本書面向新工科建設的要求，重點介紹移動通信原理、技術與系統，包括原理和技術篇及系統篇。原理和技術篇包括第1～6章，從移動通信的概念及其歷史演進入手，重點介紹了電波傳播及信道模型、信源和信道編解碼技術、調制技術、鏈路性能增強技術及移動通信組網技術等相關內容，注重技術演進過程的分析和各技術適用場景的討論，培養讀者分析技術適用場景的能力；系統篇包括第7～10章，主要對現有蜂窩移動通信中的常見系統進行介紹，具體包括GSM、IS-95、3G、4G、5G相關系統，重點介紹了從2G到5G的演進過程及其關鍵技術的變化，培養讀者根據不同應用場景和需求運用適當的技術構建移動通信系統的能力，進而具備解決復雜工程問題的綜合能力和創新思維。此外，本書在梳理中國在移動通信領域的發展歷程（1G空白、2G跟隨、3G突破、4G同步、5G引領）的同時，介紹了發達國家在移動通信領域的最新研究情況，使讀者在具有民族自豪感的同時也具有一定的緊迫感。 本書層次清晰、內容豐富、面向前沿科技成果，可作為高等學校電子信息和通信工程相關專業高年級本科生及研究生移動通信課程的教材，也適合通信工程相關專業或相關領域工程技術人員參考使用。
沙學軍，哈爾濱工業大學教授、博士生導師，中國電子學會會士，中國通信學會高級會員，中國電子商會物聯網技術產品應用專業委員會、電磁頻譜安全與控制專業委員會委員。擔任專用通信系統教育部工程研究中心主任，中國通信學報、物聯網學報編委。主要研究方向為專用通信系統、自組網接入與路由控制、時頻協同信號設計與處理，主持完成973計劃項目2項、國家自然科學基金面上項目3項及其他重大項目10余項。獲得國家科技進步二等獎1項，國防科技進步一等獎2項、三等獎1項，教育部科技進步一等獎1項，黑龍江省技術發明一等獎1項。獲得授權專利100余項，發表學術論文100余篇。 吳宣利，哈爾濱工業大學教授、博士生導師。擔任中國工程教育專業認證專家，中國通信學會無線電應用與管理委員會委員，中國電子學會物聯網青年專技組委員，IEEE VTS Harbin Chapter主席。主要從事B5G和6G系統的智能超表面、超密集網絡、非正交多址、頻譜共享及物理層安全等方面的研究。承擔國家重點研發計劃課題、973計劃項目、國家自然科學基金重點項目、國家科技重大專項子課題等各類科研項目40余項。獲得黑龍江省技術發明一等獎1項、自然科學獎二等獎2項。獲得授權專利50余項，發表學術論文100余篇。何晨光，哈爾濱工業大學通信工程系副主任，黑龍江省青年教學名師，中國通信學會高級會員，教學競賽獲得國家級一等獎1項，省級一等獎3項，主持省教改項目3項，發表教學改革與研究論文10余篇，其中1篇論文獲得中國電子教育學會優秀論文1等獎。主要研究方向為移動通信技術、自組網技術。
第1 章 概述................................................................................................ 3
1.1 移動通信簡史及典型系統介紹 ................................................................................................ 3
1.1.1 蜂窩移動通信系統 ......................................................................................................... 4
1.1.2 專用業務移動通信系統 ............................................................................................... 10
1.1.3 衛星移動通信系統 ....................................................................................................... 11
1.1.4 無線數據網絡 ............................................................................................................... 13
1.2 移動通信的工作方式 .............................................................................................................. 15
1.3 移動通信的頻譜分配 .............................................................................................................. 17
1.4 移動通信的發展趨勢 .............................................................................................................. 20
思考題與習題 ................................................................................................................................... 21
參考文獻 ........................................................................................................................................... 21
第2 章 電波傳播及信道模型 ............................................................................................................... 22
2.1 電波傳播的特點 ................................................................................................................ 22
2.2 自由空間的電波傳播 ........................................................................................................ 23
2.2.1 自由空間的傳播損耗 ................................................................................................... 23
2.2.2 視距傳播 ....................................................................................................................... 25
2.3 地面電波的傳播機制 ........................................................................................................ 26
2.3.1 反射 ............................................................................................................................... 26
2.3.2 繞射 ............................................................................................................................... 27
2.3.3 散射 ............................................................................................................................... 29
2.4 地面電波傳播的射線跟蹤模型 ......................................................................................... 29
2.4.1 雙射線傳播模型 ........................................................................................................... 30
2.4.2 多射線傳播模型 ........................................................................................................... 31
2.5 路徑損耗 ........................................................................................................................... 31
2.5.1 室外傳播模型 ............................................................................................................... 31
2.5.2 傳播損耗的圖形計算法 ............................................................................................... 35
2.5.3 室內傳播模型 ............................................................................................................... 42
2.5.4 超密集網絡中的傳播損耗 ........................................................................................... 44
2.6 陰影衰落 ........................................................................................................................... 45
2.7 多徑衰落 ........................................................................................................................... 46
2.7.1 多普勒頻移 ................................................................................................................... 46
2.7.2 多徑信道基本模型 ....................................................................................................... 47
2.7.3 多徑信道主要參數 ....................................................................................................... 48
2.7.4 無線信道分類 ............................................................................................................... 51
2.8 多徑信道的統計模型 ........................................................................................................ 53
2.8.1 多徑信道的統計分析 ................................................................................................... 53
2.8.2 衰落信道建模和仿真 ................................................................................................... 56
2.9 5G 場景下的3D 信道覆蓋 ................................................................................................ 60
思考題與習題 ............................................................................................................................ 61
參考文獻 .................................................................................................................................... 62
第3 章 信源和信道編解碼技術 ........................................................................................................... 63
3.1 語音編解碼技術 ................................................................................................................ 63
3.1.1 語音壓縮編碼的特點 ................................................................................................... 64
3.1.2 語音編解碼器的性能指標 ........................................................................................... 65
3.1.3 語音編碼技術分類 ....................................................................................................... 67
3.1.4 移動通信中的語音編解碼技術 ................................................................................... 68
3.2 圖像和視頻編解碼技術 ..................................................................................................... 77
3.2.1 圖像和視頻中的冗余信息 ........................................................................................... 78
3.2.2 圖像編碼算法的性能指標 ........................................................................................... 79
3.2.3 圖像編碼技術分類 ....................................................................................................... 80
3.2.4 視頻編碼標準分類 ....................................................................................................... 81
3.3 信道編碼的基本原理及性能參數 ..................................................................................... 82
3.3.1 基本原理 ....................................................................................................................... 82
3.3.2 性能參數 ....................................................................................................................... 83
3.4 線性分組碼 ........................................................................................................................ 86
3.4.1 循環碼 ........................................................................................................................... 87
3.4.2 BCH 碼 .......................................................................................................................... 88
3.4.3 RS 碼 ............................................................................................................................. 88
3.5 卷積碼 ............................................................................................................................... 89
3.5.1 卷積碼編碼器 ............................................................................................................... 89
3.5.2 維特比譯碼 ................................................................................................................... 91
3.5.3 軟判決維特比譯碼 ....................................................................................................... 94
3.6 級聯編碼 ........................................................................................................................... 94
3.7 交織編碼 ........................................................................................................................... 95
3.8 Turbo 碼 ............................................................................................................................. 97
3.9 LDPC 和極化碼 ............................................................................................................... 100
3.9.1 移動通信中的信道編碼技術演進概述 ..................................................................... 100
3.9.2 LDPC 概述 .................................................................................................................. 101
3.9.3 極化碼概述 ................................................................................................................. 102
3.10 噴泉編碼 ....................................................................................................................... 103
3.10.1 LT 碼 ......................................................................................................................... 103
3.10.2 Raptor 碼 ................................................................................................................... 104
思考題與習題 .......................................................................................................................... 105
參考文獻 .................................................................................................................................. 106
第4 章 調制技術 .............................................................................................................................108
4.1 概述 ........................................................................................................................................ 108
4.2 信號空間分析 ........................................................................................................................ 109
4.2.1 信號與系統模型 ......................................................................................................... 109
4.2.2 向量空間 ..................................................................................................................... 110
4.2.3 信號空間 ..................................................................................................................... 111
4.2.4 信號的正交展開 ......................................................................................................... 112
4.3 數字相位調制技術 ................................................................................................................ 113
4.3.1 BPSK 調制和DPSK 調制 .......................................................................................... 113
4.3.2 QPSK 調制 .................................................................................................................. 115
4.3.3 OQPSK 調制 ............................................................................................................... 117
4.3.4 ?/4-QPSK 調制 ......................................................................................................... 118
4.4 正交振幅調制 ........................................................................................................................ 121
4.4.1 QAM 信號的基本原理 ............................................................................................... 121
4.4.2 MQAM 信號的產生和解調 ....................................................................................... 123
4.4.3 MQAM 信號的性能 ................................................................................................... 124
4.5 頻率調制 ................................................................................................................................ 125
4.5.1 頻移鍵控 ..................................................................................................................... 125
4.5.2 最小頻移鍵控 ............................................................................................................. 127
4.5.3 高斯最小頻移鍵控 ..................................................................................................... 131
4.6 網格編碼調制 ........................................................................................................................ 132
4.6.1 網格編碼調制的基本概念 ......................................................................................... 132
4.6.2 網格編碼調制信號的產生 ......................................................................................... 133
4.7 正交頻分復用技術 ................................................................................................................ 136
4.7.1 概述 ............................................................................................................................. 136
4.7.2 OFDM 技術的基本原理 ............................................................................................. 136
4.8 擴展維度的協同物理層波形 ................................................................................................ 141
4.8.1 時頻協同的物理層波形設計 ..................................................................................... 141
4.8.2 IQ 分量協同的恒包絡波形設計 ................................................................................ 144
思考題與習題 ................................................................................................................................. 152
參考文獻 ......................................................................................................................................... 153
第5 章 鏈路性能增強技術 ................................................................................................................. 154
5.1 擴頻通信 ......................................................................................................................... 154
5.1.1 擴頻基本原理 ............................................................................................................. 154
5.1.2 直接序列擴頻 ............................................................................................................. 158
5.1.3 跳頻擴頻 ..................................................................................................................... 158
5.1.4 擴頻通信系統的處理增益 ......................................................................................... 160
5.1.5 擴頻通信系統的干擾容限 ......................................................................................... 162
5.1.6 擴頻通信系統的主要特點 ......................................................................................... 163
5.2 分集 ................................................................................................................................. 164
5.2.1 獨立衰落路徑的實現方法 ......................................................................................... 164
5.2.2 接收分集的合并方式及其性能分析 ......................................................................... 167
5.2.3 RAKE 接收機 ............................................................................................................ 174
5.2.4 計算分集的設想 ........................................................................................................ 177
5.3 發射分集和MIMO 技術 ................................................................................................. 179
5.3.1 發射分集 .................................................................................................................... 179
5.3.2 MIMO 技術 ................................................................................................................ 180
5.4 均衡技術 ......................................................................................................................... 185
5.4.1 均衡原理 .................................................................................................................... 185
5.4.2 均衡器的類型 ............................................................................................................ 186
5.4.3 線性均衡器與非線性均衡器 .................................................................................... 187
5.4.4 自適應均衡器 ............................................................................................................ 191
5.4.5 頻域均衡器 ................................................................................................................ 193
思考題與習題 .......................................................................................................................... 194
參考文獻 .................................................................................................................................. 195
第6 章 移動通信組網技術 ................................................................................................................. 197
6.1 移動通信網的基本概念 ................................................................................................... 197
6.1.1 移動通信網的組成 ..................................................................................................... 197
6.1.2 移動通信網的覆蓋方式 ............................................................................................. 198
6.1.3 蜂窩組網與頻率復用 ................................................................................................. 201
6.2 多址接入技術 .................................................................................................................. 209
6.2.1 頻分多址 ..................................................................................................................... 209
6.2.2 時分多址 ..................................................................................................................... 215
6.2.3 碼分多址 ..................................................................................................................... 217
6.2.4 空分多址 ..................................................................................................................... 220
6.2.5 蜂窩移動通信系統的容量分析 ................................................................................. 221
6.3 移動通信網的信令與接口 ............................................................................................... 224
6.3.1 接入信令 ..................................................................................................................... 225
6.3.2 網絡信令 ..................................................................................................................... 227
6.4 多信道共用及話務量分析 ............................................................................................... 228
6.4.1 話務量、呼損率和用戶量 ......................................................................................... 228
6.4.2 信道自動選擇方式 ..................................................................................................... 232
思考題與習題 .......................................................................................................................... 234
參考文獻 .................................................................................................................................. 234
下篇 系統篇
第7 章 GSM 及其增強體制 ............................................................................................................... 237
7.1 概述 ....................................................................................................................................... 237
7.1.1 GSM 的發展歷程 ....................................................................................................... 237
7.1.2 GSM 的業務 ............................................................................................................... 238
7.1.3 GSM 的體系結構 ....................................................................................................... 239
7.2 GSM 的信道 .......................................................................................................................... 246
7.2.1 時隙和幀結構 ............................................................................................................. 246
7.2.2 邏輯信道及其分類 ..................................................................................................... 248
7.2.3 突發脈沖 ..................................................................................................................... 250
7.2.4 邏輯信道和物理信道間的映射 ................................................................................. 252
7.3 GSM 中的無線傳輸技術 ...................................................................................................... 255
7.3.1 GSM 中的語音編碼技術 ........................................................................................... 255
7.3.2 GSM 中的抗干擾技術 ............................................................................................... 256
7.3.3 GSM 中的調制解調技術 ........................................................................................... 258
7.3.4 GSM 中的抗衰落技術 ............................................................................................... 259
7.3.5 GSM 中的其他技術 ................................................................................................... 260
7.4 GSM 的控制與管理 .............................................................................................................. 262
7.4.1 鑒權和加密 ................................................................................................................ 262
7.4.2 GSM 呼叫接續與管理 ............................................................................................... 264
7.5 GSM 演進技術 ...................................................................................................................... 273
7.5.1 GPRS 的結構和功能 ................................................................................................. 273
7.5.2 GPRS 的關鍵技術 ..................................................................................................... 274
7.5.3 EDGE 的發展 ............................................................................................................ 276
7.5.4 EDGE 的關鍵技術 .................................................................................................... 277
思考題與習題 ................................................................................................................................ 279
參考文獻 ........................................................................................................................................ 280
第8 章 IS-95 CDMA 系統 ................................................................................................................. 281
8.1 IS-95 CDMA 系統概述 .................................................................................................... 281
8.1.1 IS-95 CDMA 系統的發展 .......................................................................................... 281
8.1.2 IS-95 CDMA 系統支持的業務和網絡功能............................................................... 282
8.1.3 IS-95 CDMA 系統的體系結構 .................................................................................. 282
8.2 IS-95 CDMA 系統的信道 ................................................................................................ 287
8.2.1 前向鏈路 ..................................................................................................................... 287
8.2.2 反向鏈路 ..................................................................................................................... 291
8.3 IS-95 CDMA 系統的增強技術 ........................................................................................ 293
8.3.1 語音編解碼技術 ......................................................................................................... 293
8.3.2 RAKE 接收 ................................................................................................................. 294
8.3.3 語音激活技術和功率控制技術 ................................................................................. 297
8.4 IS-95 CDMA 系統的控制與管理 ..................................................................................... 299
8.4.1 登記 ............................................................................................................................. 299
8.4.2 鑒權與加密 ................................................................................................................. 300
8.4.3 切換與漫游 ................................................................................................................. 304
8.4.4 呼叫接續 ..................................................................................................................... 305
思考題與習題 .......................................................................................................................... 306
參考文獻 .................................................................................................................................. 307
第9 章 第三代和第四代移動通信系統 ............................................................................................. 308
9.1 第三代移動通信系統 ...................................................................................................... 308
9.1.1 概述 ............................................................................................................................. 308
9.1.2 組織 ............................................................................................................................. 309
9.1.3 主要標準及其演進 ..................................................................................................... 311
9.2 LTE 系統 ......................................................................................................................... 315
9.2.1 LTE 系統概述 ............................................................................................................. 315
9.2.2 LTE 系統架構 ............................................................................................................. 316
9.2.3 LTE 系統關鍵技術 ..................................................................................................... 318
9.3 LTE-Advanced 系統 ......................................................................................................... 329
9.3.1 概述 ............................................................................................................................. 329
9.3.2 系統需求及發展趨勢 ................................................................................................. 330
9.3.3 關鍵技術 ..................................................................................................................... 330
思考題與習題 .......................................................................................................................... 332
參考文獻 .................................................................................................................................. 332
第10 章 第五代和第六代移動通信系統的發展及關鍵技術 ........................................................... 333
10.1 第五代移動通信系統概述 ............................................................................................. 333
10.1.1 5G 的重要地位 ......................................................................................................... 333
10.1.2 5G 的標準化進程 ..................................................................................................... 334
10.1.3 5G 的3 個典型應用場景 ......................................................................................... 335
10.1.4 5G 網絡架構 ............................................................................................................. 336
10.2 第五代移動通信系統的關鍵技術 .................................................................................. 339
10.2.1 超密集網絡 ............................................................................................................... 339
10.2.2 毫米波 ....................................................................................................................... 342
10.2.3 Massive MIMO ......................................................................................................... 346
10.2.4 非正交多址 ............................................................................................................... 349
10.2.5 SDN 和NFV ............................................................................................................. 352
10.2.6 網絡切片 ................................................................................................................... 355
10.3 第五代移動通信系統的應用 ......................................................................................... 357
10.3.1 云VR/AR .................................................................................................................. 358
10.3.2 車聯網 ....................................................................................................................... 359
10.3.3 聯網無人機 ............................................................................................................. 362
10.4 第六代移動通信系統的愿景及預期的關鍵技術 ........................................................... 363
10.4.1 第六代移動通信系統的愿景 ................................................................................... 363
10.4.2 第六代移動通信系統預期的關鍵技術 ................................................................... 365
思考題與習題 .......................................................................................................................... 367
參考文獻 .................................................................................................................................. 367
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