1紅外通訊技術在數據傳輸中的優勢

現今的數據通訊方式非常多樣，但應用領域最廣的還是紅外通訊技術，紅外通訊技術之所以能夠得到如此廣泛的應用，主要是因為它主要下列幾點顯著優勢：首先，紅外通訊技術便于進行數據的收發，它的所有數據都只是將電脈沖和紅光脈沖進行各種轉化；其次，紅外通訊技術摒棄了傳統的線纜連接方式而使用先進的無線電連接，方便進行小型設備的數據傳送工作；再次，紅外通訊技術雖然進行了大量的創新但仍符合舊有的數據傳輸的有關規定；最后，紅外通訊設備進行的是兩個設備間的直線數據傳輸，它的錐角度數不超過30度，所以保密性能更強。此外，紅外通訊技術的最顯著優勢是傳輸速度快，這是傳統的傳輸方式所不可比擬的，現今常用的傳輸速度是4M，不過，最先進的VFIR技術早已達到16M。

2可以運用紅外技術的設備

紅外數據通訊在數據傳送方面取得的工作成效十分顯著，所以在多種小型設備中都有應用，本文只列舉了一些和我們的生活工作密切相關的使用了紅外通訊設備的技術，例如：①生活中使用的各種電腦；②打印機等各種電腦附屬設備等；③各種通訊聯系工具；④單反相機、家用筆記本、電視機頂盒和手表等；⑤各種工業用或醫用設施；⑥網絡的接入設施。

3紅外技術的缺陷

進行紅外數據傳輸時必須直線工作，這就需要徹底排除其間的障礙物，這樣才能高效的完成數據傳輸工作。分析當前的紅外數據傳輸系統可以發現，其通訊速率是有待提高的，否則將無法提高數據傳輸的效率。紅外通訊技術的突破點在于引進了先進的無線傳輸方式，這也使得其使用功能比較簡單，想要擴展其功能是具有非常大的難度的。

4紅外技術為計算機技術帶來的進步

一、量子通信技術的發展現狀

量子力學誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認識的理論基礎之一。量子力學和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰•貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證由奧地利蔡林格小組在室內首次完成，2004年，該小組又將量子態隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設了長達16公里的自由空間量子信道，于2009年成功實現世界上量子隱形傳態的最遠距離。

二、量子通信技術的發展趨勢

量子通信技術的研究方向除了包括量子隱形傳態還包括量子安全直接通信等，突破了現有信息技術，引起了學術界和社會的高度重視。與傳統通信技術相比，量子通信除具有超強抗干擾能力外且不需對傳統信道進行借助；與此同時量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒有，具有較強的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時延，傳輸速度很快。量子通信發展僅僅經歷了20年左右，但其發展卻十分迅猛，目前已經被很多國家和軍方給予高度關注。

量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應用前景，作為量子技術的最大特征，量子技術的安全性是傳統加密通信所無可企及的。量子通信技術的超強保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動不被敵方破譯及偵析，在國防和軍事領域顯示出無與倫比的魅力。另一方面，在破解復雜的加密算法上，也許現有計算機可能需要好幾萬年的時間，在現實中是完全無法接受且幾乎沒有實用價值的。但量子計算機卻能在幾分鐘內將加密算法破解，如果未來這種技術被投入實用，傳統的數學密碼體制將處于危險之中，而量子通信技術則能能夠抵御這種破解和威脅。

在民間通信領域量子通信技術的應用前景也同樣廣闊。中國科技大學在2009年對界上首個5節點的全通型量子通信網絡進行組建后，使得實時語音量子保密通信被首次實現，城市范圍的安全量子通信網絡在這種“城域量子通信網絡”基礎上成為了現實。

三、總結

1直接內存通信技術DMC

1.1DMC技術思想

現有的網卡通信是把網卡作為計算機的一個外圍設備來進行操作的，用戶先要把數據從內存送到網卡設備里，網卡才能把數據發送出去，接收數據時則需要把數據先接收到網卡設備的存儲空間中，然后再把數據拷貝至內存中。這種實現方式避免不了網卡設備和內存之間的數據拷貝，并且網卡作為一種外圍設備通信活動也受到相應總線接口如PCI總線接口的限制。DMC技術是把網卡作為一塊特殊的內存，插在物理地址最高內存區的內存插槽中，使得網卡和主機之間的數據交換如同主機訪問內存一樣，主機的網絡通信活動與讀寫內存一樣，這就避免了原有的通信過程中網卡設備和內存之間的數據傳輸，因此把這種通信機制稱為直接內存通信（DirectMemoryConnection，DMC），并且把基于DMC技術實現的網絡適配器稱為DMC網卡。DMC通信機制可以應用于多種網絡環境中，下面以高速光纖通道交換網作為應用環境，對DMC通信機制技術細節進行介紹。DMC技術的詳細過程描述如下：首先，把網卡作為一塊特殊的內存插入最高內存區的內存插槽中，修改操作系統對內存的最高物理地址區部分空間，即DMC網卡上的部分存儲空間進行注冊預留，將其作為CPU和網卡共享的通信專用區，只允許與網絡通信活動相關的用戶讀寫，其他系統進程無權訪問。我們把通信專用區按照以下4種用途進行分配：接收緩沖區、發送緩沖區、網卡命令區以及網卡狀態區。然后，根據相應的通信協議如FC協議進行網絡通信活動，通過訪問通信專用區，控制具有通信控制邏輯、并串轉換／串并轉換器和光收發器等部件的DMC網卡，進行計算機之間的點對點直接內存通信。

1.2DMC通信活動描述

DMC通信機制中主要通信活動描述如下：（1）發送數據：通信源節點發送數據時，只需用戶使用寫普通內存的方法將數據寫入通信專用區的發送緩沖區中，同時把發送命令寫入通信專用區的網卡命令區。DMC網卡上的通信控制邏輯根據網卡命令區的命令解析結果，從通信專用區的發送緩沖區中取出數據發送至網絡；（2）接收數據：在DMC通信機制的應用環境下，通信目的節點配置有相同的DMC網卡，網絡上的數據經網卡的通信邏輯接收后放入通信專用區的接收緩沖區，同時網卡控制邏輯修改通信專用區中的網卡狀態信息。當用戶需要獲得網絡數據時，只需使用訪問普通內存的方法讀通信專用區的接收緩沖區數據即可。因此，DMC通信機制實現了兩臺計算機內存之間的直接通信。用戶感覺不到DMC網卡的存在，使用訪問普通內存的方法就可以實現計算機間的點對點直接通信。

1.3DMC通信機制的體系結構

在直接內存通信體系結構中，DMC網卡和內存處于對等的位置，對CPU是透明的，CPU使用操作普通內存的方法操作DMC網卡的通信專用區，用戶通過對DMC網卡的通信專用區進行讀寫來完成網絡通信活動。因此，DMC通信機制避免了數據在網卡設備和內存之間的拷貝，并且通信速率也不再受傳統I／O總線的限制。

1擴頻通信技術的理論依據和實現方式

一般擴頻通信系統的工作原理如圖1所示。與普通數字通信系統相比，擴頻通信系統主要是增加了擴頻調制和解擴部分。在發送端，首先對輸入的信息進行信息調制，形成數字信號，隨后由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列對數字信號進行調制，使信號的頻譜展寬。展寬以后的信號再對載頻進行調制，通過射頻功率放大后送至天線發射。在接收端，從接收天線上收到的寬帶射頻信號，經過輸入電路、高頻放大器后被送入變頻器，而后由本地產生的與發射端完全相同的擴頻碼序列解擴，最后經信息解調，恢復成原始信息輸出。根據擴展頻譜的方式不同，目前常用的擴頻通信實現方式主要包括直接序列擴頻（DS）、跳頻擴頻（FH）、跳時擴頻（TH）、線性調頻（Chirp）等。另外，在實際應用中，可以根據具體的通信要求，對這4種擴頻方式進行組合，組成各種混合式擴頻系統，常用的有TH/DS、FH/DS、FH/TH、DS/FH/TH等。

2擴頻通信系統的特點

擴頻通信系統的特點主要包括以下幾個方面：

（1）抗干擾性能好。

對于干擾信號來說，由于與擴頻信號不相關，所以被擴展到一個很寬的頻帶上，使之進入信號通頻帶內的干擾功率大大降低，相應地增加了相關器輸出端的信號/干擾比，因此擴頻通信系統具有很好的抗干擾性能，非常適于移動通信。

（2）可進行多址通信。

1移動中繼的應用場景

類似于固定中繼系統，移動中繼系統由基站、移動中繼和用戶終端組成。其中，基站和移動中繼之間的鏈路為回程鏈路(BackhaulLink)，移動中繼和用戶終端之間的鏈路為接入鏈路(AccessLink)。若基站和用戶設備之間的信道狀況良好，還可以考慮直連鏈路(DirectLink)。移動中繼可以選擇放大轉發和解碼轉發等模式。由于移動中繼具有運動性和隨機性，而這種特點與性能密切相關，如何建立合理的移動中繼運動模型是移動中繼系統研究領域的首要問題。當前研究中有的采用較簡單的隨機游動模型，或采用二維泊松過程來表示用戶終端的放置位置，使用M/M/∞排隊模型來表示用戶終端的移動性。在實際部署移動中繼系統時，需要考慮不同的應用場景。在3GPPR11版本中，高鐵是主要應用。在文獻［8］中，主要考慮以下兩種典型場景:場景1移動中繼服務靜止用戶場景說明。在該場景下，中繼被安裝在交通工具的頂部，中繼天線被分別放置在車輛的內外，分別用于和基站與用戶終端通信。若不使用中繼輔助傳輸，該場景下的通信將會面臨許多問題，如嚴重的車體損耗，多普勒頻移，小區切換帶來的大量開銷等。反之，則可以將較差的信道分為兩段傳輸條件較好的鏈路，從而很好地解決了該場景下的通信問題。與直接傳輸相比，中繼輔助傳輸的掉話率明顯降低，為車內用戶提供較高的吞吐量和較低的小區切換失敗率，從而提高了通信質量，改善了用戶體驗。場景2移動中繼服務非靜止用戶場景說明如圖2所示。在該場景下，中繼也被部署在車輛頂部，不過其目的不是為了為車內乘客提供服務，而是為街道和公園提供覆蓋。鬧市區的街道和公園，是行人比較集中的地方，通信業務量大，屬于“熱點”地區。在經過這些地方的公交車上部署中繼，則可以增強覆蓋，提高吞吐量，具有實際意義。

2移動中繼系統中的關鍵技術

2.1信道建模與估計

對于移動中繼來說，由于其移動的特點，而且可能是高速移動，因此研究的首要問題是移動中繼的信道建模問題，主要包括回程鏈路和接入鏈路的建模。不同鏈路的信道模型與各網絡節點采用的天線數目、中繼的轉發模式和中繼的運動模型密切相關，信道建模的準確度會極大地影響系統性能。如文獻［9］分析了不準確的路徑損耗模型對移動中繼系統性能的影響。此外，基站到移動中繼的信道會隨著車輛的運動而急劇變化，同時車輛的運動會引起多普勒頻移問題，因此在實際的移動中繼系統中采用合適的信道預測和估計方法也是非常必要的。如文獻［10～11］提出了一種采用在車輛頂部使用預測性天線的信道預測和估計方法，從而較好地解決了移動中繼的信道估計問題。

2.2中繼選擇

在實際的移動中繼系統中，可能會存在多個移動中繼。現有研究表明，根據信道狀態信息選擇一個最好的中繼進行協作，可以較低的復雜度獲得滿分集增益。因此，機會中繼選擇技術是移動中繼系統中的關鍵技術。信令開銷是中繼選擇算法的首要考慮因素。對于快速移動的用戶，基于信噪比的方案會產生大量的信令開銷，而基于位置或距離的選擇方案在高速場景下開銷較小，因而適用性更強。上述方案都是基于單個參數的選擇，實際信噪比和時延等參數會同時影響中繼選擇，為此，文獻［13］提出了一種具有服務質量(QoS)保證的多參數聯合中繼選擇算法。由于信令開銷和系統復雜度與每個目標用戶的候選中繼的數量成正比，文獻［14］考慮了如何減少候選中繼的數量而不影響使用中繼帶來的系統性能增益。文中所提算法限制了每個目標用戶的數量從而減少了反饋開銷。文獻［15］提出了一種三步選擇算法。該算法在保持中繼增益的同時可以使中繼信令開銷維持在較低水平。雖然中繼選擇可以提高系統性能，但是不適宜的選擇會引起頻繁的中繼切換，從而影響系統的整體性能。文獻［16］從這個角度出發，提出了使中繼活動時間最長和中繼切換率最小的兩種中繼選擇算法。研究結果表明，與現有方案相比，所提方案在不降低系統吞吐量的情況下可以獲得較低的中繼切換率和較長的中繼活動時間。

一、方案選擇

機車在運行過程中產生的記錄數據必須全部下載下來并轉存到地面運行數據庫中，在這一過程中運行數據一般采用大容量數據存儲設備或者其他數據傳輸方式來傳輸，這種數據傳輸方式不僅需要借助大容量的數據存儲設備，同時也必須經歷數據傳輸的人工送存階段，不僅增加了數據信息的傳輸復雜性，而且讓數據的傳輸存儲活動面臨著一定的操作風險，不利于數據信息的規范化管理，在數據信息傳輸的這種形勢下，采用無線通信技術能夠實現機車與地面信息管理中心之間的無線通信，可以簡化數據管理的工作過程，并提高數據通信的穩定性和可靠性。

二、硬件配置

1、數轉電臺。

RF-418數轉電臺是無線通信領域的一種新型產品，其在提高了自身通信技術水平和通信質量的前提下，實現了與單片機之間的無線通信，在運行中可以提供RF測試、雙向通信測試、一般數據傳送、自動調頻數據傳送等四種工作模式。這四種模式之間的切換簡單方便，在保證其自身高可操作性的同時也提供了多樣化的數據傳輸形式，最大限度的滿足了機車和地面數據中心之間的通信需求。

2、數轉電臺與車載微機的接口。

無線通信技術在單片機通信系統中的應用，存在的最大問題就是數轉電臺與車載微機的對接問題，在單片機通信系統運行過程中，要保證數轉電臺與車載微機之間對接的準確性和數據傳輸的穩定性。車載微機系統采用的處理器是DALLAS公司研發的DS80C320處理器，其在運行中能夠提供兩個全雙工串行口，兩個數據指針、13個中斷源。通過處理器自身強大的數據處理能力，可以結合數轉電臺和車載微機所處的不同的實際運行狀況，對其對接的方式進行選擇，保證數轉電臺車載微機系統在對接活動中最大限度的接口連接安全和數據傳輸安全，減輕了單片機控制接口的負擔，同時提高了單片機通信系統運行的可靠性。

一、電信光纖通信技術優勢特點

1.1光纖接入網技術

光纖接入網技術利用傳輸網絡實現用戶接入光纖，共同實現光纖接入網下信息傳輸效果的持續提升，實現了傳統信息傳輸的技術性突破，滿足人們對信息傳輸速度的需求。光纖用戶接入技術發展起著關鍵作用。FTTH是光纖接入網發展的一種最終形式，光纖接入網以光網絡單位（0NU）的位置所在，分為FTTH、光纖到大樓（FTTB）、光纖到駐地（FTTP）、光纖到路邊(FTTC)等幾種情況。目前，以”千兆到小區、百兆到大樓、十兆到用戶”為基礎的光纖+五類纜接入方式（FTTx+LAN）非常適合我國國情。它適用于用戶相對集中的小區、大專院校、企事業單位及人口密集的鄉鎮。這種光纖接入方式的上傳和下傳帶寬，能夠實現高速上網或企業局域網間的高速互聯，滿足不同客戶群體對不同速率的需求。

1.2光纖波分復用技術

光纖波分復用技術是現代信息技術發展的重要組成部分，充分表現了現代光纖通信技術發展的主要特點。在ITU-T標準中，通過引入控制層面，使網絡具有自動連接建立和修改功能，以及提高連接恢復能力。光纖網絡控制層面本身能夠支撐不同的技術，不同的業務需求及不同的功能組合。光纖波分復用技術主要是應用波分復用器對廣信信息傳輸出現的損耗進行控制，保證寬帶資源的有效獲取。同時在光波頻率根據波長的不同情況對光纖損耗情況進行獨立性信息發送，充分發揮波分復用器的效果將信息數據進行整合。波分復用器能夠將不同信號波長進行傳輸，承載電信光纖通信技術優勢。

1.3光聯網的實現

目前，在擴充骨干網、迅速普及應用DWDM系統的驅動下，我國光網絡市場已出現巨大變化，光傳送網的角色由原來大容量帶寬傳送轉變為提供端到端的服務連接。電信運營商在電路交換轉變為分組交換過程中，在光層網絡同時實現了傳輸功能和交換功能，而全光網絡以其良好的透明性、波長路由特性、兼容性和可擴展性，成為下一代高速（超高速）寬帶網絡的首選。光纖接入網技術和光纖波分復用技術的創新推廣應用中，光分插復用器（OADM）和光交叉連接設備（OXC）的成功研制，使得二者能夠在基礎通信設備基礎上實現光路交叉，為光聯網起步奠定堅實基礎，能夠進一步擴充網絡系統，提升網絡系統的透明性，使全光聯網成為可能，掀起了SDH電聯網之后又一次新的光通信發展高潮，建設一個最大透明、高度靈活的和超大容量的國家骨干網絡不僅可以為未來的國家信息基礎設施（NII）奠定一個堅實的物理基礎，而且對應我國信息產業和國民經濟騰飛及國家安全有極其重要的戰略意義。

1WHBC的理論與模型

依據耦合方式的不同WHBC可分為：①電流耦合，發射端輸入人體的信號為電流信號，接收器、發射器的兩個電極均需與人體直接接觸；②電容耦合，發射端輸入人體的信號為電壓信號，接收、發射端的兩個電極可不與人體直接接觸。當前大部分的研究都集中于后者，因此本論文主要介紹電容耦合WHBC系統。當前被認可的基于電容耦合的人體通信機制主要有兩種：靜電耦合機制和把人體作為波導的電磁波傳播機制，大多數WHBC模型基于這兩種傳輸機制建立。另外還有一些WHBC模型是基于實驗數據得到的，下面我們簡單介紹一下當今主要的WHBC理論和模型。

1．1靜電耦合機制及其物理模型

首先我們來介紹WHBC的靜電耦合傳輸機制。發射接收信號的電路、放在人體上或者人體附近的電極、導電的人體（相當于一個電阻）、電極和大地之間的耦合電容可構成一個閉合回路。整個閉合回路可被看作為一個二端口網絡，發射端的信號電極和地電極是其信號輸入端，接收端的信號電極和地電極是其信號輸出端，已知電路中的各電阻及電容的值，就可根據電路知識求出信號的路徑損失。由于靜電耦合作用（即二端口網絡電路中的耦合電容）是該傳輸原理中的關鍵所在，因此稱該原理為靜電耦合原理。其中發送端和接收端信號電極可以直接貼在人體皮膚上或者靠近人體皮膚的鄰近區域（例如緊貼衣服上），發送端和接收端的地電極懸空或者貼在皮膚上。但Luˇcev等證明信號電極直接與皮膚接觸、地電極懸空的電極結構可以得到最小的路徑損失。Xu等根據靜電耦合機制設計了一個WHBC通信系統，其系統模型使用了有限元件建模方案。該系統模型包含了大氣、人體、發射端電路和接收端電路。其中大氣分為三個區：近域區、過渡區和遠域區；人體模型則由手臂、胸部、腹部和腳組成，而各器官分別由對應的皮膚、脂肪、肌肉層組成。模型的仿真結果在低頻和實際測得的數據相差不大，但在高頻段差別就有些大，還需要仔細研究。

1．2人體作為波導的傳播原理及其物理模型

有些研究人員把人體看作波導，從電磁波傳播的相關原理方面建立人體信道的計算模型。發射機的信號電極與其地電極是電磁波的發射源，人體表面是人體與空氣之間的邊界面，信號的傳輸過程可看作一種特殊情況的表面波傳輸。已知人體表面的電介參數，根據麥克斯韋方程和人體空氣邊界條件可求出在人體表面各點的電場強度、磁場強度以及路徑損失。Fujii等用有限差分時域方法（finitediffer－encetimedomain，FDTD）建立WHBC模型。在FDTD計算方法中，使用了日本成年男性和女性的高精度身體模型。實驗中用生物組織固體人體等效模型驗證文中提到的理論模型，結果雖還不錯，但模型跟真實的人體畢竟不一樣，該方法的有效性還需通過真實的人體加以驗證。

1．3其它的WHBC傳輸原理和模型