本書詳細介紹了移動通信的原理和目前正在使用的移動通信系統(tǒng)。在上篇———基礎篇中，首先介紹了移動通信的發(fā)展與演進過程､移動通信的信道､電波傳播理論以及天線的知識，其次介紹了移動通信中的調制技術､抗衰落技術以及蜂窩組網等關鍵技術；在下篇———應用系統(tǒng)篇中，重點介紹了2G 的GSM 系統(tǒng)和CDMA 系統(tǒng)､3G 的WCDMA 與TD SCDMA系統(tǒng)以及4G 的LTE 系統(tǒng)，并對當前的研究熱點———5G 移動通信系統(tǒng)進行了簡要的介紹。
本書內容由淺入深，知識點層層展開，章節(jié)的開篇有導讀和知識脈絡介紹，課后配有相關練習，可供本科信息類專業(yè)高年級學生､研究生以及工程人員學習使用。
前 言
移動通信的發(fā)展歷史可以追溯到19 世紀末，1873 年，蘇格蘭人麥克斯韋提出了電磁場理論，1880 年，德國物理學家赫茲根據麥克斯韋方程所預言的電磁波的發(fā)生､檢測及其屬性的測量進行了一系列著名的實驗，1894 年，意大利學者馬可尼做出了一個可用的無線電裝置。1897 年，馬可尼完成了超過2mi (1mi = 1609m) 距離的無線電通信試驗。1900年，馬可尼利用電磁波進行遠距離無線電通信取得了成功，從此，世界進入了無線電通信的新時代。
20 世紀70 年代中期，美國貝爾實驗室成功研制了先進移動電話系統(tǒng)( Advanced Mobile Phone System，AMPS)，建成了蜂窩狀移動通信網，大大提高了系統(tǒng)容量，這是第一代移動通信系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用模擬信號來處理和傳遞語音信號，即模擬移動通信系統(tǒng)。此后，其他國家也相繼開發(fā)了自己的第一代移動通信系統(tǒng)，如歐洲的900MHz 全接入通信系統(tǒng)( Total Access Communications System，TACS)､日本的800MHz 汽車電話系統(tǒng)等。這個時期的特點是蜂窩狀移動通信網成為實用系統(tǒng)，并在世界各地迅速發(fā)展。
20 世紀80 年代中期是數字移動通信系統(tǒng)逐漸成熟和發(fā)展的時期，模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)雖然取得了成功，但也存在頻譜利用率低､費用高､不保密等問題。解決這些問題的方法是開發(fā)新一代數字蜂窩移動通信系統(tǒng)。為此，歐洲發(fā)展了GSM 網絡系統(tǒng)( 簡稱G 網)，美國發(fā)展了DAMPS (Digital AMPS) 網絡系統(tǒng)。隨后，美國又推出了碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA) 網絡系統(tǒng)(簡稱C 網)。這些網絡系統(tǒng)都是以數字信號的傳遞為特征的，我們稱之為第二代移動通信系統(tǒng)，從此移動通信進入數字信號的時代。
第三代數字蜂窩移動通信系統(tǒng)IMT 2000 (簡稱3G 移動通信系統(tǒng)) 利用第三代移動通信網絡提供的語音､數據､視頻圖像等業(yè)務，它的目標是在全球實現統(tǒng)一頻段､統(tǒng)一標準､無縫覆蓋，提供移動寬帶多媒體業(yè)務，其中實現高速移動環(huán)境下支持144kbit/ s 速率，步行和慢速移動環(huán)境下能夠支持384kbit/ s 速率，室內環(huán)境中能夠支持2Mbit/ s 速率數據傳輸，并保證高可靠服務質量(QoS)。經過各個國家的努力，第三代數字蜂窩移動通信系統(tǒng)最終確定了三種體制，分別是歐洲的WCDMA (寬帶碼分多址，Wideband CDMA)､中國的TD SCDMA (時分同步碼分多址，Time Division Synchronous CDMA) 和美國的CDMA 2000。3G 系統(tǒng)不僅采用了新的空口技術，在核心網層面也有變革，由原來2G 系統(tǒng)的純電路域核心網演進成了3G 的分組域加電路域的核心網格局。為了完成這種轉化，2G 和3G 系統(tǒng)間有一個過渡時期，我們稱之為2.5G 移動通信系統(tǒng)，如2.5G 的GPRS 系統(tǒng)(GSM 制式的過渡系統(tǒng)) 和IS 95B 系統(tǒng)(2G CDMA 制式的過渡系統(tǒng))。我國于2009 年1 月7 日正式下發(fā)3G 運營牌照，分別為中國移動主營TD SCDMA 系統(tǒng)､聯通主營WCDMA 系統(tǒng)､電信主營CDMA 2000。
隨著數據業(yè)務量的增長和移動互聯網業(yè)務的需求，3G 的局限性日益突出，如帶寬小､數據業(yè)務量和語音業(yè)務量占比持續(xù)擴大､頻譜利用率不高､數據速率滿足不了需求等，迫切需要有一個更大帶寬､更高速率的系統(tǒng)來滿足移動互聯網的需求，于是，4G移動通信系統(tǒng)應運而生。2005 年10 月在赫爾辛基舉行的ITU R WP8F 第17 次會議上，正式將System Beyond IMT 2000 命名為IMT advanced (4G 移動通信系統(tǒng))，其高移動性下可支持100Mbit/ s，低移動性下支持1Gbit/ s。4G 系統(tǒng)完全摒棄了電路域，核心網為純分組域網絡，采用全新的空口技術，復用技術和調制技術都進行了較為顯著的改革，使得新的網絡更符合數據業(yè)務的特點。我國于2013 年12 月4 日發(fā)放了4G 運營牌照，4G 的標準主要有2 個，分別是TD LTE 和FDD LTE。
21 世紀，通信網絡以超摩爾定律的速度向前發(fā)展，實驗室光纖傳輸容量已經達到103.2 Tbit/ s，2017 年用戶月平均移動互聯網接入流量達到2.25G，比上一年同期增長147.8% ，網絡的健壯性能大為提高，終端設備豐富多樣，新業(yè)務層出不窮。到2017 年底，全球移動用戶數量突破50 億，網絡的發(fā)展對社會的文明和進步產生了重大影響，利用無線信道最終接入的移動通信網絡，巧妙地實現了固定網絡與自由移動終端之間的連接，更使得人們開始實現了5W，即任何人( Whoever) 在任何時間( Whenever) ､任何地點( Wherever) 與其他任何人( Whomever) 進行任何種類( Whatever) 的信息交換。隨著移動互聯網和物聯網的進一步發(fā)展，4G 的帶寬將成為數據速率的最大限制因素之一，如何開發(fā)新的頻段范圍及增加帶寬成為又一個新的課題。
5G，即第五代移動通信技術，是滿足海量無線通信數據的唯一方案。它是4G 之后的延伸，目前5G 的需求及關鍵技術指標(KPI) 已基本確定，國際電聯將5G 應用場景劃分為移動互聯網和物聯網兩大類，各個國家均認為5G 除了支持移動互聯網的發(fā)展之外，還將解決機器海量無線通信需求，極大促進車聯網､工業(yè)互聯網等領域的發(fā)展。
2016 年1 月，工業(yè)和信息化部在北京召開“5G 技術研發(fā)試驗” 啟動會，會上，IMT2020 (5G) 推進組在«5G 愿景與需求白皮書» 中指出，5G 定位于頻譜效率更高､速率更快､容量更大的無線網絡，其中頻譜效率相比4G 需要提升5 ~15 倍。5G 的總體規(guī)劃分兩步: 第一步，2015 ~2018 年進行技術研發(fā)試驗(分為5G 關鍵技術試驗､5G 技術方案驗證和5G 系統(tǒng)驗證三個階段實施)，最終到2018 年完成5G 系統(tǒng)的組網技術性能測試和5G 典型業(yè)務演示，由中國信息通信研究院牽頭組織，運營企業(yè)､設備企業(yè)及科研機構共同參與；第二步，2018 ~2020 年，由國內運營商牽頭組織，設備企業(yè)及科研機構共同參與。我國預計在2020 年全面啟動5G 商用。
在移動技術需求的背景下，我們編寫了本書。在編寫過程中，得到了武漢紡織大學電子與電氣工程學院領導與同仁的大力支持，感謝通信工程專業(yè)教研室對本書出版給予的大力支持，以及校科技處､教務處領導的關心與支持。感謝湖北省教育廳項目資助( No.17Q091) 以及中紡協教育教學改革項目的資助( No.2017BKJGLX116) 。感謝武漢工程大學郵電與信息工程學院的領導和移動通信專業(yè)的教師為本書出版傾注的熱情和心血。
本書配有免費電子課件､電子教案以及授課計劃，歡迎選用本書作教材的老師登錄www.cmpedu.com 注冊下載或發(fā)郵件到xufan666@163.com 索取。
由于移動通信技術的迅猛發(fā)展，加之作者本身教學與研究水平有限，書中的錯誤以及信息的滯后在所難免，懇請廣大讀者在使用過程中批評指正。
編 者
目 錄
前 言
上篇 移動通信基礎篇
第1 章 移動通信技術概述 2
1.1 移動通信的定義及發(fā)展歷史 2
1.2 移動通信的特點及工作方式 3
1.2.1 移動通信的工作特點 3
1.2.2 移動通信系統(tǒng)的工作方式 4
1.3 移動通信系統(tǒng)的組成 5
1.3.1 陸地公眾蜂窩通信系統(tǒng) 5
1.3.2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) 6
1.3.3 集群調度移動通信系統(tǒng) 8
1.4 移動通信網絡的主流業(yè)務 9
1.4.1 低速移動數據通信技術 10
1.4.2 高速移動數據通信技術 10
1.4.3 移動語音通信技術 10
1.4.4 移動通信業(yè)務的特點 11
1.5 移動通信網絡的發(fā)展趨勢 12
練習題與思考題 17
第2 章 移動通信信道與天線 18
2.1 移動通信信道 18
2.2 無線電波傳播理論 19
2.2.1 無線電波傳播特性及頻譜劃分 19
2.2.2 自由空間無線電波傳播 21
2.2.3 無線電波傳播衰落 22
2.2.4 移動無線信道的特性 23
2.2.5 移動無線信道的衰落特性 24
2.3 電波傳播損耗預測模型 28
2.3.1 地形地物 28
2.3.2 Okumura Hata 模型 29
2.3.3 COST 231 Hata 模型 29
2.3.4 傳播模型的應用 30
2.4 天線 31
2.4.1 天線定義及類型 31
2.4.2 天線輻射電磁波的工作原理 32
2.4.3 天線特性參數 33
2.4.4 幾種典型的移動通信收發(fā)天線 37
練習題與思考題 38
第3 章 移動通信中的調制解調技術 39
3.1 概述 39
3.2 數字頻率調制 39
3.2.1 移頻鍵控(FSK) 調制 39
3.2.2 最小移頻鍵控(MSK) 調制 40
3.2.3 高斯濾波的最小移頻鍵控(GMSK)
調制 41
3.3 數字相位調制 41
3.3.1 二相相移鍵控(BPSK) 調制 41
3.3.2 四相相移鍵控(QPSK) 調制 42
3.3.3 偏移四相相移鍵控(OQPSK)
調制 43
3.3.4 p/4 四相相移鍵控(p/4 QPSK)
調制 44
3.4 正交幅度調制(QAM) 45
3.5 多載波調制技術 48
3.5.1 多載波傳輸系統(tǒng) 49
3.5.2 正交頻分復用(OFDM) 調制 50
3.6 調制技術在移動通信中的應用 53
練習題與思考題 54
第4 章 移動通信中的抗衰落技術 55
4.1 概述 55
4.2 分集技術 55
4.2.1 分集接收原理 56
4.2.2 分集合并技術及性能比較 58
4.2.3 隱分集技術 60
4.3 信道編碼技術 62
4.3.1 線性分組編碼技術 62
4.3.2 卷積編碼技術 63
4.3.3 Turbo 編碼技術 64
4.3.4 信道編碼技術間的結合與應用 66
4.4 信道均衡技術 67
4.5 抗衰落技術在移動通信中的應用 68
練習題與思考題 69
第5 章 移動通信系統(tǒng)中的蜂窩組網
技術 70
5.1 蜂窩覆蓋技術 70
5.2 多址接入技術 72
5.3 信道配置 74
5.3.1 信道配置方法 75
5.3.2 多信道共用技術 76
5.3.3 話務量與呼損 77
5.4 蜂窩系統(tǒng)的移動性管理 81
5.4.1 蜂窩系統(tǒng)位置信息管理 81
5.4.2 蜂窩小區(qū)間的切換 82
5.4.3 位置更新 83
練習題與思考題 84
下篇 移動通信應用系統(tǒng)篇
第6 章 GSM 數字蜂窩移動通信
系統(tǒng) 86
6.1 GSM 系統(tǒng)概述 86
6.2 GSM 系統(tǒng)組成 89
6.3 GSM 系統(tǒng)的編號方式 90
6.3.1 GSM 系統(tǒng)中的號碼計劃 90
6.3.2 GSM 系統(tǒng)中號碼的典型應用 97
6.4 GSM 系統(tǒng)的協議與接口 97
6.4.1 GSM 接口參數 98
6.4.2 GSM 系統(tǒng)的信道 101
6.4.3 GSM 系統(tǒng)中的語音處理一般
過程 102
6.5 GSM 系統(tǒng)的接續(xù)與移動性管理 103
6.5.1 GSM 系統(tǒng)中的典型接續(xù)過程 103
6.5.2 GSM 系統(tǒng)中的切換控制 105
6.5.3 GSM 系統(tǒng)中的位置更新 108
6.6 GSM 系統(tǒng)的安全性管理 111
6.6.1 用戶識別模塊 111
6.6.2 安全措施 113
6.7 通用分組無線業(yè)務 114
6.7.1 GPRS 網絡結構與功能實體 114
6.7.2 GPRS 網絡接口與協議棧 115
6.7.3 GPRS 的業(yè)務信道 117
6.7.4 GPRS 的業(yè)務平臺 118
練習題與思考題 119
第7 章 CDMA 移動通信系統(tǒng) 120
7.1 概述 120
7.1.1 CDMA 技術的優(yōu)勢 120
7.1.2 CDMA 技術演進 122
7.2 CDMA 技術基本原理 122
7.2.1 擴頻通信原理 124
7.2.2 CDMA 系統(tǒng)中常用的碼序列 127
7.3 CDMA 蜂窩網的關鍵技術 132
7.3.1 功率控制 132
7.3.2 信號檢測和RAKE 接收技術 134
7.3.3 軟切換技術 135
7.4 IS 95 CDMA 系統(tǒng) 137
7.4.1 系統(tǒng)結構與接口 137
7.4.2 CDMA 系統(tǒng)編號 138
7.4.3 IS 95 系統(tǒng)正向信道 139
7.4.4 IS 95 系統(tǒng)反向信道 140
練習題與思考題 140
第8 章 第三代移動通信系統(tǒng) 141
8.1 3G 系統(tǒng)概述 141
8.2 3G 系統(tǒng)標準 143
8.2.1 WCDMA 標準 145
8.2.2 TD SCDMA 標準 145
8.2.3 CDMA 2000 標準 146
8.3 WCDMA 技術 147
8.3.1 WCDMA 的演進與特點 147
8.3.2 WCDMA 系統(tǒng)的網絡結構 149
8.3.3 WCDMA 系統(tǒng)的無線接口 152
8.3.4 WCDMA 系統(tǒng)的關鍵技術 155
8.3.5 編號計劃 157
8.3.6 WCDMA典型基站配置與維護 158
8.4 TD SCDMA 技術 161
8.4.1 TD SCDMA 的演進與特點 161
8.4.2 TD SCDMA系統(tǒng)的無線接口 162
8.4.3 TD SCDMA 物理層的關鍵
過程 165
8.4.4 TD SCDMA 系統(tǒng)的關鍵
技術 168
8.4.5 TD SCDMA 典型基站配置與
維護 170
8.5 3G 系統(tǒng)技術比較 171
練習題與思考題 172
第9 章 LTE 網絡技術 173
9.1 LTE 系統(tǒng)概述
新書資訊