5G通信系統

本書系統介紹5G通信的新技術和新特點。本書以雲計算、空時無線通道、高頻波段分析、多載波調制等新型關鍵技術及功率控制和資源分配等問題為重點。全書共10章，主要內容包括5G系統關鍵技術、傳統通道、MIMO無線通道、信號結構設計和容量分析、MIMO功率控制、天線和分集接收、物理層關鍵技術、能效分析和設計、網絡接入層關鍵技術、全球5G終端發展現狀。 本書適合作為電子信息大類、電腦大類、自動控制大類研究生和高年級本科生相關課程教材，也可供電信行業技術人員閱讀參考。

目錄

第1章5G系統關鍵技術1

1.1ITU 5G需求制定1

1.1.1雲計算5

1.1.2霧計算10

1.2軟件定義網絡12

1.3移動邊緣計算14

1.4網絡切片技術17

1.4.1核心網網絡切片關鍵技術20

1.4.2接入網切片技術20

1.4.3傳輸網切片21

1.4.4網絡切片標準21

1.4.5切片分組網21

1.5物理層無線技術設計23

1.5.15GNR設計架構及關鍵技術23

1.5.25G新空口30

1.5.3NOMA30

1.5.4SCMA32

1.5.5FBMC34

1.5.6GFDM39

1.5.7Polar碼41

1.5.8LDPC碼42

1.5.9多用戶和大規模MIMO42

1.5.10毫米波44

1.5.11天線規模設計44

1.5.12數據加擾45

1.5.135GNR物理層關鍵技術46

1.6認知無線電頻譜共享50

1.6.1異構認知無線電網絡頻譜共享模式51

1.6.2時域突發性頻段的頻譜預測技術研究52〖3〗5G通信系統目錄〖3〗1.7高頻段天線設計53

1.8網絡覆蓋增強技術57

1.8.1UAV無人機覆蓋增強57

1.8.2UAV半雙工中繼覆蓋增強59

1.8.3UAV全雙工中繼覆蓋增強60

1.9超密集組網60

1.9.1技術原理60

1.9.2超密集組網宏基站加微基站部署模式62

1.9.3超密集組網微基站加微基站部署模式62

1.9.4異構網絡62

1.10以用戶為中心的網絡設計63

1.11綠色資源分配64

1.12全雙工64

1.13D2D通信65

1.14無線傳感器網絡68

1.155G光通信70

1.16安全傳輸74

1.175G基站管理74

1.17.15G基站設備變化74

1.17.2基站功能的變化75

1.17.35G承載網規劃基本原則78

第2章傳統通道79

2.1採樣定理79

2.1.1低通採樣定理80

2.1.2帶通採樣定理83

2.2陰影衰落和多徑通道85

2.2.1路徑損耗和陰影效應87

2.2.2兩徑傳播模型87

2.3大尺度和小尺度衰落89

2.4均勻和非均勻平面波89

2.5通道時間、頻率、空間描述和選擇性衰落91

2.5.1時間色散與頻率選擇性91

2.5.2均方根時延擴展91

2.5.3頻率色散與時間選擇性93

2.5.4兩徑模型的相乾時間、相乾帶寬和相乾時頻間隔96

2.5.5空間選擇性99

2.6通道模型的對偶性原理100

2.7通道二階統計量101

2.7.1衰落速率方差101

2.7.2時域電平交叉率和平均衰落持續時間103

2.8通道包絡統計特性104

第3章MIMO無線通道107

3.1預備知識107

3.1.1隨機本地通道模型107

3.1.2隨機相位107

3.1.3其他隨機量108

3.1.4隨機相位模型108

3.1.5傅里葉變換109

3.1.6自相關函數110

3.1.7非均勻散射110

3.1.8SLAC模型的功率譜密度函數111

3.1.9信號基帶表達111

3.2MIMO通道建模概述115

3.3統計MIMO通道建模117

3.3.1MIMO通道模型與統計建模方法概述117

3.3.2模型的一般描述118

3.3.3相關性建模的一種等效形式120

3.3.4LoS通道矩陣121

3.3.5發射天線與接收天線的空間相關性121

3.3.6通道的相關性和功率譜密度122

3.4通道聯合統計量125

3.4.1聯合自相關函數與頻譜126

3.4.2時頻變換映射127

3.4.3空頻變換映射128

3.4.4完備的變換映射129

3.5角度譜130

3.5.1向量和標量空間130

3.5.2波向量的標量化131

3.5.3角度譜的概念132

3.5.4角度至波數的映射134

3.5.5水平傳播134

3.5.6角度譜的總結136

3.6MIMO通道容量137

3.6.1點對點MIMO通道容量137

3.6.2多用戶MIMO138

3.6.3大規模MIMO139

3.6.4通道時變性141

3.7大規模MIMO傳輸通道141

3.7.1確定性通道141

3.7.2通道正交和隨機通道143

3.7.3有限維通道149

第4章信號結構設計和容量分析150

4.1TDD相乾時頻間隔結構150

4.2OFDM相乾時頻間隔結構151

4.3歸一化信號模型和信噪比153

4.4多個基站天線和多個終端154

4.4.1單小區系統154

4.4.2多小區系統155

4.5容量上限作為性能指標157

4.5.1加性高斯噪聲確定性通道157

4.5.2加性非高斯噪聲確定性通道158

4.5.3加性高斯噪聲且接收機對CSI有完美估計的衰落通道158

4.5.4加性非高斯噪聲且接收機沒有CSI估計信息的衰落通道159

4.5.5加性非高斯噪聲且有邊信息的衰落通道159

4.6MIMO單小區系統關鍵技術160

4.6.1上行導頻和通道估計160

4.6.2上行數據傳輸162

4.6.3下行鏈路數據傳輸167

4.6.4SINR的擴展規律與上界172

4.6.5M>>K時線性處理的近似最優性173

4.6.6凈頻譜效率174

4.6.7限制因素: 天線數量和移動性175

4.7多小區系統178

4.7.1上行導頻和通道估計179

4.7.2上行數據傳輸179

4.7.3下行數據傳輸183

4.7.4問題討論186

第5章MIMO功率控制188

5.1功率控制準則188

5.2給定SINR目標的功率控制189

5.2.1單小區系統189

5.2.2多小區系統190

5.3最大最小公平功率控制190

5.3.1單小區系統中的最大最小公平功率控制190

5.3.2具有網絡範圍最大最小公平性的多小區系統193

5.3.3可忽略相乾乾擾和全功率的每小區功率控制193

5.3.4一致優良的服務196

5.4案例研究197

5.4.1單小區案例: 農村固定寬帶接入197

5.4.2所需天線數和發射功率199

5.4.3最小公平功率控制政策分析200

5.4.4多小區分配算法201

5.4.5導頻分配和所需導頻長度202

5.4.6考慮相乾乾擾的每小區最大最小功率控制策略202

5.4.7多小區案例: 密集城市和郊區移動接入204

5.4.8最低每終端吞吐量性能204

第6章天線和分集接收209

6.1天線發展歷史209

6.2天線參數212

6.2.1帶寬212

6.2.2天線效率212

6.2.3陣列增益212

6.2.4分集增益212

6.3分集213

6.4合並技術214

6.4.1增益合並214

6.4.2增益合並輸出的信號包絡216

6.4.3開關式合並217

6.4.4二支路示例218

6.5誤碼率和容量219

6.5.1非衰落通道的誤碼率219

6.5.2衰落通道中的誤碼率221

6.5.3衰落通道的通道容量222

6.5.4經驗誤碼率和容量223

6.5.5多支路情況的分集增益223

6.5.6關於分集中支路的說明224

6.5.7關於分集中不等支路功率的說明226

6.65G混合波束賦形相控陣系統228

6.6.1模擬多波束系統架構229

6.6.2全數字波束賦形系統架構230

6.6.3混合數字模擬波束賦形系統架構230

6.6.4相控陣列移相網絡架構分析231

6.7MIMO陣列天線233

6.7.1毫米波金屬漸變縫隙天線陣列234

6.7.2基於特徵模理論的5G終端MIMO陣列天線設計237

第7章物理層關鍵技術239

7.1MCDSCDMA241

7.2MCCDMA242

7.2.1原始模式MCCDMA242

7.2.2改進模式MCCDMA243

7.2.3一種採用時頻碼的MCCDMA244

7.2.4可變擴頻增益MCCDMA的模型245

7.2.5MCSSMA245

7.2.6MCCDMA的頻譜效率247

7.2.7MCCDMA中存在的關鍵問題249

7.3MCCDMA通道及估計250

7.3.1MCCDMA的通道模型250

7.3.2MCCDMA通道估計252

7.3.3馬爾可夫模型對應的自適應方法257

7.4模擬產生的相關瑞利變量259

7.5NOMA概述260

7.5.1移動通信中功率分配的意義261

7.5.2NOMA原理261

7.6NOMA系統資源調度262

7.6.1用戶選擇262

7.6.2功率分配264

7.7NOMA中基於最大化吞吐量功率分配265

7.7.1最大化吞吐量的功率分配優化問題266

7.7.2用戶的最低功率267

7.7.3最大化總吞吐量的功率分配268

7.8毫米波和太赫茲技術270

7.8.1概述270

7.8.2毫米波和太赫茲頻段的應用274

7.8.3基於時空SigmaDelta理論的多埠陣列收發器體系結構278

7.8.4低尺寸、低重量和低功率的新型寬帶多波束形成器281

7.8.5100GHz以上頻段281

7.8.6100GHz以上通道的特性282

7.8.728GHz、73GHz和142GHz的通道特性比較284

7.8.8100GHz以上的散射290

7.8.9毫米波和太赫茲頻段的用戶定位293

7.8.10空間統計通道建模295

第8章能效分析和設計297

8.1背景知識297

8.2發射功率消耗298

8.3能源效率301

8.4電路功耗模型308

8.4.1收發設備309

8.4.2編碼和解碼309

8.4.3回傳309

8.4.4通道估計310

8.4.5接收組合和傳輸預編碼310

8.4.6將CP與不同的組合/預編碼處理方案比較312

8.5能源效率和吞吐量的權衡315

8.6最大能源效率網絡設計319

8.7綠色能源傳輸321

8.7.1面向綠色通信的基站休眠策略321

8.7.2隨機休眠策略322

8.7.3智能的基站切換策略322

8.7.4面向綠色通信的資源管理322

第9章網絡接入層關鍵技術324

9.1電腦網絡與分層324

9.1.1協議324

9.1.2IP地址326

9.1.3ICMP327

9.1.4MAC地址328

9.2自適應靈活資源分配329

9.2.1移動邊緣計算中的資源聯合優化329

9.2.2MEC系統中的資源智能分配330

9.2.35G網絡中的多維資源聯合管理331

9.2.45G網絡切片虛擬資源管理333

9.3能量效率最優跨層調度335

9.3.1移動WiMAX網絡中的跨層優化335

9.3.2認知頻譜共享跨層設計335

9.3.3無線網絡跨層設計337

9.4不同服務質量的管理341

9.4.1WiMAX關鍵QoS參數341

9.4.25G QoS343

9.4.3QoS特性349

9.4.4反射QoS349

9.4.5包過濾器集349

9.5無線安全傳輸349

9.5.1無線接入安全性分析349

9.5.2無線傳感器網絡安全350

9.5.3移動邊緣計算安全352

9.6異構網絡354

第10章全球5G終端發展現狀357

10.15G終端產業發展預期357

10.25G頻譜使用358

10.35G趨勢和挑戰359

10.4中興通訊5G建設359

10.4.1中興通訊5G網絡智能化359

10.4.25G網絡智能化需求分析360

10.4.35G網絡智能化總體方案361

10.4.45G網絡智能化應用362

10.4.5網元智能363

10.4.6預測智能365

10.4.7運維智能366

10.4.8邊緣智能369

10.4.9端到端切片智能部署373

10.4.10端到端切片智能保障374

10.4.11端到端切片智能運營375

10.4.12展望375

10.5華為5G網絡規劃376

10.5.15G無線網絡未來的主要應用376

10.5.25G無線網絡規劃面臨的挑戰376

10.5.3新傳媒行業378

10.5.4新聞活動報道383

10.5.5展會視頻直播演示383

10.5.6體育賽事的視頻直播385

附錄A通信系統常用縮略語389

參考文獻399

致謝401