正版 移动通信原理、技术与系统 沙学军,吴宣利,何晨光 电子工业

第1 章 概述................................................................................................ 3
1.1 移动通信简史及典型系统介绍 ................................................................................................ 3
1.1.1 蜂窝移动通信系统 ......................................................................................................... 4
1.1.2 专用业务移动通信系统 ............................................................................................... 10
1.1.3 卫星移动通信系统 ....................................................................................................... 11
1.1.4 无线数据网络 ............................................................................................................... 13
1.2 移动通信的工作方式 .............................................................................................................. 15
1.3 移动通信的频谱分配 .............................................................................................................. 17
1.4 移动通信的发展趋势 .............................................................................................................. 20
思考题与习题 ................................................................................................................................... 21
参考文献 ........................................................................................................................................... 21
第2 章 电波传播及信道模型 ............................................................................................................... 22
2.1 电波传播的特点 ................................................................................................................ 22
2.2 自由空间的电波传播 ........................................................................................................ 23
2.2.1 自由空间的传播损耗 ................................................................................................... 23
2.2.2 视距传播 ....................................................................................................................... 25
2.3 地面电波的传播机制 ........................................................................................................ 26
2.3.1 反射 ............................................................................................................................... 26
2.3.2 绕射 ............................................................................................................................... 27
2.3.3 散射 ............................................................................................................................... 29
2.4 地面电波传播的射线跟踪模型 ......................................................................................... 29
2.4.1 双射线传播模型 ........................................................................................................... 30
2.4.2 多射线传播模型 ........................................................................................................... 31
2.5 路径损耗 ........................................................................................................................... 31
2.5.1 室外传播模型 ............................................................................................................... 31
2.5.2 传播损耗的图形计算法 ............................................................................................... 35
2.5.3 室内传播模型 ............................................................................................................... 42
2.5.4 超密集网络中的传播损耗 ........................................................................................... 44
2.6 阴影衰落 ........................................................................................................................... 45
2.7 多径衰落 ........................................................................................................................... 46
2.7.1 多普勒频移 ................................................................................................................... 46
2.7.2 多径信道基本模型 ....................................................................................................... 47
2.7.3 多径信道主要参数 ....................................................................................................... 48
2.7.4 无线信道分类 ............................................................................................................... 51
2.8 多径信道的统计模型 ........................................................................................................ 53
2.8.1 多径信道的统计分析 ................................................................................................... 53
2.8.2 衰落信道建模和仿真 ................................................................................................... 56
2.9 5G 场景下的3D 信道覆盖 ................................................................................................ 60
思考题与习题 ............................................................................................................................ 61
参考文献 .................................................................................................................................... 62
第3 章 信源和信道编解码技术 ........................................................................................................... 63
3.1 语音编解码技术 ................................................................................................................ 63
3.1.1 语音压缩编码的特点 ................................................................................................... 64
3.1.2 语音编解码器的性能指标 ........................................................................................... 65
3.1.3 语音编码技术分类 ....................................................................................................... 67
3.1.4 移动通信中的语音编解码技术 ................................................................................... 68
3.2 图像和视频编解码技术 ..................................................................................................... 77
3.2.1 图像和视频中的冗余信息 ........................................................................................... 78
3.2.2 图像编码算法的性能指标 ........................................................................................... 79
3.2.3 图像编码技术分类 ....................................................................................................... 80
3.2.4 视频编码标准分类 ....................................................................................................... 81
3.3 信道编码的基本原理及性能参数 ..................................................................................... 82
3.3.1 基本原理 ....................................................................................................................... 82
3.3.2 性能参数 ....................................................................................................................... 83
3.4 线性分组码 ........................................................................................................................ 86
3.4.1 循环码 ........................................................................................................................... 87
3.4.2 BCH 码 .......................................................................................................................... 88
3.4.3 RS 码 ............................................................................................................................. 88
3.5 卷积码 ............................................................................................................................... 89
3.5.1 卷积码编码器 ............................................................................................................... 89
3.5.2 维特比译码 ................................................................................................................... 91
3.5.3 软判决维特比译码 ....................................................................................................... 94
3.6 级联编码 ........................................................................................................................... 94
3.7 交织编码 ........................................................................................................................... 95
3.8 Turbo 码 ............................................................................................................................. 97
3.9 LDPC 和极化码 ............................................................................................................... 100
3.9.1 移动通信中的信道编码技术演进概述 ..................................................................... 100
3.9.2 LDPC 概述 .................................................................................................................. 101
3.9.3 极化码概述 ................................................................................................................. 102
3.10 喷泉编码 ....................................................................................................................... 103
3.10.1 LT 码 ......................................................................................................................... 103
3.10.2 Raptor 码 ................................................................................................................... 104
思考题与习题 .......................................................................................................................... 105
参考文献 .................................................................................................................................. 106
第4 章 调制技术 .............................................................................................................................108
4.1 概述 ........................................................................................................................................ 108
4.2 信号空间分析 ........................................................................................................................ 109
4.2.1 信号与系统模型 ......................................................................................................... 109
4.2.2 向量空间 ..................................................................................................................... 110
4.2.3 信号空间 ..................................................................................................................... 111
4.2.4 信号的正交展开 ......................................................................................................... 112
4.3 数字相位调制技术 ................................................................................................................ 113
4.3.1 BPSK 调制和DPSK 调制 .......................................................................................... 113
4.3.2 QPSK 调制 .................................................................................................................. 115
4.3.3 OQPSK 调制 ............................................................................................................... 117
4.3.4 ?/4-QPSK 调制 ......................................................................................................... 118
4.4 正交振幅调制 ........................................................................................................................ 121
4.4.1 QAM 信号的基本原理 ............................................................................................... 121
4.4.2 MQAM 信号的产生和解调 ....................................................................................... 123
4.4.3 MQAM 信号的性能 ................................................................................................... 124
4.5 频率调制 ................................................................................................................................ 125
4.5.1 频移键控 ..................................................................................................................... 125
4.5.2 最小频移键控 ............................................................................................................. 127
4.5.3 高斯最小频移键控 ..................................................................................................... 131
4.6 网格编码调制 ........................................................................................................................ 132
4.6.1 网格编码调制的基本概念 ......................................................................................... 132
4.6.2 网格编码调制信号的产生 ......................................................................................... 133
4.7 正交频分复用技术 ................................................................................................................ 136
4.7.1 概述 ............................................................................................................................. 136
4.7.2 OFDM 技术的基本原理 ............................................................................................. 136
4.8 扩展维度的协同物理层波形 ................................................................................................ 141
4.8.1 时频协同的物理层波形设计 ..................................................................................... 141
4.8.2 IQ 分量协同的恒包络波形设计 ................................................................................ 144
思考题与习题 ................................................................................................................................. 152
参考文献 ......................................................................................................................................... 153
第5 章 链路性能增强技术 ................................................................................................................. 154
5.1 扩频通信 ......................................................................................................................... 154
5.1.1 扩频基本原理 ............................................................................................................. 154
5.1.2 直接序列扩频 ............................................................................................................. 158
5.1.3 跳频扩频 ..................................................................................................................... 158
5.1.4 扩频通信系统的处理增益 ......................................................................................... 160
5.1.5 扩频通信系统的干扰容限 ......................................................................................... 162
5.1.6 扩频通信系统的主要特点 ......................................................................................... 163
5.2 分集 ................................................................................................................................. 164
5.2.1 独立衰落路径的实现方法 ......................................................................................... 164
5.2.2 接收分集的合并方式及其性能分析 ......................................................................... 167
5.2.3 RAKE 接收机 ............................................................................................................ 174
5.2.4 计算分集的设想 ........................................................................................................ 177
5.3 发射分集和MIMO 技术 ................................................................................................. 179
5.3.1 发射分集 .................................................................................................................... 179
5.3.2 MIMO 技术 ................................................................................................................ 180
5.4 均衡技术 ......................................................................................................................... 185
5.4.1 均衡原理 .................................................................................................................... 185
5.4.2 均衡器的类型 ............................................................................................................ 186
5.4.3 线性均衡器与非线性均衡器 .................................................................................... 187
5.4.4 自适应均衡器 ............................................................................................................ 191
5.4.5 频域均衡器 ................................................................................................................ 193
思考题与习题 .......................................................................................................................... 194
参考文献 .................................................................................................................................. 195
第6 章 移动通信组网技术 ................................................................................................................. 197
6.1 移动通信网的基本概念 ................................................................................................... 197
6.1.1 移动通信网的组成 ..................................................................................................... 197
6.1.2 移动通信网的覆盖方式 ............................................................................................. 198
6.1.3 蜂窝组网与频率复用 ................................................................................................. 201
6.2 多址接入技术 .................................................................................................................. 209
6.2.1 频分多址 ..................................................................................................................... 209
6.2.2 时分多址 ..................................................................................................................... 215
6.2.3 码分多址 ..................................................................................................................... 217
6.2.4 空分多址 ..................................................................................................................... 220
6.2.5 蜂窝移动通信系统的容量分析 ................................................................................. 221
6.3 移动通信网的信令与接口 ............................................................................................... 224
6.3.1 接入信令 ..................................................................................................................... 225
6.3.2 网络信令 ..................................................................................................................... 227
6.4 多信道共用及话务量分析 ............................................................................................... 228
6.4.1 话务量、呼损率和用户量 ......................................................................................... 228
6.4.2 信道自动选择方式 ..................................................................................................... 232
思考题与习题 .......................................................................................................................... 234
参考文献 .................................................................................................................................. 234
下篇 系统篇
第7 章 GSM 及其增强体制 ............................................................................................................... 237
7.1 概述 ....................................................................................................................................... 237
7.1.1 GSM 的发展历程 ....................................................................................................... 237
7.1.2 GSM 的业务 ............................................................................................................... 238
7.1.3 GSM 的体系结构 ....................................................................................................... 239
7.2 GSM 的信道 .......................................................................................................................... 246
7.2.1 时隙和帧结构 ............................................................................................................. 246
7.2.2 逻辑信道及其分类 ..................................................................................................... 248
7.2.3 突发脉冲 ..................................................................................................................... 250
7.2.4 逻辑信道和物理信道间的映射 ................................................................................. 252
7.3 GSM 中的无线传输技术 ...................................................................................................... 255
7.3.1 GSM 中的语音编码技术 ........................................................................................... 255
7.3.2 GSM 中的抗干扰技术 ............................................................................................... 256
7.3.3 GSM 中的调制解调技术 ........................................................................................... 258
7.3.4 GSM 中的抗衰落技术 ............................................................................................... 259
7.3.5 GSM 中的其他技术 ................................................................................................... 260
7.4 GSM 的控制与管理 .............................................................................................................. 262
7.4.1 鉴权和加密 ................................................................................................................ 262
7.4.2 GSM 呼叫接续与管理 ............................................................................................... 264
7.5 GSM 演进技术 ...................................................................................................................... 273
7.5.1 GPRS 的结构和功能 ................................................................................................. 273
7.5.2 GPRS 的关键技术 ..................................................................................................... 274
7.5.3 EDGE 的发展 ............................................................................................................ 276
7.5.4 EDGE 的关键技术 .................................................................................................... 277
思考题与习题 ................................................................................................................................ 279
参考文献 ........................................................................................................................................ 280
第8 章 IS-95 CDMA 系统 ................................................................................................................. 281
8.1 IS-95 CDMA 系统概述 .................................................................................................... 281
8.1.1 IS-95 CDMA 系统的发展 .......................................................................................... 281
8.1.2 IS-95 CDMA 系统支持的业务和网络功能............................................................... 282
8.1.3 IS-95 CDMA 系统的体系结构 .................................................................................. 282
8.2 IS-95 CDMA 系统的信道 ................................................................................................ 287
8.2.1 前向链路 ..................................................................................................................... 287
8.2.2 反向链路 ..................................................................................................................... 291
8.3 IS-95 CDMA 系统的增强技术 ........................................................................................ 293
8.3.1 语音编解码技术 ......................................................................................................... 293
8.3.2 RAKE 接收 ................................................................................................................. 294
8.3.3 语音激活技术和功率控制技术 ................................................................................. 297
8.4 IS-95 CDMA 系统的控制与管理 ..................................................................................... 299
8.4.1 登记 ............................................................................................................................. 299
8.4.2 鉴权与加密 ................................................................................................................. 300
8.4.3 切换与漫游 ................................................................................................................. 304
8.4.4 呼叫接续 ..................................................................................................................... 305
思考题与习题 .......................................................................................................................... 306
参考文献 .................................................................................................................................. 307
第9 章 第三代和第四代移动通信系统 ............................................................................................. 308
9.1 第三代移动通信系统 ...................................................................................................... 308
9.1.1 概述 ............................................................................................................................. 308
9.1.2 组织 ............................................................................................................................. 309
9.1.3 主要标准及其演进 ..................................................................................................... 311
9.2 LTE 系统 ......................................................................................................................... 315
9.2.1 LTE 系统概述 ............................................................................................................. 315
9.2.2 LTE 系统架构 ............................................................................................................. 316
9.2.3 LTE 系统关键技术 ..................................................................................................... 318
9.3 LTE-Advanced 系统 ......................................................................................................... 329
9.3.1 概述 ............................................................................................................................. 329
9.3.2 系统需求及发展趋势 ................................................................................................. 330
9.3.3 关键技术 ..................................................................................................................... 330
思考题与习题 .......................................................................................................................... 332
参考文献 .................................................................................................................................. 332
第10 章 第五代和第六代移动通信系统的发展及关键技术 ........................................................... 333
10.1 第五代移动通信系统概述 ............................................................................................. 333
10.1.1 5G 的重要地位 ......................................................................................................... 333
10.1.2 5G 的标准化进程 ..................................................................................................... 334
10.1.3 5G 的3 个典型应用场景 ......................................................................................... 335
10.1.4 5G 网络架构 ............................................................................................................. 336
10.2 第五代移动通信系统的关键技术 .................................................................................. 339
10.2.1 超密集网络 ............................................................................................................... 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 网络切片 ................................................................................................................... 355
10.3 第五代移动通信系统的应用 ......................................................................................... 357
10.3.1 云VR/AR .................................................................................................................. 358
10.3.2 车联网 ....................................................................................................................... 359
10.3.3 联网无人机 ............................................................................................................. 362
10.4 第六代移动通信系统的愿景及预期的关键技术 ........................................................... 363
10.4.1 第六代移动通信系统的愿景 ................................................................................... 363
10.4.2 第六代移动通信系统预期的关键技术 ................................................................... 365
思考题与习题 .......................................................................................................................... 367
参考文献 .................................................................................................................................. 367

沙学军，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，中国电子学会会士，中国通信学会高级会员，中国电子商会物联网技术产品应用专业委员会、电磁频谱安全与控制专业委员会委员。担任专用通信系统教育部工程研究中心主任，中国通信学报、物联网学报编委。主要研究方向为专用通信系统、自组网接入与路由控制、时频协同信号设计与处理，主持完成973计划项目2项、国家自然科学基金面上项目3项及其他重大项目10余项。获得国家科技进步二等奖1项，国防科技进步一等奖2项、三等奖1项，教育部科技进步一等奖1项，黑龙江省技术发明一等奖1项。获得授权专利100余项，发表学术论文100余篇。
吴宣利，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。担任中国工程教育专业认证专家，中国通信学会无线电应用与管理委员会委员，中国电子学会物联网青年专技组委员，IEEE VTS Harbin Chapter主席。主要从事B5G和6G系统的智能超表面、超密集网络、非正交多址、频谱共享及物理层安全等方面的研究。承担国家重点研发计划课题、973计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项子课题等各类科研项目40余项。获得黑龙江省技术发明一等奖1项、自然科学奖二等奖2项。获得授权专利50余项，发表学术论文100余篇。
何晨光，哈尔滨工业大学通信工程系副主任，黑龙江省青年教学名师，中国通信学会高级会员，教学竞赛获得国家级一等奖1项，省级一等奖3项，主持省教改项目3项，发表教学改革与研究论文10余篇，其中1篇论文获得中国电子教育学会优秀论文1等奖。主要研究方向为移动通信技术、自组网技术。

本书面向新工科建设的要求，重点介绍移动通信原理、技术与系统，包括原理和技术篇及系统篇。原理和技术篇包括第1～6章，从移动通信的概念及其历史演进入手，重点介绍了电波传播及信道模型、信源和信道编解码技术、调制技术、链路性能增强技术及移动通信组网技术等相关内容，注重技术演进过程的分析和各技术适用场景的讨论，培养读者分析技术适用场景的能力；系统篇包括第7～10章，主要对现有蜂窝移动通信中的常见系统进行介绍，具体包括GSM、IS-95、3G、4G、5G相关系统，重点介绍了从2G到5G的演进过程及其关键技术的变化，培养读者根据不同应用场景和需求运用适当的技术构建移动通信系统的能力，进而具备解决复杂工程问题的综合能力和创新思维。此外，本书在梳理中国在移动通信领域的发展历程(1G空白、2G跟随、3G突破、4G同步、5G引领)的同时，介绍了发达国家在移动通信领域的最新研究情况，使读者在具有民族自豪感的同时也具有一定的紧迫感。 本书层次清晰、内容丰富、面向前沿科技成果，可作为高等学校电子信息和通信工程相关专业高年级本科生及研究生移动通信课程的教材，也适合通信工程相关专业或相关领域工程技术人员参考使用。