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第一部分 5G的调制、编码和波形图2

第1章 5G网络的调制和波形简介2

1.1 动因和背景2

1.1.1 LTE解决方案：OFDM和SC-FDMA4

1.2 新型调制技术：FBMC、GFDM、BFDM、UFMC和TFP5

1.2.1 滤波器组多载波技术5

1.2.2 广义频分复用技术7

1.2.3 双正交频分复用技术9

1.2.4 通用滤波多载波技术10

1.2.5 时频打包技术11

1.2.6 单载波方案13

1.3 波形选择14

1.4 总结与结束语15

第2章 5G通信中的超奈奎斯特传输18

2.1 FTN信号简介18

2.1.1 FTN的定义：源自信号检测理论的FTN19

2.1.2 FTN的香农极限23

2.1.3 小结24

2.2 时域FTN：接收器和性能24

2.2.1 BCJR算法和迭代解码24

2.2.2 二进制编码FTN的性能27

2.2.3 四进制编码FTN28

2.2.4 小结31

2.3 频域FTN信号31

2.3.1 频域FTN的定义32

2.3.2 频率FTN的实现34

2.3.3 小结34

2.4 总结35

第3章 从OFDM到FBMC：原理与对比36

3.1 引言36

3.2 滤波器组37

3.2.1 合成滤波器37

3.2.2 分析滤波器38

3.3 多相实现40

3.4 OFDM42

3.4.1 循环前缀43

3.4.2 保护频带46

3.5 FBMC46

3.6 FBMC和滤波OFDM的比较48

3.6.1 旁瓣抑制的古典方法48

3.6.2 性能49

3.6.3 复杂度49

3.7 总结50

第4章 用于大规模MIMO的滤波器组多载波52

4.1 大规模MIMO中的系统模型和FBMC公式53

4.1.1 大规模MIMO中的多相CMT53

4.1.2 大规模MIMO中的扩频CMT55

4.2 大规模MIMO中FBMC的自均衡特性57

4.2.1 多相CMT在大规模MIMO信道中的数值研究58

4.2.2 扩频CMT在大规模MIMO信道中的数值研究60

4.3 与OFDM的比较62

4.4 盲平衡和导频去污62

4.4.1 仿真结果65

4.5 总结67

第5章 带宽压缩多载波通信：SEFDM69

5.1 引言69

5.2 SEFDM基础71

5.2.1 SEFDM的原理71

5.2.2 SEFDM信号的生成72

5.2.3 SEFDM信号的检测74

5.3 块SEFDM74

5.3.1 块SEFDM的原理75

5.3.2 两级信号检测75

5.4 Turbo-SEFDM78

5.4.1 Turbo-SEFDM的原理79

5.4.2 软检测80

5.5 实际条件和实验论证82

5.5.1 信道估计82

5.5.2 实验论证84

5.6 总结87

第6章 非正交多用户叠加和共享接入90

6.1 引言90

6.2 非正交多用户接入的基本原理和特性90

6.2.1 提高频谱效率的非正交多用户叠加91

6.2.2 大规模连接的非正交多用户接入93

6.3 下行非正交多用户传输93

6.3.1 无格雷映射的直接叠加93

6.3.2 格雷映射叠加94

6.4 上行链路非正交多用户接入101

6.4.1 LDS-CDMA/OFDM101

6.4.2 SCMA102

6.4.3 MUSA104

6.4.4 PDMA108

6.5 总结和未来工作110

第7章 非正交多址接入（NOMA）：概念和设计113

7.1 引言113

7.2 概念114

7.2.1 下行链路NOMA114

7.2.2 上行链路NOMA116

7.3 效益和动机117

7.4 接口设计118

7.4.1 下行链路NOMA118

7.4.2 上行链路NOMA119

7.5 MIMO支持120

7.5.1 下行链路NOMA120

7.5.2 上行链路NOMA123

7.6 性能评估124

7.6.1 下行链路NOMA124

7.6.2 上行链路NOMA129

7.7 总结132

第8章 主要5G波形的候选：概述和比较134

8.1 为什么我们需要新的波形134

8.2 主要多载波调制的候选135

8.2.1 CP-OFDM调制135

8.2.2 使用线性卷积的子载波滤波MCM136

8.2.3 使用循环卷积的子载波滤波MCM137

8.2.4 子带滤波MCM140

8.3 定性对比141

8.3.1 频谱效率141

8.3.2 尾部问题142

8.3.3 频谱限制143

8.3.4 移动性143

8.3.5 时延143

8.3.6 调制解调器复杂度144

8.3.7 与LTE的兼容性145

8.4 总结145

缩略语列表146

第二部分 5G空间信号处理新技术152

第9章 5G大规模MIMO：原理、实现和原型设计152

9.1 引言152

9.2 大规模天线技术原理154

9.2.1 下行链路154

9.2.2 线性的预编码方案154

9.2.3 上行链路155

9.2.4 线性检测方法156

9.2.5 信道估计156

9.3 大规模天线信道157

9.3.1 已有的传统MIMO模型158

9.3.2 必要的模型扩展159

9.3.3 基于COST 2100信道模型的大规模天线信道模型扩展160

9.4 大规模MIMO技术的实现161

9.4.1 天线和模拟前端161

9.4.2 基带处理164

9.4.3 原型167

9.4.4 部署场景168

9.5 测试床设计169

9.5.1 分层概述170

9.5.2 数据流输入输出速率173

9.5.3 结构和功能划分173

9.5.4 天线阵列175

9.5.5 LuMaMi测试床的机械结构和电器特性177

9.6 同步177

9.6.1 同步的类型178

9.7 未来的挑战和总结180

致谢180

第10章 毫米波MIMO发射接收机：原理，设计，实施部署183

10.1 引言183

10.1.1 毫米波MIMO技术：背景和展望184

10.1.2 组织结构185

10.2 毫米波MIMO发射接收机结构的概述185

10.3 点对点单用户系统187

10.3.1 采样MIMO系统表征187

10.3.2 波束域MIMO系统表现187

10.3.3 信道模型188

10.3.4 波束选择：低维波束域MIMO信道189

10.3.5 最优的发射接收机190

10.3.6 波束域MIMO发射接收机191

10.3.7 数值结果192

10.4 点对多点多用户系统192

10.4.1 信道模型192

10.4.2 波束域系统模型193

10.4.3 波束选择：低维信道193

10.4.4 多用户波束域MIMO预编码器194

10.4.5 结果分析194

10.5 扩展197

10.6 总结198

第11章 3D传播信道：建模和测量202

11.1 引言202

11.1.1 全维度MIMO202

11.1.2 基本信道描述203

11.2 测量技术204

11.2.1 基本信道测量技术204

11.2.2 MIMO探测器204

11.2.3 参数提取技术206

11.2.4 射线追踪206

11.3 传播效应207

11.3.1 城市宏基站207

11.3.2 室外到室内207

11.4 测量结果209

11.4.1 MS侧的角度扩展209

11.4.2 基站侧的角度扩展210

11.5 信道模型211

11.5.1 基本建模方法211

11.5.2 常规的和非常规的GSCM212

11.5.3 3GPP信道模型212

11.6 总结和开放问题213

致谢213

免责声明213

第12章 大规模阵列3D-MIMO：理论、实现和测试217

12.1 简介217

12.2 大规模天线3D-MIMO的应用场景218

12.2.1 宏蜂窝和微蜂窝场景219

12.2.2 高层建筑场景219

12.2.3 室内场景219

12.3 基于当前标准化的技术获取3D-MIMO增益220

12.3.1 系统模型220

12.3.2 3D-MIMO TDD系统的上行反馈221

12.3.3 用于下行预编码的上行信道估计222

12.3.4 3D-MIMO TDD系统的下行预编码222

12.3.5 BS利用CQI和信道互易性在BS侧进行MCS计算223

12.4 系统级仿真评估224

12.4.1 仿真假设224

12.4.2 大规模天线3D MIMO的性能226

12.4.3 不同天线结构的性能比较227

12.5 大规模天线3D-MIMO外场测试228

12.5.1 暗室中的性能测试228

12.5.2 典型城市微小区场景和高层建筑场景下的外场试验229

12.6 大规模天线3D-MIMO：从理论到实现232

12.6.1 有源天线（AAS）：大规模天线3D-MIMO商用化的关键232

12.6.2 AAS中收发机到天线阵子的映射232

12.7 总结233

第13章 基于轨道角动量的无线通信：设计与实现235

13.1 携带OAM的电磁波235

13.2 OAM在RF通信中的应用236

13.3 OAM波束的生成、复用和检测237

13.3.1 OAM波束的生成和检测237

13.3.2 OAM波束的复用和解复用239

13.4 采用OAM复用的无线通信240

13.4.1 采用高斯和OAM波束进行无线通信240

13.4.2 采用OAM和极化复用进行32Gbits的毫米波通信240

13.4.3 传统空分复用和OAM复用通过MIMO处理相结合实现16Gbit/s的毫米波通信241

13.4.4 OAM信道的多径效应245

13.4.5 基于贝塞尔波束的OAM通信247

13.5 总结和展望249

第三部分 5G频谱新机遇254

第14章 面向5G的毫米波：从理论到实践254

14.1 引言254

14.2 构建毫米波概念验证系统254

14.3 毫米波原型系统的理想特性255

14.3.1 射频前端要求256

14.3.2 射频前端的实时控制256

14.3.3 转换器的要求257

14.3.4 分布式多处理器控制和基带信号处理要求257

14.4 毫米波蜂窝网络概念验证系统259

14.4.1 空口描述259

14.4.2 PoC系统架构263

14.4.3 示例：高速并行信号处理FFT269

14.4.4 示例：高吞吐量编码体系结构271

14.4.5 毫米波PoC系统的MIMO扩展273

14.4.6 实验结果276

14.5 总结279

第15章 5G毫米波通信信道和技术概述280

15.1 引言280

15.2 毫米波信道特性280

15.3 5G毫米波信道模型的需求282

15.4 用于5G的毫米波信道模型283

15.4.1 增强型空间信道模型（SCM）283

15.4.2 基于射线传播的统计模型286

15.5 毫米波频段5G无线接入技术的信号处理290

15.5.1 波束采集和信道估计290

15.5.2 协作通信和干扰处理292

15.6 总结293

第16章 全双工传输的一般原理和基本算法295

16.1 引言295

16.2 自干扰：基本分析和模型297

16.3 SIC技术和算法298

16.3.1 SIC的要求298

16.3.2 SIC的技术类别300

16.3.3 传播域中的被动抑制技术300

16.3.4 模拟域中的有源SIC302

16.3.5 数字域中的有源SIC303

16.3.6 辅助链SIC304

16.4 硬件损耗和实施挑战305

16.4.1 非线性SIC306

16.4.2 IQ失衡307

16.4.3 相位噪声310

16.5 全双工MIMO系统概览311

16.5.1 天线技术311

16.5.2 在模拟域中消除312

16.5.3 在数字域中消除312

16.5.4 用辅助发射机消除313

16.6 总结和展望314

第17章 全双工收发器的设计与实现319

17.1 研究挑战321

17.1.1 无源隔离和有源消除321

17.1.2 射频缺陷问题322

17.2 天线设计324

17.3 射频自干扰消除方法326

17.4 数字自干扰消除算法327

17.4.1 信号模型327

17.4.2 基本原理328

17.4.3 空间抑制328

17.4.4 线性消除329

17.4.5 非线性消除331

17.4.6 自适应的处理和基于块的处理335

17.5 示例336

17.6 总结337

致谢338

第四部分 5G的新型系统级使能技术342

第18章 C-RAN：上行链路信道估计与下行链路预编码342

18.1 引言342

18.2 技术背景342

18.2.1 C-RAN中信号处理面临的挑战343

18.2.2 章节概述344

18.3 上行链路：在何处执行信道估计？344

18.3.1 系统模型344

18.3.2 传统方法346

18.3.3 远端无线射频单元的信道估计347

18.3.4 数值结果349

18.4 下行链路：在何处执行信道编码和预编码？350

18.4.1 系统模型351

18.4.2 传统方法352

18.4.3 远端无线射频单元的信道预编码356

18.4.4 数值结果359

18.5 总结361

第19章 5G D2D通信基于能量效率的资源分配364

19.1 引言364

19.2 信号模型365

19.2.1 I2D通信366

19.2.2 D2D通信367

19.3 资源分配368

19.4 分式规划369

19.4.1 广义凹问题369

19.5 算法372

19.5.1 Dinkelbach算法372

19.5.2 Charnes-Cooper变换法374

19.6 序列分式规划375

19.7 系统优化376

19.8 数值结果380

19.9 总结383

第20章 超密集网络：总体介绍与设计概述386

20.1 引言386

20.1.1 应用场景387

20.1.2 挑战387

20.1.3 关键技术388

20.2 干扰管理388

20.2.1 网络协作388

20.2.2 先进的接收器392

20.3 移动管理394

20.3.1 双重连接394

20.3.2 虚拟蜂窝395

20.3.3 虚拟层395

20.3.4 移动锚点396

20.3.5 切换命令分集397

20.4 架构与回传397

20.5 5G UDN中的其他问题401

20.6 总结402

第21章 无线资源管理和5G网络优化405

21.1 引言405

21.2 研究背景406

21.2.1 无线资源管理所面临的挑战406

21.2.2 集中式无线资源管理所运用的优化工具407

21.3 单天线协同超密网络的最优策略408

21.3.1 系统模型408

21.3.2 用户联合与调度409

21.3.3 用户联合、调度和功率分配412

21.3.4 数值仿真结果414

21.4 多天线协作与合作超密集组网中的优化策略417

21.4.1 系统模型417

21.4.2 基于用户联合的预编码器设计418

21.4.3 回传受约束的预编码设计与用户联合的联合420

21.4.4 数值仿真结果421

21.5 总结和未来的研究方向423

致谢423

第五部分 参考设计和5G标准的发展428

第22章 5G中的全双工无线电：基础、设计和原型实验428

22.1 引言428

22.2 自干扰429

22.3 模拟自干扰消除430

22.3.1 模拟被动自干扰消除：隔离430

22.3.2 模拟的主动自干扰消除432

22.4 数字自干扰消除434

22.4.1 线性分量434

22.4.2 非线性分量435

22.4.3 辅助的接收链路436

22.5 全双工无线电的原型设计436

22.5.1 硬件结构437

22.5.2 使用SDR的全双工无线电实现439

22.6 总体性能评估443

22.7 总结444

第23章 5G标准的发展：技术和路线图446

23.1 引言446

23.2 4G到5G的标准路线446

23.3 5G蜂窝通信标准的准备452

23.4 总结455

中英文对照与索引457