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移動(dòng)通信原理、技術(shù)與系統(tǒng)(第2版) 讀者對(duì)象:高等學(xué)校電子信息和通信工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生及研究生,通信工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)或相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員。
本書(shū)面向新工科建設(shè)的要求,重點(diǎn)介紹移動(dòng)通信原理、技術(shù)與系統(tǒng),包括原理和技術(shù)篇及系統(tǒng)篇。原理和技術(shù)篇包括第1~6章,從移動(dòng)通信的概念及其歷史演進(jìn)入手,重點(diǎn)介紹了電波傳播及信道模型、信源和信道編解碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、鏈路性能增強(qiáng)技術(shù)及移動(dòng)通信組網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容,注重技術(shù)演進(jìn)過(guò)程的分析和各技術(shù)適用場(chǎng)景的討論,培養(yǎng)讀者分析技術(shù)適用場(chǎng)景的能力;系統(tǒng)篇包括第7~10章,主要對(duì)現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信中的常見(jiàn)系統(tǒng)進(jìn)行介紹,具體包括GSM、IS-95、3G、4G、5G相關(guān)系統(tǒng),重點(diǎn)介紹了從2G到5G的演進(jìn)過(guò)程及其關(guān)鍵技術(shù)的變化,培養(yǎng)讀者根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求運(yùn)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)構(gòu)建移動(dòng)通信系統(tǒng)的能力,進(jìn)而具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力和創(chuàng)新思維。此外,本書(shū)在梳理中國(guó)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展歷程(1G空白、2G跟隨、3G突破、4G同步、5G引領(lǐng))的同時(shí),介紹了發(fā)達(dá)國(guó)家在移動(dòng)通信領(lǐng)域的最新研究情況,使讀者在具有民族自豪感的同時(shí)也具有一定的緊迫感。 本書(shū)層次清晰、內(nèi)容豐富、面向前沿科技成果,可作為高等學(xué)校電子信息和通信工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生及研究生移動(dòng)通信課程的教材,也適合通信工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)或相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員參考使用。
沙學(xué)軍,哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士,中國(guó)通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,中國(guó)電子商會(huì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、電磁頻譜安全與控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。擔(dān)任專(zhuān)用通信系統(tǒng)教育部工程研究中心主任,中國(guó)通信學(xué)報(bào)、物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報(bào)編委。主要研究方向?yàn)閷?zhuān)用通信系統(tǒng)、自組網(wǎng)接入與路由控制、時(shí)頻協(xié)同信號(hào)設(shè)計(jì)與處理,主持完成973計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)及其他重大項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng),國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng),教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng),黑龍江省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。獲得授權(quán)專(zhuān)利100余項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。 吳宣利,哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。擔(dān)任中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證專(zhuān)家,中國(guó)通信學(xué)會(huì)無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用與管理委員會(huì)委員,中國(guó)電子學(xué)會(huì)物聯(lián)網(wǎng)青年專(zhuān)技組委員,IEEE VTS Harbin Chapter主席。主要從事B5G和6G系統(tǒng)的智能超表面、超密集網(wǎng)絡(luò)、非正交多址、頻譜共享及物理層安全等方面的研究。承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)子課題等各類(lèi)科研項(xiàng)目40余項(xiàng)。獲得黑龍江省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。獲得授權(quán)專(zhuān)利50余項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。何晨光,哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信工程系副主任,黑龍江省青年教學(xué)名師,中國(guó)通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,教學(xué)競(jìng)賽獲得國(guó)家級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng),省級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng),主持省教改項(xiàng)目3項(xiàng),發(fā)表教學(xué)改革與研究論文10余篇,其中1篇論文獲得中國(guó)電子教育學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文1等獎(jiǎng)。主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)、自組網(wǎng)技術(shù)。
第1 章 概述................................................................................................ 3
1.1 移動(dòng)通信簡(jiǎn)史及典型系統(tǒng)介紹 ................................................................................................ 3 1.1.1 蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) ......................................................................................................... 4 1.1.2 專(zhuān)用業(yè)務(wù)移動(dòng)通信系統(tǒng) ............................................................................................... 10 1.1.3 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng) ....................................................................................................... 11 1.1.4 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) ............................................................................................................... 13 1.2 移動(dòng)通信的工作方式 .............................................................................................................. 15 1.3 移動(dòng)通信的頻譜分配 .............................................................................................................. 17 1.4 移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì) .............................................................................................................. 20 思考題與習(xí)題 ................................................................................................................................... 21 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................... 21 第2 章 電波傳播及信道模型 ............................................................................................................... 22 2.1 電波傳播的特點(diǎn) ................................................................................................................ 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(jī)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(xiàn)跟蹤模型 ......................................................................................... 29 2.4.1 雙射線(xiàn)傳播模型 ........................................................................................................... 30 2.4.2 多射線(xiàn)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(jì)算法 ............................................................................................... 35 2.5.3 室內(nèi)傳播模型 ............................................................................................................... 42 2.5.4 超密集網(wǎng)絡(luò)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(shù) ....................................................................................................... 48 2.7.4 無(wú)線(xiàn)信道分類(lèi) ............................................................................................................... 51 2.8 多徑信道的統(tǒng)計(jì)模型 ........................................................................................................ 53 2.8.1 多徑信道的統(tǒng)計(jì)分析 ................................................................................................... 53 2.8.2 衰落信道建模和仿真 ................................................................................................... 56 2.9 5G 場(chǎng)景下的3D 信道覆蓋 ................................................................................................ 60 思考題與習(xí)題 ............................................................................................................................ 61 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................... 62 第3 章 信源和信道編解碼技術(shù) ........................................................................................................... 63 3.1 語(yǔ)音編解碼技術(shù) ................................................................................................................ 63 3.1.1 語(yǔ)音壓縮編碼的特點(diǎn) ................................................................................................... 64 3.1.2 語(yǔ)音編解碼器的性能指標(biāo) ........................................................................................... 65 3.1.3 語(yǔ)音編碼技術(shù)分類(lèi) ....................................................................................................... 67 3.1.4 移動(dòng)通信中的語(yǔ)音編解碼技術(shù) ................................................................................... 68 3.2 圖像和視頻編解碼技術(shù) ..................................................................................................... 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(biāo) ........................................................................................... 79 3.2.3 圖像編碼技術(shù)分類(lèi) ....................................................................................................... 80 3.2.4 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi) ....................................................................................................... 81 3.3 信道編碼的基本原理及性能參數(shù) ..................................................................................... 82 3.3.1 基本原理 ....................................................................................................................... 82 3.3.2 性能參數(shù) ....................................................................................................................... 83 3.4 線(xiàn)性分組碼 ........................................................................................................................ 86 3.4.1 循環(huán)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(jí)聯(lián)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(dòng)通信中的信道編碼技術(shù)演進(jìn)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(xí)題 .......................................................................................................................... 105 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 106 第4 章 調(diào)制技術(shù) .............................................................................................................................108 4.1 概述 ........................................................................................................................................ 108 4.2 信號(hào)空間分析 ........................................................................................................................ 109 4.2.1 信號(hào)與系統(tǒng)模型 ......................................................................................................... 109 4.2.2 向量空間 ..................................................................................................................... 110 4.2.3 信號(hào)空間 ..................................................................................................................... 111 4.2.4 信號(hào)的正交展開(kāi) ......................................................................................................... 112 4.3 數(shù)字相位調(diào)制技術(shù) ................................................................................................................ 113 4.3.1 BPSK 調(diào)制和DPSK 調(diào)制 .......................................................................................... 113 4.3.2 QPSK 調(diào)制 .................................................................................................................. 115 4.3.3 OQPSK 調(diào)制 ............................................................................................................... 117 4.3.4 ?/4-QPSK 調(diào)制 ......................................................................................................... 118 4.4 正交振幅調(diào)制 ........................................................................................................................ 121 4.4.1 QAM 信號(hào)的基本原理 ............................................................................................... 121 4.4.2 MQAM 信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) ....................................................................................... 123 4.4.3 MQAM 信號(hào)的性能 ................................................................................................... 124 4.5 頻率調(diào)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(wǎng)格編碼調(diào)制 ........................................................................................................................ 132 4.6.1 網(wǎng)格編碼調(diào)制的基本概念 ......................................................................................... 132 4.6.2 網(wǎng)格編碼調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生 ......................................................................................... 133 4.7 正交頻分復(fù)用技術(shù) ................................................................................................................ 136 4.7.1 概述 ............................................................................................................................. 136 4.7.2 OFDM 技術(shù)的基本原理 ............................................................................................. 136 4.8 擴(kuò)展維度的協(xié)同物理層波形 ................................................................................................ 141 4.8.1 時(shí)頻協(xié)同的物理層波形設(shè)計(jì) ..................................................................................... 141 4.8.2 IQ 分量協(xié)同的恒包絡(luò)波形設(shè)計(jì) ................................................................................ 144 思考題與習(xí)題 ................................................................................................................................. 152 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 153 第5 章 鏈路性能增強(qiáng)技術(shù) ................................................................................................................. 154 5.1 擴(kuò)頻通信 ......................................................................................................................... 154 5.1.1 擴(kuò)頻基本原理 ............................................................................................................. 154 5.1.2 直接序列擴(kuò)頻 ............................................................................................................. 158 5.1.3 跳頻擴(kuò)頻 ..................................................................................................................... 158 5.1.4 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益 ......................................................................................... 160 5.1.5 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的干擾容限 ......................................................................................... 162 5.1.6 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn) ......................................................................................... 163 5.2 分集 ................................................................................................................................. 164 5.2.1 獨(dú)立衰落路徑的實(shí)現(xiàn)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(jī) ............................................................................................................ 174 5.2.4 計(jì)算分集的設(shè)想 ........................................................................................................ 177 5.3 發(fā)射分集和MIMO 技術(shù) ................................................................................................. 179 5.3.1 發(fā)射分集 .................................................................................................................... 179 5.3.2 MIMO 技術(shù) ................................................................................................................ 180 5.4 均衡技術(shù) ......................................................................................................................... 185 5.4.1 均衡原理 .................................................................................................................... 185 5.4.2 均衡器的類(lèi)型 ............................................................................................................ 186 5.4.3 線(xiàn)性均衡器與非線(xiàn)性均衡器 .................................................................................... 187 5.4.4 自適應(yīng)均衡器 ............................................................................................................ 191 5.4.5 頻域均衡器 ................................................................................................................ 193 思考題與習(xí)題 .......................................................................................................................... 194 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 195 第6 章 移動(dòng)通信組網(wǎng)技術(shù) ................................................................................................................. 197 6.1 移動(dòng)通信網(wǎng)的基本概念 ................................................................................................... 197 6.1.1 移動(dòng)通信網(wǎng)的組成 ..................................................................................................... 197 6.1.2 移動(dòng)通信網(wǎng)的覆蓋方式 ............................................................................................. 198 6.1.3 蜂窩組網(wǎng)與頻率復(fù)用 ................................................................................................. 201 6.2 多址接入技術(shù) .................................................................................................................. 209 6.2.1 頻分多址 ..................................................................................................................... 209 6.2.2 時(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)的容量分析 ................................................................................. 221 6.3 移動(dòng)通信網(wǎng)的信令與接口 ............................................................................................... 224 6.3.1 接入信令 ..................................................................................................................... 225 6.3.2 網(wǎng)絡(luò)信令 ..................................................................................................................... 227 6.4 多信道共用及話(huà)務(wù)量分析 ............................................................................................... 228 6.4.1 話(huà)務(wù)量、呼損率和用戶(hù)量 ......................................................................................... 228 6.4.2 信道自動(dòng)選擇方式 ..................................................................................................... 232 思考題與習(xí)題 .......................................................................................................................... 234 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 234 下篇 系統(tǒng)篇 第7 章 GSM 及其增強(qiáng)體制 ............................................................................................................... 237 7.1 概述 ....................................................................................................................................... 237 7.1.1 GSM 的發(fā)展歷程 ....................................................................................................... 237 7.1.2 GSM 的業(yè)務(wù) ............................................................................................................... 238 7.1.3 GSM 的體系結(jié)構(gòu) ....................................................................................................... 239 7.2 GSM 的信道 .......................................................................................................................... 246 7.2.1 時(shí)隙和幀結(jié)構(gòu) ............................................................................................................. 246 7.2.2 邏輯信道及其分類(lèi) ..................................................................................................... 248 7.2.3 突發(fā)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(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù) ...................................................................................................... 255 7.3.1 GSM 中的語(yǔ)音編碼技術(shù) ........................................................................................... 255 7.3.2 GSM 中的抗干擾技術(shù) ............................................................................................... 256 7.3.3 GSM 中的調(diào)制解調(diào)技術(shù) ........................................................................................... 258 7.3.4 GSM 中的抗衰落技術(shù) ............................................................................................... 259 7.3.5 GSM 中的其他技術(shù) ................................................................................................... 260 7.4 GSM 的控制與管理 .............................................................................................................. 262 7.4.1 鑒權(quán)和加密 ................................................................................................................ 262 7.4.2 GSM 呼叫接續(xù)與管理 ............................................................................................... 264 7.5 GSM 演進(jìn)技術(shù) ...................................................................................................................... 273 7.5.1 GPRS 的結(jié)構(gòu)和功能 ................................................................................................. 273 7.5.2 GPRS 的關(guān)鍵技術(shù) ..................................................................................................... 274 7.5.3 EDGE 的發(fā)展 ............................................................................................................ 276 7.5.4 EDGE 的關(guān)鍵技術(shù) .................................................................................................... 277 思考題與習(xí)題 ................................................................................................................................ 279 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................ 280 第8 章 IS-95 CDMA 系統(tǒng) ................................................................................................................. 281 8.1 IS-95 CDMA 系統(tǒng)概述 .................................................................................................... 281 8.1.1 IS-95 CDMA 系統(tǒng)的發(fā)展 .......................................................................................... 281 8.1.2 IS-95 CDMA 系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能............................................................... 282 8.1.3 IS-95 CDMA 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) .................................................................................. 282 8.2 IS-95 CDMA 系統(tǒng)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(tǒng)的增強(qiáng)技術(shù) ........................................................................................ 293 8.3.1 語(yǔ)音編解碼技術(shù) ......................................................................................................... 293 8.3.2 RAKE 接收 ................................................................................................................. 294 8.3.3 語(yǔ)音激活技術(shù)和功率控制技術(shù) ................................................................................. 297 8.4 IS-95 CDMA 系統(tǒng)的控制與管理 ..................................................................................... 299 8.4.1 登記 ............................................................................................................................. 299 8.4.2 鑒權(quán)與加密 ................................................................................................................. 300 8.4.3 切換與漫游 ................................................................................................................. 304 8.4.4 呼叫接續(xù) ..................................................................................................................... 305 思考題與習(xí)題 .......................................................................................................................... 306 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 307 第9 章 第三代和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng) ............................................................................................. 308 9.1 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) ...................................................................................................... 308 9.1.1 概述 ............................................................................................................................. 308 9.1.2 組織 ............................................................................................................................. 309 9.1.3 主要標(biāo)準(zhǔn)及其演進(jìn) ..................................................................................................... 311 9.2 LTE 系統(tǒng) ......................................................................................................................... 315 9.2.1 LTE 系統(tǒng)概述 ............................................................................................................. 315 9.2.2 LTE 系統(tǒng)架構(gòu) ............................................................................................................. 316 9.2.3 LTE 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) ..................................................................................................... 318 9.3 LTE-Advanced 系統(tǒng) ......................................................................................................... 329 9.3.1 概述 ............................................................................................................................. 329 9.3.2 系統(tǒng)需求及發(fā)展趨勢(shì) ................................................................................................. 330 9.3.3 關(guān)鍵技術(shù) ..................................................................................................................... 330 思考題與習(xí)題 .......................................................................................................................... 332 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 332 第10 章 第五代和第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù) ........................................................... 333 10.1 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)概述 ............................................................................................. 333 10.1.1 5G 的重要地位 ......................................................................................................... 333 10.1.2 5G 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程 ..................................................................................................... 334 10.1.3 5G 的3 個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景 ......................................................................................... 335 10.1.4 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) ............................................................................................................. 336 10.2 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) .................................................................................. 339 10.2.1 超密集網(wǎng)絡(luò) ............................................................................................................... 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(wǎng)絡(luò)切片 ................................................................................................................... 355 10.3 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用 ......................................................................................... 357 10.3.1 云VR/AR .................................................................................................................. 358 10.3.2 車(chē)聯(lián)網(wǎng) ....................................................................................................................... 359 10.3.3 聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī) ............................................................................................................. 362 10.4 第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)的愿景及預(yù)期的關(guān)鍵技術(shù) ........................................................... 363 10.4.1 第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)的愿景 ................................................................................... 363 10.4.2 第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)預(yù)期的關(guān)鍵技術(shù) ................................................................... 365 思考題與習(xí)題 .......................................................................................................................... 367 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 367
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