无线通信原理与技术

本书系统论述了无线通信的基础理论、基本概念、基本规律和主流方法，有助于读者夯实理论基础，建立无线通信知识体系，掌握运用辩证唯物主义的观点和方法观察、分析和解决无线通信的理论问题和工程难题。本书对接无线通信前沿技术和发展方向（例如5G/6G移动通信），注重培养学生逻辑思维和创新思维能力；面向无线通信工程建设，注重培养学生解决复杂工程问题的能力。本书特点如下：

 理论基础  重视基本概念、基本理论和和基本规律，使读者奠定扎实的无线通信理论基础。

 知识体系  注重前后章节知识体系和分析方法的融会贯通，建立无线通信知识体系。

 学术前沿  介绍无线通信前沿技术和发展方向，激发读者学习兴趣，启迪创新思维。

 工程实践  面向无线通信工程建设，提供虚拟仿真实验，提高学生解决复杂工程问题的能力。

 课程思政  坚持运用辩证唯物主义的观点和方法分析问题，培养读者的科学思维、创新意识和职业道德，落实立德树人，弘扬爱国主义，厚植家国情怀。

 易读易学  减少繁杂公式和数学推导，重视公式的物理意义，内容图文并茂，并配有微课视频和动态插图，提高教材的可读性。

 形态新颖  配套MOOC课程，提供微课视频、教学课件、教学大纲、测试题库、虚拟实验、思政案例，支持教师和学生互动交流，教学相长。

本书是一部介绍无线通信原理和技术的新形态教程(含纸质图书、教学课件、微课视频、习题解答、虚 拟实验、思政案例等)。 全书共11章。第1章为无线通信概论;第2~4章分别介绍无线电波传播、窄带无线信道、宽带和方 向性信道;第5~8章分别介绍数字调制解调、信道编码、均衡、分集等无线通信关键技术;第9~11章分别 介绍扩展频谱、正交频分复用和多天线等3G、4G和5G的关键技术。 为便于读者高效学习,本书提供配套的 MOOC课程(48学时),包括完整的微课视频、教学课件,并配 备了习题与解答、虚拟实验以及在线论坛交流服务等内容。 本书适合作为高等学校通信工程及相关专业本科生和研究生的课程教材,也可作为相关领域工程技 术人员的参考书和企业培训教材。

熊磊 北京交通大学教授、博士生导师，轨道交通控制与安全国家重点实验室副主任，教育部课程思政教学名师。长期从事无线通信、人工智能、通信仪器仪表等领域的教学和研究工作。发表学术论文100余篇，其中SCI检索论文40余篇、EI检索论文60余篇。主持国家级、省部级及企业合作科研项目40余项。获国家发明专利16项，出版著作6部。获得中国学位与研究生教育学会研究生教育成果奖等教学成果奖6项。

第1章无线通信概论

1.1无线通信系统与频谱

1.1.1什么是无线通信

1.1.2无线通信频谱

1.1.3毫米波通信

1.1.45G系统频率

1.2无线通信系统发展史

1.2.1无线通信的诞生

1.2.2现代无线通信

1.2.3蜂窝移动通信的发展——从1G到6G

1.3常用的无线通信系统

1.3.1卫星通信

1.3.2微波通信

1.3.3无线局域网

1.3.4短距离无线通信

1.3.5无线广播/电视通信

1.4无线通信面临的挑战

第2章无线电波传播

2.1天线

2.1.1天线基本原理

2.1.2全向天线

2.1.3定向天线

2.1.4天线方向性参数

2.1.5有效全向辐射功率

2.2电波传播机制

2.2.1直射

2.2.2反射与透射

2.2.3绕射

2.2.4粗糙表面的散射

2.2.5其他传播机制

2.3噪声和干扰

2.3.1内部噪声

2.3.2外部噪声

2.3.3人为噪声

2.3.4噪声系数

2.3.5高斯白噪声

2.4路径损耗模型

2.4.1奥村(Okumura)模型

2.4.2奥村(Okumura)哈塔(Hata)模型

2.4.3COST 231Hata模型

2.4.4MotleyKeenan室内模型

2.4.5WINNER Ⅱ信道模型

2.4.63GPP 4G系统路径损耗模型

2.4.73GPP 5G系统路径损耗模型

第3章窄带无线信道

3.1概述

3.1.1小尺度衰落

3.1.2大尺度衰落

3.2阴影衰落

3.2.1阴影衰落统计分布

3.2.2阴影衰落余量

3.3多径效应

3.4瑞利衰落

3.5莱斯衰落

3.6Nakagamim衰落

3.7多普勒频移与信道时变特性

3.7.1多普勒频移

3.7.2多普勒谱

3.7.3信道时变特性

3.8系统链路预算

第4章宽带和方向性信道

4.1多径

4.1.1多径时延

4.1.2多径传播的影响

4.1.3宽带无线信道数学描述

4.1.4功率时延谱

4.1.5时延均值与均方根时延扩展

4.1.6相干带宽与频率选择性衰落

4.2多普勒扩展

4.2.1均方根多普勒扩展

4.2.2衰落的时间相关性与相干时间

4.3广义平稳非相关散射

4.3.1广义平稳

4.3.2非相关散射

4.3.3抽头延迟线模型

4.4宽带信道模型

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章数字调制解调

5.1基本原理

5.1.1调制的意义

5.1.2调制的种类与要求

5.1.3带通信号的等效低通表示

5.1.4信号正交表示与星座图

5.1.5脉冲成形技术

5.2无线通信中常用的调制方式

5.2.1相移键控

5.2.2正交幅度调制

5.2.3频移键控

5.2.4无线通信系统常用的调制方式

5.3数字解调

5.3.1等效数字基带模型

5.3.2最佳接收机准则

5.3.3加性高斯白噪声信道的最佳接收机

5.3.4相干解调与非相干解调

5.3.5AWGN信道中相干解调错误概率

5.3.6AWGN信道中非相干解调错误概率

5.3.7衰落信道中的错误概率

5.4调制方案综述

第6章信道编码技术

6.1信道编码原理

6.1.1重复编码

6.1.2有噪信道编码定理

6.1.3信道编码基本思路

6.1.4信道编码的发展历程

6.1.5信道编码的分类

6.2线性分组码

6.2.1定义

6.2.2线性分组码编码

6.2.3线性分组码译码

6.2.4线性分组码性能

6.2.5循环码

6.3卷积码

6.3.1卷积码编码

6.3.2卷积码译码——维特比（Viterbi）译码算法

6.3.3Viterbi译码算法优化

6.3.4约束长度与卷积码性能

6.4Turbo码

6.4.1Turbo码的提出

6.4.2Turbo码编码

6.4.3Turbo码译码

6.4.4Turbo码优缺点

6.5LDPC码

6.5.1LDPC码基本原理

6.5.2LDPC码图形描述

6.5.3LDPC码编码

6.5.4准循环LDPC码

6.5.5LDPC码译码

6.5.6环与LDPC码性能

6.5.7LDPC码优缺点分析

6.6极化码

6.6.1信道极化

6.6.2极化码编码

6.6.3极化码译码

6.7级联码

6.8交织

6.8.1分组交织器

6.8.2卷积交织器

第7章均衡技术

7.1概述

7.1.1时域和频域均衡

7.1.2信道估计

7.1.3自适应均衡

7.2线性均衡器

7.2.1迫零均衡器

7.2.2最小均方误差均衡器

7.2.3迭代均方误差均衡器

7.3非线性均衡器

7.3.1判决反馈均衡器

7.3.2最大似然序列检测均衡

7.4线性均衡器与非线性均衡器性能比较

7.5盲均衡

第8章分集技术

8.1概述

8.1.1分集原理

8.1.2相关系数

8.2微分集

8.2.1空间分集

8.2.2时间分集

8.2.3频率分集

8.2.4角度分集

8.2.5极化分集

8.3宏分集

8.3.1同频同播

8.3.2中继

8.3.3协作多点传输

8.4信号合并

8.4.1选择式分集合并

8.4.2开关分集合并

8.4.3合并分集

8.4.4混合选择最大比值合并

8.5衰落信道中分集性能分析

第9章扩展频谱技术

9.1跳频

9.1.1跳频原理

9.1.2跳频图案

9.1.3跳频主要特点

9.1.4慢跳频和快跳频

9.1.5跳频多址

9.2直接序列扩频

9.2.1直接序列扩频原理

9.2.2直接序列扩频主要特点

9.2.3扩频增益

9.2.4同步

9.2.5基于直接序列扩频的测距定时

9.3码分多址

9.3.1码分多址基本原理

9.3.2软容量

9.3.3软切换

9.3.4远近效应

9.4扩频序列

9.4.1m序列

9.4.2M序列

9.4.3Gold序列

9.5脉冲无线电

第10章正交频分复用

10.1概述

10.2OFDM基本原理

10.2.1系统模型

10.2.2数字实现

10.2.3抗多径

10.3OFDM关键技术

10.3.1峰均比抑制

10.3.2同步

10.4参数设计

10.4.14G移动通信系统

10.4.25G移动通信系统

10.4.3数字视频地面广播系统

10.5时频资源管理

10.5.1单用户时频资源管理

10.5.2多用户时频资源管理

10.5.3非正交多址(NOMA)

第11章多天线技术

11.1智能天线

11.1.1基本原理

11.1.2主要特点

11.1.3天线权重确定方法

11.1.4上、下行信道估计

11.2多输入多输出

11.2.1基本原理

11.2.2分类

11.2.3信道容量

11.3空时编码

11.3.1分层空时码

11.3.2空时分组码

11.3.3空时网格码

11.4大规模多天线

11.4.1基本原理

11.4.2面临的挑战

附录ACOST 207信道模型

附录B3GPP 4G信道模型

附录C3GPP 5G信道模型

近40年，无线通信成为电信产业中发展最迅猛的分支，无线通信技术已经渗透到国民经济的各个方面。无线通信技术是推动数字经济、建设“数字强国”“网络强国”和“制造强国”的重要组成部分。5G也已成为“新基建”的战略排头兵和重要基础设施。“4G改变生活，5G改变社会”正在成为现实。

面对快速发展的无线通信技术，本书系统地阐述无线通信基本概念、基本原理，帮助读者形成较为完整的无线通信知识体系； 积极反映无线通信技术（如5G和6G）的最新发展，如毫米波通信、大规模MIMO和智能超表面（RIS）等。本书还特别强调面向工程应用，培养熟练使用无线通信基本原理和分析方法进行计算和设计的能力，旨在提升读者解决复杂工程问题的能力。

本书摒弃了非必要的公式推导和理论证明，尽可能降低学习的难度，聚焦于公式的物理意义。读者只需要具备基本的“高等数学”“信号处理”“通信原理”等课程的知识即可开展学习。

中国大学MOOC的“无线通信基础”在线课程采用本书作为教材，在线课程配备了课程视频、课件、作业和测试题，以及常见问答等。课程上线4年来，已吸引了超过27000人次学习。

课程组自主设计开发了“5G电波传播与无线信道测量虚拟仿真实验”，可以帮助读者更深入地理解电波传播与无线信道知识点，提升实际操作能力和解决工程的能力。

全书共11章。第1章为无线通信概论。第2~4章分别介绍无线电波传播、窄带无线信道、宽带和方向性无线信道。第5~8章分别介绍数字调制解调、信道编码、均衡、分集等无线通信关键技术。第9~11章分别介绍扩频技术、正交频分复用技术和多天线技术等3G、4G和5G的关键技术。

本书的出版得到了北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室的支持，相关研究工作得到了中央高校基本科研业务费专项资金（2022JBXT001）、国家自然科学基金“地区联合基金”（U21A20445）等科研项目的资助，特此感谢。

恩师北京交通大学原校长谈振辉教授对书稿进行了认真的审阅，提出了很多宝贵意见，并撰写了推荐序，在此表示衷心感谢。

同时特别感谢清华大学出版社盛东亮、钟志芳、吴彤云等编辑的大力支持和帮助，如果没有他们，这本书很可能无法问世。最后衷心感谢所有支持和帮助我们的领导、专家和各界朋友。

由于编者水平有限，书中难免有疏漏或不足之处，恳请读者批评指正。

编者2024年3月