作者：吴伟陵,牛凯
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
移动通信原理(第2版)试读：
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 电子信息与电气学科规划教材·电子信息科学与工程类专业
移动通信原理（第2版）
CIP号：第181836号
ISBN：978-7-121-09664-8
中图分类：TN929.5
关键词：移动通信-通信理论-高等学校-教材
北京,2009/10,电子工业出版社
版次：2
印次：1
价格：48.00
印数：4000册
印张：32.5
字数：873
开本：787×1092 1/16
语种：中文摘要
本书以目前第二代（2G）、第三代（3G）和第四代（4G）移动通信系统为背景，总结移动通信中共同的客观规律、基本理论和核心技术。从移动通信技术的3项主要技术指标——有效性（数量）、可靠性（质量）和安全性出发，从物理层和网络层两个方面全面、系统地介绍移动通信原理。内容包含3个方面：基本物理层技术（第2～8章），主要介绍较成熟的物理层技术，包括电波传播与移动信道、多址技术、信源编码、移动信息安全、调制与信道编码、分集接收与均衡；高级物理层技术（第9～12章），主要针对高速、宽带多媒体业务和未来移动通信中的物理层关键技术：多用户检测、OFDM、MIMO空时处理与链路自适应技术等；移动通信系统与网络层技术（第13～16章），主要包括：B3G与4G移动通信系统、TDD移动通信系统、移动网络结构与组成、移动网络运行中的呼叫控制、无线资源管理和移动性管理。本书每章后面附有习题，供读者练习和自我检查用。
本书可作为大学信息与通信以及相关领域硕士生的教材，也可作为大学本科生（主要讲授本书中定性分析部分内容）的教材，还可以作为博士生的参考教材（主要讲授本书中定量分析部分内容和新技术内容），也可作为从事移动通信领域研究、开发和维护的专业技术人员的主要技术参考书。吴伟陵 编著牛凯 编著凌毅 责任编辑再版前言
自20世纪60年代末蜂窝式移动通信问世以来，特别是近20年移动通信技术日新月异，给人们、给社会带来了深刻的信息化变革，因而移动通信已成为最受人们青睐的通信手段。社会的需求、现代化的需求是大学人才培养的导向，而教材又是人才培养的主要基础，其重要性不言自明。
随着移动通信技术的飞速发展，国内外介绍移动通信技术的书籍也层出不穷，但是这些书籍绝大多数属于跟踪技术发展，重点介绍某种移动通信系统、某代产品等工程技术背景很强的专著与技术介绍，因此不大适合作为大学教材。
作者以信息论为指导，从近20年移动通信的发展中总结客观规律，提炼具有共同性的基本理论与核心技术。依据这一想法，2005年作者编写了“普通高等教育‘十五’国家级规划教材”《移动通信原理》一书，4年多来的实践证明，学界与社会反映良好。5次印刷共15000册，仍供不应求。
自第1版出版以来，移动通信技术又经历了日新月异的发展。以CDMA为核心技术的第三代移动通信已经在我国普遍商用，HSPA/CDMA2000 EV-DO等增强性B3G技术也逐步推广。以AVS、TD-SCDMA、CMMB和WAPI为代表的中国电子通信技术标准获得了整体突破，以MIMO、OFDMA为关键技术的LTE、WiMax正在预商用化阶段。ITU向各国与各标准化组织发出了第四代移动通信标准——IMT-Advanced的方案征集。这次本书又被列为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，作者力图对移动通信技术的最新进展进行重新梳理，在本次修订中系统反映移动通信发展的脉络与前沿。《移动通信原理》一书，按照信息论对通信系统的3个主要技术指标要求——有效性（数量）、安全性和可靠性（质量），从两个不同方面（物理层和网络层）来全面介绍移动通信发展的客观规律、基本理论和核心技术。传统的移动通信书籍仅侧重介绍物理层的可靠性即抗干扰、抗衰落技术，而较少关注有效性（数量）和安全性问题，并且对网络层技术也涉及不多。但是随着移动通信的发展和普及，随着数据业务的迅速增长和移动业务多媒体化、高速率与宽带化的发展，移动通信中的有效性（数量）、安全性问题日益突出。保证不同业务的QoS问题、无线资源管理、移动性管理、不同无线接入网的融合问题及网络跨层优化问题也日益重要，因此本书增加了一些与上述内容有关的章节。同时考虑到未来移动通信的发展，本书还增加了高级物理层技术这一部分，并增加了有关章节，重点介绍以HSPA、LTE和WiMax为代表的宽带移动通信系统。
因此本书内容主要包含：一般物理层技术（第2～8章），主要介绍移动通信中比较成熟的物理层技术，包括：无线传播和移动信道分析，各代移动通信的多址技术，提高系统有效性的信源编码与数据压缩技术，提高系统安全性的鉴权与加密技术，提高系统可靠性的抗白噪声为主的调制与编码、抗空间选择性衰落的分集技术、抗频率选择性衰落和多径干扰的Rake接收与均衡技术等；高级物理层技术（第9～12章）主要介绍针对未来高速率、宽频带多媒体移动业务所需求的有效性、并行传输（时域、空域）、抗衰落、抗多用户干扰等关键性技术，包括多用户检测技术、OFDM技术、MIMO空时处理技术及链路自适应技术等；移动通信系统与网络层技术（第13～16章），主要面向宽带高速无线数据传输，介绍移动通信系统与网络关键技术，包括HSPA、CDMA2000 EV-DO、LTE与WiMax等宽带移动通信系统、TDD移动通信系统、移动通信网络基础知识、无线网络的结构与组成、移动通信的网络运行、无线资源管理和移动性管理。
本书的内容和素材，除了来自引用的参考文献以外，还要归功于下列几个方面的研究工作，并且特别感谢众多研究人员的大力支持：首先是近15年来，作者所在教研中心和学术梯队所承担的几十个移动通信方面的国家级科研项目和成果；其次是作者近15年来指导的近50名移动通信领域的博士生及其博士论文，以及近些年来，作者评阅的200多份本校及外校的移动通信研究方向的博士论文，这里就不一一列举到参考文献中，对他们为本书所作贡献表示真诚的感谢！另外本书的部分素材，还取之于作者对校内外本科生、硕士生、博士生所做的前沿技术讲座的资料和教材，以及为中国移动、中国联通和中国电信等公司所做的讲座培训教材。
本文共16章，其中第1～8章、第15～16章主要由吴伟陵执笔编写，第9～14章主要由牛凯执笔编写。本次修订新增第13、14章，第2、5、8、10～12、15～16章进行了全面扩展和深入讨论，第1、3、4、6章略有删改，主要由牛凯执笔。全书每章后面附有习题，供读者练习和自我检查用。全书内容由浅入深、定性分析与定量分析并举，以适应不同层次的教学需求。本书内容及对象主要定位于硕士研究生，但是仍可向下兼容大学本科生（主要讲授本书中的定性分析内容），向上兼容博士生（主要讲授本书中定量分析内容和新技术），同时还可以作为从事本专业研制、开发、维护的专业技术人员的主要技术参考书。
本次修订得到国家自然科学基金项目（编号60772108、60702048）、国家973项目（编号2007CB310604、2009CB320401）、国家863项目（编号2009AA01Z233）及“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项项目的大力支持。这里特表示感谢！
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由于作者才疏学浅，书中不当之处及错误，热切希望读者多提出宝贵意见和具体改正意见，以便进一步修改完善。
吴伟陵、牛凯于北京邮电大学
2009年10月第1章 绪论1.1 移动通信的主要特点
移动通信是通信领域中最具活力、最具发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中最具个性化特征的通信手段。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活方式，让人们领悟到现代化与信息化的气息。
移动通信，顾名思义其最本质的特色是“移动”二字，就是说这类通信不是传统静态的固定式通信，而是动态的移动式通信。
传统的固定式通信，又称为有线通信。其终端（如电话机）固定在某一地点（如房间），其线路采用基本固定不动的全封闭式传输线，比如双绞线、电缆、光缆等。其网络也是适应固定终端、固定传输线路的有线交换网络。也就是说，固定式有线通信不能随人的移动而改变，其最大特点是静态的，信道是封闭的，且是人造的，从而是优质的。随着工业制造水平的发展，从明线到电缆，再到今天的光缆，其容量、质量飞速提高，并基本满足了人类不断增长的通信需求。因此，有线通信发展的瓶颈不在于传输，而主要在于交换方式与网络结构。其最大缺点是缺乏动态性，不适应现代人快节奏的生活需求，特别是快速移动的需求。
无线通信针对上述静态的缺点，以开放式传播来传递信息，打破了一定要有全封闭式传输线路的限制，并将通信方式从静态推广至可移动式的准动态。其代价是牺牲了全封闭式的优质人造信道，换取了无须采用固体介质专用线路的开放式传输的灵活性，但是信道的开放性必然会引起信道的时变性和随机性，从而大大降低了通信容量和质量。
移动通信则是在无线通信的基础上，又进一步引入了用户的移动性，从而使终端从可移动的准动态进一步发展到真正的全动态。也就是说，移动通信在无线通信的一重信道动态的基础上又加入了第二重用户的动态性，这实质是两重动态性。因此，实现起来更加复杂，性能更差。
可见，在移动通信中，终端是移动的，传输线路是随终端移动而分配的动态无线链路，网络则是适应动态用户终端、动态线路的动态型交换网络。其特色是具有从移动特色演变过来的信道和用户二重动态特性。用二重动态性实现人类对“移动”通信的梦想，代价是沉重的，但也是值得的。正是这种二重动态性，成为指导移动通信技术发展的原动力。可以说，移动通信技术的发展就是围绕着如何适应信道、用户二重动态性来进行的。在此基础上，第三代（3G）移动通信技术中进一步引入第三重动态性——业务类型动态选择特性，并在第四代（4G）移动通信系统中得到了全面增强。为了适应这三重动态性，第四代移动通信技术引入了第四重动态性——网络拓扑与网络运行的动态性。可以说，这四重动态性已成为本书写作的主干线，它贯穿到本书的每一章节，至于更细致、更深入的问题将在后面章节中进一步讨论。1.2 移动通信的发展
自20世纪80年代我国引入模拟式（TACS）移动通信网以来，经过短短20多年的发展，截止2009年5月底，全国移动电话用户数已达到6.8亿，成为全球头号移动用户大国。我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一，规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二；第三代移动通信，中国移动运营TD-SCDMA、中国电信运营CDMA2000、中国联通运营WCDMA，我国已经进入3G移动通信的全面运营阶段。
移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过只有30多年的历史，就其发展历程看，大约每十年就更新一代。目前正处于第二代（2G）与第三代（3G）的交接期。
第一代（1G）以模拟式蜂窝网为主要特征，是20世纪70年代末80年代初开始商用化的。其中最具代表性的是北美的AMPS（Advanced Mobile Phone System）、欧洲的TACS（Total Access Communication System）两大系统，另外还有北欧NMT及日本的HCMTS系统等。
第一代（1G）从技术特色上看，它以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。主要实现措施是采用频分多址FDMA方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上，适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。
第二代（2G）以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于20世纪90年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲的时分多址（TDMA）GSM（GSM原意为Group Special Mobile，1989年以后改为Global System for Mobile Communications）、北美的码分多址（CDMA）的IS-95两大系统，另外还有日本的PDC系统等。
第二代（2G）从技术特色上看，它以数字化为基础，较全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用TDMA（GSM）、CDMA（IS-95）方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率（相位）规划实现载频（相位）再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。在对信道动态特性的匹配上采取了下面一系列措施：
●采用抗干扰性能优良的数字式调制：GMSK（GSM）、QPSK（IS-95），性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码（GSM、IS-95）、级联码（GSM）；
●采用功率控制技术抵抗慢衰落与远近效应，这对于CDMA方式的IS-95尤为重要；
●采用自适应均衡（GSM）和Rake接收（IS-95）抗频率选择性衰落与多径干扰；
●采用信道交织编码，如采用帧间交织方式（GSM）和块交织方式（IS-95）抗时间选择性衰落；
●基站采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰落。
第三代（3G）以多媒体业务为主要特征，它于21世纪初刚刚投入商业化运营。其中最具有代表性的有北美的CDMA2000和WiMax TDD、欧洲与日本的WCDMA及我国提出的TD-SCDMA四大系统，另外还有欧洲的DECT及北美的UMC-136。
第三代（3G）从技术上看，它是在2G系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性，即在3G系统中，用户业务既可以是单一的语音、数据、图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随机的，这个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。所以第三代是在二代数字化基础上的、以业务多媒体化为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相应措施予以实现的技术。其主要实现措施有：
●继续采用第二代（2G）中所采用的所有行之有效的措施；
●对CDMA扩频方式应一分为二，一方面扩频提高了抗干扰性，提高了通信容量；另一方面由于扩频码互相关性能的不理想，使多址干扰、远近效应影响增大，并且对功率控制提出了更高要求等；
●为了克服CDMA中的多址干扰，在3G系统中，上行链路建议采用多用户检测与智能天线技术；下行链路采用发端分集、空时编码技术；
●为了实现与业务动态特性的匹配，3G中采用了可实现对不同速率业务（不同扩频比）间仍具有正交性能的OVSF（可变扩频比正交码）多址码；
●针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，3G中对数据业务采用了性能更优良的Turbo码。
第四代（4G）以宽带高速数据传输为主要特征，目前正在IMT-Advanced框架下进行标准化。其中，3GPP组织提出的LTE/LTE-Advanced、IEEE组织提出的WiMax 802.16m及3GPP2组织提出的UMB是代表性的标准草案。
第四代（4G）从技术上看，它在3G系统支持信道和用户动态性的基础上，全面增强了对业务动态性的支持，并引入了网络动态性，网络扁平化与全IP化、多个无线接入网的互操作和网络跨层优化得到强调与重视，并打破了蜂窝网结构，引入了分布式网络作为补充。所以第四代是在第三代业务多媒体化的基础上，以无缝灵活支持高速无线互联网业务为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户和业务的三重动态特性匹配，并适当考虑网络的动态性能，尽力采用相应措施实现多个无线接入网融合、固网与移动网融合。其主要实现措施有：
●继续采用第三代（3G）中所采用的所有行之有效的措施；
●为了支持高速数据传输，采用了OFDMA/SC-FDMA高效多址接入技术，可以灵活动态地支持从低速VoIP业务到超高速的视频业务；
●全面引入了MIMO技术，通过与OFDMA技术结合，进一步提高了系统频谱效率；
●广泛采用了自适应编码调制（AMC）与混合自动重传（HARQ）技术，更好地动态适配信道变化；
●采用小区间干扰协调技术，有效克服同频干扰。
在前四代移动通信中，除了上述物理层关键技术的不断发展外，在网络层其功能也在逐步完善。这主要体现在以下几个方面。
① 网络协议逐步走向规范化，到了第三代（3G）已初步形成了横向三层：物理层、链路层、网络高层；纵向两个平面：用户业务平面与控制平面的初步规范结构。
② 逐步增强并完善网络层辅助物理层实现对三重动态性的匹配功能，加强并完善对无线资源管理、移动性管理及接入分配、调度算法的实现。
③ 第二代（2G）开始逐步引入智能网，实现交换与控制的分离，并通过业务生成系统快速生成新业务。
另外，从第一代发展到第三代服务的业务类型、完成的功能也在不断地发展。就业务而言：
① 第一代是在单一模拟电路交换平台上，完成单一模拟语音业务。
② 第二代是在单一数字电路交换平台上，完成数字式语音或相同速率电路交换的数据业务。
③ 第二代半（2.5G）在建立的两个平行的电路（CS）与分组（PS）交换平台上，完成数字化语音和小于64kbps的电路交换、小于171.2kbps的分组交换的各类数据业务服务。
④ 第三代首先在第二代半基础上进行增强与改善，并在其基础上逐步改造成单一分组交换的IP平台，提供小于2Mbps的各类多媒体业务服务。
⑤ 第四代基于全IP的IMS/EPC平台，提供静止情况1Gbps、运动情况100Mbps（峰值速率）的各类无线互联网业务。
就功能而言，主要指业务服务功能，它有：
① 第一代与第二代的通话功能。
② 第二代半增加了因特网业务和定位业务。
③ 第三、四代发展成具有会话型、数据流型、互动型与后台类型的综合服务多媒体业务功能。1.3 移动通信的发展趋势与展望
近些年来，移动通信的飞速发展已使它成为现代通信领域中的一大支柱通信产业与通信方式，与以光缆为主体的骨干核心网并驾齐驱。移动通信在接入方面的灵活性与光缆在骨干线路与核心网容量、质量上的优越性能完美结合，构筑了未来通信发展的一个基本框架与蓝图。
就未来通信而言，发展方向是个人通信。即在全球范围内逐步实现全球一网（统一的网络结构），每人一号（一个身份号码），在任何时间、任何地点（海、陆、空）以任何通信方式与任何对象（人或机器）进行任何业务（语音、数据、图像等）的无缝隙、不间断通信，这是人类为未来通信绘制的理想蓝图。实现它主要包含两大部分：一个是全球性骨干核心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，对移动通信发展而言，重点是探讨后者。其实，后者也不仅限于移动网。就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无线接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些，无线接入又可分为室内无线接入，如红外、蓝牙等；小范围的无线局域网接入，如IEEE 802.11系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖全球的卫星接入。本书讨论内容仅限于陆地系统的蜂窝移动网，它是实现宏伟的个人通信蓝图的第一步，仅这一步目前已经历了第一代（1G）、第二代（2G）系统、第三代（3G）系统，目前正在向第四代（4G）系统过渡。
展望未来，移动通信的发展是离不开其客观上应遵循的规律的，这个规律主要决定于两方面的因素：第一是用户的需求；第二是实现时所受的环境和条件的限制。通信工作者的任务就是尽可能地改善环境、设法消除和简化条件的制约，以满足用户在数量、质量和安全上的需求。具体地说，包括以下4个方面。（1）从用户需求看，移动通信应当从第一代（1G）、第二代（2G）以语音为主逐步转移到以数据为主，特别是以分组交换IP数据为主的综合业务和多媒体业务。在这个转移过程中，以IPv6为基础的移动因特网业务将是未来的主流业务。（2）基于移动因特网业务上、下行严重的不对称性，一般下行的下载业务量远远大于上行的业务量。因此在基本通信体制方面，可能要打破传统的上下行遵循同一通信体制的桎梏。目前在第三代（3G）中，3GPP2已运营的HDR在下行采用了时隙码分多址方式，以适应高速数据传送，它与上行的码分多址是不完全对称的。3GPP所采用的HSDPA（高速下行数据传送）也与HDR基本类似。（3）下一代移动通信中，主要物理层关键技术是在三重动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的安全保密性能。它主要包含：
① 首先是对现有物理层关键技术进一步改进、完善与实用化。比如在信道编码方面，由串行级联码→Turbo码→LDPC（低密度校验码）不断完善；在多址技术方面，深入研究以OFDMA为代表的新的多址划分技术，实现性能与复杂性合理折中；同时加强发送分集与空时编码技术的研究，改善下行传输性能。
② 重点突出适应高速数据业务的正交多载波调制OFDM技术，作为下一代物理层关键技术。针对OFDM中存在的主要缺点，比如：峰值功率与平均功率的比值过大，频率扩散下正交性能的恶化，同步性能要求高且抗频率扩散性能差，还要求获得精确的信道状态（信道估值准确）等问题进行较深入的研究，以寻找有效措施。另外作为OFDM的替代技术，单载波频域均衡（SC-FDE）也值得关注。
③ 下一代移动通信物理层的关键技术的另一个研究重点是突出对物理层的自适应传输技术的研究。其内容涉及如下几个方面：
●根据接收信号的信噪比，自适应地调整接收机的门限阈值电平；
●根据实测的信道时变动态特性，自适应地分配业务、速率、功率及相应的调制与编码方式；
●根据用户的移动速度的动态特性，自适应地分配业务、信道、速率及相应的调制与编码方式；
●根据不同业务的QoS的不同需求，分配带宽、信道及相应的调制与编码方式；
●综合并统一协调上述各类自适应要求及其实现方式。
④ 加强对信道、用户、业务与网络动态性的监测与估计，为实现与四重动态匹配提供基础。其中：
●对信道动态性监测、估值，已有一定的基础，今后主要是寻求快速、准确的估值算法；
●对用户、业务的动态性监测，实现对用户实时定位技术的研究与实用化。
⑤ 加强空间域与传统的时、频域相结合的研究，开发空域在移动通信中的巨大潜力，具体实现的技术路线有两条。
●从目前的小区天线→智能式小区天线→切换式智能天线→自适应式波束成形。它是以抑制滤除干扰、集中信号能量，跟踪用户来改善性能，提高抗干扰性并增大容量的。这一思路是受雷达技术中自适应阵列理论与技术的启发与引导，但是应注意两个领域中的相同点与相异点，不能生搬硬套。
●从目前的接收端空间分集技术→发送端分集技术→空时码与发送分集的相结合→MIMO与OFDMA的结合→多用户MIMO。它是基于无线通信中传统的分集机制，提高发送与接收的综合效应来改善性能、提高抗干扰性，并起到增大容量、改善质量的目的。
⑥ 在下一代移动通信系统的优化中，一个值得注意的方向是，在传统的单一部件如在信道编码、调制技术、多用户检测技术等逐个优化的基础上，逐步扩大并实现联合（组合）优化的范围。比如，可以将Turbo码重复迭代思想推广至解调、解码的联合迭代中，进一步还可以将其推广至整个接收端乃至整个发、收系统。
⑦ 在下一代移动通信的物理层具体实现技术中，将采用逐步向软件无线电方向过渡的方式来实现。
●首先，实现硬件设备基带全数字化，以达到数字无线电的目标；
●其次，逐步实现软件定义的无线电（SDR），即将数字化逐步拓广至中频，乃至部分射频，尽可能以软件技术实现原来硬件所完成的功能；
●在上述基础上，逐步推出软基站设备和软移动终端设备，实现单一软件平台下综合多媒体软终端的基本功能，然后再进一步向多体制、多波段发展。
⑧为了提高无线频谱的利用率，解决无线频率资源紧张的问题，认知无线电技术将成为下一代移动通信的物理层关键技术之一。（4）基于下一代移动通信中业务拓广和重点业务的转移，即在原有移动通信传统的用户和信道二重动态性的基础上又叠加上业务与网络动态性。这两个动态性的引入不仅在上述物理层上引起很大的变化，而且在网络层上也提出了很多新要求，带来新问题。
① 首先选定全IP方向，因为它更适合于今后的主流业务移动因特网及数据和多媒体业务。
●这里的全IP是指信息结构IP化，协议IP化，传输、处理、网络全过程均IP化；
●移动全IP化实现是从核心网IP化开始，逐步延伸至无线（移动）接入网和空中接口IP化，直至移动终端IP化。
② 这里的IP指的是建立在IPv6基础上，这是由于IPv6能满足：
●移动IP的要求；
●对不同的业务有不同的QoS要求；
●为了适应复杂的移动通信环境，适合于移动的IP应在原有TCP/IP协议上针对无线和移动的环境进行适当的修改和补充。
③ 下一代移动通信网络的主要努力方向应是网络智能化。它应满足：
●首先要配合物理层主要关键技术，特别是要在网络层配合物理层的自适应传输技术以及其他核心、关键技术的实现；
●逐步实现动态智能化无线资源管理，它包含对无线资源的估计、呼叫接纳控制、队列调度及动态无线资源分配全过程的动态智能化管理；
●逐步实现动态智能化移动性管理，它包含对用户安全性能鉴权、加密，用户登记、显示，信息调用及用户越区切换与漫游功能管理的全过程智能化管理；
●统一协调上述三方面智能化管理。
④下一代移动通信对网络结构也提出了新要求，希望建立分布式天线与多层次小区混合的蜂窝网系统。
●在宏蜂窝/微蜂窝/微微蜂窝/家用基站等多层次蜂窝网的基础上，在一些特殊地区，比如业务密集地区、高速公路沿线，可利用分布式天线构成不同形状的小区群，小区群内资源相同不切换，小区群间可实现群切换和滑动式群切换。
●引入Relay节点、分布式天线，以分布式光纤接入网为基础，构建自组织结构网络。目前大城市中光纤到大楼已初步实现，使得在大楼上处处建立分布式天线已成为可能。在此基础上，可以建立类似于Ad Hoc的无中心或动态中心式的虚拟小区成为可能。在虚拟小区的基础上可进一步探讨实现以移动用户为核心的虚拟蜂窝网。
⑤就移动网络技术的长远发展而言，有如下发展倾向：
●电信网、计算机网与有线电视网将逐步实现三网融合并最终走向三网合一；
●就电信网而言，将逐步从目前的有线（固网）无线（移动网）两个平行发展网络，走向无线侧重于接入网，有线侧重于核心骨干网的分工、协作的统一网络的发展方向，以IP技术为基础的固网与移动网络融合（FMC）是大势所趋。1.4 关于本书的内容与安排
目前移动通信方面的书籍很多，但绝大部分是属于对某个移动通信体制方面的介绍和论述，还有一些是工程培训教材。这些书籍工程背景太强，使人只见树木不见森林，不太适合作为高校教材。本书试图弥补这方面的缺陷。本书定位于研究生教材，兼顾大学本科教材，适合于对从事移动通信领域科研、开发、运营、维护等方面的工程技术人员进行基本素质训练。
本书写作的基本原则是：
① 以移动通信基本原理为核心，但也适当介绍一些移动通信系统的主流体制。
② 综合各种移动通信体制中共同采用的“共性”技术为核心，并适当介绍一些特殊的“个性”技术。
③ 本书内容的基本框架包含两大部分：物理层技术与网络层技术。
④ 在写作方法上，以概念与基本原理为主，并适当地引入定量分析与讨论。
⑤ 力求深入浅出，并能满足研究生、大学本科生及工程技术人员不同层次的需求。
一般来讲，每章前几节是以概念与定性分析为主，比较适合于大学本科生，而每章最后一至两节则是以定量分析为主，内容较深，适合于研究生或研制开发人员阅读。本章小结
本章首先介绍了移动通信的主要特点是具有四重动态特性：信道动态性、用户动态性、业务动态性和网络动态性；总结了移动通信4个发展阶段的主要特色：第一代（1G）蜂窝式网络结构、第二代（2G）数字化技术、第三代（3G）业务的多样性和多媒化与第四代（4G）宽带高速数据传输。其次从物理层和网络层两个层次分别对移动通信的发展趋势进行展望。最后对本书的主要内容作了简要的介绍。参考文献
［1.1］吴伟陵.下一代移动通信探讨.中兴通信技术，2002.
［1.2］吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京：北京邮电大学出版社，2000.
［1.3］QiBi，et.al.Wireless Mobile Communication at the start of stthe 21 century.IEEE Commun.Mag.，Vol.39，No.l，Jan.2001.
［1.4］W.Webb.Wireless Communications：The Future.John Wiley&Sons，2007.第2章 无线传播与移动信道
移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定式有线信道，也与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道有所区别。它是移动的动态信道。
正如前面所分析的，移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药，给出相应的技术解决方案。
任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的3项基本指标——有效性、可靠性和安全性进行不断的优化。所谓有效性，是指在占有尽可能少的信道资源，如频段、时隙和功率等的条件下尽可能多地传送信源的信息，是通信的数量上的指标。所谓可靠性，主要是指在传输过程中抵抗各类客观自然干扰的能力，但是在特殊的军事通信中，它还包含抵抗人为设置干扰的能力。所谓安全性，主要是指在传输中的安全保密性能，即收端防窃听、发端防伪造和篡改等的能力。
移动通信中的各类新技术都是针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉。2.1 移动信道的特点2.1.1 移动通信信道的3个主要特点
1.传播的开放性
一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。它不同于固定的有线通信，是基于全封闭式的传输线来实现信息传输的。
2.接收环境的复杂性
接收环境的复杂性是指接收点地理环境的复杂性与多样性。一般可将接收点地理环境划分为下列3类典型区域：高楼林立的城市繁华区，以一般性建筑物为主体的近郊区，以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。
3.通信用户的随机移动性
移动通信主要包含下列3种类型：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信和高速车载用户通信。
总之，传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性这3个特性共同构成了移动通信信道的主要特点。2.1.2 移动通信信道中的电磁波传播
若从移动通信信道中的电磁波传播上看，可分为：
① 直射波：是指在视距覆盖区内无遮挡的传播。它是超短波、微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最强。
② 反射波：是指从不同建筑物或其他反射体反射后到达接收点的传播信号。其信号强度较直射波弱。
③ 绕射波：从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收点的传播信号。但是，它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱。
另外，还有穿透建筑物的传播及空气中离子受激后二次发射的漫反射产生的散射波……但是它们相对于直射波、反射波、绕射波都比较弱，所以从电磁波传播上看：直射、反射、绕射是主要的，但有时穿透的直射波与散射波的影响也是需要进一步考虑的。2.1.3 接收信号中的3类损耗与4种效应
在上述移动信道的3个主要特点及传播的3种主要类型作用下，接收点的信号将产生如下的特点。
1.具有3类不同层次的损耗（1）路径传播损耗
一般称为衰耗，是指电波在空间传播所产生的损耗。它反映出传播在宏观大范围（千米量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。路径损耗在固定的有线通信中也存在，不过它计算的是在导线媒介中传输的衰耗，一般比这里的空间传播衰耗值要小一些。（2）慢衰落损耗
慢衰落损耗主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴影效应而产生的损耗，反映了在中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线传播所特有，且一般从统计规律上看遵从对数正态分布，其变化率比传送信息率慢，故又称为慢衰落。（3）快衰落损耗
快衰落损耗反映微观小范围（数十波长以下量级）接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利（Rayleigh）分布、莱斯（Rice）分布和纳卡伽米（Nakagami）分布，其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。仔细划分，快衰落又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落。这里的选择性是指在不同的空间、不同的频率和不同的时间，其衰落特性是不一样的，详细内容后面将进一步讨论。
2.4种主要效应（1）阴影效应
由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。光波的波长较短，阴影可见；电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端（如手机）与专用仪表可以测试出来。（2）远近效应
由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。（3）多径效应
由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。（4）多普勒效应
多普勒效应是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速（≥70km/h）车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。2.2 3类主要快衰落
移动通信中最难克服的是快衰落引起的时变特性，下面对快衰落的现象、原理及成因加以剖析。2.2.1 空间选择性衰落
所谓空间选择性衰落，是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。空间选择性衰落的现象、成因与机理可以用如图2.1所示的直观图形来表示。图2.1 空间选择性衰落信道原理图（1）信道输入
射频：单频等幅载波。
角度域：在φ角上送入一个δ脉冲式的点波束。0（2）信道输出
时空域：在不同接收点S，S，S，时域上衰落特性是不一样123的，即同一时间、不同地点（空间）衰落起伏是不一样的，这样，从空域上看，其信号包络的起伏周期为T。1
角度域：在原来φ角度上的δ点波束产生了扩散，其扩散宽度为0Δφ。（3）结论
由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落，其衰落周期T≈，其中λ为波长。1
空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰落。2.2.2 频率选择性衰落
所谓频率选择性衰落，是指在不同频段上衰落特性不一样。其现象、成因与机理如图2.2所示。图2.2 频率选择性衰落信道原理图（1）信道输入
频域：白色等幅频谱。
时域：在t 时刻输入一个δ脉冲。0（2）信道输出
频域：衰落起伏的有色谱。
时域：在t+Δt瞬间，δ脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为0。其中，Δt为绝对时延。（3）结论
由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落，且其衰落周期T =，即与时域中的时延扩散程度成正比。22.2.3 时间选择性衰落
所谓时间选择性衰落，是指在不同的时间衰落特性是不一样的。其现象、成因与机理如图2.3所示。（1）信道输入
时域：单频等幅载波。
频域：在单一频率f上单根谱线（δ脉冲）。0（2）信道输出
时域：包络起伏不平。
频域：以f+Δf 为中心产生频率扩散，其宽度为B。其中，Δf 为0绝对多普勒频移，B为相对值。（3）结论图2.3 时间选择性衰落信道原理图
由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。其衰落周期为T=。32.2.4 实际移动通信中3类选择性衰落产生的条件
在实际移动通信中，3类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下3类，并可以用如图2.4所示的示意图表示。图2.4 3类多径干扰示意图
① 第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号。其特点是由于用户的快速移动，在信号的频域上产生了多普勒（Doppler）频移扩散，从而引起信号在时域上时间选择性衰落。
② 第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物或山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。
③ 第三类多径干扰：是由于接收信号受基站附近建筑物和其他物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。
下面给出在第二代移动通信中某种典型地理环境下，电波传播在空间角度、时间与频率所产生的典型扩散值，见表2.1。表2.1 典型环境下的典型扩散值2.3 传播类型与信道模型的定量分析
上面重点从概念与定性的观点探讨了移动通信中的电波传播与移动信道的主要特性。本节试图从定量的观点对传播模型与信道模型作进一步的深入分析。2.3.1 传播损耗的初步定量分析
这里首先从总体上对传播损耗作如下初步的定量分析。由前面的定性分析可知，传播的总损耗分别由大范围（大尺度、千米量级）的路径衰耗、中范围（中尺度、数百波长量级）的阴影效应和小范围（小尺度、数十波长以下量级）的快衰落共同决定。它可表示为-n
式中，［d（t）］表示大范围的路径衰耗，n≈2～5.5；S［d（t）］表示中范围的阴影效应损耗；K［d（t）］表示小范围内的快衰落损耗。2.3.2 大范围的传播衰耗的定量分析
前面定性分析已指出：移动通信信道是一个完全开放式的信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于传播的环境与条件。传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，以及发、收天线高度等密切相关。因此，要想从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难，一般在工程上多采用一些经验公式与模型，这对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算要求。
下面将给出几类在不同环境与条件下经常使用的著名经验公式与模型。
1.奥村-哈塔（Okumura-Hata）模型
这是一种在移动通信中使用最频繁，也是最有效的模型。它最初是由奥村在广泛测量城镇与郊区的无线电传播损耗以后，制成了很多可用于规划蜂窝系统的有用经验曲线与图表得到的。该模型使用的主要环境与条件为：适用于小城镇与郊区的准平坦地区；应用频率为150MHz≤f≤1500MHz；有效距离为1km≤d≤20km；发射（基站）天线c有效高度为30～200m；接收（移动台）天线有效高度为1～10m。
哈塔（Hata）后来将奥村这些经验曲线与图表提炼成更加便于工程上使用的经验公式，从而使这一经验模型与公式广为使用。哈塔给出的传播平均衰耗的基本公式为
式中，L（市区）（dB）为市区路径平均损耗，且以dB表示；50f 为载波频率（MHz）；h为基站天线有效高度（m）；h为移动台天cbm线的有效高度（m）；α（h）为移动天线的校正因子（dB）；d为移m动台与基站之间的距离（km）；K为使用地区环境修正系数（dB）。
关于校正因子α（h）的讨论：m
对于中小城市移动天线校正因子为
2.Hata模型向个人通信PCS系统的扩展
欧洲科学技术研究协会（EURO-COST）组成COST-231工作组开发Hata模型对PCS的扩展，提出将Hata模型扩展至2GHz频段，其公式为
式中，α（h）取值参见式（2.3.3）、式（2.3.4）和式（2.3.5）；m而
COST-231扩展的Hata模型适用于下列参数范围：f为1500～c2000MHz；h为30～200m；h为1～10m；d为1～20km。bm
3.Walfisch-Ikegami模型（WIM）
其示意图如图2.5所示。这一模型主要用于欧洲GSM系统，而且也应用于美国的一些传播模型中。这一模型包含3个部分：自由空间损耗、屋脊到街道的绕射和散射损耗及多次屏蔽损耗。其表达式为
式中，L为自由空间损耗；L为屋脊到街道的绕射与散射损frts耗；L为多次屏蔽损耗；L 为树木、树叶引入的附加损耗。mst（1）自由空间损耗的计算（2）屋脊到街道的绕射与散射损耗的计算
式中，w为街道宽度（m）；Δh=h-h（m），h为建筑物高度；mrmrh为移动台高度；m
而φ为相对于街道的入射角。图2.5 Walfisch-Ikegami传播模型（3）多次屏蔽损耗计算
应用 Walfisch-Ikegami模型的有效参数范围为：800MHz≤f≤c2000MHz；4m≤h≤50m；1m≤h ≤3m；0.02km≤d≤5km；b≈20～50m；bmω=90°。（4）树木造成的衰落校正因子
Weissberger给出一种修正指数延迟模型。它可用于计算温和气候下具有浓密、干燥树叶的树木所造成的附加损耗。即
式中，L 为树木损耗（dB）；f 为载频（GHz）；d为树木高度tcf（m）。
对于900MHz频段，上述公式可简化为
L损耗在有树叶与没有树叶时相差3～5dB。t
Walfisch-Ikegami模型与Hata模型路径损耗的比较：由于Hata模型未考虑来自街道宽度、街道绕射和散射等带来的影响，因此两者损耗一般要相差13～16dB。也就是说，Walfisch-Ikegami模型要比Hata模型更精确，但也就更复杂。两者具体差值可用表2.2或图2.6表示。表2.2 Walfisch-Ikegami和Hata模型比较图2.6 Walfisch-Ikegami和Hata模型路径损耗与距离d的关系图（注：表2.2与图2.6摘自《第三代移动通信系统原理与工程设计》，P187～188）
4.室内传播模型
室内传播不同于室外传播，它覆盖范围小，环境变化大，且受建筑物材料结构、建筑物类型和建筑物布局影响。但是从电波传播的机理上看，它与室外基本上是一样的，主要决定于电波的直射、反射、绕射、散射和穿透。不过具体的条件可能存在较大的差异，比如室内是否开门，天线安装在什么位置、高度等。
室内无线传播是一个较新的研究领域，国外也是20世纪80年代才开始进行较系统的研究的，美国Bell实验室和英国电信等率先对大量家用和办公室建筑物周围及内部的路径损耗进行了仔细的研究。一般来说，室内信道也分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种，并且随着环境杂乱程度而不断变化。
室内传播损耗的计算，由于与楼层间、楼层内建筑物材料类型、结构等密切相关，各国与各地区均有所不同，本章就不再深入探讨。2.3.3 中、小范围的传播损耗的定量分析
前面在初步定性分析中已指出：中等范围的慢衰落主要是由阴影效应引起的，而小范围的快衰落则主要是由3类快衰落引起的。下面将进一步定量分析3类快衰落和慢衰落的成因、规律和克服方法。
1.点散射模型
移动信道实质上可以看作在时域、频域和空域的一个三维动态随机函数，依据线性时变分析和广义平稳随机过程理论，可以假设其遵从点散射（扩散）模型。即移动信道从物理上可看作，在接收端所接收的信号是具有不同时延、不同频移、不同入射角的足够多（无限条）传播路径反射、散射信号的总和，这些路径可能是相关的也可能是不相关的。通常可认为它们是不相关的，即符合所谓的点散射模型。利用点散射模型，可以证明移动信道遵从广义平稳特性与复高斯模型［2.2］，也就是高斯广义平稳非相干散射模型（GWSSUS）。
由上述模型可以得到三维信道统计参量的8对傅里叶变换对［2.2］，其中对时变信道分析最有用的是三维扩（色）散函数P（ξ，ν，φ）和三维广义平稳的相关函数R（Ω，τ），它们关ν系为
式中，P（ξ，ν，φ）是信道在时域（ξ）、频域（ν）和空间角v度（φ）上的三维扩散函数。它表示在点散射模型下，通过移动的时变色散信道以后分别在时域、频域和空间角度的扩散（色散）程度。这个三维扩散函数在实际情况下是一个三维不规则体。为了进一步定量分析它们对各类选择性衰落的影响程度，先做一个粗略的定量分析，称为一阶近似。它是采用三维功率扩散函数在不同参数剖面上的强度下降3dB点定义为等效扩散空间。按这一假设，在时域ξ上扩散功率谱下降3dB点定义时域等效扩散区间为L，同理可定义在频域ν上扩散功率谱下降3dB点为频域等效扩散区间B，在空间入射角上扩散功率谱下降3dB点定义为空域等效扩散区间Ψ。这时可定义一个三维等效扩散体积为
同理，对于三维广义相关函数R（Ω，τ）也可以类似于上述三维扩散函数P（，ν，）分别定义相应的等效相关区间。即分别vξφ取三维相关函数在频域、时域、空域3个剖面下强度下降3dB点分别定义为频域相关区间ΔF、时域相关区间ΔT和空域相关区间ΔR。这时可以定义一个等效的三维相关体积为
至此，我们对最一般化的移动信道，即时变扩（色）散信道作了简单定量分析。结合第二代（2G）、第三代（3G）实际环境条件，分别给出下述不同的信道模型。
① 宽带、高速车载移动信道：它就是上面分析的最一般的空间-频率-时间选择性衰落信道，即角度-时间-频率扩散信道。它适合于3G/4G及未来的宽带、高速移动（车载）用户业务。
② 宽带、慢速（步行）移动信道：就是空间-频率选择性衰落信道，即角度-时间扩（色）散信道。它适合于第三代（3G）及未来宽带多媒体在慢速步行或室内用户的业务。
③ 宽带、高速移动（车载）且具有智能天线的信道：就是时间-频率选择性衰落信道，即频率-时间扩（色）散信道。它适合于具有智能天线的高速移动（车载）的宽带多媒体业务的用户。
④ 窄带、高速移动（车载）信道：就是空间-时间选择性衰落的信道，即具有角度-频率扩（色）散信道。它适合于高速移动车载的窄带业务用户，如第二代（2G）、第三代（3G）车载话音与低速数据业务。
⑤ 窄带、低速移动（步行）信道：就是最简化的空间选择性衰落信道，即具有角度-扩（色）散信道。它适合于步行的窄带业务用户，如第二代（2G）、第三代（3G）中步行的话音与低速数据业务用户。
作为一阶近似，在单维剖面上，三维（时-频-角）扩散函数的扩散区间与对应的三维（频-时-空）相关函数的相关区间之间具有如下定量关系
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]