前 言
移動(dòng)通信的發(fā)展歷史可以追溯到19 世紀(jì)末，1873 年，蘇格蘭人麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)理論，1880 年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲根據(jù)麥克斯韋方程所預(yù)言的電磁波的發(fā)生､檢測(cè)及其屬性的測(cè)量進(jìn)行了一系列著名的實(shí)驗(yàn)，1894 年，意大利學(xué)者馬可尼做出了一個(gè)可用的無(wú)線電裝置。1897 年，馬可尼完成了超過2mi (1mi = 1609m) 距離的無(wú)線電通信試驗(yàn)。1900年，馬可尼利用電磁波進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信取得了成功，從此，世界進(jìn)入了無(wú)線電通信的新時(shí)代。
20 世紀(jì)70 年代中期，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制了先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)( Advanced Mobile Phone System，AMPS)，建成了蜂窩狀移動(dòng)通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量，這是第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用模擬信號(hào)來(lái)處理和傳遞語(yǔ)音信號(hào)，即模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)。此后，其他國(guó)家也相繼開發(fā)了自己的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，如歐洲的900MHz 全接入通信系統(tǒng)( Total Access Communications System，TACS)､日本的800MHz 汽車電話系統(tǒng)等。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是蜂窩狀移動(dòng)通信網(wǎng)成為實(shí)用系統(tǒng)，并在世界各地迅速發(fā)展。
20 世紀(jì)80 年代中期是數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)逐漸成熟和發(fā)展的時(shí)期，模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)雖然取得了成功，但也存在頻譜利用率低､費(fèi)用高､不保密等問題。解決這些問題的方法是開發(fā)新一代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。為此，歐洲發(fā)展了GSM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)( 簡(jiǎn)稱G 網(wǎng))，美國(guó)發(fā)展了DAMPS (Digital AMPS) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨后，美國(guó)又推出了碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱C 網(wǎng))。這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是以數(shù)字信號(hào)的傳遞為特征的，我們稱之為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，從此移動(dòng)通信進(jìn)入數(shù)字信號(hào)的時(shí)代。
第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT 2000 (簡(jiǎn)稱3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)) 利用第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的語(yǔ)音､數(shù)據(jù)､視頻圖像等業(yè)務(wù)，它的目標(biāo)是在全球?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一頻段､統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)､無(wú)縫覆蓋，提供移動(dòng)寬帶多媒體業(yè)務(wù)，其中實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)環(huán)境下支持144kbit/ s 速率，步行和慢速移動(dòng)環(huán)境下能夠支持384kbit/ s 速率，室內(nèi)環(huán)境中能夠支持2Mbit/ s 速率數(shù)據(jù)傳輸，并保證高可靠服務(wù)質(zhì)量(QoS)。經(jīng)過各個(gè)國(guó)家的努力，第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)最終確定了三種體制，分別是歐洲的WCDMA (寬帶碼分多址，Wideband CDMA)､中國(guó)的TD SCDMA (時(shí)分同步碼分多址，Time Division Synchronous CDMA) 和美國(guó)的CDMA 2000。3G 系統(tǒng)不僅采用了新的空口技術(shù)，在核心網(wǎng)層面也有變革，由原來(lái)2G 系統(tǒng)的純電路域核心網(wǎng)演進(jìn)成了3G 的分組域加電路域的核心網(wǎng)格局。為了完成這種轉(zhuǎn)化，2G 和3G 系統(tǒng)間有一個(gè)過渡時(shí)期，我們稱之為2.5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)，如2.5G 的GPRS 系統(tǒng)(GSM 制式的過渡系統(tǒng)) 和IS 95B 系統(tǒng)(2G CDMA 制式的過渡系統(tǒng))。我國(guó)于2009 年1 月7 日正式下發(fā)3G 運(yùn)營(yíng)牌照，分別為中國(guó)移動(dòng)主營(yíng)TD SCDMA 系統(tǒng)､聯(lián)通主營(yíng)WCDMA 系統(tǒng)､電信主營(yíng)CDMA 2000。
隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，3G 的局限性日益突出，如帶寬小､數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量和語(yǔ)音業(yè)務(wù)量占比持續(xù)擴(kuò)大､頻譜利用率不高､數(shù)據(jù)速率滿足不了需求等，迫切需要有一個(gè)更大帶寬､更高速率的系統(tǒng)來(lái)滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的需求，于是，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。2005 年10 月在赫爾辛基舉行的ITU R WP8F 第17 次會(huì)議上，正式將System Beyond IMT 2000 命名為IMT advanced (4G 移動(dòng)通信系統(tǒng))，其高移動(dòng)性下可支持100Mbit/ s，低移動(dòng)性下支持1Gbit/ s。4G 系統(tǒng)完全摒棄了電路域，核心網(wǎng)為純分組域網(wǎng)絡(luò)，采用全新的空口技術(shù)，復(fù)用技術(shù)和調(diào)制技術(shù)都進(jìn)行了較為顯著的改革，使得新的網(wǎng)絡(luò)更符合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)。我國(guó)于2013 年12 月4 日發(fā)放了4G 運(yùn)營(yíng)牌照，4G 的標(biāo)準(zhǔn)主要有2 個(gè)，分別是TD LTE 和FDD LTE。
21 世紀(jì)，通信網(wǎng)絡(luò)以超摩爾定律的速度向前發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室光纖傳輸容量已經(jīng)達(dá)到103.2 Tbit/ s，2017 年用戶月平均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量達(dá)到2.25G，比上一年同期增長(zhǎng)147.8% ，網(wǎng)絡(luò)的健壯性能大為提高，終端設(shè)備豐富多樣，新業(yè)務(wù)層出不窮。到2017 年底，全球移動(dòng)用戶數(shù)量突破50 億，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)社會(huì)的文明和進(jìn)步產(chǎn)生了重大影響，利用無(wú)線信道最終接入的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，巧妙地實(shí)現(xiàn)了固定網(wǎng)絡(luò)與自由移動(dòng)終端之間的連接，更使得人們開始實(shí)現(xiàn)了5W，即任何人( Whoever) 在任何時(shí)間( Whenever) ､任何地點(diǎn)( Wherever) 與其他任何人( Whomever) 進(jìn)行任何種類( Whatever) 的信息交換。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，4G 的帶寬將成為數(shù)據(jù)速率的最大限制因素之一，如何開發(fā)新的頻段范圍及增加帶寬成為又一個(gè)新的課題。
5G，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是滿足海量無(wú)線通信數(shù)據(jù)的唯一方案。它是4G 之后的延伸，目前5G 的需求及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)(KPI) 已基本確定，國(guó)際電聯(lián)將5G 應(yīng)用場(chǎng)景劃分為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)兩大類，各個(gè)國(guó)家均認(rèn)為5G 除了支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展之外，還將解決機(jī)器海量無(wú)線通信需求，極大促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)､工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展。
2016 年1 月，工業(yè)和信息化部在北京召開“5G 技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)” 啟動(dòng)會(huì)，會(huì)上，IMT2020 (5G) 推進(jìn)組在«5G 愿景與需求白皮書» 中指出，5G 定位于頻譜效率更高､速率更快､容量更大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中頻譜效率相比4G 需要提升5 ~15 倍。5G 的總體規(guī)劃分兩步: 第一步，2015 ~2018 年進(jìn)行技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)(分為5G 關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)､5G 技術(shù)方案驗(yàn)證和5G 系統(tǒng)驗(yàn)證三個(gè)階段實(shí)施)，最終到2018 年完成5G 系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)性能測(cè)試和5G 典型業(yè)務(wù)演示，由中國(guó)信息通信研究院牽頭組織，運(yùn)營(yíng)企業(yè)､設(shè)備企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)共同參與；第二步，2018 ~2020 年，由國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商牽頭組織，設(shè)備企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)共同參與。我國(guó)預(yù)計(jì)在2020 年全面啟動(dòng)5G 商用。
在移動(dòng)技術(shù)需求的背景下，我們編寫了本書。在編寫過程中，得到了武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)與同仁的大力支持，感謝通信工程專業(yè)教研室對(duì)本書出版給予的大力支持，以及校科技處､教務(wù)處領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心與支持。感謝湖北省教育廳項(xiàng)目資助( No.17Q091) 以及中紡協(xié)教育教學(xué)改革項(xiàng)目的資助( No.2017BKJGLX116) 。感謝武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和移動(dòng)通信專業(yè)的教師為本書出版傾注的熱情和心血。
本書配有免費(fèi)電子課件､電子教案以及授課計(jì)劃，歡迎選用本書作教材的老師登錄www.cmpedu.com 注冊(cè)下載或發(fā)郵件到xufan666@163.com 索取。
由于移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，加之作者本身教學(xué)與研究水平有限，書中的錯(cuò)誤以及信息的滯后在所難免，懇請(qǐng)廣大讀者在使用過程中批評(píng)指正。
編 者