5G系统关键技术详解

本书深入介绍当前全面的5G技术概述，5G无线网络的协议、网络架构和技术。
通过本书掌握云无线接入网络、移动边缘计算、全双工、大规模MIMO、毫米波、NOMA、物联网、M2M通信、D2D通信、移动数据分流、干扰抑制技术、无线资源管理、可见光通信和智能数据定价等关键主题。
通过本书向学术界和产业界的研究人员学习该领域的理论发展。
通过本书了解每种潜在技术如何提高无线系统的容量，频谱效率和能量效率。 

本书深入介绍了5G 无线网络的协议、网络架构和技术，包括无线接入网络、移动边
缘计算、全双工、大规模MIMO、毫米波、NOMA、物联网、M2M 通信、D2D 通信、
移动数据分流、干扰抑制技术、无线资源管理、可见光通信和智能数据定价等关键主题。
本书适合从事无线通信和网络研究的技术人员、学习工程师和研究生参考阅读。

Vincent W. S. 是加拿大不列颠哥伦比亚大学电子与计算机工程系的教授，美国电子电气工程师协会的研究员。
Robert Schober是一名亚历山大·冯·洪堡教席，德国埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学的数字通信主席。他是加拿大工程院和加拿大工程研究院的院士和美国电子电气工程师协会的研究员。
Derrick Wing Kwan Ng是澳大利亚新南威尔士大学电气工程与电信学院的讲师，也是IEEE Communications Letters的副主编。
Li-Chun Wang是台湾交通大学电子与计算机工程系的教授，也是美国电子电气工程师协会的一名研究员。

目 录

第 1章 5G系统新技术的概况1
1.1 引言2
1.2 云无线接入网络4
1.3 云计算和雾计算5
1.4 非正交多址接入5
1.5 灵活的物理层设计7
1.6 大规模MIMO8
1.7 全双工通信10
1.8 毫米波12
1.9 移动数据分流、非授权频段LTE和智能数据定价13
1.10 IoT、M2M和D2D15
1.11 无线资源管理、干扰缓解和缓存16
1.12 能量收集通信17
1.13 可视化光通信19
第 1部分 5G系统通信网络结构
第 2章 5G系统的云无线接入网络23
2.1 重新思考5G的基础知识24
2.2 用户为中心的网络26
2.3 C-RAN基础知识26
2.4 下一代前传接口用于5G C-RAN的FH解决方案28
2.5 虚拟化C-RAN的概念证明验证32
2.5.1 数据分组34
2.5.2 测试过程34
2.5.3 测试结果35
2.6 重新思考C-RAN的协议栈36
2.6.1 动机37
2.6.2 多级集中式和分布式协议栈37
2.7 总结41
第3章 云无线接入网络的前向回传感知设计43
3.1 引言44
3.2 前传感知的协作传输和接收46
3.2.1 上行链路47
3.2.2 下行链路52
3.3 前传感知的数据链路层和物理层57
3.3.1 上行链路59
3.3.2 下行链路64
3.4 总结68
第4章 移动边缘计算69
4.1 引言70
4.2 移动边缘计算71
4.3 参考体系结构73
4.4 优势与应用场景74
4.4.1 面向用户的用例74
4.4.2 面向运营商的用例75
4.5 研究挑战76
4.5.1 计算分流76
4.5.2 对计算资源的通信访问77
4.5.3 多资源调度78
4.5.4 移动性管理78
4.5.5 资源分配和定价79
4.5.6 网络功能虚拟化79
4.5.7 安全与隐私80
4.5.8 与新兴技术的集成81
4.6 总结82
第5章 无线密集异构网络的分布式无线资源管理83
5.1 引言84
5.2 系统模型85
5.2.1 SINR表达式87
5.2.2 负载和成本函数表达式87
5.3 联合BSCSA UECSA开关切换策略88
5.3.1 策略选择和信标传输88
5.3.2 用户关联89
5.3.3 信道分离算法90
5.3.4 更新混合策略92
5.4 计算机仿真93
5.5 总结96
第 2部分 物理层通信技术
第6章 适用于5G系统下的非正交多址（NOMA）99
6.1 引言101
6.2 单输入单输出（SISO）系统中的NOMA103
6.2.1 NOMA的基础知识104
6.2.2 用户配对对NOMA的影响105
6.2.3 认知无线电对NOMA的启发108
6.3 在MIMO系统中运用的NOMA112
6.3.1 MIMO-NOMA方案中的系统模型113
6.3.2 有限CSIT预编码矩阵的设计115
6.3.3 理想CSIT预编码矩阵的设计117
6.4 总结和未来的方向121
第7章 灵活的物理层设计123
7.1 引言124
7.2 广义频分复用126
7.3 软件定义波形129
7.3.1 时域处理129
7.3.2 实施架构130
7.4 GFDM接收机设计132
7.4.1 同步单元133
7.4.2 信道估计单元135
7.4.3 多输入多输出广义频分复用检测单元136
7.5 总结和展望138
第8章 分布式大规模MIMO在蜂窝网络中的应用139
8.1 引言140
8.2 大规模MIMO基本原理141
8.2.1 上行链路 下行链路信道模型142
8.2.2 有利传播143
8.3 线性接收机在大规模MIMO上行链路中的性能144
8.4 线性预编码器在大规模MIMO下行链路中的性能147
8.5 大规模MIMO系统中的信道估计147
8.5.1 上行链路传输148
8.5.2 下行链路传输149
8.6 大规模MIMO技术的应用150
8.6.1 全双工中继与大规模天线阵列150
8.6.2 联合无线信息传输和能量传输的分布式大规模MIMO153
8.7 未来开放式的研究方向156
8.8 总结157
第9章 5G网络全双工协议设计159
9.1 引言160
9.2 全双工系统的基础知识161
9.2.1 带内全双工工作模式161
9.2.2 自干扰和同信道干扰162
9.2.3 通信链路中的全双工收发机163
9.2.4 其他全双工收发机的应用166
9.3 全双工协议设计167
9.3.1 全双工运行中的挑战和机遇167
9.3.2 5G网络中的全双工通信场景168
9.4 全双工协议分析170
9.4.1 宽带衰落信道中的操作模式170
9.4.2 宽带传输中的全双工与半双工170
9.5 总结172
9.5.1 未来的科学研究方向172
9.5.2 商用5G网络中的全双工172
第 10章 5G网络的毫米波通信175
10.1 动机与机遇176
10.2 毫米波的无线传输177
10.2.1 无线衰减177
10.2.2 自由空间路径损耗179
10.2.3 严重的阴影衰落180
10.2.4 毫米波信道模型181
10.2.5 链路预算分析182
10.3 波束赋形结构184
10.3.1 模拟波束赋形方案184
10.3.2 混合波束赋形解决方案188
10.3.3 低分辨率接收机结构189
10.4 信道采集技术189
10.4.1 波束对齐的子空间采样190
10.4.2 压缩信道估计技术194
10.5 部署挑战和应用195
10.5.1 毫米波频率下的EM接触195
10.5.2 异构小区网络195
第 11章 无线网络的干扰抑制技术197
11.1 引言198
11.2 5G场景下的干扰管理挑战199
11.2.1 5G的主要目标及其对干扰的影响199
11.2.2 提高网络效率和干扰抑制的技术200
11.3 改善边缘用户体验：多点协作201
11.3.1 部署场景和网络架构202
11.3.2 上行链路的CoMP技术204
11.3.3 下行链路的CoMP技术205
11.4 干扰对齐：利用信号空间维度206
11.4.1 线性干扰对齐的概念207
11.4.2 X信道208
11.4.3 K用户干扰信道和蜂窝网络：渐近干扰对齐209
11.4.4 干扰协作网络210
11.4.5 从IA到无线网络容量限制210
11.5 计算转发协议：上行链路接收方的合作211
11.5.1 CoF协议的编码和解码211
11.5.2 可实现速率区域和整数方程选择213
11.5.3 CoF协议的优点和挑战215
11.6 总结216
第 12章 5G系统下的有限回程PHY缓存217
12.1 引言218
12.2 什么是PHY缓存220
12.2.1 典型物理层拓扑220
12.2.2 PHY缓存的基本组件222
12.2.3 PHY缓存的好处223
12.2.4 PHY缓存中的设计挑战与解决方案225
12.3 用于缓存无线网络的DoF上界227
12.3.1 缓存无线网络的架构227
12.3.2 一般的缓存模型228
12.3.3 缓存—辅助PHY传输模型231
12.3.4 缓存无线网络的DoF总和的上界233
12.4 MDS编码的PHY缓存和可实现的DoF238
12.4.1 使用异步访问的MDS编码的PHY缓存238
12.4.2 PHY中缓存—辅助的MIMO协作240
12.4.3 使用异步访问的MDS编码PHY缓存的MIMO合作概率241
12.4.4 用于缓存无线网络的可实现DoF243
12.5 化DoF的缓存内容放置算法244
12.6 封闭式DoF的分析和讨论246
12.6.1 内容流行性模型和DoF增益的定义247
12.6.2 渐进DoF增益与文件数量的关系247
12.6.3 渐进DoF增益与用户数量的关系249
12.7 总结和未来的工作249
第 13章 基于智能电网与再生能源供能的成本感知型蜂窝网络251
13.1 引言252
13.2 蜂窝网络中的供能和需求254
13.3 能量协作256
13.3.1 聚合器辅助下的能源交易257
13.3.2 聚合器辅助下的能源共享257
13.4 通信协作258
13.4.1 自感知流量疏解259
13.4.2 成本感知频谱共享260
13.4.3 成本感知多点协同（CoMP）260
13.5 联合能源和通信协作261
13.5.1 联合能源和频谱共享261
13.5.2 联合能源协作和CoMP方案262
13.5.3 研究实例262
13.6 扩展和未来的方向265
13.7 总结266
第 14章 5G中的可见光通信研究267
14.1 引言268
14.2 光保真技术与可见光通信的差别269
14.3 LiFi LED技术271
14.4 LiFi Attocell网络272
14.4.1 光OFDM传输273
14.4.2 信道模型275
14.4.3 光源输出功率280
14.4.4 信号限幅281
14.4.5 接收机噪声282
14.4.6 多址接入和空间复用方案283
14.5 LiFi 毫微小区网络的关键参数设置283
14.5.1 共信道干扰小化284
14.5.2 化有用信号的强度285
14.5.3 参数配置286
14.6 LiFi毫微小区网络中的信干噪比（SINR）287
14.6.1 系统模型设定288
14.6.2 六边形小区部署288
14.6.3 PPP小区部署291
14.6.4 SINR的统计分析结果与讨论295
14.7 小区数据率和中断概率297
14.8 有限网络和多径效应下的网络性能301
14.9 实际小区部署场景303
14.9.1 方形网络303
14.9.2 硬核点过程网络304
14.9.3 性能对比304
14.10 LiFi毫微小区网络与微小区网络的对比305
14.11 总结307
第3部分 网络协议、算法和设计
第 15章 大规模MIMO调度协议311
15.1 引言312
15.2 网络模型和问题的描述314
15.2.1 时间尺度314
15.2.2 请求队列和网络实用性化315
15.3 动态调度策略318
15.3.1 DPP表达式319
15.3.2 UE侧的拥塞控制320
15.3.3 UE侧个体实用性的贪婪化321
15.3.4 基站侧的物理速率调度321
15.4 策略性能322
15.5 大规模MU-MIMO下的无线系统模型324
15.5.1 大规模MIMO基站的物理速率324
15.5.2 大规模MIMO基站的传输调度327
15.6 数值实验328
15.7 总结331
第 16章 异构无线网络的移动数据分流333
16.1 引言334
16.2 目前的标准化工作335
16.2.1 接入网发现和选择功能335
16.2.2 热点2.0336
16.2.3 下一代热点337
16.2.4 无线资源管理337
16.2.5 数据分流算法的设计考量338
16.3 DAWN：延迟感知Wi-Fi分流和网络选择338
16.3.1 系统模型338
16.3.2 问题公式化340
16.3.3 一般DAWN算法341
16.3.4 阈值策略344
16.3.5 性能估计345
16.4 考虑能量-延迟权衡的数据分流347
16.4.1 能量感知数据分流的背景347
16.4.2 系统模型348
16.4.3 问题公式化350
16.4.4 能量感知网络选择和资源分配（ENSRA）算法351
16.4.5 ENSRA的性能分析352
16.4.6 性能评估353
16.5 开放式问题353
16.6 总结354
第 17章 大规模物联网的蜂窝 5G接入355
17.1 引言356
17.2 网络接入中的IoT业务模式357
17.3 适用于IoT的蜂窝接入特征362
17.4 蜂窝接入协议概述363
17.4.1 一级接入364
17.4.2 二级接入365
17.4.3 周期报告365
17.4.4 案例研究：LTE连接建立366
17.5 5G系统一级接入的性能提高368
17.6 5G系统的可靠二级接入369
17.7 5G系统的可靠周期报告接入370
17.8 物联网的新兴技术371
17.8.1 LTE-M：适用于机器的LTE372
17.8.2 窄带物联网：低成本物联网的3GPP方法373
17.8.3 扩展覆盖的GSM：IoT的GSM的演进373
17.9 总结374
第 18章 M2M的介质访问控制、资源管理和拥塞控制375
18.1 引言376
18.2 M2M通信架构377
18.2.1 M2M通信的WLAN架构377
18.2.2 M2M通信的蜂窝无线接入网络378
18.2.3 M2M通信的异构云无线接入网络380
18.2.4 M2M通信的FogNet架构382
18.3 M2M通信的MAC设计382
18.3.1 H-CRAN中基于分组的M2M的MAC383
18.3.2 FogNet WLAN中基于访问类型限制的M2M的MAC384
18.3.3 基于随机退避的M2M的MAC386
18.3.4 低功耗 低复杂度机器的协调M2M的MAC386
18.4 拥塞控制和低复杂度 低吞吐量大规模M2M通信390
18.4.1 基于ACB的M2M的MAC中的拥塞控制390
18.4.2 大规模MTC和低复杂度 低吞吐量的IoT通信391
18.5 总结394
第 19章 在异构网络中基于能量收集的D2D通信395
19.1 引言396
19.2 能量收集的异构网络398
19.2.1 能量收集区域399
19.2.2 能量收集过程和UE中继分布400
19.2.3 传输模式选择和中断概率401
19.3 数值分析与讨论405
19.4 总结407
第 20章 非授权频段的LTE：概述和分布式共存设计409
20.1 动机410
20.1.1 更好的网络性能413
20.1.2 增强的用户体验413
20.1.3 统一的LTE网络架构413
20.1.4 与Wi-Fi平等共存413
20.2 非授权频段LTE中的共存问题414
20.3 非授权频段LTE的分布式资源分配应用416
20.3.1 匹配理论框架416
20.3.2 静态资源分配：学生-项目分配匹配418
20.3.3 动态资源分配：匹配稳定性的随机路径423
20.4 总结429
第 21章 毫米波网络调度431
21.1 引言432
21.2 背景433
21.2.1 毫米波网络的复用技术433
21.2.2 定向天线433
21.2.3 网络架构434
21.3 独有区域434
21.3.1 情况1：全向天线到全向天线436
21.3.2 情况2：定向天线到全向天线437
21.3.3 情况3：全向天线到定向天线437
21.3.4 情况4：定向天线到定向天线438
21.4 REX：随机独立区域调度器438
21.5 使用REX估算并发传输的平均数439
21.5.1 情况1：全向天线到全向天线441
21.5.2 情况2：定向天线到全向天线441
21.5.3 情况3：全向天线到定向天线441
21.5.4 情况4：定向天线到定向天线442
21.5.5 边缘效应442
21.6 性能评估442
21.6.1 空间复用增益443
21.6.2 公平性444
21.7 未来讨论445
21.7.1 快衰落445
21.7.2 阴影效应445
21.7.3 三维网络446
21.7.4 分布式媒体访问446
21.7.5 混合媒体访问447
21.7.6 调度447
21.8 总结448
第 22章 5G系统中的智能数据定价449
22.1 引言450
22.2 智能数据定价454
22.2.1 ISP如何为数据收费454
22.2.2 ISP应该为数据收费455
22.2.3 ISP应负责什么456
22.3 交易手机数据457
22.3.1 数据拍卖相关工作458
22.3.2 建模用户和ISP行为458
22.3.3 用户和ISP的优点459
22.4 赞助移动数据461
22.4.1 建模内容提供者的行为461
22.4.2 赞助数据的影响462
22.5 卸载移动数据464
22.5.1 用户采用和示例场景464
22.5.2 ISP行为465
22.6 未来方向466
22.6.1 容量扩展和新的补充网络466
22.6.2 两年合同与基于使用的定价467
22.6.3 激励雾计算467
22.7 总结468
参考文献469

系统关键技术详解

目录

14