6G 移動通信系統 : 理論與技術

本書系統深入地介紹了6G移動通信系統的演進背景、應用場景、性能目標、體系架構、理論原理、關鍵技術、先進算法以及未來發展趨勢等。內容包括5G到6G的演進驅動力、6G應用場景和性能目標、毫米波通信、太赫茲通信、可見光通信、多址接入、通道編解碼、隨機接入、大規模天線、體系架構、空天地海一體化、霧無線網絡、智慧無線通信、智簡無線網絡、內生安全、區塊鏈技術等。

　　本書可供從事新一代寬帶移動通信研究的大專院校高年級學生、專業技術人員、管理人員，特別是從事6G通信理論、關鍵技術、算法設計、標準研究和應用開發的工程人員作為基礎專業圖書和參考圖書使用。本書也可供學習6G傳輸與組網理論的大專院校相關專業師生閱讀參考，還可以作為移動通信專業的教材和學習參考書。

彭木根
北京郵電大學教授，中國電子學會會士、中國通信學會會士、IEEE Fellow、IET Fellow。長期致力於4G/5G/6G 等移動通信系統的靈巧小基站及智能無線組網理論研究與工程實踐。

第 1章　移動通信系統演進 001
1．1　第五代移動通信系統概述　003
1．1．1　5G性能需求與目標　006
1．1．2　5G體系架構　008
1．1．3　5G關鍵技術　009
1．2　5G演進與願景　013
1．2．1　全息通信　015
1．2．2　數字孿生及應用　016
1．2．3　智慧城市及應用　017
1．2．4　工業互聯網和智能工廠　018
1．2．5　智賦農業　019
1．2．6　超能交通與一體化控制　020
1．2．7　應急通信和無人區探測　021
1．3　6G性能需求和頻譜規劃　022
1．3．1　6G多極致性能需求　023
1．3．2　6G技術特徵　025
1．3．3　6G頻譜規劃　026
｜　1．4 6G體系架構和關鍵技術　028
1．4．1　AI驅動的空天地海一體化按需網絡　029
1．4．2　物理層關鍵技術　031
1．4．3　邊緣計算和霧計算　040
1．4．4　通信 感知 計算一體化　042
1．4．5　內生安全　045
參考文獻　046
第　2章 毫米波通信技術　049
2．1　無線頻譜　050
2．1．1　電磁波譜排列　051
2．1．2　毫米波頻譜　053
2．1．3　毫米波通信優勢　053
2．1．4　小結　054
2．2　毫米波通信特性　055
2．2．1　毫米波傳播特性　055
2．2．2　毫米波信道特性　058
2．2．3　小結　065
2．3　毫米波通信關鍵技術　066
2．3．1　毫米波大規模MIMO　066
2．3．2　毫米波混合波束賦形　071
2．3．3　毫米波信道估計技術　077
2．3．4　毫米波通信器件　081
2．3．5　其他關鍵技術　085
2．3．6　小結　086
2．4　毫米波通信組網　086
2．4．1　毫米波陸地通信　086
2．4．2　毫米波衛星通信　089
2．4．3　小結　091
2．5　毫米波通信標準化　091
2．5．1　IEEE毫米波通信標準化　091
2．5．2　3GPP毫米波通信標準化　093
2．5．3　ITU毫米波通信標準化　093
2．5．4　小結　095
參考文獻　095
第3章　6G太赫茲與可見光通信　099
3．1　太赫茲與可見光通信概述　101
3．1．1　太赫茲與可見光通信原理　101
3．1．2　國內外研究現狀　103
3．1．3　小結　108
3．2　太赫茲與可見光通信信道特性　109
3．2．1　太赫茲信道建模　109
3．2．2　可見光信道建模　110
3．2．3　太赫茲與可見光通信關鍵技術　113
3．2．4　小結　129
3．3　太赫茲與可見光通信組網　130
3．3．1　太赫茲組網及其應用　131
3．3．2　可見光組網及演示平台　133
3．3．3　小結　140
3．4　太赫茲與可見光通信發展趨勢　141
3．4．1　太赫茲通信發展趨勢　141
3．4．2　可見光產業發展趨勢　143
3．4．3　小結　144
3．5　太赫茲與可見光通信標準化　145
3．5．1　太赫茲通信標準化　145
3．5．2　可見光通信標準化　147
3．5．3　小結　151
參考文獻　151
第4章　6G多址接入與編碼技術　155
4．1　非正交多址接入　157
4．1．1　功率域NOMA　158
4．1．2　稀疏碼分多址SCMA　162
4．1．3　圖樣分割多址PDMA　167
4．1．4　多用戶共享接入MUSA　172
4．1．5　小結　176
4．2　極化編譯碼　176
4．2．1　基礎知識　177
4．2．2　信道極化　180
4．2．3　極化信道可靠性排序　187
4．2．4　極化碼編碼　189
4．2．5　極化碼譯碼　192
4．2．6　小結　198
參考文獻　198
第5章　6G隨機接入與大規模天線　203
5．1　免授權隨機接入　205
5．1．1　隨機接入原理　205
5．1．2　免調度隨機接入　214
5．1．3　關鍵技術　216
5．1．4　小結　220
5．2　超大規模MIMO　221
5．2．1　技術原理　222
5．2．2　小規模MIMO　227
5．2．3　超大規模MIMO　234
5．2．4　小結　241
5．3　信道估計與檢測　242
5．3．1　無線信道概述　242
5．3．2　OFDM原理　246
5．3．3　導頻圖樣設計　249
5．3．4　基於導頻的信道估計方法　252
5．3．5　插值方法　255
5．3．6　基於機器學習算法的信道估計　258
5．3．7　小結　260
參考文獻　260
第6章　6G無線網絡體系架構　267
6．1　6G空天地海一體化組網　270
6．1．1　標准進展　272
6．1．2　結構組成　273
6．1．3　移動性關鍵技術　275
6．1．4　協同覆蓋關鍵技術　278
6．2　6G空間信息網絡　279
6．2．1　衛星網絡發展　281
6．2．2　空間信息網絡功能與特徵　288
6．2．3　空間信息網絡關鍵技術　290
6．2．4　空間信息網絡技術挑戰　293
6．2．5　空間信息網絡發展目標　294
6．2．6　空間信息網絡核心問題　295
6．3　空中無人機組網　296
6．3．1　無人機通信與自組網　298
6．3．2　無人機輔助的無線組網　301
6．3．3　無人機無線組網的應用　306
6．3．4　無人機網絡的覆蓋及切換性能　310
6．4　浮空平台區域無線網絡　323
6．4．1　浮空平台分類　324
6．4．2　浮空平台網絡架構　326
6．4．3　浮空平台空間段鏈路　328
6．4．4　浮空平台關鍵技術　329
6．5　海洋無線組網　329
6．5．1　海洋無線通信組成　331
6．5．2　海洋無線通信技術　334
6．6　無線接入網切片　338
6．6．1　6G無線網絡切片體系結構　339
6．6．2　關鍵組成元素　342
參考文獻　346
第7章　6G霧無線網絡　349
7．1　霧計算與霧網絡　352
7．1．1　霧網絡結構　353
7．1．2　霧計算和邊緣計算　355
7．1．3　小結　356
7．2　霧無線接入網　356
7．2．1　架構　357
7．2．2　關鍵技術　358
7．2．3　挑戰　362
7．2．4　小結　363
7．3　NOMA和F-RAN　363
7．3．1　NOMA的主要特徵　363
7．3．2　基於NOMA的F-RAN體系架構　365
7．3．3　關鍵技術與挑戰　366
7．3．4　小結　369
7．4　F-RAN的基礎理論與關鍵技術　369
7．4．1　基礎理論　369
7．4．2　F-RAN理論與技術　372
7．4．3　未來展望　375
7．5　F-RAN資源調配　376
7．5．1　系統模型　377
7．5．2　問題建模和求解方法　381
7．5．3　性能仿真驗證　390
7．6　F-RAN垂直行業應用　395
7．6．1　F-RAN在不同移動業務中的應用　395
7．6．2　F-RAN在垂直行業中的應用　397
7．6．3　小結　400
參考文獻　400
第8章　6G智慧無線通信　403
8．1　人工智能基本原理　404
8．1．1　認知人工智能　405
8．1．2　機器學習　405
8．1．3　深度學習　405
8．1．4　常見的人工智能學習方法　406
8．1．5　小結　414
8．2　人工智能在物理層中的應用　415
8．2．1　基於模型驅動深度學習的多輸入多輸出檢測　416
8．2．2　基於深度學習的信道狀態信息反饋與重建　417
8．2．3　基於深度學習的自動調節識別　419
8．2．4　小結　420
8．3　人工智能在資源調配中的應用　420
8．3．1　基於資源塊Q-Learning的物聯網資源調配　420
8．3．2　基於深度學習的分佈式天線系統中的功率分配方法　422
8．3．3　小結　426
8．4　人工智能在網絡結構中的應用　426
8．4．1　實時智能邊緣　427
8．4．2　智能無線通信　429
8．4．3　分佈式/集中式AI網絡架構　429
8．4．4　小結　430
8．5　人工智能在網絡管理中的應用　431
8．5．1　故障管理（根因分析）　432
8．5．2　網絡運行（基於AI的能量優化）　433
8．5．3　網絡運行（調度）　433
8．5．4　網絡規劃　434
8．5．5　小結　435
8．6　人工智能在業務層面的應用　435
8．6．1　流量管理　435
8．6．2　業務推送　438
8．6．3　小結　439
8．7　AI驅動的霧無線網絡　440
8．7．1　AI-FRAN組網基本原理　441
8．7．2　AI-FRAN的性能分析　444
8．7．3　AI-FRAN關鍵技術　444
8．7．4　未來挑戰　446
參考文獻　447
第9章　6G智簡無線網絡　453
9．1　智簡無線網絡功能組成　455
9．1．1　廣域無縫通信　456
9．1．2　巨容量高保真通信　457
9．1．3　超可靠低時延通信　458
9．1．4　巨連接極低功耗機器類通信　459
9．2　意圖驅動的智簡無線網絡　460
9．2．1　意圖驅動的網絡架構　462
9．2．2　意圖驅動的AI組成　464
9．3　智簡無線網絡理論與技術　466
9．3．1　智簡無線網絡信息理論　467
9．3．2　AI使能的無線傳輸技術　469
9．3．3　雲邊協同的霧無線組網技術　470
9．3．4　多維資源智能調配技術　472
9．3．5　AI使能的移動性管理技術　473
9．4　智簡6G應用展望　474
9．4．1　無人機應急通信　474
9．4．2　海洋通信　475
9．4．3　全息高清視頻通信　475
9．4．4　VR/AR演進　476
9．4．5　工廠內智能通信　476
9．4．6　增強型車聯網　476
參考文獻　477
第　10章 6G內生安全與區塊鏈　479
10．1　6G內生安全　481
10．1．1　面向無線網絡切片的身份認證　482
10．1．2　面向無線網絡切片的安全增強　483
10．1．3　面向無線網絡切片的安全監控　485
10．2　區塊鏈概述　485
10．2．1　區塊鏈架構模型　486
10．2．2　區塊鏈特徵　487
10．2．3　交易和區塊　488
10．2．4　准入機制　490
10．2．5　共識機制　491
10．2．6　區塊激勵　491
10．2．7　智能合約　492
10．2．8　密碼學　493
10．2．9　數據結構　494
10．3　6G區塊鏈　495
10．3．1　6G霧計算中的區塊鏈　496
10．3．2　6G智能網絡中的區塊鏈　499
10．3．3　基於區塊鏈技術的頻譜共享　500
10．3．4　區塊鏈使能的網絡切片　501
10．3．5　區塊鏈使能的終端直通　503
10．4　區塊鏈行業應用　503
10．4．1　區塊鏈行業應用總體現狀　504
10．4．2　區塊鏈重點領域行業應用發展現狀　505
10．4．3　區塊鏈行業應用面臨的問題　507
10．5　6G區塊鏈共識算法的開銷分析　509
10．5．1　網絡模型以及共識流程　509
10．5．2　共識開銷分析　512
10．5．3　仿真與性能分析　519
參考文獻　524
名詞索引　527