作者：杨东凯,修春娣
出版社：电子工业出版社
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现代移动通信技术及应用试读：
前言
移动通信是指通信双方中的一方或者两方处于移动状态时的通信。随着电子技术、计算机技术的发展，移动通信已经迅速发展了三十余年，目前更是呈现了快速成长的势头。第三代移动通信（3G）、第四代移动通信（4G）、卫星移动通信等正纷纷进入人们的日常生活。移动通信系统也正在逐步融合定位导航功能，其中包括卫星定位系统的融合。移动通信系统自身的增值定位业务扩展，呈现出通信导航一体化的发展趋势。对于卫星移动通信，更是在国内出现了像CAPS（中国区域定位系统）这样的创新型应用，它是将通信卫星中传输的数据加以二次开发，以获得用户的位置信息。我国开发的第一代北斗系统，也是充分利用了导航卫星的数据传输功能从而能够为移动用户提供短信息服务，在抗震救灾中发挥了重要的作用。可以说，现代移动通信系统的概念，其内涵和外延均已经发生了根本性的变化。
作为针对通信与信息系统学科的发展而进行通信理论学习和实践应用的课程体系，考虑到要体现工程应用与理论知识结合的特色，本书在现有移动通信教材的基础上，综合考虑了通信中的基础理论和移动通信系统的结合。在讲解调制、编码等基础理论知识时，就融合了实际工程中对这些基础知识的运用，并通过对实际系统的介绍使学生更好地理解调制、编码等知识。为了更好地体现航空航天特色，本书特别介绍了卫星移动通信并将其作为独立的一章，重点介绍航空移动卫星通信、海事移动卫星通信，以及陆地移动卫星通信和通信导航融合的北斗系统和CAPS系统。深空移动通信是近年来发展迅速的方向，书中也专门对其做了详细的介绍，包括编码调制和链路预算等内容。移动通信系统中的定位导航是最近几年发展起来的新兴业务，本书专门安排了一章，以丰富的实例内容讨论了当前已经应用或者正在开发的新技术，包括信号强度、到达时间和到达角度等。总之，本书将提供给读者一个清晰完整的概念，当今的移动通信系统以及未来的移动通信系统，不管是基于空间卫星的，还是基于地面基站的，都将离不开位置信息以及基于位置的服务。
本书共分10章，具体结构安排如下：
第1章主要介绍移动通信的基本概念和发展历史，以及几个典型的移动通信系统。
第2章主要介绍移动通信的信道特点，包括空间传播的损耗、衰落，以及由此涉及的信号参数，如时延扩展、相关带宽等；分析宽带无线通信的信道模型以及信道中的噪声和干扰。
第3章主要介绍移动通信组网技术，包括多址接入、网络结构、信道配置和覆盖，以及移动网络管理。
第4章至第6章主要介绍移动通信中的信源编码、信道编码和调制技术，分别针对不同类型的移动通信系统进行介绍。
第7章介绍移动通信系统中的无线定位技术及算法，以及定位信息在实用移动通信网络中的功能和应用。
第8章介绍卫星移动通信系统，通过对其应用领域的划分分别进行讨论，包括海事、航空和陆地应用，其中也包含了所用到的编码、调制等技术内容；另外，还介绍卫星移动通信的新兴应用，以及集通信、导航功能于一身的北斗一代系统和区域导航定位系统。
第9章介绍深空通信技术的特点、所用到的编码调制技术、深空网络，以及深空通信的发展趋势。
第10章对未来的移动通信系统进行展望，并分析其中的关键技术。
本书由北京航空航天大学杨东凯教授和修春娣老师编著。其中，第1～4章、第6章、第9章和第10章由杨东凯编写，第5章、第7章和第8章由修春娣编写，胡薇薇对第4章图像编码部分做了补充；全书由杨东凯进行了统稿。
在本书的编写过程中，北京航空航天大学的张其善教授给予了深切的关怀和鼓励，编著者所在教研室王力军老师和朱长怀老师提供了支持与帮助，研究生季刚、袁延荣、周练赤、苏兆安和何宇等参与了文字校对和习题收集整理工作，在此一并表示感谢。
尽管本教材积累了编著者多年教学和科研实践的经验和成果，但由于所涉及的知识面广，编著者水平有限，书中难免存在许多不足之处，敬请广大读者批评指正。
编著者
2013年3月第1章 移动通信概论1.1 移动通信的定义
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，是当今信息社会中最具个性化的通信手段。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活方式，让人们领略到了现代化与信息化的气息。如今，手机已成为人们身边的必需品，并已经开始形成了与此相关的手机文化，如拇指文化等。
移动通信是指通信的双方或至少有一方处于移动状态时进行的通信，包括海、陆、空移动通信。例如，固定体（固定无线电台、有线用户等）与移动体（汽车、船舶、飞机或行人）之间，移动体与移动体之间的信息传递，都属于移动通信的范畴，如图1.1所示。图1.1 移动通信的范畴
图1.1中的基站可以是位于地面的陆地移动通信系统基站，也可以是位于空中的航空飞行器，或者是在天空轨道上运行的卫星。1.2 移动通信的工作频段
频谱是宝贵的资源，为了有效使用有限的频率资源，对频率的分配和使用必须服从国际和国内的统一管理，否则将造成干扰或浪费。
国际电信联盟组织（ITU）规定，陆地移动通信的主要频段划分如表1.1所示。表1.1 陆地移动通信的主要频段划分续表
我国也有相应的规定，现阶段主要有：
● 160 MHz频段：138～149.9 MHz，150.05～167 MHz；
● 450 MHz频段：403～420 MHz，450～470 MHz；
● 900 MHz频段：890～915 MHz（移动台发），935～960 MHz（移动台收）；
另外，900 MHz频段中的806～821 MHz、851～866 MHz分配给了集群移动通信，825～845 MHz、870～890 MHz分配给部队使用。
第三代移动通信系统（3G）的工作频段主要为2 000 MHz频段，频率规划在全球不同国家和地区略有不同。
1.ITU的规划
1992年，世界无线电行政大会（WARC）划分给未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）的频率范围是1 885～2 025 MHz和2 110～2 200 MHz，共230 MHz。其中，1 980～2 010 MHz（地对空）和2 170～2 200 MHz（空对地）共60 MHz频率用于卫星移动业务（MSS）。在1995年世界无线电会议（WRC95）上，又确定了2005年以后的MSS划分范围是1 980～2 025 MHz和2 160～2 200 MHz。2000年国际电联代表在土耳其的伊斯坦布尔召开的世界无线电会议（WRC2000）上，规定了3个全新的全球频段——805～960 MHz、1 710～1 885 MHz和2 500～2 690 MHz，标志着建立全球无线通信系统新时代的到来。
2.欧洲的频率规划
欧洲于1987年正式提出了通用移动通信系统（UMTS）的概念，频率规划为1 900～2 025 MHz和2 100～2 200 MHz。其中，1 900～1 920 MHz用于单向TDD陆地业务；1 920～1 980 MHz用于FDD上行陆地业务；2 110～2 170 MHz和2 010～2 025 MHz用于FDD下行陆地业务；1 980～2 010 MHz和2 170～2 200 MHz用于卫星业务（MSS）。
3.日本的频率规划
日本的第二代移动通信（2G）未能与国际标准统一，但日本已明确表示其第三代移动通信（3G）要与国际标准相一致，并将1 918～2 010 MHz与2 110～2200 MHz分配给3G使用，1 895～1 918 MHz划分给PHS（个人手持式电话系统，TDD方式）。
4.美国的频率规划
美国将IMT—2000核心频段中的1850～1990 MHz频段划分给了PCS（个人通信系统），可以用这些频段开展3G业务；将1900～2025 MHz频段划分给卫星移动业务，期望能部分满足3G业务的空间业务部分的需要；根据1997年平衡预算法（BBA-97）的要求，将2110～2150 MHz频段重新划分，供3G移动业务使用；将2165～2200 MHz频段划分给卫星移动业务，可供IMT-2000空间业务使用。同时，由于美国移动业务使用非常广泛、频率资源紧张，所以不得不采取频带配对、频带转移等措施，这使得频率规划变得非常困难。例如，MMDS（多信道多点分配系统）和ITFS（教育电视固定业务）共用2500～2686 MHz频段，FCC（联邦通信委员会）建议在此频段中划出90 MHz给IMT—2000业务，但所需成本包括频段重新划分、设备投资、营运费等费用将增加，由此将花费几百亿美元，同时产生的人力物力以及时间的代价也将非常巨大。
5.中国的频率规划现状
中国的频率划分主要包括：1 700～2 300 MHz用于移动、固定和空间业务，1 990～2 010 MHz用于航空无线电导航业务，2 090～2 120 MHz用于空间科学（气象辅助、地球探测、地对空方向），2 085～2 120 MHz可用于无线电定位业务（不干扰固定业务的情况下），GSM1800则主要包括1 710～1 755 MHz和1 805～1 850 MHz共2×45 MHz。
而在2007年WARC-07上，IMT（第三代及第四代移动通信系统）的新频段也得以最终确定。地面IMT候选频段为：3.4～3.6GHz的200 MHz带宽、2.3～2.4GHz的100 MHz带宽、698～806 MHz的108 MHz带宽和450～470 MHz的20 MHz带宽；卫星IMT候选频段为：1518～1525 MHz的7 MHz带宽和1668～1675 MHz的7 MHz带宽。同时决定将1518～1525 MHz和1668～1675 MHz用于IMT卫星通信技术，原用于IMT—2000卫星通信的频段将可用于所有IMT系统。
在涉及我国TD-SCDMA未来在全球发展的频率问题的相关议题上，我国主持的2.3～2.4 GHz起草组修改的决议在第一天的全体大会上即得到通过，是IMT的7个地面候选频段中第一个经大会审议达成一致意见的频段。
对于新一代移动通信的频率规划，2008—2010年后逐步显露的3G+/4G的频谱总需求可能会高达1.5～2.0 GHz之巨，需逐步有计划地规划其6～8 GHz以下传播条件依然较有利的频段，其中包括对2 700～2 900 MHz及3.0～6 GHz或3.0～8 GHz频段的进一步分析考虑，以作为3G+/4G移动通信的可能应用频段；如果4G的基本框架包括移动业务与宽带无线接入相互融合为通用无线接入，则目前正在积极考虑的3.0～3.4 GHz、3.4～3.6 GHz、5.3 GHz、5.8 GHz等宽带无线接入的频带也将会成为重要考虑对象。中国目前对350～450 MHz、800～900 MHz及2.4～5.8 GHz频段的频率再规划考虑，也将有助于将来在此传播条件很好的较低频段展开向新一代移动通信业务演进发展。到2012年，全球60个国家将完成4G频率发放。1.3 移动通信的特点和分类
移动通信因其移动性，必须使用无线通信方式。无线通信与有线通信相比，其信道是时变的和随机的，从而大大降低了通信容量和质量。同时，由于移动通信在无线通信的基础上引入了用户的移动性，从而在信道动态性的基础上又增加了用户的动态性，实现起来更加复杂，性能也更差。
在移动通信中，终端是移动的，传输线路随着终端的移动而分配动态无线链路，这两重动态性实现了人类对移动通信的梦想。其代价是沉重的，但也是值得的，这二重动态性正是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如何适应信道和用户二重动态性来进行的。3G中进一步引入了业务类型动态选择特性——三重动态性。
以上三重动态特性，导致移动通信具有如下主要特点：
1）无线电波传播复杂。目前移动通信的频率范围在VHF（30～300 MHz）和UHF（300～3 000 MHz）范围内。该频段的特点是：传播距离在视距范围内，通常为几十千米；天线短，抗干扰能力强；以直射波、反射波、散射波等方式传播，受地形地物影响很大。如，在城市中高楼林立、高低不平、疏密不同以及形状各异，进一步加剧了移动通信传播路径的复杂化，并导致其传输特性变化十分剧烈。无线电波传播示意图如图1.2所示。图1.2 无线电波传播示意图
2）移动台受干扰严重。移动台在工作过程中受到的噪声影响主要包括城市环境噪声、各种车辆发动机点火噪声、微波炉干扰噪声等。移动通信网是多频段、多终端同时工作的系统，移动终端工作时往往受到来自其他方的干扰，包括共道干扰、邻道干扰、互调干扰、多址干扰，以及近地无用信号压制远地有用信号等。
3）无线频率资源有限。无线电频谱是一种特殊的自然资源，尽管电磁波频谱相当宽，但作为无线通信使用的资源很有限，ITU定义3 000 GHz以下为无线电频谱。由于受到频率划分使用政策、划分技术和可以使用的无线电设备等的限制，ITU当前频段主要在9 kHz～400 GHz频率范围内。实际上，目前使用的较高频段只有几十GHz，商用移动通信系统一般工作在3 GHz以下，可用的信道容量是极其有限的。
4）对移动设备要求高。移动设备工作于一种不固定的状态，外界影响（如震动、日晒、雨淋、碰撞等）很难预料，因此要求移动设备具有很强的适应能力，性能稳定可靠，携带方便，功耗低，适应不同的人群应用。
5）通信系统复杂。移动设备在整个通信服务区内自由、随机地运动，需要系统对其频率和功率进行控制，并完成位置登记、越区切换、漫游等跟踪，其信令种类较固定网要复杂得多，入网和计费方式也有特殊要求。
关于移动通信的分类，按信号形式可分为模拟网和数字网；按服务范围可分为专用网和公用网；按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网；按覆盖范围可分为广域网、城域网、局域网和个域网；按使用环境可分为陆地通信、海上通信、空中通信；按制式可分为FDMA、TDMA和CDMA；按工作方式可分为同频单工、同频双工、异频单工、异频双工、半双工；按适用对象可分为民用设备和军用设备。1.4 典型的移动通信应用系统
1.无绳电话系统
无绳电话最初是为满足有线电话用户的需求而诞生的，初期主要用于家庭，由一个与有线电话用户线相连的基站和手持机构成，基站与一部手持机之间利用无线电沟通。无绳电话自诞生之后很快得到了商业应用，并由室内走向室外，其基站通过用户线与公用电话网的交换机相连而进入本地电话交换系统，其系统构成如图1.3所示。通常在办公楼、居民楼群之间、火车站、机场、繁华街道、商业中心及交通要道设立基站，形成一种微蜂窝或微微蜂窝结构形式。无绳电话用户只要看到这种基站的标志，即可使用手持机呼叫，这就是所谓的“Telepoint（公用无绳电话）”。
近年来，基于无绳概念发展起来的无线用户交换（WPABX）受到了很高的重视，作为无绳数据通信的无线局域网（WLAN）也得到了相应的发展；无绳通信是发展个人通信网（PCN）的基础之一。图1.3 公用无绳电话系统构成
2.无线电寻呼系统
无线电寻呼系统是一种单向通信系统，既可作为公用系统，也可作为专用系统，仅是规模大小不同而已。其用户设备俗称“BP机”，因其振铃声近似于“BP…BP…”声而得名。图1.4示出了无线电寻呼系统的组成。其中，寻呼控制中心与市话网相连，当市话用户要呼叫某一移动用户时，可拨打寻呼中心的专用号码，话务员记录所要寻找的用户号码及需要传递的消息，并自动在无线信道上发出呼叫，此时用户“BP机”上显示呼叫的号码及相关信息。
当然，无线电寻呼系统也可以自动寻呼，不需要话务员操作。受蜂窝移动通信网短信业务的冲击，公用无线电寻呼业务目前已停止。
3.集群移动通信系统
集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网。这种系统一般由控制中心总调度台、分调度台、基地台及移动台组成，如图1.5所示。图1.4 无线电寻呼系统的组成图1.5 集群移动通信系统
集群移动通信系统可以实现将几个部门所需的基地台和控制中心统一规划建设，集中管理，共用频率资源及覆盖区，实现资源共享和费用分担，从而获得最大的社会效益。
这种系统支持单呼、组呼、全呼、紧急告警/呼叫、多级优先及私密电话等多种适于调度的功能，也可与有线用户通过本部门的交换机进行通话，但这仅是辅助业务并受到一定限制。
最早的集群通信系统是出现于20世纪70年代的模拟系统，20世纪90年代中期数字集群技术在全球范围内兴起。我国于90年代末期引入数字集群技术，其应用遍及铁道、交通、公安、民航等部门以及应对突发事件、重大事件的各行各业。在我国应用较成熟的数字集群系统有TETRA、iDEN等多种制式。
4.蜂窝移动通信系统
蜂窝移动通信系统是当今世界主流的移动通信系统，它集语音、数据等多种业务于一体，可与公用电话网相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续，也可实现数据业务的接续。
这类通信系统利用“蜂窝”的概念对有限的频谱资源进行重复利用，从而大大提高了用户容量。它的迅猛发展以及用户数量的日益增多，奠定了移动通信乃至无线通信在当今通信领域中的重要地位。
5.卫星移动通信系统
卫星移动通信是指利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区实现移动通信。最早的卫星移动通信主要应用于海上，又称为海事通信。1976年国际海事卫星组织（INMARSAT）在太平洋、大西洋、印度洋上空发射了3颗地球同步轨道卫星，称为Inmarsat-A卫星。模拟话音以调频方式进行通信，每路话音占用50 kHz的射频带宽，在L波段（1.5～1.6 GHz）工作，一般使用1 m以上的抛物面天线。后又发展出Inmarsat航空、Inmarsat-C、Inmarsat-M、Inmarsat-B四类业务，既有数据业务，也有话音业务。
最近10年，以手持机为终端的非同步卫星作为移动通信的载体也已涌现，如铱星系统（6轨道66颗星，765 km）、Global Star系统（8轨道48颗星，1 400 km）、奥德赛系统（3轨道12颗星，10 000 km）、白羊系统（4轨道48颗星，1 000 km）等。
卫星移动通信系统已有商用系统问世，并处于各方争取投资、争取运营者和争取用户的关键时刻。在21世纪，以手持机为中心的中低轨卫星移动通信必将在全球的“个人通信网”中成为重要的组成部分。我国也已经正式立项，在“十二五”规划中实现卫星移动通信业务的突破及产业化发展。
6.分组无线网
分组无线网是利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传输的信息要以“分组”为基本单位，其中含有源地址、宿地址、路由信息以及正文。由于各个分组中额外的信息占用了时间，故而此网特别适用于实时性要求不严、短消息比较多的数据通信。若要用于传输语音，则必须保证时间延迟不大于规定值。
分组传输适用于有中心的星形网络结构，也适用于无中心的分布式网络结构，每个节点均可作为中继节点使用，保持通信不中断。
随着数据业务的增长，世界各国均致力于移动数据通信网络的研究，且大都以分组传输为基础。例如，ARDIS（先进的无线电数据信息服务）系统由IBM和Motorola公司于1983年提出；Mobitex（全国性互连的集群无线电网络）由Ericsson公司和瑞典电信公司联合开发，1986年在瑞典首次运行，1991年为美国所采用；CDPD（蜂窝数字分组数据）由IBM联合9家运营商联合开发；TETRA（全欧集群无线电）是ETSI（欧洲电信标准化协会）为集群无线电和移动数据系统制定的标准，1995年被确定，1997年得到全面推广。
7.平流层通信系统
平流层一般指距地表高度为18～50 km的空域，其中气流主要表现为水平方向运动，对流现象弱，也称“同温层”。平流层通信平台既不同于卫星，也不属于ITU定义的空间站，其所处的空间在各种通信卫星和地面站之间，目前是地球上空尚未开发完全的空间资源，它对未来移动通信的发展具有十分重要的战略意义。
平流层通信系统利用定点的准静止的长驻空飞艇，携带通信有效载荷与地面设施和卫星网络实现双向通信。多个飞艇之间的通信还可构成网络，实现更大范围、更大容量及更优性能的通信服务。平流层通信系统构成示意图如图1.6所示。图1.6 平流层通信系统示意图
根据通信量的不同要求，可以将一个平流层平台的覆盖范围分成几个环形区域。中心区域为通信密集区，主要用于通信量要求较大的场合（如市中心区），具有较大的仰角；外层为通信稀疏区，主要用于通信量要求较小的场合（如市郊区或农村地区），具有较小的仰角。为充分利用频率资源，平流层平台采用空分技术复用信道，通过天线波束形成技术在地面上构成“蜂窝小区”结构。
平流层通信系统与其他通信系统相比，具有以下特点：
1）与卫星通信相比，与地面的距离近，延迟时间约为0.5 ms，自由空间损耗比同步卫星可减小65 dB。
2）平流层平台若在20 km高度，作为高空接力站的作用距离比地面站约大10倍，可达1 000 km。信道瑞利衰落一般为20 dB/十倍频程，比地面50 dB/十倍频程小30 dB，可大大降低发射功率。作为探测平台比10 000 m高度的飞机探测距离远70%。
3）平流层平台的位置机动、灵活，可用于城市上空，也可用于海洋、山区，必要时还可迅速转移，用于自然灾害发生区域。
4）平流层平台成本比通信卫星低约一个数量级，且不需要组网即可完成某特定区域的通信，发射、回收等操作也很方便、经济。
5）平流层平台可以方便地回收，不像卫星会造成空间垃圾，其高度在民航飞机飞行高度之上，不会构成对民航的安全威胁。
6）平流层平台通常位于国境之内，频率资源等可以自行设定，不受国际规定的某些限制。1.5 移动通信的发展简史
移动通信从1898年M.G.马克尼完成无线通信实验时就开始产生了，而现代移动通信技术的发展则是从20世纪20年代开始的，至今大致经历了7个阶段：
1）20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在此期间，首先在几个短波频段（2 MHz）上开发出专用移动通信系统，代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统，此阶段可认为是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统，工作频率较低。
2）20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间，公司移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔电话实验室在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。该系统的频率范围是35～40 MHz，采用FM调制方式。随后，德国（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）等相继研制了各自的公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换的接续问题，此阶段的特点是专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网络的容量较小。
3）20世纪60年代中期至70年代中期。此间美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），采用大区制、中小容量，实现了无线频道的自动选择，并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说这一阶段是移动通信系统的改进与完善阶段，其特点是大区制、中小容量，实现了自动选频与自动接续。
4）20世纪70年代中期至80年代中期。随着用户数量的增加，大区制所能提供的容量很快饱和，构建移动通信系统必须探索新体制。在此方面最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念，蜂窝网即所谓的小区制，由于实现了频率复用，可大大提高系统容量。可以说，蜂窝网的概念有效解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。大规模集成电路的发展导致微处理器技术日趋成熟，以及计算机技术的迅猛发展，使得大型通信网的管理与控制成为可能。这直接导致了移动通信的蓬勃发展。1978年年底，美国贝尔实验室成功研制出高级移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1979年，日本推出了800 MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。1985年，英国开发出全接入通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，然后推广到全国。与此同时，加拿大也推出了自己的移动电话系统（MTS）。1980年，瑞典等北欧四国开发出了NMT-450移动通信网，并投入使用。
此阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展，形成了所谓的第一代移动通信系统。在此阶段，移动通信大发展的原因除了用户需求迅猛增长这一主要推动力之外，其他方面主要是技术发展所提供的条件。同时微电子技术在这一时期得到了长足发展，使通信设备小型化、微型化有了可能，各种便携电台不断推出。
5）从20世纪80年代中期开始到20世纪末，是数字移动通信系统发展和成熟的时期。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。其突出问题是频谱利用率低，移动设备复杂，费用较高，业务种类受到限制，通话易被窃听，且其容量不能满足需求。
为改变上述现状，20世纪80年代中期欧洲率先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）体系，并于1991年7月投入商用，很快在世界范围内获得了广泛认可。
在美国，由于模拟系统在当时尚能满足需求，其数字系统的实现要晚于欧洲。为了扩大容量并与模拟系统兼容，1991年美国推出了第一套数字蜂窝系统（D-AMPS），它是美国电子工业协会（EIA）的数字蜂窝暂行标准，即IS-54，其容量是AMPS的3倍。1995年美国电信工业协会（TIA）正式颁布了第二套数字蜂窝系统标准窄带CDMA（N-CDMA）标准（即IS-95A标准）。1998年升级为IS-95B标准。另外，日本于1993年推出了太平洋数字蜂窝系统（PDC）。
此阶段发展的数字蜂窝系统频谱利用率高，系统容量大，语音、数据业务兼有。
6）2000年开始3G/4G的涌现。伴随着2.5G产品GPRS的商用，人们的目光开始转向下一代移动通信技术——3G。所谓3G，国际电联称之为IMT2000，欧洲的电信业巨头们则称其为UMTS（通用移动通信系统）。其主流标准包括北美和韩国的cdma2000、欧洲和日本的WCDMA以及中国的TD-SCDMA。
3G和2G相比，有以下几个鲜明的特点：语音通信和多媒体通信相结合，业务种类涉及音乐、图像、网页、视频等；采用CDMA和分组交换技术，区别于2G的TDMA和电路交换技术；支持更多的用户，更高的传输速率。
3G正方兴未艾之时，4G或超3G（B3G）的讨论已如火如荼地展开。4G的概念主要集中于广带（Broadband）接入和分布网络，具有非对称的超过2 Mbps的数据传输能力，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统能够以100 Mbps的速度下载，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作广播网络等。
7）2010年4G新技术投入应用。2009年12月，长期演进技术（LTE）在世界上首次投入公共应用，TeliaSonera公司在瑞典首都斯德哥尔摩和挪威首都奥斯陆同时启用4G/LTE网络，推出了LTE服务项目，成为全球第一个正式商用的4G网络。
2010年2月的世界移动通信大会上，4G时代的核心技术——LTE 成为关注的焦点。爱立信成功演示了一种LTE/4G新系统，其下载速率最高达到了1 Gbps，创世界纪录，远超出了目前普通互联网的网速。至此，LTE将成为全世界大部分移动通信营运商采用的移动宽带技术，据全球移动通信系统协会公布的数据，全世界已有74家运营商参与或承诺参与LTE的测试或应用。美国、日本分别在2010年开始LTE技术的商业应用，中国移动也在上海世博会上推出全球第一个TD-LTE试验网。据预测，到2013年，全球LTE网络的用户数将达7 200万。
2010年12月，国际电信联盟（ITU）将WiMAX、HSPA+、LTE正式纳入4G标准，加上之前已经确定的LTE-Advanced 和WirelessMAN-Advanced两种标准，目前4G标准已经达到了5种。按照移动通信技术每10年产生新一代体制的发展规律，2010年是4G技术发展应用具有里程碑意义的一年。1.6 我国陆地移动通信的发展
我国发展移动通信业务始于1981年，介于国际移动通信发展的第四和第五个阶段之间。当时采用的是早期的150 MHz系统，8个信道，20个用户；随后开始转向发展450 MHz系统，如重庆电信局的诺瓦特系统和河南省的MAT-A系统。从此我国的移动通信发展迅速，主要事件如下：
● 1987年，上海开通模拟TACS 900 MHz蜂窝系统；
● 1987年11月，广东开通了珠江三角洲的900 MHz系统；
● 1994年9月，广东首先建成GSM网，10月试运行；
● 1996年我国研制出自主的数字蜂窝系统，并产业化；
● 1996年12月广州建起第一个CDMA试验网；
● 1997年10月广州、上海、西安、北京四个城市CDMA漫游测试通过，11月北京试点向社会开放；
● 2005年6月我国完成了WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三大系统的网络测试；
● 2009年1月，我国3G牌照正式发放，其中中国电信采用WCDMA，中国联通采用cdma2000，中国移动采用TD-SCDMA，形成了3G的“三国时代”。
对于4G，我国目前尚处于研发阶段，国家科技部制定了重大项目研发计划，针对关键技术进行研发，与欧洲也建成了联合研发队伍进行集中攻关。企业界（如华为、中兴等）也在纷纷研究其中的技术内容与有关国际标准组织的动向。2010年4月，我国具有核心自主知识产权的TD-LTE演示网在世博会园区开通，其下行速率为100 Mbps，上行速率为50 Mbps，演示网络的峰值传输速率达到了宽带移动通信的要求，标志着TD-LTE从实验室走向商用，为中国争夺未来全球4G标准上的话语权和战略制高点迈出了关键一步。习题
1.1 移动通信的基本定义是什么?
1.2 列表说明移动通信的主要工作频段。
1.3 简述移动通信的主要特点。
1.4 移动通信系统的分类方式有哪些?请列举。
1.5 简述典型的移动通信应用系统。
1.6 简述移动通信的发展历史。
1.7 了解我国陆地移动通信系统的发展过程。第2章 移动通信的信道2.1 无线电波传播机制
目前所讨论的移动通信，所使用的无线电频率大多超过800 MHz，其波长相对于建筑物尺寸来说非常小；电磁波（即无线电波）在建筑物内和建筑物外的传播均可看成沿着确定的路线进行的传播，图2.1和图2.2分别表示了这两种场景，其中共包含3种基本机制：反射、衍射和散射。图2.1 室内区域电波传播机制图2.2 室外区域电波传播机制
1.反射
当电磁波碰到尺寸大于其波长的障碍物时，会发生镜面反射。通常入射到地面、建筑物的墙壁、天花板和地板上的电磁波，经过镜面反射和传输，其振幅系数通常由平面波分析决定。经过反射和传输后，电磁波的衰减与频率、入射角和介质特性（材料、厚度、均匀性等）有关。室内对此考虑要多一些，而室外因多次反射传输，所以信号强度减小到可以忽略不计。
2.衍射
电磁波入射到建筑物、墙壁和其他大型物体的边缘时，可把边缘看作二次波源，衍射场由二次波源产生并从衍射的边缘处以柱面波传播。通过这种方式可有效地将信号传播到阴影区域中。由于二次波源的产生，衍射造成的损耗比反射造成的损耗大得多，因此，衍射在室外环境中是很重要的一种现象，而在室内则十分微弱。
3.散射
不规则的物体，如表面粗糙的墙壁和家具（室内），车辆和树叶（室外）等，可使电磁波向各个方向散射，形成球面波，特别是当物体尺寸近似于或小于电磁波波长时。在多个方向上传播会导致功率电平减小，特别是离散射源较远时。2.2 移动环境下接收信号的4种效应
在上述电波传播机制下，接收点处的信号将会出现如下4种效应：
● 阴影效应；
● 多径效应；
● 多普勒效应；
● 远近效应。
1.阴影效应
由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电磁波传播的接收区域中会产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影，称之为阴影效应。电磁波波长较短时，阴影可见；电磁波波长较长时，阴影不可见，但是接收终端（如手机）与相应仪表可以测试出来。图2.3所示为阴影效应的示意图。图2.3 阴影效应示意图
2.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接波，也有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，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。接收点处的信号是上述信号的矢量和，这种效应称为多径效应，不同路径信号间的干扰称为多径干扰。在某些情况下，直射波信号不存在，接收点处的信号仅是多个不同路径反射波的矢量和。图2.4为多径效应的示意图。图2.4 多径效应的示意图
3.多普勒效应
当接收点处于高速运动中，或者移动通信两端（发送端和接收端）的相对运动速度超过一定值时，接收信号的载波频率将随运动速度v的不同而产生不同的频移，即产生多普勒效应，该频移称为多普勒频移。
多普勒频移f与移动台的运动速度v、接收信号载波的波长λ和电D波到达的入射角θ有关，即f=cosθ，如图2.5所示。D图2.5 入射波与移动台运动方向夹角示意图
工作频率越高，则频移越大；移动速度越快，频移也越大。在电话系统中，多普勒频移可影响300 Hz左右的语音，产生附加调频噪声，出现失真。多普勒效应通常利用锁相技术来克服。
4.远近效应
由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站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，则到达基站时信号的强弱将不同，离基站近的信号强，离基站远的信号弱，由此可导致离基站远的用户出现通信中断的现象，称之为远近效应。2.3 移动通信中信号的损耗
移动通信中信号的损耗主要是指接收信号强度相对于发射信号的变化。根据2.2节所讨论的4种效应，信号的损耗可分为：
● 阴影衰落，由阴影效应产生；
● 多径衰落，由多径效应产生（也称多路径衰落）；
● 频率选择性衰落，由多径效应产生；
● 时间选择性衰落，由多普勒效应产生；
● 自由空间中的损耗，与远近效应相对应。
其中，频率选择性衰落和时间选择性衰落又称为快衰落，阴影衰落又称为慢衰落。快衰落和慢衰落两者之间的关系如图2.6所示。图2.6 移动通信中的快衰落和慢衰落2.3.1 慢衰落（阴影衰落）
当无线电波在传播路径上遇到起伏地形，如建筑物、植物（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动接收端通过不同障碍物的阴影时，接收天线处场强中值的变化会引起信号衰落，称之为阴影衰落。这种变化速率较为缓慢，因此称为慢衰落（通常比传送信息率慢）。
慢衰落的深度，即接收信号局部电平变化的幅度，取决于信号频率与障碍物的状况。频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物；反之，低频率信号比高频率信号具有较强的绕射能力。
慢衰落的衰落速率与频率无关，主要取决于传播环境，即接收天线周围地形，如山丘地形、建筑物的分布与高度、街道走向、基站天线的位置和高度以及移动站运动速度等。
慢衰落对路径损耗的影响可用一个随机变量X表示，测试数据表明，变量X近似服从对数正态分布，其概率密度函数为：
式中，m为X的期望值，σ为标准偏差，均用dB表示。慢衰落的变化分布概率密度函数如图2.7所示。图2.7 慢衰落的变化分布概率密度函数2.3.2 快衰落
相对于快衰落而言，慢衰落是宏观变化，是以较大的空间尺度来度量的。而快衰落是微观变化，在较小的空间尺度内信号幅度会发生急剧变化。仔细划分，快衰落又可分为频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。
1.频率选择性衰落
此类衰落是指在不同频段上衰落特性不同，即传输信道对信号中不同频率分量具有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，衰落信号波形将产生失真。一般情况下，对于模拟通信系统，主要考虑信号的幅度衰落变化情况，这是由于信号沿着不同的路径运行了不同的距离，不同相位的到达信号相加，造成了信号幅度的波动。由于信道的不规则性，该波动情况必须用统计方法来分析，即将幅度波动的模型视为一种特殊分布的随机变量。最常见的分布是瑞利分布，其概率密度函数如下式所示：
式中，r是信号幅度的随机变量，σ是其标准偏差。此时有如下基本假设前提：
1）发射端和接收端无直射波通路；
2）有大量反射波存在，且到达接收天线的方向是随机的，相位也是随机的，在0～2π范围内均匀分布；
3）各反射波的幅度和相位均为统计独立。
若假设条件1）不成立，即存在很强的直达波路径时，信号幅度的分布则变为莱斯分布，其概率密度函数如下式所示：
式中，k是用来计算直达波分量相对于其他多径信号强度的一个因子。
瑞利分布和莱斯分布的概率密度函数分别如图2.8（a）和（b）所示。通过接收信号幅度的分布可以了解在何时或何地接收到所需的信号强度，其余时间和地点通常看成信号中断。
对于数字移动通信系统，频率选择性衰落通常用时延扩展来描述，与时延扩展对应的频域参数为相关带宽。对于数字信号传输，基本的信号为脉冲信号，经过多径传播后接收信号将产生时延扩展。若发射端信号为窄脉冲信号，即S（t）=aδ（t），则接收信号为N个不00同路径传来的信号之和：图2.8 频率选择性衰落的瑞利分布（a）和莱斯分布（b）的概率密度函数
式中，a为第i条路径的衰落系数；τ（t）为第i条路径的相对的时ii延差。若发射脉冲宽度为T，则接收脉冲宽度为T+Δ，Δ即定义为时延扩展，如图2.9所示。图2.9 时延扩展示意图
在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间干扰。为避免码间干扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展Δ；或者说，码元速率R小于时延扩b展的倒数R<1/Δ。对于工作频段为450 MHz或者900 MHz的传输系统，b时延扩展典型值在市区为1.0～3.0 μs，在郊区为0.2～2.0 μs。一般情况下，市区大于郊区时延扩展。因此，从时延扩展考虑，市区传播条件更为恶劣。
相关带宽是对移动信道传输一定带宽信号能力的统计度量，是移动信道的一个特性。一般地，相关带宽与时延扩展成反比，但其具体定义不是很严格，工程上常用B=估算。若信号带宽超过c相关带宽，将出现大的失真。例如，数字信号的符号宽度为T（即信s号传输速率为1/T波特），其信号带宽为2/T，若不发生符号间干ss扰，则必须有
可见，信号速率受时延扩展Δ值的限制。
2.时间选择性衰落
此类衰落是指在不同时间段内衰落特性不同，其产生根源在于用户的快速移动，信号在频域上产生了多普勒频移扩展，即由多普勒效应引起的信道特性在信号传输过程中发生变化，信号尾端的信道特性与信号前端的信道特性发生了变化，产生了所谓的时间选择性衰落。
描述时间选择性衰落的主要参数是多普勒扩展B，与之对应的D时域参数是相关时间T。时间选择性衰落描述的是信道的时变性，这c种时变性或是由移动台与基站间的相对运动引起的，或是由信号路径中的物体运动引起的。
多普勒扩展由最大多普勒频移f决定，即为θ=0时的多普勒频移mf，有
发射频率为单频f，接收到的信号功率谱扩展为（f—f，f+f）ccmcm范围，如图2.10所示。图2.10 多普勒扩展
相关时间是指在一段时间间隔内，到达的两个信号具有很强的相关性，即在相关时间内，信道特性没有明显变化。它表征了时变信道对信号的衰落节拍，并发生在传输波形的特定时间段上，具有时间选择性。
粗略地讲，相关时间T定义为多普勒扩展的倒数，即c
3.空间选择性衰落
此类衰落是第三类快衰落，是指在不同的地点衰落特性不一致，又称为平坦衰落，即在时域、频域中不存在选择性衰落。
空间选择性衰落用角度扩展和相关距离来描述。角度扩展δ描述了功率谱在空间上的色散程度，可分布在0～360°之间，角度扩展越大，表明散射越强，信号在空间的色散度越高；反之表明散射越弱，信号在空间的色散度越低。
相关距离是衡量空间信号随空间相关矩阵变化的参数，在相关距离内，空间传输函数可认为是平坦的。相关距离可近似定义为
式中，θ为接收信号到达角。
快衰落很容易引起高的差错率，但在实际应用中，也不能单纯靠增加信号发射功率来解决。一般而言，采用频谱交错的差错控制码、分集技术、定向天线技术等可以减少其影响。2.3.3 衰落信道的区分
综上所述，移动通信信道的衰落类型及其区分原则如表2.1所示。其中B为信号带宽，T为信号周期，Δ是时延扩展，B为相关带ssc宽，B为多普勒扩展。由此可以看出，阴影衰落属于慢衰落的一D种，但是多径效应和多普勒效应导致的衰落也不一定全是快衰落，是否是快衰落应由移动速度及信号发送速率共同决定。另外，考虑空间选择性的移动信道又称为矢量信道，否则称为标量信道，即只考虑时间和频率的二维信道。表2.1 移动通信信道的衰落类型及其区分原则2.3.4 传播路径损耗
在移动通信中，无线电波的能量在空间中传播时也会随距离而变化，其变化规律与具体的传播环境相关，包括用于部署无线网络的蜂窝层次结构中的小区尺寸和地形。传播路径损耗直接与远近效应相关。下一节将详述各种条件下的信号传播损耗。2.4 信号传播的路径损耗模型
在移动通信中，通信距离是一个衡量系统性能指标的关键因素。为满足一定通信距离的要求，必须计算信号的覆盖范围。在任何情况下，信号覆盖范围计算的核心都是路径损耗模型，它把信号强度损耗与两个终端之间的距离联系起来。路径损耗是指由于反射、建筑物周围的散射和内部的折射而造成的接收信号功率随着距离增大而减小的现象。
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