無線通信原理與技術（簡體書）

本書是一部介紹無線通信原理和技術的新形態教程(含紙質圖書、教學課件、微課視頻、習題解答、虛 擬實驗、思政案例等)。 全書共11章。第1章為無線通信概論;第2~4章分別介紹無線電波傳播、窄帶無線信道、寬帶和方 向性信道;第5~8章分別介紹數字調制解調、信道編碼、均衡、分集等無線通信關鍵技術;第9~11章分別 介紹擴展頻譜、正交頻分復用和多天線等3G、4G和5G的關鍵技術。 為便於讀者高效學習,本書提供配套的 MOOC課程(48學時),包括完整的微課視頻、教學課件,並配 備了習題與解答、虛擬實驗以及在線論壇交流服務等內容。 本書適合作為高等學校通信工程及相關專業本科生和研究生的課程教材,也可作為相關領域工程技 術人員的參考書和企業培訓教材。

熊磊 北京交通大學教授、博士生導師，軌道交通控制與安全國家重點實驗室副主任，教育廳課程思政教學名師。長期從事無線通信、人工智能、通信儀器儀表等領域的教學和研究工作。發表學術論文100余篇，其中SCI檢索論文40余篇、EI檢索論文60余篇。主持國家級、省部級及企業合作科研項目40余項。獲國家發明專利16項，出版著作6部。獲得中國學位與研究生教育學會研究生教育成果獎等教學成果獎6項。

本書系統論述了無線通信的基礎理論、基本概念、基本規律和主流方法，有助於讀者夯實理論基礎，建立無線通信知識體系，掌握運用辯證唯物主義的觀點和方法觀察、分析和解決無線通信的理論問題和工程難題。本書對接無線通信前沿技術和發展方向（例如5G/6G移動通信），注重培養學生邏輯思維和創新思維能力；面向無線通信工程建設，注重培養學生解決複雜工程問題的能力。本書特點如下：
理論基礎 重視基本概念、基本理論和和基本規律，使讀者奠定扎實的無線通信理論基礎。
知識體系 注重前後章節知識體系和分析方法的融會貫通，建立無線通信知識體系。
學術前沿 介紹無線通信前沿技術和發展方向，激發讀者學習興趣，啟迪創新思維。
工程實踐 面向無線通信工程建設，提供虛擬仿真實驗，提高學生解決複雜工程問題的能力。
課程思政 堅持運用辯證唯物主義的觀點和方法分析問題，培養讀者的科學思維、創新意識和職業道德，落實立德樹人，弘揚愛國主義，厚植家國情懷。
易讀易學 減少繁雜公式和數學推導，重視公式的物理意義，內容圖文並茂，並配有微課視頻和動態插圖，提高教材的可讀性。
形態新穎 配套MOOC課程，提供微課視頻、教學課件、教學大綱、測試題庫、虛擬實驗、思政案例，支持教師和學生互動交流，教學相長。

近40年，無線通信成為電信產業中發展最迅猛的分支，無線通信技術已經滲透到國民經濟的各個方面。無線通信技術是推動數字經濟、建設“數字強國”“網絡強國”和“製造強國”的重要組成部分。5G也已成為“新基建”的戰略排頭兵和重要基礎設施。“4G改變生活，5G改變社會”正在成為現實。

面對快速發展的無線通信技術，本書系統地闡述無線通信基本概念、基本原理，幫助讀者形成較為完整的無線通信知識體系； 積極反映無線通信技術（如5G和6G）的最新發展，如毫米波通信、大規模MIMO和智能超表面（RIS）等。本書還特別強調面向工程應用，培養熟練使用無線通信基本原理和分析方法進行計算和設計的能力，旨在提升讀者解決複雜工程問題的能力。

本書摒棄了非必要的公式推導和理論證明，盡可能降低學習的難度，聚焦於公式的物理意義。讀者只需要具備基本的“高等數學”“信號處理”“通信原理”等課程的知識即可開展學習。

中國大學MOOC的“無線通信基礎”在線課程採用本書作為教材，在線課程配備了課程視頻、課件、作業和測試題，以及常見問答等。課程上線4年來，已吸引了超過27000人次學習。

課程組自主設計開發了“5G電波傳播與無線信道測量虛擬仿真實驗”，可以幫助讀者更深入地理解電波傳播與無線信道知識點，提升實際操作能力和解決工程的能力。

全書共11章。第1章為無線通信概論。第2~4章分別介紹無線電波傳播、窄帶無線信道、寬帶和方向性無線信道。第5~8章分別介紹數字調制解調、信道編碼、均衡、分集等無線通信關鍵技術。第9~11章分別介紹擴頻技術、正交頻分復用技術和多天線技術等3G、4G和5G的關鍵技術。

本書的出版得到了北京交通大學先進軌道交通自主運行全國重點實驗室的支持，相關研究工作得到了中央高校基本科研業務費專項資金（2022JBXT001）、國家自然科學基金“地區聯合基金”（U21A20445）等科研項目的資助，特此感謝。

恩師北京交通大學原校長談振輝教授對書稿進行了認真的審閱，提出了很多寶貴意見，並撰寫了推薦序，在此表示衷心感謝。

同時特別感謝清華大學出版社盛東亮、鐘志芳、吳彤云等編輯的大力支持和幫助，如果沒有他們，這本書很可能無法問世。最後衷心感謝所有支持和幫助我們的領導、專家和各界朋友。

由於編者水平有限，書中難免有疏漏或不足之處，懇請讀者批評指正。

編者2024年3月

第1章無線通信概論

1.1無線通信系統與頻譜

1.1.1什麼是無線通信

1.1.2無線通信頻譜

1.1.3毫米波通信

1.1.45G系統頻率

1.2無線通信系統發展史

1.2.1無線通信的誕生

1.2.2現代無線通信

1.2.3蜂窩移動通信的發展——從1G到6G

1.3常用的無線通信系統

1.3.1衛星通信

1.3.2微波通信

1.3.3無線局域網

1.3.4短距離無線通信

1.3.5無線廣播/電視通信

1.4無線通信面臨的挑戰

第2章無線電波傳播

2.1天線

2.1.1天線基本原理

2.1.2全向天線

2.1.3定向天線

2.1.4天線方向性參數

2.1.5有效全向輻射功率

2.2電波傳播機制

2.2.1直射

2.2.2反射與透射

2.2.3繞射

2.2.4粗糙表面的散射

2.2.5其他傳播機制

2.3噪聲和干擾

2.3.1內部噪聲

2.3.2外部噪聲

2.3.3人為噪聲

2.3.4噪聲系數

2.3.5高斯白噪聲

2.4路徑損耗模型

2.4.1奧村(Okumura)模型

2.4.2奧村(Okumura)哈塔(Hata)模型

2.4.3COST 231Hata模型

2.4.4MotleyKeenan室內模型

2.4.5WINNER Ⅱ信道模型

2.4.63GPP 4G系統路徑損耗模型

2.4.73GPP 5G系統路徑損耗模型

第3章窄帶無線信道

3.1概述

3.1.1小尺度衰落

3.1.2大尺度衰落

3.2陰影衰落

3.2.1陰影衰落統計分布

3.2.2陰影衰落余量

3.3多徑效應

3.4瑞利衰落

3.5萊斯衰落

3.6Nakagamim衰落

3.7多普勒頻移與信道時變特性

3.7.1多普勒頻移

3.7.2多普勒譜

3.7.3信道時變特性

3.8系統鏈路預算

第4章寬帶和方向性信道

4.1多徑

4.1.1多徑時延

4.1.2多徑傳播的影響

4.1.3寬帶無線信道數學描述

4.1.4功率時延譜

4.1.5時延均值與均方根時延擴展

4.1.6相干帶寬與頻率選擇性衰落

4.2多普勒擴展

4.2.1均方根多普勒擴展

4.2.2衰落的時間相關性與相干時間

4.3廣義平穩非相關散射

4.3.1廣義平穩

4.3.2非相關散射

4.3.3抽頭延遲線模型

4.4寬帶信道模型

4.4.1COST 207信道模型

4.4.2ITUR M.1225信道模型

4.5方向性信道模型

4.5.1WINNER信道模型

4.5.23GPP 4G信道模型

4.5.33GPP 5G信道模型

第5章數字調制解調

5.1基本原理

5.1.1調制的意義

5.1.2調制的種類與要求

5.1.3帶通信號的等效低通表示

5.1.4信號正交表示與星座圖

5.1.5脈衝成形技術

5.2無線通信中常用的調制方式

5.2.1相移鍵控

5.2.2正交幅度調制

5.2.3頻移鍵控

5.2.4無線通信系統常用的調制方式

5.3數字解調

5.3.1等效數字基帶模型

5.3.2最佳接收機準則

5.3.3加性高斯白噪聲信道的最佳接收機

5.3.4相干解調與非相干解調

5.3.5AWGN信道中相干解調錯誤概率

5.3.6AWGN信道中非相干解調錯誤概率

5.3.7衰落信道中的錯誤概率

5.4調制方案綜述

第6章信道編碼技術

6.1信道編碼原理

6.1.1重復編碼

6.1.2有噪信道編碼定理

6.1.3信道編碼基本思路

6.1.4信道編碼的發展歷程

6.1.5信道編碼的分類

6.2線性分組碼

6.2.1定義

6.2.2線性分組碼編碼

6.2.3線性分組碼譯碼

6.2.4線性分組碼性能

6.2.5循環碼

6.3卷積碼

6.3.1卷積碼編碼

6.3.2卷積碼譯碼——維特比（Viterbi）譯碼算法

6.3.3Viterbi譯碼算法優化

6.3.4約束長度與卷積碼性能

6.4Turbo碼

6.4.1Turbo碼的提出

6.4.2Turbo碼編碼

6.4.3Turbo碼譯碼

6.4.4Turbo碼優缺點

6.5LDPC碼

6.5.1LDPC碼基本原理

6.5.2LDPC碼圖形描述

6.5.3LDPC碼編碼

6.5.4準循環LDPC碼

6.5.5LDPC碼譯碼

6.5.6環與LDPC碼性能

6.5.7LDPC碼優缺點分析

6.6極化碼

6.6.1信道極化

6.6.2極化碼編碼

6.6.3極化碼譯碼

6.7級聯碼

6.8交織

6.8.1分組交織器

6.8.2卷積交織器

第7章均衡技術

7.1概述

7.1.1時域和頻域均衡

7.1.2信道估計

7.1.3自適應均衡

7.2線性均衡器

7.2.1迫零均衡器

7.2.2最小均方誤差均衡器

7.2.3迭代均方誤差均衡器

7.3非線性均衡器

7.3.1判決反饋均衡器

7.3.2最大似然序列檢測均衡

7.4線性均衡器與非線性均衡器性能比較

7.5盲均衡

第8章分集技術

8.1概述

8.1.1分集原理

8.1.2相關係數

8.2微分集

8.2.1空間分集

8.2.2時間分集

8.2.3頻率分集

8.2.4角度分集

8.2.5極化分集

8.3宏分集

8.3.1同頻同播

8.3.2中繼

8.3.3協作多點傳輸

8.4信號合並

8.4.1選擇式分集合並

8.4.2開關分集合並

8.4.3合並分集

8.4.4混合選擇最大比值合並

8.5衰落信道中分集性能分析

第9章擴展頻譜技術

9.1跳頻

9.1.1跳頻原理

9.1.2跳頻圖案

9.1.3跳頻主要特點

9.1.4慢跳頻和快跳頻

9.1.5跳頻多址

9.2直接序列擴頻

9.2.1直接序列擴頻原理

9.2.2直接序列擴頻主要特點

9.2.3擴頻增益

9.2.4同步

9.2.5基於直接序列擴頻的測距定時

9.3碼分多址

9.3.1碼分多址基本原理

9.3.2軟容量

9.3.3軟切換

9.3.4遠近效應

9.4擴頻序列

9.4.1m序列

9.4.2M序列

9.4.3Gold序列

9.5脈衝無線電

第10章正交頻分復用

10.1概述

10.2OFDM基本原理

10.2.1系統模型

10.2.2數字實現

10.2.3抗多徑

10.3OFDM關鍵技術

10.3.1峰均比抑制

10.3.2同步

10.4參數設計

10.4.14G移動通信系統

10.4.25G移動通信系統

10.4.3數字視頻地面廣播系統

10.5時頻資源管理

10.5.1單用戶時頻資源管理

10.5.2多用戶時頻資源管理

10.5.3非正交多址(NOMA)

第11章多天線技術

11.1智能天線

11.1.1基本原理

11.1.2主要特點

11.1.3天線權重確定方法

11.1.4上、下行信道估計

11.2多輸入多輸出

11.2.1基本原理

11.2.2分類

11.2.3信道容量

11.3空時編碼

11.3.1分層空時碼

11.3.2空時分組碼

11.3.3空時網格碼

11.4大規模多天線

11.4.1基本原理

11.4.2面臨的挑戰

附錄ACOST 207信道模型

附錄B3GPP 4G信道模型

附錄C3GPP 5G信道模型