編輯推薦
《通信原理與應用》係列教材由教育部高等學校電子信息科學與工程類專業教學指導分委員會規劃,清華大學曹誌剛教授擔任主編,在係統、深入的調研和教學研究實踐基礎上精心打造。
全國十餘所高校及知名企業的專傢和學者通力閤作,匯聚瞭通信原理課程教育工作者的教學和科研的豐碩成果。
教材理論嚴謹,內容先進,係統性強,教學適用性好,工程特色鮮明,充分體現瞭理論知識與工程應用相統一、案例教學與知識傳授相結閤的教育理念。
內容簡介
《通信原理與應用:係統案例部分 移動通信》是《通信原理與應用—係統案例部分》的移動通信分冊。
《通信原理與應用:係統案例部分 移動通信》是在教育部高等學校電子信息科學與工程類專業教學指導分委員會領導下組織編寫的係列教材,《通信原理與應用:係統案例部分 移動通信》分為基礎理論部分和係統案例部分,將理論部分和係統案例部分作為一個整體編寫,旨在理論聯係實際,學以緻用。
係統案例部分按應用類彆分為七個分冊:移動通信、光通信、衛星通信、寬帶接入、短距離無綫通信、廣播與多媒體通信、其他無綫通信。
《通信原理與應用:係統案例部分 移動通信》是其中的移動通信分冊,共收納七個案例:第二代蜂窩移動通信係統GSM、第二代蜂窩移動通信係統Is一95、第三代蜂窩移動通信係統wcDMA、第三代蜂窩移動通信係統cdma2000、第三代蜂窩移動通信係統TD—SCDMA、第三代蜂窩移動通信係統WiMAX、第四代蜂窩移動通信係統TD—LTE/TD—LTE—Advanced。
配套齣版的基礎理論部分內容包括:緒論、隨機過程基礎、模擬調製、數字信號基帶傳輸、數字調製、模擬信號數字化、差錯控製編碼、復用與多址技術、無綫通信傳輸新技術。
《通信原理與應用:係統案例部分 移動通信》可用作電子信息類專業及其他相關專業的本科生和研究生教材,也可供從事研究開發的工程技術人員參考和藉鑒。教學中可以將係統案例與理論部分配閤使用。
作者簡介
曹誌剛,清華大學電子工程係教授、博導。1962年畢業於清華大學無綫電係,獲優秀畢業生金質奬章,隨即留校任教。任教以來一直從事通信和語音信號處理等領域的研究和教學工作。1984年—1986年在美國斯坦福大學訪問,1997年為香港科技大學訪問教授。現任中國通信學會會士,衛星通信專業委員會副主任,IEEE終身高級會員,IEICE會員,電子學報副主編,China Communications、宇航學報等期刊編委。
先後承擔瞭數十項科研項目。獲國傢科技進步二等奬、軍隊科技進步一等奬和三等奬、電子工業部科技進步一等奬、教育部科技進步一等奬、山東省自然科學二等奬、北京市科技進步二等奬等十餘項科技奬勵,並獲政府特殊津貼。
已發錶論文500餘篇,獲2009年IEEE 馬可尼論文奬和多項國際會議優秀論文奬。獲專利20餘項。已齣版著譯5本,其中《現代通信原理》一書獲1996年全國電子類優秀教材一等奬。指導的兩名博士生分獲2003年和2005年全國百篇優秀博士論文奬和提名奬。個人傳記已收錄於中國科學技術協會2011年編撰齣版的《中國科學技術專傢傳略》中。
目錄
案例一 第二代蜂窩移動通信係統GSM
1.1 GSM概述
1.2 GSM的網絡結構
1.3 GSM的工作頻段
1.4 蜂窩覆蓋
1.4.1 蜂窩小區模型
1.4.2 同頻乾擾
1.4.3 小區頻率復用
1.4.4 多載波互調
1.5 GSM的時分多址
1.6 GSM qp的調製
1.7 GSM中的編碼
參考文獻
案例二 第二代蜂窩移動通信係統IS一95
2.1 IS一95概述
2.2 正交多址及擴頻碼
2.3 IS-95中的碼分多址
2.3.1 前嚮鏈路
2.3.2 反嚮鏈路
2.4 擴頻調製
2.4.1 前嚮鏈路
2.4.2 反嚮鏈路
2.5 信道編碼
2.6 語音編碼
2.7 RAKE接收
2.8 多址乾擾
2.8.1 多址乾擾的概念
2.8.2 遠近效應
2.8.3 軟容量
2.8.4 閉環功率控製
參考文獻
案例三 第三代蜂窩移動通信係統WCDMA
3.1 wcDMA概述
3.2 uMTs/wCDMA標準總體介紹
3.2.1 UMTS/WCDMA標準的網絡體係
3.2.2 uMTs/wcDMA標準的空中接口協議
3.2.3 從wCDMA到HSPA+的後續演進
3.3 wCDMA物理層設計原理
3.3.1 物理層設計的基本問題與解決思路
3.3.2 wCDMA的物理信道設計
3.4 uMTS/wCDMA標準的關鍵技術
3.4.1 擴頻序列設計
3.4.2 功率控製技術
3.4.3 軟切換過程
3.4.4 小區搜索過程
3.4.5 信道糾錯碼方案
3.4.6 AMR語音編碼
3.5 WCDMA呼叫工作流程
3.5.1 WCDMA呼叫總體流程
3.5.2 uE發起呼叫的流程
參考文獻
案例四 第三代蜂窩移動通信係統cdma2000
4.1 cdma2000標準及演進
4.2 cdma2000 EV—D0概述
4.3 時分多址和碼分復用結閤的前嚮鏈路
4.3.1 多碼模式的信道結構
4.3.2 時分多址
4.3.3 多用戶包(包分多址)
4.4 前嚮鏈路的速率控製
4.4.1 自適應調製編碼和高階調製
4.4.2 混閤ARQ(HARQ)
4.4.3 快速調度
4.5 反嚮鏈路概況及其速率控製
4.5.1 基於狀態轉移的速率控製方案
4.5.2 基於令牌桶的速率控製方案
4.6 多載波EV—DO
參考文獻
案例五 第三代蜂窩移動通信係統TD—SCDMA
5.1 TD—SCDMA概述
5.2 僞隨機碼及正交碼
5.2.1 擴頻技術
5.2.2 擾碼技術
5.3 同步碼分多址
5.3.1 同步幀和同步碼
5.3.2 訓l練序列
5.3.3 上行同步
5.4 信道編碼
5.4.1 循環冗餘校驗
5.4.2 傳輸塊的級聯和分段
5.4.3 信道編碼
5.4.4 交織技術
5.5 調製技術
5.5.1 QPSK調製
5.5.2 8PSK調製
5.5.3 16QAM調製
5.6 智能天綫
5.6.1 到達角估計
5.6.2 波束成形
5.7 信道估計和聯閤檢測
5.7.1 單小區信道估計算法
5.7.2 單小區聯閤檢測算法
5.8 動態信道分配
5.8.1 慢速動態信道分配技術
5.8.2 快速動態信道分配技術
參考文獻
案例六 第三代蜂窩移動通信係統WiMAX
6.1 wiMAx概述·
6.2 WiMAx網絡結構
6.3 IEEE:802.J6標準
6.4 多載波調製
6.4.1 多徑信道
6.4.2 多載波並行傳輸
6.4.3 OFDM
6.4.4 OFDMA
6.4.5 子載波上的數字調製
6.5 多天綫技術
6.5.1 MIMO信道
6.5.2 空時碼
6.5.3 空時發送分集
6.5.4 空間復用
6.6 信道編碼
6.6.1 捲積碼
6.6.2 級聯碼
6.6.3 Turbo碼
6.6.4 LDPC
參考文獻
案例七 第四代蜂窩移動通信係統TD—LTE/TD—LTE—Advanced
7.1 LTE概述
7.1.1 LTE的産生背景及發展現狀
7.1.2 LTE的係列版本
7.1.3 LTE的設計目標及實現技術
7.2 LTE的設計思路與總體架構
7.2.1 信道自適應的多用戶調度技術
7.2.2 雙工方式與幀結構
7.2.3 基於0FDMA的下行優化設計
7.2.4 基於SC—FDMAl的上行優化設計
7.2.5 LTE中的多天綫MIMO技術
7.2.6 LTE的網絡架構與協議棧
7.3 LTE的物理層設計
7.3.1 LTE的物理資源塊
7.3.2 LTE的物理信道
7.3.3 LTE的物理信號
7.3.4 LTE的調製技術與信道編碼
7.3.5 小區搜索過程
7.3.6 隨機接入過程
7.4 LTE—Advanced標準的增強技術
7.4.1 載波聚閤(cA)
7.4.2 MIM0增強技術
7.4.3 多點協作傳輸(CoMP)
7.4.4 中繼技術
7.5 TD—LTE與LTE FDD的區另0
7.5.1 幀結構不同帶來的差異
7.5.2 MIMO傳輸模式上的差異
7.5.3 與TD—SCDMA係統共存
參考文獻
係統案例部分總目錄
《通信原理與應用:係統案例部分 移動通信》 內容概述 本書旨在深入剖析移動通信領域的核心原理,並結閤豐富生動的係統案例,為讀者呈現一個全麵且實用的移動通信技術圖景。本書並非對移動通信的泛泛介紹,而是聚焦於那些驅動現代移動通信網絡運行的底層技術和關鍵設計理念,並通過具體案例的分析,讓抽象的理論變得觸手可及。 第一章:移動通信係統概述 本章將為讀者構建移動通信係統的宏觀框架。我們將從曆史發展的角度齣發,迴顧移動通信技術從第一代(1G)到當前領先的第五代(5G)的演進曆程,梳理每一次技術飛躍背後的驅動因素和關鍵突破。重點將放在第二章和第三章將要深入探討的四大核心技術支柱:多址技術、信道編碼、調製解調以及多徑傳播的對抗。我們將初步介紹這些技術在不同移動通信代際中的應用和演變,為後續章節打下堅實的基礎。同時,本章也會對移動通信係統的基本組成部分進行梳理,包括移動颱(UE)、基站(BTS/NodeB/gNB)、核心網(Core Network)以及相關的網絡架構,並初步探討不同網絡架構(如集中式、分布式)的優劣。此外,我們還會簡要介紹移動通信係統在頻譜利用、用戶容量、移動性管理等方麵的基本挑戰,並為讀者預告本書後續將如何通過深入的原理分析和案例研究來解決這些挑戰。 第二章:多址接入技術:共享寶貴的頻譜資源 頻譜是移動通信的生命綫。本章將圍繞“多址接入”(Multiple Access)技術展開,這是允許多個用戶在同一時間、同一頻率範圍內共享通信資源的根本技術。我們將詳細介紹以下幾種主流的多址接入技術: 頻分多址(FDMA): 講解其基本原理,即為每個用戶分配一個獨立的頻段,並分析其優點(實現簡單)和缺點(頻譜利用率低)。結閤一個簡單的FDMA係統設計案例,例如早期模擬移動電話係統,說明其工作流程和局限性。 時分多址(TDMA): 闡述其原理,即在同一頻段內,將時間劃分為多個時隙,每個用戶輪流占用一個或多個時隙。分析其優點(頻譜效率相對FDMA高)和缺點(需要精確的時鍾同步)。通過一個GSM(Global System for Mobile Communications)係統中的TDMA幀結構案例,展示其如何實現用戶區分和數據傳輸。 碼分多址(CDMA): 這是移動通信領域的一項革命性技術。本章將深入講解CDMA的基本原理,包括擴頻(Spreading)和解擴(Despreading)過程,以及僞隨機碼(PN Code)的作用。重點分析CDMA相比於FDMA和TDMA的優勢,如更高的頻譜利用率、抗乾擾能力強、保密性好等。我們將通過一個IS-95 CDMA係統或者UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)中的WCDMA(Wideband CDMA)的例子,詳細闡述其如何實現用戶間的並行通信,並深入剖析其容量的提升和軟切換(Soft Handoff)等關鍵特性。 正交頻分多址(OFDMA): 作為4G(LTE)和5G的核心技術,OFDMA的重要性不言而喻。本章將詳細介紹OFDMA的原理,即利用一組相互正交的子載波來傳輸數據,從而有效對抗頻率選擇性衰落。我們將深入分析OFDMA與OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的區彆,以及其在移動通信中的優勢,如高頻譜效率、對頻率選擇性衰落的魯棒性、靈活的資源分配等。通過LTE係統中OFDMA的資源調度和用戶分配案例,展示其如何高效地管理無綫資源,滿足高速率、低時延的數據傳輸需求。 第三章:信道編碼與調製解調:保障通信的可靠與高效 無綫信道環境復雜多變,信號在傳輸過程中會受到噪聲、乾擾和衰落的影響。本章將重點介紹信道編碼和調製解調技術,它們是剋服這些挑戰、確保通信可靠性和高效性的兩大基石。 信道編碼: 檢錯碼與糾錯碼: 區分兩者的概念和應用場景。 綫性分組碼: 介紹漢明碼(Hamming Code)等基本綫性分組碼的編碼和譯碼原理,並通過一個簡單的分組傳輸場景,展示其如何檢測和糾正少量錯誤。 捲積碼: 講解捲積碼的編碼過程,以及維特比(Viterbi)譯碼算法的基本思想,並分析其在糾錯能力上的優勢。 Turbo碼與LDPC碼: 作為現代通信係統(如3G、4G、5G)的關鍵技術,本章將重點深入剖析Turbo碼和LDPC碼(Low-Density Parity-Check Code)的結構、編碼和迭代譯碼原理。通過分析其在實際通信係統中的應用案例(如LTE的Turbo碼用於控製信道,5G的LDPC碼用於數據信道),闡述它們如何實現接近香農限的極佳糾錯性能,顯著提升瞭數據傳輸的可靠性。 調製解調: 基本調製技術: 介紹幅度鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)、相位鍵控(PSK)的基本原理,以及其優缺點。 正交幅度調製(QAM): 詳細講解QAM,特彆是M-QAM(如16-QAM, 64-QAM, 256-QAM)的原理,分析其如何通過改變幅度和相位來提高頻譜效率。通過一個4G LTE係統中高階QAM的傳輸案例,展示其如何在良好信道條件下實現高速數據傳輸。 連續相位頻率鍵控(CPFSK)和高斯最小頻移鍵控(GMSK): 重點介紹GMSK,並分析其在GSM係統中的應用,闡述其良好的頻譜特性和恒包絡特性。 自適應調製與編碼(AMC): 講解AMC的概念,即根據信道條件動態調整調製階數和編碼率,以在不同信道環境下實現性能最優。通過一個實際的AMC係統切換案例,展示其如何根據信道質量的實時變化,智能地選擇最閤適的調製解調和編碼方案,從而在保證一定可靠性的前提下最大化數據吞吐量。 第四章:多徑傳播與對抗技術:應對無綫環境的挑戰 移動通信最顯著的特點之一是信號會通過多條路徑到達接收端,這就是多徑傳播。這種現象會導緻信號衰落、符號間乾擾(ISI)等嚴重問題。本章將深入探討多徑傳播的成因、錶現形式以及各種對抗技術。 多徑傳播的形成: 解釋信號在傳播過程中遇到障礙物(建築物、地形等)時發生反射、摺射、衍射等現象,導緻産生多個具有不同時延、幅度、相位的信號副本。 延遲擴展與相乾帶寬: 定義並解釋這兩個關鍵參數,它們決定瞭多徑效應的嚴重程度。 衰落(Fading): 介紹平坦衰落(Flat Fading)和頻率選擇性衰落(Frequency Selective Fading)的區彆,並解釋其對信號的影響。 對抗技術: 均衡(Equalization): 講解其原理,即通過設計濾波器來補償由於多徑引起的信號失真,尤其關注綫性均衡(如MMSE均衡)和非綫性均衡(如MLSE均衡)的原理和應用。通過一個早期移動通信係統(如CDMA one)中的均衡器設計案例,說明其如何補償符號間乾擾。 分集技術(Diversity): 空間分集: 介紹空間分集的概念,包括接收分集、發送分集、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)等。重點講解MIMO技術,包括空分多用(Spatial Multiplexing)、發射分集(Transmit Diversity)和預編碼(Precoding)等原理,並通過一個LTE或5G係統中MIMO的應用案例,展示其如何利用多天綫技術,在不增加頻譜資源的情況下,極大地提升數據傳輸速率和鏈路可靠性。 頻率分集、時間分集、極化分集: 簡要介紹這些分集方式及其原理。 OFDM/OFDMA的優勢: 再次強調OFDM/OFDMA技術本身就是一種對抗頻率選擇性衰落的有效手段,通過將寬帶信號分割成多個窄帶子信道,每個子信道上的衰落相對平坦,大大簡化瞭均衡的難度。 第五章:移動性管理:保障通信的無縫接續 移動通信用戶的核心需求之一是“移動中通信”。本章將聚焦於移動性管理,即如何確保用戶在移動過程中,通信能夠持續、無縫地進行,並兼顧網絡資源的有效利用。 位置更新(Location Update): 詳細講解位置更新的流程,包括當用戶進入新的地理區域(Cell/Tracking Area)時,如何嚮網絡報告其當前位置。分析其目的,即允許網絡精確追蹤用戶位置,以便在需要時能將呼叫和數據正確地路由到用戶。 切換(Handoff/Handover): 軟切換(Soft Handoff)與硬切換(Hard Handoff): 詳細區分這兩種切換方式。解釋軟切換(在CDMA係統中常見)是指用戶在切換過程中同時與多個基站保持連接,而硬切換(在GSM、LTE等係統中常見)是指用戶在切換過程中,先斷開與舊基站的連接,再連接到新基站。 切換判決標準: 闡述網絡如何基於信號強度、信噪比等指標來決定何時發起切換。 切換流程: 通過一個LTE或5G係統中的切換流程案例,圖示化地展示用戶從一個基站移動到另一個基站時,網絡如何協調完成連接的轉移,保證用戶感知不到通信中斷。 尋呼(Paging): 講解網絡如何通過位置管理來有效地嚮處於空閑狀態的用戶發送呼叫或數據通知。分析尋呼機製如何平衡用戶響應的及時性和網絡資源的節省。 第六章:現代移動通信係統案例分析 本章將是本書的重點,我們將通過分析具體的、具有代錶性的現代移動通信係統,將前麵章節介紹的原理融會貫通,並通過實際案例來加深理解。 LTE(Long-Term Evolution)係統案例: LTE的網絡架構(EPC - Evolved Packet Core): 介紹其核心網架構,包括MME、S-GW、P-GW、HSS等關鍵網元的功能。 LTE的空口技術: 重點分析LTE如何結閤OFDMA(下行)和SC-FDMA(上行),以及MIMO、QAM等技術,實現高數據速率和低時延。 LTE的資源調度: 通過一個LTE數據傳輸調度案例,展示其如何靈活地分配時間和頻率資源給不同的用戶,以滿足其業務需求。 LTE的切換機製: 詳細剖析LTE中的切換流程,並分析其軟切換和硬切換的實現方式。 5G NR(New Radio)係統案例: 5G NR的關鍵特性: 介紹5G NR相較於LTE的演進,包括更靈活的幀結構、更廣泛的頻譜(Sub-6GHz和毫米波)、超低時延(URLLC)、海量連接(mMTC)和增強移動寬帶(eMBB)等。 5G NR的多種工作模式: 分析其SA(Standalone)和NSA(Non-Standalone)模式,以及mMIMO、波束賦形(Beamforming)等技術在毫米波頻段的應用。 5G NR的切片(Network Slicing)概念: 介紹5G如何通過邏輯上獨立的網絡切片,為不同行業和應用場景提供定製化的服務。 5G NR的超低時延通信(URLLC)實現: 通過一個URLLC場景(如自動駕駛、遠程醫療)的案例,深入分析5G NR如何在物理層和協議層進行優化,以達到毫秒級的端到端時延。 結論 本書通過對移動通信核心原理的深入剖析,並輔以詳實、貼近實際的係統案例,旨在幫助讀者建立起對移動通信係統運作機製的全麵認知。從頻譜共享的奧秘,到對抗信道乾擾的智慧,再到保障移動性的技術,本書層層遞進,力求為每一位對移動通信技術感興趣的讀者提供一份紮實、深入的學習資料。希望本書能成為您探索移動通信廣闊世界的有力助手。