《移动通信》课件

移动通信系统本课程全面介绍移动通信的基本理论与系统原理，系统性地展示了从第一代到第五代移动通信技术的发展历程作为电子通信工程专业的核心课程，我们将深入探讨移动通信的关键技术、网络架构、性能指标以及实际应用场景通过本课程学习，学生将掌握移动通信系统的基础知识，了解无线传播特性，熟悉调制解调技术，并能分析蜂窝网络的工作原理同时，我们还将探讨当前5G技术的最新进展及未来6G的研究方向，帮助学生建立完整的移动通信知识体系课程大纲系统知识结构八章内容全面覆盖移动通信技术教学方法理论与实践相结合案例分析深入研究前沿技术本课程分为八个章节，构建了一个从基础到前沿的完整知识体系我们将通过理论讲解、实验演示和案例分析相结合的方式，帮助学生掌握移动通信的核心概念和技术原理每章内容既有基础理论讲解，又有实际应用案例，通过前沿技术探讨培养学生的创新思维课程评估将包括理论考试、实验报告和研究性学习项目，全面检验学生的知识掌握程度第一章移动通信概述移动通信的定义与特点移动通信发展简史阐述移动通信的基本概念、工回顾从无线电发明到现代5G作原理及其区别于固定通信的技术的发展历程及关键技术突独特特性破移动通信的应用领域探讨移动通信在个人通信、物联网、工业控制等领域的广泛应用本章作为移动通信课程的入门部分，将为学生建立起移动通信的基本认知框架我们将从定义、历史发展到应用领域进行系统介绍，帮助学生理解移动通信的重要性和基本特征通过本章学习，学生能够掌握移动通信的核心概念，了解技术发展脉络，认识到移动通信在现代社会中的重要地位，为后续深入学习各项技术打下坚实基础移动通信的定义固定点与移动体通信移动体之间通信基站与移动终端之间的无线通信车对车、设备对设备的直接无线通信活动中的人际通信人与移动体通信人在移动过程中与他人的通信连接人与各类移动设备之间的信息交换移动通信是指通信双方中至少有一方在移动状态下进行的信息交换过程与传统固定通信不同，移动通信突破了空间限制，使人们能够随时随地进行通信，极大地提高了通信的灵活性和便捷性移动通信系统需要解决移动环境下的各种技术挑战，包括信号衰落、多径效应、干扰控制、资源分配和移动性管理等问题这些问题的解决方案构成了移动通信技术的核心内容，也是本课程将要深入探讨的重点移动通信的前世今生古代通信烽火、驿站、信鸽等依靠物理方式传递信息，通信距离有限，速度缓慢无线电发明1895年马可尼发明无线电报，奠定了现代移动通信的技术基础模拟移动通信20世纪70年代出现的第一代移动通信系统，采用模拟调制技术数字移动通信从2G开始，移动通信系统采用数字技术，性能显著提升移动通信的发展历程可以追溯到人类早期的通信需求从古代的烽火传递、驿站通信，到电报电话的发明，再到现代无线移动通信技术，人类始终在追求更快速、更便捷、更可靠的信息传递方式无线电技术的发明是移动通信发展的重要里程碑随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的进步，移动通信经历了从模拟到数字、从窄带到宽带、从语音业务为主到多媒体业务并重的重大变革，通信能力和服务质量不断提升，用户体验持续改善移动通信系统的分类按覆盖范围分类•广域网（宏蜂窝）•城域网（微蜂窝）•局域网（WLAN）•个人网（PAN）按通信制式分类•频分多址（FDMA）•时分多址（TDMA）•码分多址（CDMA）•正交频分多址（OFDMA）按频率范围分类•低频系统（800-900MHz）•中频系统（

1.8-

2.1GHz）•高频系统（

3.5GHz以上）•毫米波系统（24-100GHz）按服务类型分类•语音通信系统•数据通信系统•多媒体通信系统•物联网通信系统移动通信系统可以根据不同的特性和功能进行多种分类按覆盖范围分类反映了通信系统的服务区域大小；按通信制式分类体现了系统的多址接入技术；按频率范围分类则与系统的传播特性和容量密切相关不同类型的移动通信系统各有优势，能够满足不同场景下的通信需求随着技术的发展，这些系统之间的界限逐渐模糊，异构网络集成成为移动通信发展的重要趋势，以提供更加灵活和高效的通信服务移动通信的发展历程第一代模拟蜂窝移动通信系统1G20世纪80年代，模拟语音通信第二代数字蜂窝移动通信系统2G20世纪90年代，数字语音与短信第三代宽带CDMA移动通信系统3G21世纪初，初步移动互联网服务第四代LTE移动通信系统4G2010年后，高速移动互联网与视频第五代移动通信系统5G2020年起，万物互联与智能应用移动通信的发展经历了五代技术迭代，每一代都在系统架构、频谱效率、传输速率和用户体验等方面取得了显著进步从最初仅支持语音通话的1G系统，到如今能够支持超高速数据传输和海量连接的5G系统，移动通信技术在短短四十余年间实现了巨大飞跃技术演进的核心是多址接入技术的变革，从FDMA到TDMA、CDMA，再到OFDMA和非正交多址接入，实现了系统容量和频谱效率的持续提升同时，网络架构也从集中式向分布式、云化方向发展，更好地支持多样化的应用需求第二章移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的电波传播特性研究无线电波在移动环境中的传播行为和规律主要传播机制分析反射、散射、绕射等关键传播机制各类传播预测模型掌握不同环境下的电波传播路径损耗预测方法本章将深入研究移动通信中的电波传播特性，这是设计和优化移动通信系统的基础在移动环境中，电波传播受到地形、建筑物、气象条件等多种因素的影响，表现出复杂的传播行为，包括多径效应、阴影衰落和多普勒效应等我们将介绍电波传播的基本原理和主要传播机制，分析大尺度传播特性和小尺度传播特性，并系统讲解各类传播预测模型的理论基础、适用条件和应用方法通过学习，学生将能够运用适当的模型进行覆盖规划和链路预算，为移动通信系统设计奠定基础电波传播基本原理自由空间传播反射、散射与绕射多径效应与衰落理想情况下，电磁波在无障碍空间中的实际环境中，电波会遇到建筑物、地面由于多种传播机制的共同作用，接收端传播遵循平方反比定律，传播损耗与距等障碍物，产生反射、散射和绕射现会收到多条路径的信号，产生多径效离平方成正比象应自由空间传播损耗•反射电波遇到尺寸远大于波长的平多径效应导致的后果滑表面LdB=

32.44+20logf+20logd•频率选择性衰落•散射电波遇到尺寸与波长相近的粗•时间选择性衰落其中f为频率MHz，d为距离km糙表面•相位失真•绕射电波遇到尖锐边缘时绕过障碍•码间干扰物在移动通信系统中，电波传播环境远比自由空间复杂多径传播是移动通信中最显著的特性之一，它导致接收信号的幅度和相位随时间和位置快速变化，形成小尺度衰落同时，地形、建筑物等大尺度障碍物造成的阴影效应又会导致信号强度的缓慢变化大尺度传播特性路径损耗模型阴影衰落覆盖范围计算描述信号功率随距离衰减的由于地形、建筑物等大型障基于路径损耗和阴影衰落，统计模型，通常表示为碍物造成的信号强度缓慢变可计算小区覆盖概率化PLd=PLd₀+通常用对数正态分布模型描PPrγ=Qγ-Prd/σ10n·logd/d₀述，标准差σ在城市环境中通常要求边缘覆盖概率不低约为8-10dB其中n为路径损耗指数，与于90%环境相关大尺度传播特性主要研究电波在传播过程中受地形、建筑物等环境因素影响而产生的平均功率变化规律路径损耗模型是描述电波功率随传播距离减弱的基本模型，不同环境下路径损耗指数有明显差异，城市中通常为3-5，开阔地区约为2-3阴影衰落反映了实际环境中信号强度围绕平均路径损耗的随机波动，这种波动具有对数正态分布特性在移动通信系统规划中，需要考虑阴影衰落的影响，通常采用一定的衰落裕度来确保边缘覆盖概率满足要求，这是小区覆盖设计的重要依据小尺度传播特性移动通信传播预测模型模型名称适用频率范围适用环境主要特点自由空间模型全频段视距传播最基本模型，实际应用有限Okumura-Hata模型150-1500MHz宏蜂窝城区基于实测数据，考虑地形因素COST231-Hata模型1500-2000MHz宏蜂窝城区Hata模型的扩展，适用3G系统COST231-WI模型800-2000MHz微蜂窝城区考虑街道几何结构，适用城市ITU-R室内模型900-5200MHz室内环境考虑楼层穿透损耗和隔墙损耗移动通信传播预测模型是系统规划和优化的重要工具不同的模型适用于不同的频率范围和环境条件自由空间传播模型是最基本的理论模型，但在实际环境中预测精度有限；Okumura-Hata模型是基于大量实测数据建立的经验模型，在宏蜂窝城区应用广泛；COST231-WI模型则更适合于城市微蜂窝环境在实际工程应用中，通常需要根据当地环境特点对模型参数进行校正和优化，以提高预测精度随着计算能力的提升，基于射线追踪的确定性模型和结合机器学习的混合模型也日益受到重视，能够提供更精确的传播预测，特别是在复杂环境中实际环境中的传播特性城市环境郊区环境室内环境高楼密集区的多重反射和衍射现象显著，路径损耗指郊区建筑物密度低，地形起伏和植被覆盖是影响传播室内传播受建筑材料、墙体结构和家具布置影响显数通常在

3.5-

4.5之间信号覆盖呈现街谷效应，沿的主要因素路径损耗指数通常在3-

3.5之间，阴影衰著典型的隔墙损耗砖墙3-5dB，混凝土墙10-街道方向传播损耗较小，垂直方向衰减迅速楼层高落标准差约为6-8dB季节变化对传播特性有显著影15dB，金属门15-20dB楼层间垂直传播损耗约为度对信号强度有明显影响，高层接收质量通常优于低响，树叶茂盛期信号衰减比冬季明显增加2-3dB15-20dB/层室内路径损耗指数通常在2-4之间，变层化较大不同环境下的电波传播特性差异显著，这要求通信系统规划者采用针对性的覆盖策略在城市环境中，宏基站通常部署在楼顶，形成伞状覆盖；微基站则沿街道部署，解决热点区域的容量需求郊区环境中，基站天线高度和下倾角的选择尤为重要，以平衡覆盖范围和系统容量特殊场景如隧道、地铁和高速公路也具有独特的传播特性隧道中的波导效应可使信号传播距离延长；高速移动场景中的多普勒效应则会加剧信号衰落，需要采用特殊的抗衰落技术准确把握这些特性，对于系统规划和优化至关重要第三章移动通信中的信源编码和调制解调技术语音编码技术研究如何高效压缩语音信号，在保证语音质量的同时降低传输比特率数据编码技术探讨信道编码原理及各类编码方案，提升系统抗干扰能力数字调制技术分析不同调制方式的特点及适用条件，优化频谱效率与传输可靠性解调与检测技术研究信号检测与恢复的各种技术，提高接收灵敏度本章将深入探讨移动通信系统中的信源编码和调制解调技术，这是实现高效可靠通信的核心技术环节信源编码通过去除信号中的冗余，实现数据压缩；信道编码则通过引入受控冗余，提高抗干扰能力；而调制技术则将数字信息转换为适合无线传输的波形随着移动通信系统的演进，编码和调制技术也在不断发展从早期的固定编码率方案发展到自适应编码调制技术，从低阶调制向高阶调制演进，系统频谱效率不断提高本章将系统讲解这些技术的原理、特点及应用，帮助学生掌握移动通信系统的关键技术语音编码技术PCM编码最基本的数字化方法，采样率8kHz，每样本8位量化，比特率64kbpsADPCM编码差分脉冲编码调制，利用相邻样本相关性，比特率32kbpsCELP编码线性预测激励编码，基于语音产生模型，比特率

4.8-16kbpsAMR编码自适应多速率编码，根据信道质量调整比特率，

4.75-

12.2kbpsEVS编码增强型语音服务编码，支持高清语音，比特率

5.9-128kbps语音编码是移动通信系统中的基础技术，其发展经历了从波形编码到参数编码再到混合编码的过程PCM作为最基本的波形编码方式，虽然算法简单但效率较低；ADPCM通过差分编码提高了效率；而CELP等混合编码技术则结合了波形匹配和语音模型分析，在低比特率下仍能保持良好的语音质量AMR编码是2G后期和3G系统广泛采用的语音编码标准，它能够根据信道质量动态调整编码率，在保证通话质量的同时提高系统容量4G和5G系统中引入的EVS编码则进一步提升了语音质量，支持宽带和超宽带语音，使移动通话质量接近面对面交流的自然体验数据编码技术块码与卷积码信道编码基本原理块码将信息分块编码，适合突发错误；卷积码处通过在信息序列中加入冗余比特，使接收方能够理连续比特流，通过滑动窗口编码，适合随机错检测并纠正传输错误，提高系统可靠性误Polar编码Turbo与LDPC编码5G标准采用的编码技术，基于信道极化原理，结两种接近香农限的高性能编码，采用迭代解码算合高效解码算法，性能优于Turbo码法，在低信噪比下仍有优异表现信道编码是移动通信系统抵抗无线信道干扰和衰落的关键技术在早期的移动通信系统中，主要采用汉明码、BCH码等简单块码和卷积码随着编码理论的发展，Turbo码和LDPC码等接近香农限的编码技术被引入3G和4G系统，大幅提升了系统抗干扰能力和频谱效率5G系统中采用的Polar码是信道编码领域的重要突破，它基于信道极化理论，能够在有限长度下实现接近香农限的性能此外，混合自动重传请求HARQ技术将前向纠错编码与自动重传协议结合，进一步提高了系统可靠性和吞吐量现代移动通信系统通常采用自适应编码调制技术，根据信道质量动态调整编码率和调制阶数数字调制技术数字调制是将数字信息转换为适合在无线信道传输的模拟波形的过程基本的数字调制方式包括相移键控PSK和正交幅度调制QAMBPSK每符号携带1比特信息，抗干扰能力最强但频谱效率低；QPSK每符号携带2比特，是抗干扰能力和频谱效率的良好平衡；高阶QAM如16QAM、64QAM每符号可携带4-6比特，频谱效率高但对信道质量要求更严格在多径传播环境中，正交频分复用OFDM技术通过将宽带信号分割为多个窄带正交子载波并行传输，有效抵抗频率选择性衰落CDMA技术则利用扩频序列将信息展开到更宽频带，提高抗干扰能力和安全性5G中引入的非正交多址接入技术则突破了正交资源分配的限制，进一步提高了系统容量，但解调复杂度也相应增加解调与检测技术相干检测非相干检测高级接收技术需要准确的载波相位恢复，实现方式包括不需要载波相位信息，主要技术包括针对复杂无线环境的先进解调技术•锁相环PLL技术•包络检测•最大似然序列估计MLSE•Costas环技术•差分相干检测•迭代解调与解码•导频辅助相位估计•延迟乘积检测•干扰抵消技术•多用户检测性能优势在同等条件下误码率最低性能特点抗相位噪声能力强，但误码性能略差性能特点接近理论限的检测性能，但复杂度应用场景信噪比较高或有可靠参考信号的情高况应用场景快速衰落信道或载波相位难以准确估计的情况应用场景高端设备和基站接收机解调与检测技术是移动通信接收机的核心，其性能直接影响系统的可靠性和容量相干检测通过恢复载波相位信息实现最佳检测性能，但在快速衰落信道中相位跟踪困难；非相干检测虽然性能略差，但实现简单且对信道变化不敏感，在某些场景下更为实用现代移动通信系统通常采用软判决而非硬判决输出，为后续信道解码提供更多信息，显著提升系统性能多普勒频移补偿技术对高速移动场景尤为重要，能有效抵消多普勒效应带来的频率偏移随着数字信号处理技术的发展，复杂的最大似然序列估计和迭代检测技术已在基站接收机中广泛应用，大幅提高了系统抗干扰能力第四章抗衰落和链路性能增强技术36dB信号动态范围移动环境中典型的瑞利衰落信号波动范围⁻10²未采用抗衰落技术瑞利衰落信道中典型的误比特率水平⁻10⁵采用抗衰落技术应用分集接收后可实现的误比特率水平10dB性能增益应用MIMO技术可获得的典型链路预算改善本章将介绍移动通信系统中用于抵抗信道衰落和增强链路性能的关键技术在移动无线环境中，信号经常受到快速衰落的影响，导致接收信号强度在短时间内波动剧烈，严重降低通信质量抗衰落技术的核心思想是利用信号的多样性，通过不同途径接收多个信号副本，减少深度衰落对系统性能的影响分集接收技术是最基本的抗衰落手段，通过空间、时间、频率或极化域的多样性获取多个相对独立的信号分支；自适应均衡技术则主要用于抵抗频率选择性衰落；MIMO技术将多天线技术推向新高度，既可用于提高链路可靠性，也可用于增加系统容量；而功率控制技术则通过动态调整发射功率，保持接收信号质量的同时优化系统容量分集接收技术空间分集利用多根天线在空间上的分离接收信号，要求天线间距离至少为半波长，以确保接收信号的相关性足够低常见的空间分集配置包括基站端的天线阵列和手机端的多天线设计在宏基站中，天线通常垂直排列；在微基站中，可能采用水平或交叉极化排列频率分集在不同频率上发送相同信息，利用不同频率信道的独立衰落特性要求频率间隔大于信道相干带宽通常为几百kHz频率分集虽然有效，但需要额外频谱资源，频谱利用效率较低，主要用于对可靠性要求极高的场景时间分集在不同时间发送相同信息，利用时变信道特性要求时间间隔大于信道相干时间与移动速度相关交织编码是时间分集的典型应用，通过打乱编码比特的顺序，将突发错误转换为分散错误，提高纠错能力极化分集利用垂直和水平极化的电磁波传播特性差异双极化天线在单一物理结构中提供两个相对独立的信号路径，空间效率高，但分集增益略低于空间分集在基站设计中广泛应用，可实现紧凑的多天线系统分集技术的关键在于如何合并多个接收分支的信号最简单的选择合并SC仅选择信号最强的分支；等增益合并EGC对所有分支信号相加但不考虑各分支质量差异；最大比合并MRC则根据各分支信号质量分配权重后合并，理论上能获得最佳性能，但复杂度也最高自适应均衡技术均衡器基本原理通过设计滤波器抵消信道引入的码间干扰，恢复原始信号线性均衡器采用线性滤波器结构，实现简单但性能有限，如零强制ZF和最小均方误差MMSE均衡器判决反馈均衡器结合前馈滤波器和反馈滤波器，利用已检测符号消除后续符号的码间干扰自适应算法通过训练序列或盲均衡方法动态调整滤波器系数，适应时变信道在多径传播环境中，不同路径上的信号以不同时延到达接收机，造成符号间相互干扰，这种码间干扰ISI是导致系统性能下降的主要因素之一自适应均衡技术通过设计特定的滤波器结构，抵消信道引入的失真，恢复原始信号均衡器可以在时域或频域实现，前者适用于时延扩展较小的信道，后者则在处理大时延扩展时更有效率现代移动通信系统中，均衡器通常采用自适应算法动态更新参数，以跟踪时变信道特性常用的自适应算法包括最小均方LMS算法和递归最小二乘RLS算法，前者计算简单但收敛较慢，后者收敛快但复杂度高在高速数据传输系统中，通常在帧头插入已知的训练序列，帮助均衡器快速收敛；而在某些情况下，也可采用盲均衡技术，无需训练序列即可实现信道均衡技术MIMO空间复用提高系统容量，实现多数据流并行传输空时编码提高信号可靠性，增强抗衰落能力波束赋形增强特定方向信号强度，抑制干扰大规模MIMO4使用大量天线，极大提升系统性能MIMO技术是现代移动通信系统的核心技术之一，通过在发射端和接收端使用多根天线，显著提高系统性能空间复用是MIMO的重要应用，它利用多条独立空间路径同时传输不同数据流，理想情况下可将信道容量提高N倍N为收发天线对数V-BLAST是典型的空间复用技术，通过串行干扰消除算法分离多个数据流空时编码则侧重于提高链路可靠性，通过在时间和空间域引入冗余，增强信号的抗衰落能力典型的空时编码包括Alamouti编码2x1系统和塔斯特编码通用NxM系统波束赋形技术通过调整多天线的幅度和相位，形成定向波束，增强特定方向的信号强度，同时抑制干扰大规模MIMO将天线数量扩展到几十甚至上百根，利用统计学特性简化信道估计和信号处理，是5G系统的关键技术功率控制技术开环功率控制闭环功率控制外环功率控制基于接收到的下行信号强度，移动终端基站测量接收到的信号质量，并通过专基于实际测量的业务质量如BER、BLER估计上行链路损耗，并设置适当的发射用控制信道向终端反馈功率调整指令动态调整信号质量目标值更新速率较功率无需基站反馈，响应迅速，但精精度高但存在反馈延迟在CDMA系统中慢10-100Hz，主要用于适应不同业务度有限主要用于系统初始接入阶段，尤为重要，通常以1500Hz频率快速调的质量需求和信道变化建立初始连接整，抵消快衰落作用保持稳定的服务质量典型精度±6-10dB典型精度±1-2dB功率控制是移动通信系统中的关键技术，特别是在CDMA系统中，精确的功率控制对抑制近远效应、保持系统容量至关重要在上行链路，功率控制确保来自不同距离终端的信号以相近功率到达基站；在下行链路，功率控制则主要用于根据终端信道条件和业务需求分配适当功率，提高系统容量现代移动通信系统通常结合开环和闭环功率控制，形成多级功率控制机制在快速衰落环境中，闭环功率控制可能难以及时跟踪信道变化，此时可结合功率控制与其他抗衰落技术，如交织编码和HARQ重传5G系统中，波束赋形技术的应用使功率控制策略更加复杂，需要考虑空间方向性和干扰协调，但也带来了更精细的功率管理能力第五章蜂窝组网技术蜂窝原理与网络结构探讨蜂窝网络的基本概念、层次结构和覆盖技术，理解蜂窝组网的核心思想频率规划与复用学习频率复用原理，掌握复用因子选择方法，了解频率分配策略和干扰控制技术切换技术研究不同类型的切换技术及其触发条件、决策算法和失败处理机制系统容量分析分析影响系统容量的关键因素，掌握容量计算方法和优化策略本章将系统介绍蜂窝移动通信系统的网络组织原理和关键技术蜂窝组网是移动通信系统的基础架构，它通过将覆盖区域划分为大量相对较小的蜂窝小区，并在相隔一定距离的小区间复用频率资源，显著提高了系统频谱利用效率和容量同时，蜂窝结构也为用户移动性管理提供了基础框架蜂窝网络面临的核心挑战是如何在有限的频谱资源下支持大量用户的通信需求，同时保证服务质量这涉及到合理的小区规划、频率分配、干扰控制和移动性管理等多方面技术本章将详细讨论这些关键技术，帮助学生理解蜂窝网络的工作原理和性能优化方法，为后续各代移动通信系统的学习奠定基础蜂窝原理与网络结构蜂窝网络概念蜂窝网络将服务区域划分为多个六边形小区，每个小区由一个基站提供覆盖六边形是理论模型，实际覆盖受地形和建筑影响呈不规则形状蜂窝结构的核心优势在于频率复用，显著提高了频谱利用效率，同时支持用户在小区间无缝移动小区类型与分层结构现代蜂窝网络采用多层覆盖结构宏小区半径1-30km提供基本覆盖；微小区半径200-1000m增加热点区域容量；微微小区半径50-200m解决局部容量需求；室内分布系统则提供建筑内部覆盖分层结构优化了网络资源利用，提高了系统整体性能全向与扇区化小区基站天线配置决定了小区的覆盖模式全向小区使用单一全向天线，覆盖简单但容量有限；扇区化小区将一个小区分为多个扇区通常为3或6个，使用定向天线分别覆盖，既增加了系统容量，又减少了同频干扰现代基站多采用三扇区配置，结合下倾天线优化覆盖蜂窝网络结构是移动通信系统的核心组织形式，它解决了如何在有限频谱资源下支持大量用户通信的问题与早期的大功率、大覆盖范围的移动通信系统不同，蜂窝网络采用多个小功率基站，实现频率的有效复用，大幅提高了系统容量和频谱利用效率频率规划与复用切换技术切换类型工作原理优点缺点适用系统硬切换先断开旧连接再实现简单，资源存在短暂通信中GSM,LTE建立新连接消耗少断软切换同时与多个基站无通信中断，信系统复杂，资源CDMA,WCDMA保持连接号质量好消耗大软合并切换新旧基站同步切减少中断时间，需要基站间同步TD-SCDMA换简化同步垂直切换不同网络间的切优化用户体验和不同网络架构兼异构网络换网络资源容性挑战切换技术是保证用户移动性的关键机制，使终端在移动过程中能够保持通信连接切换触发条件通常基于信号强度测量，包括接收信号强度RSSI、信号质量SINR、距离估计等因素常见的切换算法包括相对信号强度法、相对信号强度加阈值法和相对信号强度加滞后法，后者通过引入滞后区间减少了乒乓切换现象现代移动通信系统中，切换策略越来越复杂，需要考虑负载均衡、服务质量、移动速度等多种因素基于用户速度的切换策略为高速用户选择大小区，低速用户选择小小区；而负载均衡切换则通过将用户从高负载小区转移到低负载小区，优化系统资源利用5G系统中，由于毫米波小区覆盖范围小，切换频率大幅增加，需要更智能的切换管理策略，如波束级切换和辅助小区高速切换等技术系统容量分析152%频谱效率bps/Hz阻塞概率5G系统在理想条件下的峰值频谱效率电信级服务的典型设计阻塞率3x80%小区分裂增益负载阈值小区半径减半时的理论容量增益干扰限制型系统的推荐最大负载率移动通信系统容量是衡量系统性能的核心指标，直接影响运营成本和用户体验系统容量分析需要考虑频谱资源、频率复用模式、调制编码方案、天线配置和干扰水平等多种因素频率效率bps/Hz/cell是评估系统频谱利用效率的关键指标，它受到信道条件、干扰水平和系统技术特性的综合影响对于语音业务，容量通常用爱尔兰公式计算，根据话务强度和阻塞概率确定所需信道数；对于数据业务，则主要考虑吞吐量和时延指标移动通信系统可分为覆盖限制型和干扰限制型覆盖限制型系统主要受信号传播损耗影响，常见于郊区和农村环境；干扰限制型系统则主要受同频干扰影响，典型的城市密集区域属于此类系统容量提升方法包括增加频谱资源、提高频谱效率、小区分裂和分层覆盖等其中，小区分裂是最有效的容量提升手段，理论上小区半径减半可使系统容量增加4倍，但实际增益受干扰增加和覆盖重叠等因素限制，通常为2-3倍第六章及其演进GSM1GSM系统架构探讨GSM系统的网络结构、功能实体和接口定义物理层与逻辑信道分析GSM空中接口的帧结构和信道组织通信协议研究呼叫建立、位置更新等关键流程GPRS与EDGE技术了解GSM向数据业务演进的关键技术本章将系统介绍第二代移动通信系统的代表——GSM系统及其技术演进作为全球最成功的移动通信标准之一，GSM凭借其全数字化、国际漫游、加密通信等特点，在20世纪90年代至21世纪初期主导了全球移动通信市场尽管当前已逐渐被新一代技术取代，但GSM的系统架构和许多技术概念仍然影响着现代移动通信系统的设计我们将重点分析GSM系统的网络架构、空中接口设计、关键通信协议和安全机制，以及支持数据业务的GPRS和EDGE技术通过学习GSM系统，可以理解移动通信系统的基本组成和工作原理，掌握数字蜂窝系统的核心概念，这对理解后续3G、4G和5G系统有重要帮助同时，我们也将探讨GSM系统在向高速数据业务演进过程中的技术路径和创新点系统架构GSM移动台子系统基站子系统包括移动终端设备和SIM卡，负责用户接入网络和身由基站收发信台和基站控制器组成，管理无线资源份认证2和移动性网络子系统运营支撑子系统包括移动交换中心、位置寄存器等，负责呼叫处理提供网络管理、计费和客户服务功能和用户管理GSM系统采用分层次的网络架构，由四个主要子系统组成移动台子系统MS是用户侧设备，包括移动终端和SIM卡，SIM卡存储用户身份信息和鉴权密钥，实现用户与终端分离；基站子系统BSS负责无线接入，包括基站收发信台BTS和基站控制器BSC，前者处理无线传输，后者管理无线资源和移动性；网络子系统NSS是核心网部分，包括移动交换中心MSC、归属位置寄存器HLR和访问位置寄存器VLR等，负责呼叫路由、用户位置管理和鉴权GSM系统各功能实体间通过标准化接口连接Um接口连接MS和BTS，是无线空中接口；Abis接口连接BTS和BSC；A接口连接BSC和MSC，是接入网和核心网的分界线标准化接口确保了不同厂商设备的互操作性，促进了产业链发展GSM系统还引入了网关MSCGMSC处理与固定网络的互通，以及设备标识寄存器EIR和鉴权中心AuC增强系统安全性，形成了完整的移动通信网络体系物理层与逻辑信道GSM物理信道结构GSM采用TDMA/FDMA混合多址方式，将25MHz带宽分为124个载波，每个载波8个时隙，形成复用帧一个时隙周期为577μs，对应一个物理信道上下行采用频分双工FDD，上下行频差为45MHz逻辑信道分类GSM逻辑信道分为业务信道和控制信道两大类业务信道包括全速率业务信道TCH/F和半速率业务信道TCH/H，用于传输语音或数据控制信道又分为广播控制信道BCCH、公共控制信道CCCH和专用控制信道DCCH，分别用于系统信息广播、随机接入和专用信令突发脉冲结构GSM定义了五种突发脉冲格式普通突发脉冲用于业务和控制数据传输；频率校正突发脉冲用于频率同步；同步突发脉冲携带基站标识和帧同步信息；接入突发脉冲用于随机接入；空闲突发脉冲用于未分配时隙每种突发脉冲包含特定的位序列和保护时间帧结构与多帧GSM帧结构采用层次化设计基本帧8个时隙、26帧多帧用于业务信道、51帧多帧用于控制信道、超帧和超超帧这种复杂的帧结构支持了各类逻辑信道的映射和传输，实现了有效的时分复用和信道管理GSM物理层的设计反映了数字移动通信系统的典型特征，通过精心设计的时频资源结构，实现了多用户接入和各类信息的传输GSM的物理信道与逻辑信道设计为后续移动通信系统提供了重要参考，尽管具体参数有所不同，但基本概念和组织方式在3G、4G甚至5G系统中仍有体现通信协议GSM呼叫建立流程从信道请求到通话建立的完整过程位置更新流程终端位置变化时的网络注册过程安全机制用户鉴权和通信加密的实现方式短信服务基于信令信道的短消息传输机制GSM通信协议定义了移动通信系统中各种业务的实现流程呼叫建立流程包括信道请求、身份验证、呼叫连接和资源分配等步骤对于移动发起呼叫MOC，终端首先在RACH上发送信道请求，网络分配SDCCH进行后续信令交换，完成鉴权后分配TCH建立通话；对于移动终止呼叫MTC，网络首先通过寻呼信道PCH寻找被叫用户，之后的流程与MOC类似位置更新是移动性管理的关键，当终端进入新的位置区时，会向网络发送位置更新请求，网络执行鉴权后更新VLR和HLR中的位置信息GSM的安全机制是其重要特点，包括用户身份保密、鉴权和通信加密鉴权基于挑战-响应机制，网络向终端发送随机数RAND，终端使用存储在SIM卡中的密钥Ki计算响应SRES并返回网络验证；通信加密使用会话密钥Kc，由Ki和RAND生成，用于加密空中接口的业务数据GSM短信服务SMS是一种存储转发式服务，短信通过控制信道传输，无需建立专用通信链路，这使得即使在通话中也能接收短信，同时也适合间歇性连接的场景与技术GPRS EDGEGPRS系统架构信道编码方案EDGE技术增强GPRS通用分组无线业务是GSM向数据业务演进GPRS定义了四种信道编码方案CS，适应不同信EDGE增强型数据速率GSM演进引入了8PSK调的第一步，引入了分组交换域，主要新增节点包道条件制，比GMSK提高三倍频谱效率，定义了九种调括制编码方案MCS，峰值速率可达

59.2kbps/时•CS-1编码率1/2，最强保护，速率

9.05kbps隙，理论最高可达

473.6kbps8时隙EDGE还引•SGSN服务GPRS支持节点负责移动管理、•CS-2编码率≈2/3，速率

13.4kbps入了增量冗余HARQ技术，显著提高了传输效安全和会话管理•CS-3编码率≈3/4，速率

15.6kbps率•GGSN网关GPRS支持节点连接外部数据•CS-4无卷积编码，仅CRC，速率

21.4kbps网络，提供IP地址分配系统根据信道质量自适应选择编码方案•PCU分组控制单元管理分组数据传输的无线资源GPRS和EDGE技术代表了GSM系统向数据业务演进的两个重要阶段，也被称为

2.5G和

2.75G技术GPRS打破了电路交换的限制，引入分组交换技术，实现了按量计费而非按时计费的数据服务模式，极大降低了数据业务成本GPRS采用多时隙技术，一个用户可以同时使用多个时隙，理论上8个时隙可提供

171.2kbps的峰值速率，但实际部署中通常限制为4个时隙下行和1-2个时隙上行EDGE技术在GPRS基础上引入了更高效的调制技术和编码方案，将数据传输速率提升了近三倍，使GSM网络能够支持更丰富的数据业务EDGE还引入了链路自适应技术，根据信道质量动态调整调制编码方案，优化传输效率EDGE-Evolution进一步增强了性能，支持降低时隙长度和双载波操作，理论峰值速率可达1Mbps以上尽管GPRS和EDGE的数据速率与3G和4G相比已显落后，但这些技术为移动数据业务的普及奠定了基础，也为后续技术演进积累了宝贵经验第七章第三代移动通信系统3G标准概述WCDMA系统TD-SCDMA系统介绍IMT-2000框架下的主要详细探讨欧洲主导的分析中国主导开发的TD-3G技术标准，包括WCDMA、WCDMAUMTS系统架构、空SCDMA系统的技术特点，包CDMA2000和TD-SCDMA，分中接口特性、关键技术和演进括时分双工、上行同步和联合析它们的技术特点、部署情况路径，这是全球部署最广泛的检测等创新技术，以及其在中和市场地位3G标准国的商用情况CDMA2000系统研究美国主导的CDMA2000系统技术特性，包括1X和EVDO两条演进路线，分析其与其他3G系统的差异和竞争力本章将系统介绍第三代移动通信系统的关键技术和标准3G系统的核心特征是提供高速数据业务能力，支持多媒体应用和移动互联网接入与2G系统相比，3G在系统容量、传输速率和业务灵活性方面有显著提升，基于CDMA技术的3G系统使空中接口效率大幅提高，支持更丰富的业务类型3G系统的标准化过程伴随着地区间的技术竞争，最终形成了三大主要标准欧洲主导的WCDMAUMTS、美国主导的CDMA2000和中国主导的TD-SCDMA这些标准虽然技术路线有所不同，但都遵循IMT-2000框架要求，在性能目标上具有一致性通过学习3G系统，可以理解宽带无线通信的基本原理和关键技术，这些技术为后续4G和5G系统奠定了基础3G标准概述IMT-2000框架•由ITU定义的全球3G标准框架•规定最低数据速率静止2Mbps，步行384kbps，车载144kbps•要求支持全球漫游和多种业务类型•包含五种无线接口技术DS-CDMA、MC-CDMA、TD-CDMA/TD-SCDMA、FDMA/TDMA和IP-OFDMA主要3G技术标准•WCDMA3GPP制定，欧洲主导，全球部署最广•CDMA20003GPP2制定，美国主导，从IS-95平滑演进•TD-SCDMA中国主导开发，采用TDD技术，中国大规模部署•各标准虽然技术路径不同，但性能目标一致关键技术创新•宽带CDMA技术提高系统容量和频谱效率•高效信道编码Turbo码大幅提升抗干扰能力•自适应调制编码根据信道条件优化传输•高级接收技术RAKE接收机、干扰消除等•分组交换核心网支持IP数据业务全球部署现状•3G网络已覆盖全球大部分地区•WCDMA/HSPA为主导技术，约占80%市场份额•CDMA2000在北美、韩国等地区有较强市场•TD-SCDMA主要在中国部署•多数3G网络已进入退网阶段，频谱重耕用于4G/5G3G移动通信系统的发展经历了漫长的标准化过程1992年，ITU启动了FPLMTS后改名为IMT-2000计划，旨在建立全球统一的第三代移动通信标准然而，由于地区利益和技术路线差异，最终形成了多个标准并存的局面3G标准的核心频段为2GHz左右，包括1920-1980MHz/2110-2170MHzFDD和1900-1920MHz/2010-2025MHzTDD，全球各地区频谱分配有所差异3G系统的商用始于2001年，日本NTT DoCoMo首先部署WCDMA网络随后，3G系统在全球范围内快速扩张，到2010年代中期已经覆盖大部分人口密集区域各标准都经历了技术演进，如WCDMA演进到HSPA/HSPA+，CDMA2000演进到EVDO Rev.A/B，显著提升了数据传输能力3G系统为移动互联网的普及奠定了基础，推动了智能手机和移动应用的爆发式增长，彻底改变了人们的通信和生活方式系统WCDMA系统架构空中接口WCDMAUMTS系统架构包括核心网CN、UMTS陆WCDMA采用5MHz带宽，基于直接序列扩频技术，芯地无线接入网UTRAN和用户设备UE三部分片率

3.84Mcps上下行采用频分双工FDD，支持可1UTRAN由无线网络控制器RNC和基站Node B组成，变扩频因子4-512和多码传输，适应不同业务需求支持Iub、Iur和Iu等标准化接口帧长10ms，分为15个时隙HSPA演进信道结构HSDPA下行引入自适应调制编码、快速调度和HARQ包括物理信道、传输信道和逻辑信道三层结构关键技术，峰值速率可达

14.4Mbps；HSUPA上行引入E-物理信道包括CPICH、SCH、AICH等；传输信道包括DCH增强上行性能，速率可达

5.76Mbps；HSPA+进一专用信道DCH和共享信道DSCH；逻辑信道分为控步增强性能，支持MIMO和64QAM，峰值速率可达制信道和业务信道两类42MbpsWCDMA是全球部署最广泛的3G标准，由3GPP组织制定，技术上源自欧洲的UMTS计划WCDMA系统设计了复杂而灵活的信道结构，能够支持从低速语音到高速数据的多种业务类型其核心技术特性包括软切换同时与多个基站保持连接、快速功率控制1500Hz、可变扩频因子和多码传输等，这些特性使WCDMA在系统容量和业务灵活性方面具有显著优势WCDMA系统经历了多次技术演进，特别是HSPA技术的引入，大幅提升了系统数据传输能力HSDPA引入的快速调度和自适应调制编码技术打破了传统CDMA系统功率平衡的限制，显著提高了下行传输效率；HSUPA则通过E-DCH增强了上行传输能力；HSPA+进一步引入MIMO和高阶调制技术，使3G系统的性能接近4G标准的要求这些演进使WCDMA系统在4G普及前仍能满足大多数数据业务需求，也为4G技术的发展积累了宝贵经验系统TD-SCDMA时分双工原理TD-SCDMA采用时分双工TDD方式，在同一频段内通过时间分割实现上下行传输单个子帧长度为5ms，包含7个时隙，时隙1固定用于下行，时隙2固定用于上行，其余时隙可灵活配置这种设计使系统能够根据业务需求动态调整上下行资源比例，适应非对称业务，并且不需要配对频段，频谱利用效率高上行同步技术TD-SCDMA系统最显著的技术特点是上行同步，要求所有终端信号同时到达基站，消除了小区内码间干扰实现方法是通过下行导频信号测量传播时延，终端根据基站指令提前或延后发送，确保信号同步到达上行同步技术使TD-SCDMA在上行容量和覆盖方面具有优势，但对系统复杂度和终端功能提出了更高要求联合检测技术TD-SCDMA采用联合检测接收技术，能够同时处理多个用户的信号，抑制多址干扰与传统CDMA系统的RAKE接收机相比，联合检测可以更有效地抵抗近远效应和多址干扰，提高系统容量代价是基站接收机复杂度显著增加，需要更强的信号处理能力联合检测技术与上行同步配合，进一步增强了TD-SCDMA的系统性能系统演进路径TD-SCDMA系统经历了多次技术演进，主要包括TD-HSDPA和TD-HSUPA，分别增强了下行和上行数据传输能力TD-HSPA+进一步引入MIMO和64QAM等技术，峰值速率可达

2.8MbpsTD-SCDMA在中国得到规模部署，并成为中国推动TD-LTE4G和5G标准的重要基础，体现了中国在通信标准领域的技术积累和国际影响力TD-SCDMA是中国主导开发的3G标准，结合了TDMA和CDMA技术的优点，同时引入了多项创新技术系统采用

1.6MHz带宽，芯片率

1.28Mcps，相比WCDMA的5MHz带宽更窄，有利于频谱规划和部署灵活性TD-SCDMA支持智能天线技术，通过波束赋形提高信号质量并抑制干扰，显著增强了系统性能和覆盖能力作为自主标准，TD-SCDMA的发展对中国通信产业有重要意义虽然商用部署仅限于中国市场，但通过TD-SCDMA的研发和部署，中国培养了大量通信人才，积累了丰富的技术经验，增强了在国际标准组织中的话语权这些积累为中国在4G和5G标准中发挥更重要作用奠定了基础，使中国从通信技术的跟随者逐步转变为引领者系统CDMA2000第八章第四代与第五代移动通信系统未来发展趋势5G NR技术展望6G研究方向和未来移动通信技术的演LTE-Advanced技术掌握5G新无线电技术的核心特性，包括毫进路径4G LTE技术探讨载波聚合、增强型MIMO等LTE-A关键米波通信、大规模MIMO和网络切片等创新研究LTE系统架构、OFDM技术和空中接口技术，分析其满足IMT-Advanced要求的技技术设计，了解4G系统的关键技术创新术路径本章将深入探讨第四代和第五代移动通信系统的技术特点和发展趋势4G LTE技术实现了全IP网络架构，引入OFDM和SC-FDMA等先进调制技术，大幅提升了系统频谱效率和数据传输能力LTE-Advanced进一步引入载波聚合、增强型MIMO和异构网络等技术，满足了IMT-Advanced对4G系统的技术要求，使移动宽带体验达到新高度5G作为新一代移动通信技术，不仅在传输速率上有数量级的提升，更重要的是扩展了移动通信的应用场景，从增强型移动宽带eMBB扩展到超高可靠低延迟通信URLLC和大规模机器类通信mMTC5G NR技术引入了灵活的帧结构、毫米波通信、大规模MIMO和网络切片等创新技术，系统架构也实现了控制与用户面分离、网络功能虚拟化等重大变革本章还将展望6G和未来移动通信的发展方向，包括太赫兹通信、人工智能与通信融合等前沿领域技术4G LTE系统架构演进OFDM与SC-FDMA资源分配与调度LTE系统架构实现了重大简化，采用扁平化LTE下行采用OFDM技术，将宽带信道分为LTE资源以资源块RB为单位分配，每个RB设计，核心网演进为EPC演进分组核心多个窄带子载波15kHz间隔，有效抵抗频包含12个子载波和7个OFDM符号

0.5ms网，包含MME移动管理实体、S-GW服务率选择性衰落，支持灵活带宽

1.4-调度以1ms一个子帧为周期，支持频域、网关和P-GWPDN网关三个主要功能实20MHz上行采用SC-FDMA，是OFDM的时域和空域多维度调度，实现精细的资源管体接入网演进为E-UTRAN，由eNodeB演变种，具有较低的峰均比，减轻了终端功率理LTE采用动态调度策略，能够根据用户进型基站组成，取消了RNC，将大部分功放大器线性度要求，延长电池寿命这两种信道条件、QoS需求和系统负载灵活分配资能下放至基站，减少了网络节点和接口，降技术结合，既保证了传输效率，又兼顾了终源，显著提高系统吞吐量和用户体验低了系统复杂度和时延端能效LTE系统是全球统一的4G标准，由3GPP制定，解决了3G时代多标准并存的碎片化问题LTE设计目标包括峰值速率下行100Mbps/上行50Mbps、低时延控制面100ms，用户面10ms、支持高速移动350km/h和灵活带宽关键技术创新还包括MIMO空间复用、高级信道编码Turbo码和自适应调制编码从QPSK到64QAM，这些技术共同提升了系统频谱效率LTE系统的商用始于2009年，瑞典和挪威率先部署随后LTE在全球范围内快速普及，成为主导的移动通信技术LTE不仅支持FDD模式，还支持TDD模式TD-LTE，满足不同国家和地区的频谱条件LTE的关键性能指标包括频谱效率3-4bps/Hz、小区边缘性能和用户平均吞吐量等，这些指标相比3G系统有3-4倍的提升，使移动宽带体验达到了新高度，推动了移动互联网的繁荣发展技术LTE-Advanced载波聚合聚合多个载波提升传输带宽增强型MIMO28x8下行、4x4上行空间复用中继与异构网络3多层次网络优化覆盖与容量CoMP协作多点传输多基站协作提升边缘性能LTE-Advanced是LTE的增强版本，旨在满足ITU对IMT-Advanced真正4G系统的技术要求载波聚合是LTE-A最显著的特性，允许聚合最多5个组件载波，每个最大20MHz，实现最高100MHz的系统带宽，理论峰值速率可达下行1Gbps/上行500Mbps载波聚合支持连续和非连续频谱，大幅提高了频谱利用灵活性，允许运营商整合碎片化频谱资源增强型MIMO是LTE-A的另一核心技术，将天线配置扩展到下行8×

8、上行4×4，通过空间复用显著提升频谱效率同时，LTE-A引入了更先进的波束赋形技术，增强信号质量并抑制干扰中继技术和异构网络HetNet解决了传统同构网络难以兼顾覆盖和容量的问题，通过宏基站、微基站、毫微微基站等多层次覆盖，优化网络性能协作多点传输CoMP则通过多基站协作，减轻小区边缘干扰，提升边缘用户体验这些技术使LTE-A成为一个高度成熟的移动宽带系统，能够支持高清视频、云计算等高要求应用技术5G NR5G新无线电NR技术是第五代移动通信系统的无线接口标准，由3GPP制定，相比4G LTE有根本性创新5G NR支持更宽频谱，从低频Sub-6GHz到毫米波24-100GHz，带宽最高可达400MHz毫米波可达800MHz毫米波通信是5G的重要特性，利用高频段大带宽资源提供极高数据速率理论峰值可达20Gbps，但传播损耗大，覆盖范围有限，主要用于热点区域和固定无线接入大规模MIMO技术是5G NR的另一核心创新，典型配置为64-256天线阵列，通过高精度波束赋形提高信号质量和系统容量5G NR采用灵活的帧结构和间隔，支持不同场景需求低频段采用15kHz子载波间隔兼容LTE；高频段可采用60/120kHz间隔减少相位噪声影响；URLLC业务可采用60kHz间隔减少传输时延非正交多址接入NOMA等技术进一步提升系统频谱效率，支持海量设备接入极化码控制信道和LDPC码数据信道的使用提高了信道编码效率这些技术使5G NR在速率、容量、时延和连接密度等方面全面超越4G系统系统架构5G控制与用户面分离5G系统架构将控制面和用户面功能分离，实现了网络功能独立扩展和优化控制面功能集中处理信令和控制消息，用户面功能UPF负责数据转发，可以灵活部署在不同位置这种分离架构使网络能够根据业务需求灵活调整资源分配，提高系统效率和灵活性，同时降低网络扩容成本服务化架构5G核心网采用服务化架构SBA，将网络功能定义为可重用的服务组件，通过标准接口相互交互这种设计打破了传统网元的边界，使网络功能可以独立演进和部署，大幅提高了系统灵活性服务化架构采用HTTP/2和RESTful API等Web技术，简化了网络功能开发和集成，加速了新业务上线虚拟化与云化5G系统大量采用网络功能虚拟化NFV和软件定义网络SDN技术，将网络功能从专用硬件解耦，实现软件化和云化部署这种架构使网络资源池化和弹性伸缩成为可能，系统可以根据负载动态分配计算资源，优化资源利用率云原生技术如微服务、容器的应用进一步增强了系统灵活性和可扩展性网络功能重构5G核心网对网络功能进行了重构，引入了AMF接入和移动性管理、SMF会话管理、UPF用户面功能、PCF策略控制、UDM统一数据管理等新功能实体这些功能实体职责明确、边界清晰，支持灵活部署和演进同时，5G引入了NRF网络存储功能实现功能发现和注册，NEF网络开放功能向第三方开放网络能力5G系统架构是对传统移动通信网络的根本性重构，不再是简单的演进，而是采用了全新的设计理念和技术方案这种创新架构使5G系统具备了支持多样化业务需求的能力，能够通过网络切片为不同业务提供定制化网络服务，实现一张物理网络，多个逻辑网络的目标边缘计算是5G系统架构的另一重要特性，通过将计算和存储资源下沉到网络边缘，减少端到端时延，提高服务质量5G系统支持本地分流，允许特定业务数据不必经过核心网，直接在边缘节点处理和交换，这对工业互联网、车联网等对时延敏感的应用尤为重要5G系统架构的创新为未来网络发展奠定了基础，使移动网络从通信管道向服务平台转变，为各行业数字化转型提供关键支撑5G应用场景增强型移动宽带（eMBB）eMBB是5G最直观的应用场景，提供极高的数据传输速率和改善的用户体验峰值速率可达10-20Gbps，用户体验速率100Mbps以上，支持高清视频、虚拟现实VR、增强现实AR等高带宽应用这一场景是4G能力的显著增强，主要满足消费者对高速率数据业务的需求超高可靠低延迟通信（URLLC）URLLC是5G的关键创新场景，提供极低的传输时延（1毫秒以内）和极高的可靠性（

99.999%以上）主要应用于工业自动化、自动驾驶、远程医疗等对时延和可靠性要求极高的场景URLLC通过微帧结构、预调度和多连接等技术实现，使能实时控制和关键任务通信，这是4G网络难以支持的能力大规模机器类通信（mMTC）mMTC面向物联网应用，支持每平方公里高达100万个设备的连接密度，满足智慧城市、智能农业、环境监测等领域的大规模连接需求这类应用通常数据量小、功耗要求低、成本敏感，5G通过优化的接入机制、功耗管理和轻量级协议栈支持这些特性，实现真正的万物互联5G的三大应用场景不仅扩展了移动通信的服务范围，更重要的是开启了移动通信从消费互联网向产业互联网拓展的新阶段与前几代移动通信系统主要服务于个人用户不同，5G开始大规模进入垂直行业，赋能各行业数字化转型，创造新的商业模式和价值5G在垂直行业的应用已经开始落地，如智能工厂利用5G网络实现生产设备的无线连接和柔性制造；自动驾驶依靠5G的低时延通信提升安全性和效率；智慧城市通过5G网络连接海量传感器，实现城市管理智能化这些应用通常需要结合边缘计算、人工智能等技术，形成完整的解决方案5G作为新型基础设施，正在成为数字经济发展的重要支撑未来移动通信发展趋势6G研究方向面向2030年的6G系统，峰值速率可达1Tbps，时延降至

0.1ms太赫兹通信开发100GHz-10THz频段，提供超大带宽和超高速率AI与通信融合将人工智能深度融入网络各层，实现自优化和智能服务量子通信研究量子密钥分发和量子网络，实现无条件安全通信空天地一体化整合卫星、高空平台和地面网络，实现全球无缝覆盖6G研究已在全球范围内启动，尽管5G尚处于部署阶段6G的愿景是实现智联万物，不仅连接人与物，还将连接数字世界与物理世界、现实与虚拟空间6G技术指标将有数量级提升峰值速率达1Tbps，端到端时延降至

0.1ms，连接密度提升至每平方公里1000万设备，定位精度达厘米级这些指标将支持全息通信、数字孪生、触觉互联网和沉浸式扩展现实XR等创新应用太赫兹通信是6G的关键使能技术，通过开发100GHz以上频段获取更大带宽，但面临严峻的传播损耗和器件挑战人工智能与通信融合将使网络具备自感知、自优化能力，实现从联接到智联的转变量子通信有望解决传统密码学面临的挑战，提供理论上无条件安全的通信保障空天地一体化网络将整合多种无线接入技术，实现全球无缝覆盖和服务连续性这些技术方向将重塑未来通信网络形态，创造前所未有的应用可能移动通信实验与仿真MATLAB仿真平台SDR软件无线电实验•信道模型与传播特性仿真•基于USRP/RTL-SDR等硬件平台•调制解调技术性能分析•实现信号接收与解调•MIMO系统建模与评估•简单通信系统原型搭建•系统级性能仿真•实际无线环境测量与分析•适合初学者入门和基础原理验证•提供真实硬件实践经验系统级性能评估实验项目示例•蜂窝网络覆盖与容量分析•数字调制与解调实验•多小区干扰与资源分配•OFDM系统实现与测试•用户移动性与切换性能•MIMO分集与复用技术验证•业务模型与QoS评估•路径损耗与覆盖测量•网络规划与优化参考•基于SDR的LTE信号分析实验与仿真是移动通信教学的重要环节，通过理论与实践相结合，帮助学生深入理解通信原理并培养工程实践能力MATLAB是最常用的仿真平台，其通信工具箱提供了丰富的函数库，支持从链路级到系统级的各类仿真学生可以通过编写MATLAB代码，实现信道模型、调制解调、编码解码等模块，分析不同技术方案的性能，这是掌握移动通信基础知识的有效途径软件无线电SDR实验则提供了接触真实无线环境的机会通过USRP、RTL-SDR等硬件平台，学生可以接收和分析实际无线信号，甚至搭建简单的通信系统原型系统级仿真则关注网络整体性能，包括覆盖、容量、干扰和移动性等方面，为网络规划和优化提供参考这些实验与仿真项目相辅相成，从不同角度帮助学生理解移动通信技术，培养分析问题和解决问题的能力实验报告的撰写也锻炼了学生的技术文档写作能力，这是工程实践中的重要技能移动通信技术前沿研究非正交多址接入1NOMA技术打破了正交资源分配的限制，允许多用户共享同一时频资源，通过功率域或码域区分用户，显著提高频谱效率功率域NOMA利用功率差异和连续干扰消除SIC技术分离用户信号；码域NOMA则使用低相关性扩频序列区分用户NOMA有望成为未来移动通全双工无线技术信系统的关键多址技术，特别适合支持海量物联网设备接入传统无线通信采用频分或时分双工，而全双工技术允许在同一频段同时发送和接收，理论上可将频谱效率提高一倍核心挑战是自干扰消除，即抑制本地发射信号对接收机的干大规模分布式天线系统3扰解决方案包括天线隔离、模拟域干扰消除和数字域干扰消除等多级技术全双工技术在小基站和回程链路中具有应用潜力，是提升频谱利用效率的重要研究方向传统集中式天线阵列演进为分布式部署，将大量天线单元分散在覆盖区域内，通过光纤或毫米波回程连接到中央处理单元这种架构将信号源靠近用户，减少传播损耗，改善覆盖均匀性，并通过宏分集增强抗衰落能力与小基站不同，分布式天线系统采用集中式处可重构智能表面理，可实现更高效的干扰管理和协同传输，是未来超密集网络的重要发展方向RIS可重构智能表面是由大量低成本无源反射单元组成的平面阵列，每个单元可通过电子控制改变电磁波的反射相位通过优化相位配置，RIS能够主动塑造无线传播环境，增强有用信号，抑制干扰信号，甚至实现无线能量传输RIS具有低功耗、低成本、易部署的集成感知与通信特点，被视为6G通信的潜在关键技术，可与MIMO系统协同工作，突破传统无线传播环境ISAC集成感知与通信技术旨在实现通信和雷达感知功能的深度融合，共享频谱、硬件和的限制信号处理平台相比传统独立系统，ISAC可提高频谱利用效率，降低设备成本和复杂度关键技术包括双功能波形设计、联合信号处理和资源分配等ISAC在车联网、智能交通、环境感知等领域具有广阔应用前景，是6G研究的重点方向之一移动通信技术正在经历从单一连接功能向综合信息服务平台的转变，前沿研究呈现多元化发展趋势除上述技术外，人工智能与通信的深度融合也日益受到重视，包括智能资源分配、自适应波束赋形、自优化网络等方向AI技术可以分析海量网络数据，预测用户行为和网络状态，优化网络配置和资源分配，提升系统性能和用户体验这些前沿技术相互交叉、相互促进，共同推动移动通信向更高效、更智能、更可靠的方向发展研究人员面临的挑战不仅在于技术本身，还包括如何在复杂环境中实现这些技术的协同工作，以及如何平衡性能、复杂度和能效通过深入研究这些前沿技术，我们不断突破移动通信的边界，为信息社会的可持续发展提供强大技术支撑通信安全与隐私保护移动通信安全威胁加密与认证机制无线接入的开放性使移动通信面临多种安全威胁，包括从2G的A5算法到5G的雪花算法，移动通信加密技术不窃听、仿冒、信令干扰和服务拒绝攻击等随着移动通断演进5G引入了基于SUCI的用户标识加密，保护用户信应用拓展到金融、医疗等关键领域，安全需求日益提身份隐私；同时采用EAP-AKA认证框架，支持更灵活的升5G时代网络切片、边缘计算等新架构也带来新的安认证机制端到端加密成为保护用户数据安全的重要手全挑战段，特别是在敏感业务场景隐私保护技术物理层安全用户位置跟踪、通信元数据分析等威胁用户隐私差分利用无线信道的物理特性实现安全通信，不依赖于计算隐私、同态加密等技术允许在保护原始数据的前提下进复杂度的传统密码学关键技术包括人工噪声辅助传行必要的数据分析5G系统引入本地分流和边缘计算，输、安全波束赋形、信道指纹识别等物理层安全与上减少敏感数据暴露风险基于区块链的去中心化身份管层加密机制相结合，形成多层次安全防护体系，提高系理也是重要研究方向统整体安全性移动通信安全与隐私保护已成为系统设计的核心考量与传统固定网络相比，移动通信网络面临更复杂的安全环境无线接口的开放性使信息更易被窃取；终端设备的移动性增加了身份认证的复杂度；多样化的应用场景对安全性和隐私保护提出了差异化需求5G系统从架构设计阶段就考虑了安全性，采用安全设计理念，构建了更加完善的安全框架5G安全架构的关键创新包括增强的用户隐私保护机制，防止IMSI捕获器等攻击；基于服务的灵活认证框架，支持不同垂直行业的安全需求；网络切片安全隔离，防止跨切片攻击；统一的安全策略管理，实现端到端的安全保障随着物联网、工业互联网等场景的拓展，通信安全面临的挑战将更加多元化，需要产学研各方协同创新，构建安全可信的通信环境，保障数字经济健康发展和用户合法权益绿色通信与能效优化课程总结与展望代倍51000技术演进速率提升从1G到5G的移动通信技术发展历程从2G到5G的峰值速率增长亿年1002030连接设备6G商用全球移动网络连接的设备数量预计第六代移动通信系统部署时间本课程系统介绍了移动通信的基本理论与关键技术，从电波传播特性、调制解调技术、多址接入方式到网络组织原理，构建了完整的知识框架我们深入探讨了从第一代到第五代移动通信系统的技术特点、系统架构和演进路径，剖析了各代技术的创新点和局限性通过学习，我们认识到移动通信技术的发展是多学科交叉融合的结果，需要综合运用信号处理、通信理论、网络技术等知识解决实际问题移动通信已成为现代社会的关键基础设施，从最初的语音通话发展为支撑数字经济的重要平台未来，随着6G研究的深入和技术的不断创新，移动通信将向更高速率、更低时延、更广连接和更智能化方向发展，与人工智能、大数据、云计算等技术深度融合，催生更多创新应用和商业模式作为通信工程专业的学生，应保持持续学习的态度，关注技术前沿，为未来移动通信事业贡献力量本课程评估将包括期末考试（占60%）、实验报告（占30%）和课堂表现（占10%），请同学们合理安排学习时间，做好复习准备。