编辑推荐
《通信原理与应用》系列教材由教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会规划,清华大学曹志刚教授担任主编,在系统、深入的调研和教学研究实践基础上精心打造。
全国十余所高校及知名企业的专家和学者通力合作,汇聚了通信原理课程教育工作者的教学和科研的丰硕成果。
教材理论严谨,内容先进,系统性强,教学适用性好,工程特色鲜明,充分体现了理论知识与工程应用相统一、案例教学与知识传授相结合的教育理念。
内容简介
《通信原理与应用:系统案例部分 移动通信》是《通信原理与应用—系统案例部分》的移动通信分册。
《通信原理与应用:系统案例部分 移动通信》是在教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会领导下组织编写的系列教材,《通信原理与应用:系统案例部分 移动通信》分为基础理论部分和系统案例部分,将理论部分和系统案例部分作为一个整体编写,旨在理论联系实际,学以致用。
系统案例部分按应用类别分为七个分册:移动通信、光通信、卫星通信、宽带接入、短距离无线通信、广播与多媒体通信、其他无线通信。
《通信原理与应用:系统案例部分 移动通信》是其中的移动通信分册,共收纳七个案例:第二代蜂窝移动通信系统GSM、第二代蜂窝移动通信系统Is一95、第三代蜂窝移动通信系统wcDMA、第三代蜂窝移动通信系统cdma2000、第三代蜂窝移动通信系统TD—SCDMA、第三代蜂窝移动通信系统WiMAX、第四代蜂窝移动通信系统TD—LTE/TD—LTE—Advanced。
配套出版的基础理论部分内容包括:绪论、随机过程基础、模拟调制、数字信号基带传输、数字调制、模拟信号数字化、差错控制编码、复用与多址技术、无线通信传输新技术。
《通信原理与应用:系统案例部分 移动通信》可用作电子信息类专业及其他相关专业的本科生和研究生教材,也可供从事研究开发的工程技术人员参考和借鉴。教学中可以将系统案例与理论部分配合使用。
作者简介
曹志刚,清华大学电子工程系教授、博导。1962年毕业于清华大学无线电系,获优秀毕业生金质奖章,随即留校任教。任教以来一直从事通信和语音信号处理等领域的研究和教学工作。1984年—1986年在美国斯坦福大学访问,1997年为香港科技大学访问教授。现任中国通信学会会士,卫星通信专业委员会副主任,IEEE终身高级会员,IEICE会员,电子学报副主编,China Communications、宇航学报等期刊编委。
先后承担了数十项科研项目。获国家科技进步二等奖、军队科技进步一等奖和三等奖、电子工业部科技进步一等奖、教育部科技进步一等奖、山东省自然科学二等奖、北京市科技进步二等奖等十余项科技奖励,并获政府特殊津贴。
已发表论文500余篇,获2009年IEEE 马可尼论文奖和多项国际会议优秀论文奖。获专利20余项。已出版著译5本,其中《现代通信原理》一书获1996年全国电子类优秀教材一等奖。指导的两名博士生分获2003年和2005年全国百篇优秀博士论文奖和提名奖。个人传记已收录于中国科学技术协会2011年编撰出版的《中国科学技术专家传略》中。
目录
案例一 第二代蜂窝移动通信系统GSM
1.1 GSM概述
1.2 GSM的网络结构
1.3 GSM的工作频段
1.4 蜂窝覆盖
1.4.1 蜂窝小区模型
1.4.2 同频干扰
1.4.3 小区频率复用
1.4.4 多载波互调
1.5 GSM的时分多址
1.6 GSM qp的调制
1.7 GSM中的编码
参考文献
案例二 第二代蜂窝移动通信系统IS一95
2.1 IS一95概述
2.2 正交多址及扩频码
2.3 IS-95中的码分多址
2.3.1 前向链路
2.3.2 反向链路
2.4 扩频调制
2.4.1 前向链路
2.4.2 反向链路
2.5 信道编码
2.6 语音编码
2.7 RAKE接收
2.8 多址干扰
2.8.1 多址干扰的概念
2.8.2 远近效应
2.8.3 软容量
2.8.4 闭环功率控制
参考文献
案例三 第三代蜂窝移动通信系统WCDMA
3.1 wcDMA概述
3.2 uMTs/wCDMA标准总体介绍
3.2.1 UMTS/WCDMA标准的网络体系
3.2.2 uMTs/wcDMA标准的空中接口协议
3.2.3 从wCDMA到HSPA+的后续演进
3.3 wCDMA物理层设计原理
3.3.1 物理层设计的基本问题与解决思路
3.3.2 wCDMA的物理信道设计
3.4 uMTS/wCDMA标准的关键技术
3.4.1 扩频序列设计
3.4.2 功率控制技术
3.4.3 软切换过程
3.4.4 小区搜索过程
3.4.5 信道纠错码方案
3.4.6 AMR语音编码
3.5 WCDMA呼叫工作流程
3.5.1 WCDMA呼叫总体流程
3.5.2 uE发起呼叫的流程
参考文献
案例四 第三代蜂窝移动通信系统cdma2000
4.1 cdma2000标准及演进
4.2 cdma2000 EV—D0概述
4.3 时分多址和码分复用结合的前向链路
4.3.1 多码模式的信道结构
4.3.2 时分多址
4.3.3 多用户包(包分多址)
4.4 前向链路的速率控制
4.4.1 自适应调制编码和高阶调制
4.4.2 混合ARQ(HARQ)
4.4.3 快速调度
4.5 反向链路概况及其速率控制
4.5.1 基于状态转移的速率控制方案
4.5.2 基于令牌桶的速率控制方案
4.6 多载波EV—DO
参考文献
案例五 第三代蜂窝移动通信系统TD—SCDMA
5.1 TD—SCDMA概述
5.2 伪随机码及正交码
5.2.1 扩频技术
5.2.2 扰码技术
5.3 同步码分多址
5.3.1 同步帧和同步码
5.3.2 训l练序列
5.3.3 上行同步
5.4 信道编码
5.4.1 循环冗余校验
5.4.2 传输块的级联和分段
5.4.3 信道编码
5.4.4 交织技术
5.5 调制技术
5.5.1 QPSK调制
5.5.2 8PSK调制
5.5.3 16QAM调制
5.6 智能天线
5.6.1 到达角估计
5.6.2 波束成形
5.7 信道估计和联合检测
5.7.1 单小区信道估计算法
5.7.2 单小区联合检测算法
5.8 动态信道分配
5.8.1 慢速动态信道分配技术
5.8.2 快速动态信道分配技术
参考文献
案例六 第三代蜂窝移动通信系统WiMAX
6.1 wiMAx概述·
6.2 WiMAx网络结构
6.3 IEEE:802.J6标准
6.4 多载波调制
6.4.1 多径信道
6.4.2 多载波并行传输
6.4.3 OFDM
6.4.4 OFDMA
6.4.5 子载波上的数字调制
6.5 多天线技术
6.5.1 MIMO信道
6.5.2 空时码
6.5.3 空时发送分集
6.5.4 空间复用
6.6 信道编码
6.6.1 卷积码
6.6.2 级联码
6.6.3 Turbo码
6.6.4 LDPC
参考文献
案例七 第四代蜂窝移动通信系统TD—LTE/TD—LTE—Advanced
7.1 LTE概述
7.1.1 LTE的产生背景及发展现状
7.1.2 LTE的系列版本
7.1.3 LTE的设计目标及实现技术
7.2 LTE的设计思路与总体架构
7.2.1 信道自适应的多用户调度技术
7.2.2 双工方式与帧结构
7.2.3 基于0FDMA的下行优化设计
7.2.4 基于SC—FDMAl的上行优化设计
7.2.5 LTE中的多天线MIMO技术
7.2.6 LTE的网络架构与协议栈
7.3 LTE的物理层设计
7.3.1 LTE的物理资源块
7.3.2 LTE的物理信道
7.3.3 LTE的物理信号
7.3.4 LTE的调制技术与信道编码
7.3.5 小区搜索过程
7.3.6 随机接入过程
7.4 LTE—Advanced标准的增强技术
7.4.1 载波聚合(cA)
7.4.2 MIM0增强技术
7.4.3 多点协作传输(CoMP)
7.4.4 中继技术
7.5 TD—LTE与LTE FDD的区另0
7.5.1 帧结构不同带来的差异
7.5.2 MIMO传输模式上的差异
7.5.3 与TD—SCDMA系统共存
参考文献
系统案例部分总目录
《通信原理与应用:系统案例部分 移动通信》 内容概述 本书旨在深入剖析移动通信领域的核心原理,并结合丰富生动的系统案例,为读者呈现一个全面且实用的移动通信技术图景。本书并非对移动通信的泛泛介绍,而是聚焦于那些驱动现代移动通信网络运行的底层技术和关键设计理念,并通过具体案例的分析,让抽象的理论变得触手可及。 第一章:移动通信系统概述 本章将为读者构建移动通信系统的宏观框架。我们将从历史发展的角度出发,回顾移动通信技术从第一代(1G)到当前领先的第五代(5G)的演进历程,梳理每一次技术飞跃背后的驱动因素和关键突破。重点将放在第二章和第三章将要深入探讨的四大核心技术支柱:多址技术、信道编码、调制解调以及多径传播的对抗。我们将初步介绍这些技术在不同移动通信代际中的应用和演变,为后续章节打下坚实的基础。同时,本章也会对移动通信系统的基本组成部分进行梳理,包括移动台(UE)、基站(BTS/NodeB/gNB)、核心网(Core Network)以及相关的网络架构,并初步探讨不同网络架构(如集中式、分布式)的优劣。此外,我们还会简要介绍移动通信系统在频谱利用、用户容量、移动性管理等方面的基本挑战,并为读者预告本书后续将如何通过深入的原理分析和案例研究来解决这些挑战。 第二章:多址接入技术:共享宝贵的频谱资源 频谱是移动通信的生命线。本章将围绕“多址接入”(Multiple Access)技术展开,这是允许多个用户在同一时间、同一频率范围内共享通信资源的根本技术。我们将详细介绍以下几种主流的多址接入技术: 频分多址(FDMA): 讲解其基本原理,即为每个用户分配一个独立的频段,并分析其优点(实现简单)和缺点(频谱利用率低)。结合一个简单的FDMA系统设计案例,例如早期模拟移动电话系统,说明其工作流程和局限性。 时分多址(TDMA): 阐述其原理,即在同一频段内,将时间划分为多个时隙,每个用户轮流占用一个或多个时隙。分析其优点(频谱效率相对FDMA高)和缺点(需要精确的时钟同步)。通过一个GSM(Global System for Mobile Communications)系统中的TDMA帧结构案例,展示其如何实现用户区分和数据传输。 码分多址(CDMA): 这是移动通信领域的一项革命性技术。本章将深入讲解CDMA的基本原理,包括扩频(Spreading)和解扩(Despreading)过程,以及伪随机码(PN Code)的作用。重点分析CDMA相比于FDMA和TDMA的优势,如更高的频谱利用率、抗干扰能力强、保密性好等。我们将通过一个IS-95 CDMA系统或者UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)中的WCDMA(Wideband CDMA)的例子,详细阐述其如何实现用户间的并行通信,并深入剖析其容量的提升和软切换(Soft Handoff)等关键特性。 正交频分多址(OFDMA): 作为4G(LTE)和5G的核心技术,OFDMA的重要性不言而喻。本章将详细介绍OFDMA的原理,即利用一组相互正交的子载波来传输数据,从而有效对抗频率选择性衰落。我们将深入分析OFDMA与OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的区别,以及其在移动通信中的优势,如高频谱效率、对频率选择性衰落的鲁棒性、灵活的资源分配等。通过LTE系统中OFDMA的资源调度和用户分配案例,展示其如何高效地管理无线资源,满足高速率、低时延的数据传输需求。 第三章:信道编码与调制解调:保障通信的可靠与高效 无线信道环境复杂多变,信号在传输过程中会受到噪声、干扰和衰落的影响。本章将重点介绍信道编码和调制解调技术,它们是克服这些挑战、确保通信可靠性和高效性的两大基石。 信道编码: 检错码与纠错码: 区分两者的概念和应用场景。 线性分组码: 介绍汉明码(Hamming Code)等基本线性分组码的编码和译码原理,并通过一个简单的分组传输场景,展示其如何检测和纠正少量错误。 卷积码: 讲解卷积码的编码过程,以及维特比(Viterbi)译码算法的基本思想,并分析其在纠错能力上的优势。 Turbo码与LDPC码: 作为现代通信系统(如3G、4G、5G)的关键技术,本章将重点深入剖析Turbo码和LDPC码(Low-Density Parity-Check Code)的结构、编码和迭代译码原理。通过分析其在实际通信系统中的应用案例(如LTE的Turbo码用于控制信道,5G的LDPC码用于数据信道),阐述它们如何实现接近香农限的极佳纠错性能,显著提升了数据传输的可靠性。 调制解调: 基本调制技术: 介绍幅度键控(ASK)、频率键控(FSK)、相位键控(PSK)的基本原理,以及其优缺点。 正交幅度调制(QAM): 详细讲解QAM,特别是M-QAM(如16-QAM, 64-QAM, 256-QAM)的原理,分析其如何通过改变幅度和相位来提高频谱效率。通过一个4G LTE系统中高阶QAM的传输案例,展示其如何在良好信道条件下实现高速数据传输。 连续相位频率键控(CPFSK)和高斯最小频移键控(GMSK): 重点介绍GMSK,并分析其在GSM系统中的应用,阐述其良好的频谱特性和恒包络特性。 自适应调制与编码(AMC): 讲解AMC的概念,即根据信道条件动态调整调制阶数和编码率,以在不同信道环境下实现性能最优。通过一个实际的AMC系统切换案例,展示其如何根据信道质量的实时变化,智能地选择最合适的调制解调和编码方案,从而在保证一定可靠性的前提下最大化数据吞吐量。 第四章:多径传播与对抗技术:应对无线环境的挑战 移动通信最显著的特点之一是信号会通过多条路径到达接收端,这就是多径传播。这种现象会导致信号衰落、符号间干扰(ISI)等严重问题。本章将深入探讨多径传播的成因、表现形式以及各种对抗技术。 多径传播的形成: 解释信号在传播过程中遇到障碍物(建筑物、地形等)时发生反射、折射、衍射等现象,导致产生多个具有不同时延、幅度、相位的信号副本。 延迟扩展与相干带宽: 定义并解释这两个关键参数,它们决定了多径效应的严重程度。 衰落(Fading): 介绍平坦衰落(Flat Fading)和频率选择性衰落(Frequency Selective Fading)的区别,并解释其对信号的影响。 对抗技术: 均衡(Equalization): 讲解其原理,即通过设计滤波器来补偿由于多径引起的信号失真,尤其关注线性均衡(如MMSE均衡)和非线性均衡(如MLSE均衡)的原理和应用。通过一个早期移动通信系统(如CDMA one)中的均衡器设计案例,说明其如何补偿符号间干扰。 分集技术(Diversity): 空间分集: 介绍空间分集的概念,包括接收分集、发送分集、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)等。重点讲解MIMO技术,包括空分多用(Spatial Multiplexing)、发射分集(Transmit Diversity)和预编码(Precoding)等原理,并通过一个LTE或5G系统中MIMO的应用案例,展示其如何利用多天线技术,在不增加频谱资源的情况下,极大地提升数据传输速率和链路可靠性。 频率分集、时间分集、极化分集: 简要介绍这些分集方式及其原理。 OFDM/OFDMA的优势: 再次强调OFDM/OFDMA技术本身就是一种对抗频率选择性衰落的有效手段,通过将宽带信号分割成多个窄带子信道,每个子信道上的衰落相对平坦,大大简化了均衡的难度。 第五章:移动性管理:保障通信的无缝接续 移动通信用户的核心需求之一是“移动中通信”。本章将聚焦于移动性管理,即如何确保用户在移动过程中,通信能够持续、无缝地进行,并兼顾网络资源的有效利用。 位置更新(Location Update): 详细讲解位置更新的流程,包括当用户进入新的地理区域(Cell/Tracking Area)时,如何向网络报告其当前位置。分析其目的,即允许网络精确追踪用户位置,以便在需要时能将呼叫和数据正确地路由到用户。 切换(Handoff/Handover): 软切换(Soft Handoff)与硬切换(Hard Handoff): 详细区分这两种切换方式。解释软切换(在CDMA系统中常见)是指用户在切换过程中同时与多个基站保持连接,而硬切换(在GSM、LTE等系统中常见)是指用户在切换过程中,先断开与旧基站的连接,再连接到新基站。 切换判决标准: 阐述网络如何基于信号强度、信噪比等指标来决定何时发起切换。 切换流程: 通过一个LTE或5G系统中的切换流程案例,图示化地展示用户从一个基站移动到另一个基站时,网络如何协调完成连接的转移,保证用户感知不到通信中断。 寻呼(Paging): 讲解网络如何通过位置管理来有效地向处于空闲状态的用户发送呼叫或数据通知。分析寻呼机制如何平衡用户响应的及时性和网络资源的节省。 第六章:现代移动通信系统案例分析 本章将是本书的重点,我们将通过分析具体的、具有代表性的现代移动通信系统,将前面章节介绍的原理融会贯通,并通过实际案例来加深理解。 LTE(Long-Term Evolution)系统案例: LTE的网络架构(EPC - Evolved Packet Core): 介绍其核心网架构,包括MME、S-GW、P-GW、HSS等关键网元的功能。 LTE的空口技术: 重点分析LTE如何结合OFDMA(下行)和SC-FDMA(上行),以及MIMO、QAM等技术,实现高数据速率和低时延。 LTE的资源调度: 通过一个LTE数据传输调度案例,展示其如何灵活地分配时间和频率资源给不同的用户,以满足其业务需求。 LTE的切换机制: 详细剖析LTE中的切换流程,并分析其软切换和硬切换的实现方式。 5G NR(New Radio)系统案例: 5G NR的关键特性: 介绍5G NR相较于LTE的演进,包括更灵活的帧结构、更广泛的频谱(Sub-6GHz和毫米波)、超低时延(URLLC)、海量连接(mMTC)和增强移动宽带(eMBB)等。 5G NR的多种工作模式: 分析其SA(Standalone)和NSA(Non-Standalone)模式,以及mMIMO、波束赋形(Beamforming)等技术在毫米波频段的应用。 5G NR的切片(Network Slicing)概念: 介绍5G如何通过逻辑上独立的网络切片,为不同行业和应用场景提供定制化的服务。 5G NR的超低时延通信(URLLC)实现: 通过一个URLLC场景(如自动驾驶、远程医疗)的案例,深入分析5G NR如何在物理层和协议层进行优化,以达到毫秒级的端到端时延。 结论 本书通过对移动通信核心原理的深入剖析,并辅以详实、贴近实际的系统案例,旨在帮助读者建立起对移动通信系统运作机制的全面认知。从频谱共享的奥秘,到对抗信道干扰的智慧,再到保障移动性的技术,本书层层递进,力求为每一位对移动通信技术感兴趣的读者提供一份扎实、深入的学习资料。希望本书能成为您探索移动通信广阔世界的有力助手。