数字，单个数字也可称为数据，即数字是数据的特例，但此数字要具有特殊的意义，这就是数据和数字的区别。
1.1.4 电路、信号、系统
电路、信号、系统与网络的理论和分析方法，潜在的和实际的应用范围不断地在扩大着，几乎渗透到各个科学技术领域之中。那么，什么是电路（ Circuit） ？什么是信号（ Signal） ？什么是系统（ System） ？什么是网络（ Network） ？这是首先必须弄清楚的问题。
1. 电路
通常，由电源、用电器、导线、电器元件等连接而成的电流通路，称为电路。
在电路系统中，由若干元件组成的用来使电信号按一定要求传输的电路或其中的部分，亦称为网络，当研究一般性的抽象规律时往往用网络一词，而讨论一些指定的具体问题时常称之为电路。
2. 信号
信号这一术语不仅出现于科学技术领域之中，而且人们在日常生活之中每时每刻都与信号打交道，人们对信号并不陌生。
信号是用来携带消息的载体，表现为随时间变化的某种物理量。一般来说，用光线、电波、声音、动作、标志等传送的约定通信符号称为信号，用来指挥行动或指示目标，如口令、汽笛、红绿灯等。
一般将与信息相对应的随时间变化的电流或电压，也可以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的无线电磁波等称为电信号，简称信号。
信号是以数学的方法描述和表达实际通信系统中消息的形式，使之变成适合在信道上传输的信号。
信号特性可以从两个方面来描述：一是时间特性，亦称为时域特性，二是频率特性，亦称为频域特性。信号的时间特性与频率特性之间具有一定的相互对应关系。不同的时域特性将导致不同的频域特性。信号时间特性和频率特性不同，其形式也会不同。
依据信号在时间坐标上的取值特点不同，可将信号分为模拟信号（ Analog Signal）、数字信号（ Digital Signal）与数据信号（ Data Signal）。
虽然数据的基本形式是离散的数字，但与数字信号的取值特点不完全一致，我们这里进行单独分出。其中为模拟信号、数字信号和数据信号，它们分别与模拟消息、数字消息和数据消息对应。
3. 系统
从一般意义上来说，所谓系统是指由若干个相互联系、相互作用的单元（事物）组合而成，为完成某个任务的特定功能整体。
通信系统的任务是完成消息的传递或交换。
构成系统的单元可小可大，可简可繁。如果将通信系统、控制系统、计算机系统与指挥系统共同组合而成一个繁杂的整体，可以构成一个综合系统。一只电阻和一只电容可以构成具有一定微分或积分功能的简单系统。
以点对点直接通信系统为例，要实现消息从一端向另一端的传递，不论通信系统是何种形式、传输何种的信号，都必须有 3 个部分：一是发送端，二是接收端，三是收，发两端之间的信道，其中发送端包括发终端与发送设备，接收端包括收终端与接收设备，如图 l-1 所示，这是通信系统的高度抽象概括的模型。
