2. 无线通信的用途事例
3. 无线通信系统的基本构成和要素
4. 无线通信的方式—调制和解调—
*. 电波及其频率
5. 数据传输方向—双向（全双工/半双工）和单向—
5.1 双向传输（Duplex transmission）
5.2 单向传输（Simplex transmission）
6. 什么是通信协议？
*. 无线通信的历史和演变
如上所述，电信已经成为社会基础设施的一部分，但由于其规格和用途多种多样，因此很难对它全面掌握。例如，虽然有“信号形式（数字/模拟）”、“信号方向（双向/单向）”、“传输路径（有无电缆）”等技术方面的说明，但对与电信相关的内容进行全面说明的资料很少能看到。
因此，本文以无线通信为焦点，希望本文对那些想要大致了解或理解无线通信知识的人员能有所帮助。
用一句话来说，不使用电线和电缆而使用电磁波（电波）、磁场和电场的无线电信，以及使用光的光通信就是无线通信。其中利用电波的电信可以进行公里级以上的长距离通信，并且能传输大量数据（信息）*1，因此，几乎所有无线通信系统中都使用电波。本系列也将重点主要放在“电波”上进行说明。
使用电波的无线通信系统利用空间作为传输路径（或通信路径），其构成是将从发送器发送到接收器的电波上承载的数据作为信号*1传送（图1）。
・数据：表示事实的记号和符号的集合
・信息：声音、文字和图像等人类可以理解并可用于对事物进行判断和采取行动等的数据
・信号：通过空间或电缆等传输路径（通信路径）随时间传输的数据或信息
今后，为了方便起见，我们将不再区分“信息”和“数据”，如无特别说明，将统一使用“数据”一词。
2. 无线通信的用途事例
表1总结了使用电波传输数据的无线通信的大致分类以及每种分类的代表性用途。无线通信应用于多种领域，其用途和种类非常广泛。
近年来，无线通信的发展已经超越了这些分类的界限，例如，将卫星通信纳入移动通信（在智能手机中配备连接卫星的功能）的卫星移动通信服务已在各国开始。
表1 无线通信的分类及各自的用途
3. 无线通信系统的基本构成和要素
无线通信系统（以及有线通信系统）的基本模型构成如图2所示，其构成要素在表2中进行了说明。将该基本模型进一步简化后即如“1.什么是无线通信”中的图1所示。
如果将通过传输路径传输的数据称为信号，则将对该信号造成不利影响、并使需要传输的数据难以传输到接收器的不必要成分称为噪声（杂音）。实际上，发送器/接收器中也会产生噪声，并且可能会导致设备运行出现故障。换句话说，完全不受噪声影响的通信系统只是理想的通信系统。
4. 无线通信的方式—调制和解调—
基于图2中的通信系统的基本模型，图3显示了描述无线通信系统的基本功能——调制和解调的构成。
在无线通信中，如果尝试以电波的形式直接发送数据，则无法远距离传输，由于诸如此类的原因，为了使远距离发送数据成为可能，发射器就需要进行将数据转换为能远距离传输的信号——“调制”操作。另一方面，接收器则需进行将调制后的信号还原到原来的数据——“解调”操作。
表3总结了代表性的调制技术及其采用示例。其中有很多一般不被人们熟知的术语，但在这里您可以将其视为手机、广播、电视播放等当今部分生活基础设施所需要的技术。详细信息今后将在其他的页面上进行解说。
专栏——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）。电波被定义为频率为3000GHz或更低的电磁波（我们将在稍后解释如何确定频率）。
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。
［1］它是一种横波，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。
［2］传播速度与光速相同。
［3］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）。
尽管性质［3］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，在本专栏的开头，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）如图4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（图5）。
电场是电力的作用空间，磁场是磁力的作用空间。图6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。
在向初学者解释电波时，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（图7）。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，而要按照图4中将电场和磁场的强度用箭头表示后的矢量—电场矢量*3和磁场矢量*3—的示意图来理解（图4中的示意图源自麦克斯韦方程式*4）。如果按照此示意图理解，则BS播放中使用的电波会被说明为图4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。
*3 电场矢量和磁场矢量
这两个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。
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。
5. 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。
5.1 双向传输（Duplex transmission）
双向传输*5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。
全双工传输（Full duplex transmission）
如图8-1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）。
*5 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。
半双工传输（Half-duplex transmission）
如图8-2a和8-2b所示，这是一种设备A和设备B通过相互切换发送和接收来传输数据的形式。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。
采用示例：收发器
5.2 单向传输（Simplex transmission）
如图8-3所示，这是一种数据在设备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。
6. 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。图9显示了数据传输相关协议的作用示例。
图9 以全双工通信方式为例的通信协议作用示例
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（表4）。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。表5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。
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。
表4 OSI参考模型协议栈
专栏——无线通信的历史和演变
无线通信的历史可以追溯到1864年。英国理论物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell）在他的论文《电磁场的动力学理论》中预言了电波的存在。但是，当时它太难理解了，以至于没有人能理解它的内容。证明电波存在的人是德国人赫兹（H.R.Hertz）。1888年，赫兹成功地通过人工造出了电波。他揭示了电波在反射、折射、衍射及干涉方面与光具有相同的特性。此外，意大利发明家马可尼（G.Marconi）是第一个将利用电波的无线电信投入实际应用的人。1896年，也就是1837年莫尔斯利用电线成功实现有线通信约60年后，马可尼在英国利用莫尔斯电码成功实现了约3km的无线通信。此外，无线电通信于1899年成功跨越多佛海峡，并于1901年成功跨越大西洋（图10-1）。
人们很自然地想到将无线通信用到船舶上以实现以前未能实现的从陆地到海洋、从海洋到陆地、从海洋到海洋的移动通信，1897年，人们实施了这种试验。在这段无线通信黎明期中具有重大历史意义的事件是1912年泰坦尼克号的沉没事故。众所周知，这艘船在首航时就与冰山相撞而沉没，但当时它通过无线电通信用莫尔斯电码发出了求救信号“SOS”。在附近航行的卡帕西亚号等接收到求救信号并立即赶赴现场，救出了711人。
1900年代初期，出现了使用莫尔斯电码以外的方法进行无线传输音频和视频的无线电广播和电视播放等。无线电广播于1906年在美国首次实现。就在同一时期，人们发明了黑白电视机，电视播放于1950年左右开始。此外，彩色电视机在黑白电视机发明三年后出现，发达国家在20世纪60年代引入彩色电视播放，为电视播放奠定了基础。此后，直到2000年代初，电视播放一直是模拟方式，但自2010年下半年以后，全世界都在逐步向数字方式过渡。
如今，在播放以外的其他领域，无线通信也正在渗透到我们的生活中。随着警察、消防、防灾、铁路、机场等特定业务专用无线（业务无线）的普及，以及作为个人无线通信代表的手机的普及，其使用范围大幅扩大。1993年左右，手机在各国开始数字化（第2代：2G），此后开始迅速向速度更快、容量更大的方向发展。4G于2009年出现，其水平大幅提升。在进入2020年代的今天，5G已处于普及阶段（图10-2），而且，下一代——Beyond 5G/6G构想的讨论正在不断取得进展。
图10-1 无线通信的发展和通信距离的个性化
图10-2 伴随手机发展的数据传输速度提高
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