本书详细介绍了移动通信的原理和目前正在使用的移动通信系统。在上篇———基础篇中，首先介绍了移动通信的发展与演进过程､移动通信的信道､电波传播理论以及天线的知识，其次介绍了移动通信中的调制技术､抗衰落技术以及蜂窝组网等关键技术；在下篇———应用系统篇中，重点介绍了2G 的GSM 系统和CDMA 系统､3G 的WCDMA 与TD SCDMA系统以及4G 的LTE 系统，并对当前的研究热点———5G 移动通信系统进行了简要的介绍。
本书内容由浅入深，知识点层层展开，章节的开篇有导读和知识脉络介绍，课后配有相关练习，可供本科信息类专业高年级学生､研究生以及工程人员学习使用。
前 言
移动通信的发展历史可以追溯到19 世纪末，1873 年，苏格兰人麦克斯韦提出了电磁场理论，1880 年，德国物理学家赫兹根据麦克斯韦方程所预言的电磁波的发生､检测及其属性的测量进行了一系列著名的实验，1894 年，意大利学者马可尼做出了一个可用的无线电装置。1897 年，马可尼完成了超过2mi (1mi = 1609m) 距离的无线电通信试验。1900年，马可尼利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，从此，世界进入了无线电通信的新时代。
20 世纪70 年代中期，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统( Advanced Mobile Phone System，AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量，这是第一代移动通信系统，整个系统采用模拟信号来处理和传递语音信号，即模拟移动通信系统。此后，其他国家也相继开发了自己的第一代移动通信系统，如欧洲的900MHz 全接入通信系统( Total Access Communications System，TACS)､日本的800MHz 汽车电话系统等。这个时期的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。
20 世纪80 年代中期是数字移动通信系统逐渐成熟和发展的时期，模拟蜂窝移动通信系统虽然取得了成功，但也存在频谱利用率低､费用高､不保密等问题。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。为此，欧洲发展了GSM 网络系统( 简称G 网)，美国发展了DAMPS (Digital AMPS) 网络系统。随后，美国又推出了码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA) 网络系统(简称C 网)。这些网络系统都是以数字信号的传递为特征的，我们称之为第二代移动通信系统，从此移动通信进入数字信号的时代。
第三代数字蜂窝移动通信系统IMT 2000 (简称3G 移动通信系统) 利用第三代移动通信网络提供的语音､数据､视频图像等业务，它的目标是在全球实现统一频段､统一标准､无缝覆盖，提供移动宽带多媒体业务，其中实现高速移动环境下支持144kbit/ s 速率，步行和慢速移动环境下能够支持384kbit/ s 速率，室内环境中能够支持2Mbit/ s 速率数据传输，并保证高可靠服务质量(QoS)。经过各个国家的努力，第三代数字蜂窝移动通信系统最终确定了三种体制，分别是欧洲的WCDMA (宽带码分多址，Wideband CDMA)､中国的TD SCDMA (时分同步码分多址，Time Division Synchronous CDMA) 和美国的CDMA 2000。3G 系统不仅采用了新的空口技术，在核心网层面也有变革，由原来2G 系统的纯电路域核心网演进成了3G 的分组域加电路域的核心网格局。为了完成这种转化，2G 和3G 系统间有一个过渡时期，我们称之为2.5G 移动通信系统，如2.5G 的GPRS 系统(GSM 制式的过渡系统) 和IS 95B 系统(2G CDMA 制式的过渡系统)。我国于2009 年1 月7 日正式下发3G 运营牌照，分别为中国移动主营TD SCDMA 系统､联通主营WCDMA 系统､电信主营CDMA 2000。
随着数据业务量的增长和移动互联网业务的需求，3G 的局限性日益突出，如带宽小､数据业务量和语音业务量占比持续扩大､频谱利用率不高､数据速率满足不了需求等，迫切需要有一个更大带宽､更高速率的系统来满足移动互联网的需求，于是，4G移动通信系统应运而生。2005 年10 月在赫尔辛基举行的ITU R WP8F 第17 次会议上，正式将System Beyond IMT 2000 命名为IMT advanced (4G 移动通信系统)，其高移动性下可支持100Mbit/ s，低移动性下支持1Gbit/ s。4G 系统完全摒弃了电路域，核心网为纯分组域网络，采用全新的空口技术，复用技术和调制技术都进行了较为显著的改革，使得新的网络更符合数据业务的特点。我国于2013 年12 月4 日发放了4G 运营牌照，4G 的标准主要有2 个，分别是TD LTE 和FDD LTE。
21 世纪，通信网络以超摩尔定律的速度向前发展，实验室光纤传输容量已经达到103.2 Tbit/ s，2017 年用户月平均移动互联网接入流量达到2.25G，比上一年同期增长147.8% ，网络的健壮性能大为提高，终端设备丰富多样，新业务层出不穷。到2017 年底，全球移动用户数量突破50 亿，网络的发展对社会的文明和进步产生了重大影响，利用无线信道最终接入的移动通信网络，巧妙地实现了固定网络与自由移动终端之间的连接，更使得人们开始实现了5W，即任何人( Whoever) 在任何时间( Whenever) ､任何地点( Wherever) 与其他任何人( Whomever) 进行任何种类( Whatever) 的信息交换。随着移动互联网和物联网的进一步发展，4G 的带宽将成为数据速率的最大限制因素之一，如何开发新的频段范围及增加带宽成为又一个新的课题。
5G，即第五代移动通信技术，是满足海量无线通信数据的唯一方案。它是4G 之后的延伸，目前5G 的需求及关键技术指标(KPI) 已基本确定，国际电联将5G 应用场景划分为移动互联网和物联网两大类，各个国家均认为5G 除了支持移动互联网的发展之外，还将解决机器海量无线通信需求，极大促进车联网､工业互联网等领域的发展。
2016 年1 月，工业和信息化部在北京召开“5G 技术研发试验” 启动会，会上，IMT2020 (5G) 推进组在«5G 愿景与需求白皮书» 中指出，5G 定位于频谱效率更高､速率更快､容量更大的无线网络，其中频谱效率相比4G 需要提升5 ~15 倍。5G 的总体规划分两步: 第一步，2015 ~2018 年进行技术研发试验(分为5G 关键技术试验､5G 技术方案验证和5G 系统验证三个阶段实施)，最终到2018 年完成5G 系统的组网技术性能测试和5G 典型业务演示，由中国信息通信研究院牵头组织，运营企业､设备企业及科研机构共同参与；第二步，2018 ~2020 年，由国内运营商牵头组织，设备企业及科研机构共同参与。我国预计在2020 年全面启动5G 商用。
在移动技术需求的背景下，我们编写了本书。在编写过程中，得到了武汉纺织大学电子与电气工程学院领导与同仁的大力支持，感谢通信工程专业教研室对本书出版给予的大力支持，以及校科技处､教务处领导的关心与支持。感谢湖北省教育厅项目资助( No.17Q091) 以及中纺协教育教学改革项目的资助( No.2017BKJGLX116) 。感谢武汉工程大学邮电与信息工程学院的领导和移动通信专业的教师为本书出版倾注的热情和心血。
本书配有免费电子课件､电子教案以及授课计划，欢迎选用本书作教材的老师登录www.cmpedu.com 注册下载或发邮件到xufan666@163.com 索取。
由于移动通信技术的迅猛发展，加之作者本身教学与研究水平有限，书中的错误以及信息的滞后在所难免，恳请广大读者在使用过程中批评指正。
编 者
目 录
前 言
上篇 移动通信基础篇
第1 章 移动通信技术概述 2
1.1 移动通信的定义及发展历史 2
1.2 移动通信的特点及工作方式 3
1.2.1 移动通信的工作特点 3
1.2.2 移动通信系统的工作方式 4
1.3 移动通信系统的组成 5
1.3.1 陆地公众蜂窝通信系统 5
1.3.2 卫星移动通信系统 6
1.3.3 集群调度移动通信系统 8
1.4 移动通信网络的主流业务 9
1.4.1 低速移动数据通信技术 10
1.4.2 高速移动数据通信技术 10
1.4.3 移动语音通信技术 10
1.4.4 移动通信业务的特点 11
1.5 移动通信网络的发展趋势 12
练习题与思考题 17
第2 章 移动通信信道与天线 18
2.1 移动通信信道 18
2.2 无线电波传播理论 19
2.2.1 无线电波传播特性及频谱划分 19
2.2.2 自由空间无线电波传播 21
2.2.3 无线电波传播衰落 22
2.2.4 移动无线信道的特性 23
2.2.5 移动无线信道的衰落特性 24
2.3 电波传播损耗预测模型 28
2.3.1 地形地物 28
2.3.2 Okumura Hata 模型 29
2.3.3 COST 231 Hata 模型 29
2.3.4 传播模型的应用 30
2.4 天线 31
2.4.1 天线定义及类型 31
2.4.2 天线辐射电磁波的工作原理 32
2.4.3 天线特性参数 33
2.4.4 几种典型的移动通信收发天线 37
练习题与思考题 38
第3 章 移动通信中的调制解调技术 39
3.1 概述 39
3.2 数字频率调制 39
3.2.1 移频键控(FSK) 调制 39
3.2.2 最小移频键控(MSK) 调制 40
3.2.3 高斯滤波的最小移频键控(GMSK)
调制 41
3.3 数字相位调制 41
3.3.1 二相相移键控(BPSK) 调制 41
3.3.2 四相相移键控(QPSK) 调制 42
3.3.3 偏移四相相移键控(OQPSK)
调制 43
3.3.4 p/4 四相相移键控(p/4 QPSK)
调制 44
3.4 正交幅度调制(QAM) 45
3.5 多载波调制技术 48
3.5.1 多载波传输系统 49
3.5.2 正交频分复用(OFDM) 调制 50
3.6 调制技术在移动通信中的应用 53
练习题与思考题 54
第4 章 移动通信中的抗衰落技术 55
4.1 概述 55
4.2 分集技术 55
4.2.1 分集接收原理 56
4.2.2 分集合并技术及性能比较 58
4.2.3 隐分集技术 60
4.3 信道编码技术 62
4.3.1 线性分组编码技术 62
4.3.2 卷积编码技术 63
4.3.3 Turbo 编码技术 64
4.3.4 信道编码技术间的结合与应用 66
4.4 信道均衡技术 67
4.5 抗衰落技术在移动通信中的应用 68
练习题与思考题 69
第5 章 移动通信系统中的蜂窝组网
技术 70
5.1 蜂窝覆盖技术 70
5.2 多址接入技术 72
5.3 信道配置 74
5.3.1 信道配置方法 75
5.3.2 多信道共用技术 76
5.3.3 话务量与呼损 77
5.4 蜂窝系统的移动性管理 81
5.4.1 蜂窝系统位置信息管理 81
5.4.2 蜂窝小区间的切换 82
5.4.3 位置更新 83
练习题与思考题 84
下篇 移动通信应用系统篇
第6 章 GSM 数字蜂窝移动通信
系统 86
6.1 GSM 系统概述 86
6.2 GSM 系统组成 89
6.3 GSM 系统的编号方式 90
6.3.1 GSM 系统中的号码计划 90
6.3.2 GSM 系统中号码的典型应用 97
6.4 GSM 系统的协议与接口 97
6.4.1 GSM 接口参数 98
6.4.2 GSM 系统的信道 101
6.4.3 GSM 系统中的语音处理一般
过程 102
6.5 GSM 系统的接续与移动性管理 103
6.5.1 GSM 系统中的典型接续过程 103
6.5.2 GSM 系统中的切换控制 105
6.5.3 GSM 系统中的位置更新 108
6.6 GSM 系统的安全性管理 111
6.6.1 用户识别模块 111
6.6.2 安全措施 113
6.7 通用分组无线业务 114
6.7.1 GPRS 网络结构与功能实体 114
6.7.2 GPRS 网络接口与协议栈 115
6.7.3 GPRS 的业务信道 117
6.7.4 GPRS 的业务平台 118
练习题与思考题 119
第7 章 CDMA 移动通信系统 120
7.1 概述 120
7.1.1 CDMA 技术的优势 120
7.1.2 CDMA 技术演进 122
7.2 CDMA 技术基本原理 122
7.2.1 扩频通信原理 124
7.2.2 CDMA 系统中常用的码序列 127
7.3 CDMA 蜂窝网的关键技术 132
7.3.1 功率控制 132
7.3.2 信号检测和RAKE 接收技术 134
7.3.3 软切换技术 135
7.4 IS 95 CDMA 系统 137
7.4.1 系统结构与接口 137
7.4.2 CDMA 系统编号 138
7.4.3 IS 95 系统正向信道 139
7.4.4 IS 95 系统反向信道 140
练习题与思考题 140
第8 章 第三代移动通信系统 141
8.1 3G 系统概述 141
8.2 3G 系统标准 143
8.2.1 WCDMA 标准 145
8.2.2 TD SCDMA 标准 145
8.2.3 CDMA 2000 标准 146
8.3 WCDMA 技术 147
8.3.1 WCDMA 的演进与特点 147
8.3.2 WCDMA 系统的网络结构 149
8.3.3 WCDMA 系统的无线接口 152
8.3.4 WCDMA 系统的关键技术 155
8.3.5 编号计划 157
8.3.6 WCDMA典型基站配置与维护 158
8.4 TD SCDMA 技术 161
8.4.1 TD SCDMA 的演进与特点 161
8.4.2 TD SCDMA系统的无线接口 162
8.4.3 TD SCDMA 物理层的关键
过程 165
8.4.4 TD SCDMA 系统的关键
技术 168
8.4.5 TD SCDMA 典型基站配置与
维护 170
8.5 3G 系统技术比较 171
练习题与思考题 172
第9 章 LTE 网络技术 173
9.1 LTE 系统概述
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