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家庭的网络连接通过无线或者有线在局域网中完成短距离通信，其中，无线方式的数据传输得到更多的青睐和广泛的发展。在介绍Wi-Fi技术和其他无线通信技术之前，首先回顾一下通信技术的原理和发展，这将有助于理解家庭网络通信的基本概念。
根据信号传输的物理通道类型的不同，现代通信方式可以分为有线通信和无线通信。有线通信是指通过铜线、电缆、光纤等物理媒介来完成数据的传输，被传输的信号是电信号和光信号，而无线通信是指利用自由空间的电磁波来携带数据进行通信的方式。有线通信的传输过程是有线传导，所以它具有很好的方向性和可靠性。而无线通信的自由空间环境就受到很多因素的影响，例如，电磁波随着距离的增加而发生弥散损耗，会受到地表障碍物的影响而发生“阴影效应”；信号会经过多次反射，从多条路径到达接收地点，这样信号的幅度、相位和到达时间都不一样从而产生叠加，形成“多径效应”；另外自由空间的电磁波非常容易受到其他非传送信号本身的干扰而影响信号的传送质量。所以无线通信的有效性、可靠性和安全性是通信系统设计最主要的指标。
通信系统进行信号传输的时候，既可以通过模拟信号来完成，也可以通过数字信号来完成。例如，通过电压值的连续变化来传输数据的方式属于模拟信号通信，而如果只取电压变化的离散值（0或1）来传输数据就是数字通信。无线通信的电磁波只能以承载模拟信号的方式进行数据通信，所以无线通信必须首先将数据调制成模拟信号才能开始传输。但有线通信既支持用模拟信号作为载体进行数据传输，也支持用数字信号来传输数据。
图2-1是有线通信和无线通信的基本区别。
图2-1 有线通信和无线通信的区别
现代无线通信的基础是1873年麦克斯韦方程组所描述的电磁场与电磁波的理论。1864年，麦克斯韦在伦敦英国皇家学会发表的论文中首次提出了电场和磁场通过其所在的空间进行交连耦合会导致波传播的设想。1861年，麦克斯韦计算出了电磁波的速度，通过类比推断了电磁波和光波是同一种物质，他在论文中写道“我们将几乎无法避免地推断，光是由引起了电现象与磁现象的同一种介质的横波波纹组成的”。横波是指质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。横波中的一个波长是相邻两个波峰或波谷之间的距离。1873年，麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组，它完整地描述了电磁场的本质。
这是继法拉第在1831年发现电磁感应现象后，麦克斯韦从数学上阐述电和磁的理论。关于光和电磁波是相同物质的概念和技术应用，本书将在讨论家庭无线网络（Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave等）和宽带光纤到家时介绍其共同的技术原理。
1888年海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）通过实验证实了电磁波的存在，即电磁能量可以通过空间发射和接收。
1898年，马可尼完成了首次跨英吉利海峡的无线通信实验，1901年，发送了跨大西洋（从英格兰的康沃尔到荷兰的信号山）的信号。1907年，马可尼开通了大西洋彼岸的无线电业务，1909年他获得了诺贝尔物理学奖。
1920年，无线通信进入了早期实用性的发展阶段，例如美国底特律警察使用了警车无线电调度电话系统，这是短波专用移动通信系统。
1940年以后的几十年陆续出现了人工接续的移动电话、自动拨号移动电话、模拟移动电话系统、GSM数字移动通信系统等。在21世纪，随着第三代移动通信系统的广泛使用，全球全面进入了个人移动通信时代。
图2-2是无线通信发展的简图。
无线局域网是指在有限的地理范围内以无线媒体作为传输介质，具有一定的拓扑结构，各个无线终端遵循规定的通信协议来完成数据通信。无线局域网利用的是空气中的电磁波代替传统有线网络的线缆进行传输，在不采用传统线缆的同时，提供了传统有线网络的所有数据转发功能，所以它可以作为传统有线网络在无线区域的延伸和补充。
图2-2 无线通信发展的简要历史
在无线通信原理的基础上，美国夏威夷大学于1971年搭建运行了世界上第一个无线网络ALOHAnet，其工作频段是400MHz，在夏威夷群岛之间通过无线方式传输数据。
ALOHAnet采用的是局域网通信开放系统互连模型二层协议，即数据在发送前先组成帧的格式，然后发送该帧来完成数据通信。数据帧包含了源和目的地址，控制信息和数据。它在无线网络中以广播方式传播，目的设备接收属于自己地址的帧，而其他设备会忽略该帧。ALOHAnet的数据发送方式如下。
1）发送设备如果有数据要发送就允许它发送。
2）如果发送设备得到接收者的确认，它就会继续发送数据。
3）如果发送设备在发送数据的同时收到其他设备的数据，则出现了发送冲突。所有的发送设备就需要稍后重新发送。
这是802.3以太网载波侦听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）的基本思想，同时也是802.11无线局域网载波侦听多路访问/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）的技术基础。所以ALOHAnet的设计原则可以看成是以太网和802.11无线网络的早期雏形。
CSMA/CD：在总线式以太网上可以检测冲突，但无法“避免”。当数据在电缆中发生碰撞时，电缆中的电压会发生变化，从而能让设备检测出这样的冲突。
CSMA/CA：在自由空间的无线局域网，设备刚刚发出去的信号强度远远大于此时从其他节点发出的信号，这样发出去的信号强度直接覆盖了其他的信号，所以发送数据包的时候不能直接检测到信道上的冲突，只能通过其他方式（例如能量检测、载波检测、能量载波混合检测）来检查信道是否空闲，从而尽量“避免”冲突。在802.11的网络中，当无线设备要发送报文的时候，需要首先检测信道是否空闲，如果不是，则等待信道空闲，如果已经空闲，则等待帧间隔所定义的时间长度之后，进行报文的发送。
在1990年IEEE 802标准化委员会成立了802.11WLAN （Wireless Local Area Network）标准工作组，开始着手无线局域网的标准化。1997年，802.11的最初标准得到批准，它给出了媒介访问控制层（MAC）和物理层（PHY）的定义和规范。物理层定义了2.4GHz的ISM频段（即免授权频段）上的数据传输的信号特征和调频方式，定义了两个射频传输方法和一个红外线传输方法。射频传输方法是跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS）和直接序列扩频（Direct-Sequence Spread Spectrum，DSSS），数据传输速率是2Mbit/s。MAC层就采用了CSMA/CA的技术。起初802.11技术主要用于无线条码扫描仪进行低速数据采集，例如仓库存储与制造业的环境，而不像现在企业、公共场所或家庭那样广泛使用。
扩频是指发送数据时通过对频谱进行扩展来通信的方式。携带数据的信号本身占有一定的带宽，但在传输的时候信号的射频带宽被拓展至几倍甚至几十倍以上。这种做法使得功率谱密度随着频谱变宽而降低，通信信号可能就会淹没在背景噪声中，它具有很好的隐蔽性和抗干扰性。在军事抗干扰通信以及移动通信中都有其广泛的应用。
跳频扩频是指载波频率根据预定算法或者规律以离散的方式进行通信。FHSS支持的调制技术是频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）。在802.11中，FHSS把2.4GHz的频谱划分成多个1MHz带宽的子频谱槽，通信过程中首先在某个子频谱槽上运行一段时间，然后按照一定的跳转序列跳转到另一个子频谱槽上继续工作，这样实际运行的带宽大于原先信号需要的带宽。
直接序列扩频是指利用伪噪声序列直接对载波进行调制。伪噪声序列由相应的伪噪声生成器产生，经过信道编号后的数据信号与伪噪声进行模2运算，生成复合码，然后对载波进行调制。DSSS利用相移键控（Phase Shift Keying，PSK）对发送数据进行调制，在802.11标准中，DSSS的工作带宽是20MHz。
1999年，IEEE批准通过了数据速率更高的802.11b修正案。802.11b支持11Mbit/s的数据传输，是高速直接序列扩频（High Rate DSSS, HR/DSSS）技术，它同样工作在2.4GHz载波频段，HR/DSSS向后兼容DSSS系统。该标准采用补偿编码键控调制方式（Complementary Code Keying，CCK），支持点对点模式和基本模式两种模式，支持11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的多速率选择和切换。当时有线以太网主要以10Mbit/s速率为主，同时期有线ADSL接入支持下行8Mbit/s速率，支持这样无线速率的家用路由器马上能得到青睐。不管是企业或家庭用户，无线局域网的实用和便利性对他们都有不可抗拒的吸引力。
在1999年，IEEE 802.11a标准同时完成制定，它是802.11b的后续标准，它工作在5GHz的载波频段，数据传输速率是54Mbit/s，传输距离是10～100m。物理层上采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的扩频技术以及正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying, QPSK）调制方式。虽然802.11a的初衷是希望取代802.11b，但是5GHz频段的使用在有些地区是限制的。相反，因为802.11b使用的是不需要执照的2.4GHz频段，所以是主流的WLAN标准之一。
针对802.11a和802.11b的各自特点，另一种混合标准802.11g在2003年被制定，它支持802.11a的传输速率，并且支持两种调制方式，既包含了802.11a的OFDM，又包含了802.11b的补偿编码键控（CCK）调制技术，这样可以同时兼容802.11a和802.11b。802.11g与802.11a的主要区别在于工作频段不一样，802.11g使用2.4GHz频段，而802.11a使用5GHz频段，但两者的工作频宽都是20MHz。802.11a/g实现了对无线通信多种速率的支持。
2009年的802.11n标准的正式批准使无线局域网的数据传输速率有了飞跃，理论上最高可以达到600Mbit/s，这是802.11a/b/g之后新的无线传输标准。它可以工作在两个频段，即2.4GHz和5GHz，支持新的多天线情况下的多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，以及新的数据链路协议的增强方式和40MHz双带宽传输等技术。MIMO技术利用多根天线同时进行发送和接收，可以提高信道容量和频谱效率，也可以提高信道的可靠性和降低误码率。从此，无线局域网有了高带宽和高速率的Wi-Fi方案，拥有和有线局域网相同的业务流量等级。
2013年，更高带宽的802.11ac被IEEE批准。该标准工作在5GHz频段，频宽除了20MHz和40MHz以外，还支持80MHz甚至160MHz的带宽，理论上峰值传输速率可以达到6.9Gbit/s，实际数据传输速率已经可以超过1Gbit/s。802.11ac支持802.11n的MIMO技术。2016年Wave2版的802.11ac增加了更多功能，包括多用户MIMO （Multiple User MIMO, MU-MIMO），多个客户端可以同时共享无线设备的数据发送，支持3个以上并最多8个MIMO数据流。
表2-1是IEEE 802.11物理层标准的简单介绍。
表2-1 IEEE 802.11的物理层标准
大多数普通用户虽然每天都在各个场合使用无线局域网，但并不知道什么是802.11标准。实际上802.11更普遍的称呼是Wi-Fi （Wireless Fidelity），即“无线相容性认证”，它的称呼代表了一种商业认证，是行业中的技术联盟（Wi-Fi联盟，即Wi-Fi Alliance）对满足802.11标准的厂家产品之间互联互通的认证，它的标准写法是“Wi-Fi”，但在很多场合已经被人们习惯写成“WiFi”或“Wifi”，不过这样的写法并不是Wi-Fi联盟认可的。厂家开发的支持802.11规范的产品被提交给Wi-Fi联盟机构代理进行认证测试，通过测试后就在产品的标签上贴上相应的标记。在具有Wi-Fi联盟认证的设备中，常见的是很多家庭使用的无线接入设备AP或无线路由器。另外已经有很多家用设备支持Wi-Fi功能，例如打印机、智能电视、网络摄像头等，这些设备集成了支持Wi-Fi的芯片和相应的天线，可以通过家庭中的无线路由器接入互联网。
近几年，随着支持802.11标准的无线局域网的快速普及，大多数用户在公共场所（咖啡店、宾馆、机场、书店等）都会习惯性地搜索免费的Wi-Fi连接，然后就通过共享的Wi-Fi接入点进行数据传输或业务应用。在家庭当中，由于宽带接入的普及，人们也早已习惯通过支持Wi-Fi的网关或路由器使用无线方式接入互联网。据统计，2015年手机使用Wi-Fi的流量达到总流量的51%，第一次超过手机直接通信的数据流量，预计在2020年使用Wi-Fi的流量将达到55%。
无线通信的基础是电磁波的传输，而电磁波不仅仅是大家都知晓的可见光和Wi-Fi，而是具有更广范围的不同频率和波长的频谱。图2-3是从γ射线到无线电波的频谱图。
图2-3 电磁波频谱
从这张频谱分布可以看到，宇宙射线的波长最短，然后依次是紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等。可见光的频率是Wi-Fi电磁波的20万倍左右。
电磁波的能量与其电磁波频率成正比，在同样的信号强度下，可见光的能量是Wi-Fi信号辐射能量的20万倍左右，所以Wi-Fi的辐射远远低于光对人体的影响，家庭Wi-Fi辐射对人体的影响可以忽略。另外，2.4GHz的微波炉的辐射强度是Wi-Fi信号的10万倍左右，所以微波炉的辐射要远远大于Wi-Fi信号的辐射。频率和波长的关系如式（2-1）所示。
式中， u 是传播速度，单位是m/s，电磁波在空气中的传播速度是3×10 8 m/s； ν 是频率，单位是Hz；波长 λ 的单位为m。
“赫兹”取自德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹的名字。电磁波的频率用赫兹来描述，信号每秒循环的次数就是它的频率。Wi-Fi的2.4GHz，指每秒发生循环的次数是2.4×10 9 次，即每秒有24亿次变化。
根据频率和波长的关系，可以计算2.4GHz的信号波长约为12cm，5GHz的信号波长约为5cm。
无线信号强度通常指的是信号的振幅。当比较不同的无线路由器的发射功率时，实际上也是在比较信号的振幅。后面讨论的信号强度衰减，指的也是信号幅度的减小。
电磁波信号在空间传播过程中随着距离的增加而逐渐衰减，频率越高，则在同等距离下衰减越多。信号覆盖的范围与空气中的衰减程度称为自由空间路径损耗（Free Space Path Loss，FSPL），自由空间路径损耗的计算如式（2-2）所示，它的推导是基于电磁信号离开天线后在360°自由空间中自由发散然后强度逐渐减弱的行为而得到的。除了自由空间路径损耗以外，其他主要的电磁信号衰减是由障碍物吸收、反射、衍射等造成的，但这些因素不能直接从式（2-2）中得到。
式中，FSDL=自由空间路径损耗，单位为dB； F 是频率，单位为MHz； D 是信号传播的距离，单位为km。
把2.4GHz和5GHz代入式（2-2），可以看到5GHz的衰减在相同的100m距离下比2.4GHz多了6.3dB。2.4GHz在10m距离与100m距离之间的衰减差别是20 dB。
当电磁波遇到障碍物（玻璃、门墙等）的时候，它的衰减速度要比自由空间更快。室内5GHz的Wi-Fi信号穿透障碍物的衰减程度高于2.4GHz的信号。
dBm和dB都是在无线网络中讨论发射功率经常使用的衡量指标。dBm指的是分贝毫瓦，是计算功率绝对值的单位，计算公式是10lg（功率值/1mW）。如果功率是1毫瓦（1mW），则计算的dBm为0dBm。
dB是用来表示相对值的值。例如，对两个设备的发射功率进行比较，计算公式是10lg （设备A的发射功率/设备B的发射功率）。如果设备A的发射功率是200 mW，设备B的发射功率是100 mW，则计算结果是10lg2 （dB），即3 dB。
在家庭购买的无线路由器上面，经常有规格说明这个路由器的发射功率，例如用20 dBm （即100 mW）表示，或者直接说明发射功率值。
dBi是表示功率增益的值，是一个相对值，它的参考基准为全方向性天线。后面在介绍EIRP的时候会提到dBi加上设备传导发射功率之后就是完整的设备发射功率的值。
除了电磁波的自由空间路径损耗，下面介绍一下电磁波信号传播过程中的吸收、反射、散射、折射、衍射、多径现象。
吸收电磁波信号是首先要解释的行为。当电磁波碰到障碍物的时候，根据障碍物的性质，大多数物质都能吸收一定程度的电磁波。例如普通的混凝土墙或砖墙能够吸收较多的电磁波信号，而石膏板墙就吸收得比较少。这种吸收的行为就会造成不同程度的信号衰减。吸收的原理是指电磁波入射进入物体的时候电场强度幅度和磁场强度振幅不断衰减，电磁波能量不断被吸收并转化为热能而被消耗。在现代军事中电磁波吸波材料一直受到很大关注，在飞机、坦克以及导弹等军事设备或武器的表面涂上电磁波吸波材料，可以将敌方侦查的电波进行有效吸收，还可以衰减发射信号，成为反雷达侦查的手段。
除了障碍物对电磁波传播路径和信号质量的影响，在传播路径上遮挡的人体同样会对电磁波的传输产生损耗。例如有实验选取了750MHz～5.8GHz频段上无线通信的常用频点，遮挡物选取了人体、木门和墙体。从测量结果来看，人体对这些无线电磁波产生了5.8～20dB不等的穿透损耗，和木门以及墙体的穿透损耗接近。所以在室内进行电磁波研究和分析的时候，要把传播路径中的人体对电磁波的衰减效应考虑进去。
反射是影响传播途径的重要因素。当电磁波碰到障碍物的时候就可能会改变传播的方向，这种行为就是反射。在室内的情况下，门、窗、橱柜、玻璃等都会引起信号的反射。在接收设备处，它会收到发射设备直接发过来的信号，也会收到经过反射后传播过来的信号，这种现象就称为多径传输。多径现象会影响接信号的强度和质量，影响被传输数据的正确性和完整性，如果设备没有很好的处理方式，将会严重影响802.11网络Wi-Fi信号的传输性能。目前数字信号处理技术或者MIMO天线是处理多径现象的主要手段。另外，在第3章介绍宽带接入的时候会说明如何利用光信号的全反射机制来实现光纤通信。
散射可以理解成多路反射，例如电磁波信号在到达粗糙不平的障碍物表面的时候，信号会被同时反射到多个不同的方向。
折射是另一种电磁波传播方向发生变化的现象。就像通常观察到的水中的筷子出现视觉上的弯曲现象，电磁波在入射到不同密度的物质（水蒸气、玻璃等）的时候，就可能出现穿透后方向改变的效果。
衍射是电磁波遇到障碍物后在物体周围发生的弯曲绕行传播的现象，而折射是信号穿透物体后改变原来直线方向的行为。电磁波在遇到障碍物后也会沿着障碍物发生弯曲并绕过障碍物继续进行传播，这时候传播的路径就比原来直线传输的距离长。衍射的现象和障碍物的形状、大小以及材质有关系，另外电磁波的相位、振幅以及极化方向也影响衍射的行为。
可以看到，由于电磁波的反射、散射、折射、衍射等改变传播行为的方式将导致相同的发射信号通过多个途径先后到达接收的设备，这就是多径效应（Multipath Effect）。在室内因为障碍物较多，门、窗、橱柜、床、走廊、桌子等都会影响电磁波在空间中传播的途径，所以室内的多径现象比空旷的室外环境更加明显。在室内障碍物下的电磁波传播的行为中，反射现象是多径传输的主要原因。当然室外也有不同的障碍物影响电磁波传输，例如建筑物、树木、车辆以及雨雪天气等都会对电磁波在空间的传输产生反射、散射等现象。
当接收设备接收到经过多个传输路径到达的信号的时候，由于信号的幅度和相位不一致，叠加信号的幅度和相位已经偏离了原来的发射信号，导致接收设备不能正确地解析出数据的传输，这样多径传输就直接影响了电磁波信号的质量和数据的正确性。
例如，如果不同路径到达的信号是不同的相位，它们和主波进行叠加后的信号振幅就会下降，这样信号就不能得到正确和有效的处理。如果相位幅度相差达180°，即波峰与延迟到达的另一路信号的波谷正好重合，那么信号叠加后幅度就是最小值，信号很难被检测出来。如果不同路径到达的信号的相位相同，即两个信号的波峰在同一个时刻对齐，信号振幅叠加后使信号强度变大，极端情况下振幅可能增加两倍。
在多径效应中，因为同一信号通过不同途径的传输从而在不同时延的条件下在接收位置上互相重叠而产生的干扰称为符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），这种干扰可能导致接收设备不能识别正确的信号。为了消除符号间干扰，在后面Wi-Fi的关键技术章节中介绍的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术可以有效地降低这种符号间干扰。它的基本原理是将被传输的信号分解成多个低速的比较窄的子带信号后进行传输，这样能降低高速信号传输时因为多径传输引起的码间干扰。另外使用定向天线可以减少反射，以及分集天线能减轻多径传输的影响。
对于接收设备来说，接收到的信号强度已经远远小于信号发射设备定义的发射功率，所以接收灵敏度是接收设备的关键指标，它指的是能够正确处理有用信号的最小接收功率。也可以把接收灵敏度理解成人的听力，人在安静的情况下在某个频率能听到的最小声强的声音称为听阈。目前常见的无线Wi-Fi产品的接收灵敏度在-85 dBm到-105 dBm之间，甚至有些专业接收设备的接收灵敏度可以达到-120 dBm。当接收设备接收到的信号能量低于接收灵敏度时，接收端就不能识别这个信号。前面提到信号经过空间距离的传输、障碍物的吸收等，信号不断发生衰减，这样到达接收设备的时候，该信号可能已经因为振幅太低而不能被接收设备识别出来。例如家里购买的无线路由器发射的Wi-Fi信号在经过多堵墙后，在另一个房间中使用手机扫描Wi-Fi的时候已经不能发现这个信号的存在了。
另外对于接收设备来说，它能接收的信号强度不仅要满足最小能接收的强度，而且通常要高于环境噪声（特殊的例子是扩频通信用带宽换取信噪比来实现抗干扰的通信），即用信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）来衡量信号与噪声的比例。信噪比的单位是dB，计算的方式是10lg （PS/PN），PS和PN分别指信号功率和噪声功率。举例来说，在嘈杂的工厂设备运行环境中，如果你想跟别人说话，正常的语音大小别人不能听清楚，你一定要大声说，让自己的声音能高于背景噪声。
在下章讨论无线局域网的关键技术之前，先解释一下ISM频段的概念。目前802.11协议广泛使用了2.4GHz的ISM频段，见表2-2。ISM代表的是工业（Industrial）、科学（Scientific）与医疗（Medical），即2.4GHz是预留给这三个相关领域使用的。在这个频段要符合各个国家相应的功率限制，例如欧洲规定无线路由器在2.4GHz上发射的功率不能高于100 mW。这也就意味着802.11协议从一开始就和其他产品共享这个频段，有无线频谱资源冲突的问题。例如无线电话、ZigBee的设备、蓝牙、微波炉等产品使用的都是2.4GHz的ISM频段。
表2-2 ISM频段
注释：地区1包含了欧洲、非洲、蒙古、波斯湾地区的西部等；地区2包含了美洲（包含格陵兰）、部分太平洋岛国地区。
在后面的无线或者有线网络技术讨论中，都会提到物理层的调制技术，这是通信的基本概念，理解调制解调有助于理解本书讨论的通信技术的选择和演进。
调制的关键是发射端在发送信号的时候，载波波形的参数受基带信号的控制，基带信号发生变化，则载波波形的参数也跟着发生变化。解调则是在接收端从已经调制的信号中恢复出原来的发送信号，解调是调制的逆过程。
调制可以分为模拟调制和数字调制，这是根据被调制的信号是模拟信号还是数字信号来分类的。模拟信号调制在通信技术中较早得到应用，主要用于电视、广播和卫星通信。但在最近30年的数字通信技术发展中，数字信号调制逐渐成为关键的通信技术。
最基本的数字调制方式有三种，分别是振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。振幅键控就是利用载波的振幅作为被控制的参数，通过二进制调制信号“1”或“0”来进行控制。当二进制信号为“1”时，调制后的振幅为“A”；当二进制信号为“0”时，调制后的振幅为“0”。但是这种调制方式的效率低，所以通常只是作为调制的原理来解释，在实际的产品中没有被广泛采用。
频移键控是利用载波的频率作为被控制的参数，二进制的信号“0”或“1”分别用两个特定的频率来表示，例如用960 Hz和1060 Hz发送“0”信号和“1”信号。
相移键控PSK是利用载波相位作为被控制的参数来传送数据信息，通常有“绝对移相”和“相对移相”两种。“绝对移相”指利用不同的载波相位来表示二进制数据信息，“相对移相”则利用载波的相对相位来表示传送的二进制数据信息，它指前后数据传送的载波相位的相对变化。
在实际的通信传输技术应用中，经常采用幅度和相位复合调制方式（QAM）。在这种调制方式下，传输数据信息的载波的振幅和相位都随二进制信号而变化。以4QAM为例，它把要传送的二进制数据流经过扰频后分为4bit一组，每4bit中的第一个比特决定了要传送信号的幅度，另外3bit则是决定要传送信号的相位变化。常用的复合调制方式有16QAM、64QAM和256QAM，目前在最新的无线通信技术中支持1024QAM。
无线通信中的信道衰落具有多径效应和时变性的特点，这使得信号在传输过程中可能会有较大甚至严重的衰减，接收端在收到信号的时候就很难识别和恢复正确的原始信号。传输信道的外部环境是不能被改变的，如果要提高信号的传输质量就只能在发送或者接收的阶段进行处理。这里要介绍的是利用多径传输来改善信号传输性能的分集技术。
分集技术的基本原理是指在传输的过程中，有多条传输相同信息的信号通过不同的路径到达接收端，它们是具有近似的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号，然后接收端对这些信号的能量按照一定的规则进行合并，使有用信号的能量最大，这种方式能够提高接收端的信噪比，起到降低多径衰落的影响和改善传输的可靠性的效果。分集技术是为了降低各种衰落的影响和提高无线传输性能的关键技术之一。
根据多路信号的处理方式，分集技术分为时间分集、频率分集和空间分集。其中空间分集包括接收分集、发射分集、角度分集和极化分集等。
时间分集是指将相同的信号在不同的时间区间内多次重发，这些区间的时间间隔大于衰落信道的相干时间，这样重复发送的信号在各自的时间区域中相互独立，它们的衰落特性彼此独立不相关，在接收端处理的时候有较好的分集效果。
频率分集是指在不同的载波频率上同时传输相同的信号，它的分集效果是因为不同的载波频率不会在彼此的信道相干带宽之内，所以不会出现同样的信号衰落。
空间分集一般以接收分集为主，即在接收端有多根天线来接收多路径过来的相同信号，然后把每一根天线接收到的信号进行适当的组合来获得发送的信号。
空间分集中的发射分集技术指在发射端通过间隔一定距离的多根天线分别发送相同的信号，这些信号在传输过程中经历了相互独立的衰落过程，等同于分别经过了多条路径的传送而到达接收端。这种方式改善了下行的信道传输性能，从系统实现的角度来看，是把接收分集技术等效地在发射端实现。
分集技术能够有效处理无线通信中的信号衰落，实现它的关键在于经过不同路径衰落的信号具有独立衰落特性，它们同时处于深衰落的概率很低。对这些信号进行合并可以提高无线数据传输的性能和可靠性。分集技术提升性能的关键系数是各路信号之间的相关性，通常要求相关性系数低于0.7。
在后面的章节中，不管是无线技术还是有线技术，都会提到多路复用和多址接入这两个概念。多路复用是指按照时域或者频域等方式把来自不同数据源的信息合并成一个多路信号，然后通过相同的物理通道传递给接收端。而接收端则从多路信号中按照相同的方式分离出原来的各路信号，再分别传递给相应的终端。多路复用技术利用信号在时域或者频域的不同特征，在物理信道上进行信号的复用，可以充分利用传输通道的带宽，提升系统传输的效率和性能。常见的多路复用技术包括频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）和码分复用（CDM）。以频分复用为例，不同的源信号具有不同的工作频段，或者通过调频技术把源信号放到不同的频段中，使得它们可以在一个信道内共存而互不影响，通常不同的物理传输信道有百兆、千兆赫兹或者更高的工作频率范围，把不同频段的信号放在同一个物理信道内进行传送，可以提高通信系统的利用率。光通信的波分复用本质就是频分复用。
多址接入是从用户接入的角度来描述多个用户共享信道和网络资源的动态分配。常见的多址技术有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SD-MA）。多址接入和多路复用的实现过程都是为了让用户在通信中共享信道资源，理论基础也都是信号的正交分割和复用。从实现上来说，多路复用是通信资源预先已经分配给发送方和接收方，所以它们按照预定的分配方式进行资源的复用和分离，多址接入是基于用户来分配资源的概念，所以资源分配是动态的，用户在使用业务的时候提出资源共享的要求，然后系统根据用户的业务或者需求类型，动态地调整通信资源的分配。以频分多址为例，频谱资源已经划分为多个等间隔的信道，这些信道在频域上互不重叠，每个用户使用一个信道，当有用户提出通信需求的时候，系统就在可用的信道中进行动态分配。
在后面的章节中每一个技术标准都会提到物理层、数据链路层甚至网络层的定义。这里先复习一下通信或计算机网络都会用到的开放系统互连参考模型（Open System Interconnection，OSI）的七层模型。这个模型是由国际标准化组织（ISO）在1979年发布的版本，它已经成为目前通信或计算机网络参考的标准模型。
模型从下到上分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，分别用1、2、3、4、5、6、7进行编号。通常把1～4层协议称为下层协议，而把5～7层称为上层协议。在后面的章节中可以看到，在以传输和连接为主的通信技术中，物理层和数据链路层是首先需要关注的层，其中有些协议会涉及网络层，而上层协议在本书中涉及较少。
物理层，通常在很多专业书籍或期刊中称为PHY （Physical Layer），它并不是物理媒介本身，而指的是在物理媒介上进行信号传输的通信规程以及相应的物理连接功能。第2章和第3章讨论的物理媒介涵盖了无线领域的各种电磁波、双绞线、电力线、同轴电缆和光纤。在物理层上讨论编码和调制解调的机制、信道的频段定义和信道复用方式、多址接入技术等。
数据链路层是数据报文的通道。在物理层上只能看到物理信号的发送和接收，看不到数据报文。但在数据链路层是以帧为单位进行传输，所以数据链路层的基本功能是建立和拆除连接、数据帧格式的定义以及对传送的数据报文进行检错和纠错。因为在物理层上不能辨识数据报文，所以在数据链路层上需要对帧进行定界，即必须定义帧的长度和区分帧的起始位置。在后面的技术讨论中经常会介绍媒介访问控制层（Media Access Control, MAC）层，MAC层是数据链路层的下半部分，主要功能是控制与连接物理层，是本书在技术标准讨论中的关键部分。数据链路层的上半部分是逻辑链路控制层（Logic Link Control，LLC），负责与网络层交互并进行封装。
数据链路层是点到点的通信，即数据通信是两个节点之间的直接通信。如果数据报文还要传送到两个节点之外的其他节点，并且当中可能有不止一条路径可以到达远端，则在中间节点上需要选择合适的转发路径，这就称为路由，路由是属于网络层的功能。网络层的典型例子就是通过IP地址进行网络路由选择。网络层根据不同的需求场景，可能有不同的拓扑结构，例如星型、树型或者网状结构等，同时由不同的路由协议来选择合适的转发路径。
在网络层完成数据报文转发之后，就要保证端到端数据传输的可靠性，这是传输层的功能，典型的传输层协议有UDP和TCP。数据报文是从起始端发送至终点，数据链路层只负责其中两个节点之间的传送过程，不知道数据报文最终发送到哪里。而传输层通过网络层的转发，在起始端的节点和终点之间负责相应的数据通信，有自己的传输层的数据格式，它可以建立可靠的连接（例如TCP）并进行流量控制，或者进行无连接的传送（例如UDP）过程。
后面章节中的各个通信技术标准是基本围绕着物理层和数据传输层来讨论的。在其各个版本的演进过程中，也主要是在物理层和数据链路层上进行改进和调整来提高性能和增加功能。