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(xué)家赫茲根據(jù)麥克斯韋方程所預(yù)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(xué)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(wǎng)，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(wǎng)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(shù)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(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。為此，歐洲發(fā)展了GSM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)( 簡稱G 網(wǎng))，美國發(fā)展了DAMPS (Digital AMPS) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨后，美國又推出了碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(簡稱C 網(wǎng))。這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是以數(shù)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(shù)字信號的時代。
第三代數(shù)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(wǎng)絡(luò)提供的語音､數(shù)據(jù)､視頻圖像等業(yè)務(wù)，它的目標是在全球?qū)崿F(xiàn)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(wù)，其中實現(xiàn)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(nèi)環(huán)境中能夠支持2Mbit/ s 速率數(shù)據(jù)傳輸，并保證高可靠服務(wù)質(zhì)量(QoS)。經(jīng)過各個國家的努力，第三代數(shù)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(shù)，在核心網(wǎng)層面也有變革，由原來2G 系統(tǒng)的純電路域核心網(wǎng)演進成了3G 的分組域加電路域的核心網(wǎng)格局。為了完成這種轉(zhuǎn)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(lián)通主營WCDMA 系統(tǒng)､電信主營CDMA 2000。
隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的增長和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，3G 的局限性日益突出，如帶寬小､數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量和語音業(yè)務(wù)量占比持續(xù)擴大､頻譜利用率不高､數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)的需求，于是，4G移動通信系統(tǒng)應(yīng)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(wǎng)為純分組域網(wǎng)絡(luò)，采用全新的空口技術(shù)，復(fù)用技術(shù)和調(diào)制技術(shù)都進行了較為顯著的改革，使得新的網(wǎng)絡(luò)更符合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)達到103.2 Tbit/ s，2017 年用戶月平均移動互聯(lián)網(wǎng)接入流量達到2.25G，比上一年同期增長147.8% ，網(wǎng)絡(luò)的健壯性能大為提高，終端設(shè)備豐富多樣，新業(yè)務(wù)層出不窮。到2017 年底，全球移動用戶數(shù)量突破50 億，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對社會的文明和進步產(chǎn)生了重大影響，利用無線信道最終接入的移動通信網(wǎng)絡(luò)，巧妙地實現(xiàn)了固定網(wǎng)絡(luò)與自由移動終端之間的連接，更使得人們開始實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展，4G 的帶寬將成為數(shù)據(jù)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(shù)，是滿足海量無線通信數(shù)據(jù)的唯一方案。它是4G 之后的延伸，目前5G 的需求及關(guān)鍵技術(shù)指標(KPI) 已基本確定，國際電聯(lián)將5G 應(yīng)用場景劃分為移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)兩大類，各個國家均認為5G 除了支持移動互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)､工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)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(shù)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(wǎng)絡(luò)，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(shù)研發(fā)試驗(分為5G 關(guān)鍵技術(shù)試驗､5G 技術(shù)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(wǎng)技術(shù)性能測試和5G 典型業(yè)務(wù)演示，由中國信息通信研究院牽頭組織，運營企業(yè)､設(shè)備企業(yè)及科研機構(gòu)共同參與；第二步，2018 ~2020 年，由國內(nèi)運營商牽頭組織，設(shè)備企業(yè)及科研機構(gòu)共同參與。我國預(yù)計在2020 年全面啟動5G 商用。
在移動技術(shù)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(xué)電子與電氣工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)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�？萍继�､教務(wù)處領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心與支持。感謝湖北省教育廳項目資助( No.17Q091) 以及中紡協(xié)教育教學(xué)改革項目的資助( No.2017BKJGLX116) 。感謝武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和移動通信專業(yè)的教師為本書出版傾注的熱情和心血。
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由于移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，加之作者本身教學(xué)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