描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111596639
《5G指南：信号处理算法及实现》是经典畅销书《Signal Processing for 5G》的翻译版，内容涵盖5G标准、算法、实现、测试及其他所有技术内容，这是一本国际公认的***宝典，本书长期位居美国亚马逊信号处理类图书榜首。《5G指南：信号处理算法及实现》由IEEE院士、国际领先公司首席科学家、3GPP RAN1工作组副主席、5G标准负责人撰写，IEEE和WILEY联合出品。
《5G指南：信号处理算法及实现》为《Signal Processing for 5G》的翻译版，该英文书籍由无线通信信号处理领域专家撰写，由IEEE和WILEY联合出版。该英文书籍内容涵盖包括调制、编码、波形、多天线、新频谱等5G网络的基础性技术以及新型网络设计，其技术专业性较强，对于全球5G技术研究都有一定指导作用。
自第二代蜂窝通信系统开始，信号处理技术就在无线通信中扮演着重要的角色，在5G无线网络中使用新型信号处理技术不仅能显著地提高峰值速率，还能提高网络性能、覆盖率、可靠性、低延迟、有效性、灵活性、兼容性以及收敛性，从而满足由于大数据、云服务、机器对机器（M2M）和关键任务通信等应用日益增加的需求。本书对于应用在5G无线网络中的所有信号处理技术进行了全面和详细的分析。它由独特的四大部分组成——新的调制和编码、新的空间处理、新的频谱机会以及新的系统使能技术，涵盖了从网络架构、物理层（下行和上行）、协议和空中接口、小区采集、调度和速率适应、接入处理和中继以及频谱分配。本书涵盖了全球5G标准的开发和部署所需的全部技术和主要路线图。
这是一本全面且宝贵的5G技术指南，完成了一体化的实现和实践。对于所有想学习5G技术的人而言，这是一本国际上公认的***宝典。
目录
部分 5G的调制、编码和波形图
第1章 5G网络的调制和波形简介 / 2
1.1 动因和背景 / 2
1.2 新型调制技术：FBMC、GFDM、BFDM、UFMC和TFP / 5
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
2.2 时域FTN：接收器和性能 / 24
2.3 频域FTN信号 / 31
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
3.3 多相实现 / 40
3.4 OFDM / 42
3.5 FBMC / 46
3.6 FBMC和滤波OFDM的比较 / 48
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
4.2 大规模MIMO中FBMC的自均衡特性 / 57
4.3 与OFDM的比较 / 62
4.4 盲平衡和导频去污 / 62
4.5 总结 / 67
第5章 带宽压缩多载波通信：SEFDM / 69
5.1 引言 / 69
5.2 SEFDM基础 / 71
5.3 块SEFDM / 74
5.4 Turbo-SEFDM / 78
5.5 实际条件和实验论证 / 82
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
6.3 下行非正交多用户传输 / 93
6.4 上行链路非正交多用户接入 / 101
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
7.3 效益和动机 / 117
7.4 接口设计 / 118
7.5 MIMO支持 / 120
7.6 性能评估 / 124
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
8.3 定性对比 / 141
8.4 总结 / 145
第二部分 5G空间信号处理新技术
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
9.3 大规模天线信道 / 157
9.4 大规模MIMO技术的实现 / 161
9.5 测试床设计 / 169
9.6 同步 / 177
9.7 未来的挑战和总结 / 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
10.2 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
10.4 点对多点多用户系统 / 192
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
11.2 测量技术 / 204
11.3 传播效应 / 207
11.4 测量结果 / 209
11.5 信道模型 / 211
11.6 总结和开放问题 / 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
12.3 基于当前标准化的技术获取3D-MIMO增益 / 220
12.4 系统级仿真评估 / 224
12.5 大规模天线3D-MIMO外场测试 / 228
12.6 大规模天线3D-MIMO：从理论到实现 / 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
13.4 采用OAM复用的无线通信 / 240
13.5 总结和展望 / 249
第三部分 5G频谱新机遇
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
14.4 毫米波蜂窝网络概念验证系统 / 259
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
15.5 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
16.4 硬件损耗和实施挑战 / 305
16.5 全双工MIMO系统概览 / 311
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
17.2 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
17.5 示例 / 336
17.6 总结 / 337
第四部分 5G的新型系统级使能技术
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
18.3 上行链路：在何处执行信道估计？ / 344
18.4 下行链路：在何处执行信道编码和预编码？ / 350
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
19.3 资源分配 / 368
19.4 分式规划 / 369
19.5 算法 / 372
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
20.2 干扰管理 / 388
20.3 移动管理 / 394
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
21.3 单天线协同超密网络的策略 / 408
21.4 多天线协作与合作超密集组网中的优化策略 / 417
21.5 总结和未来的研究方向 / 423
第五部分 参考设计和5G标准的发展
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
22.4 数字自干扰消除 / 434
22.5 全双工无线电的原型设计 / 436
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 从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
前言5G无线通信技术正在以爆炸式的速度发展，是目前学术界和工业界的研究领域之一。在无线技术快速发展的过程中，信号处理技术发挥着重要的作用。在2G、3G和4G无线通信系统中，峰值速率是性能的主要指标，随着信号处理技术的发展，每一代通信系统的底层均采用了的信号处理技术，代表了无线通信技术的不断更新换代。例如，2G采用时分多址（TDMA）；3G中采用码分多址（CDMA）；4G中采用正交频分多址（OFDMA）。然而，5G系统的性能提升将不单依靠更优越的底层信号处理技术，而是使用一些新的信号处理技术来提升5G系统的峰值速率，同时大幅提升容量、覆盖、效率（功率、频谱和其他资源）、灵活性、兼容性、可靠性和聚合性。这样，5G系统将能够应对来自大数据、云服务和机器对机器通信等新兴应用的爆炸式需求。
针对5G系统，业界已经提出了许多新的信号处理技术，并且正在考虑相关国际标准的研究和制定。这些用于5G的新的信号处理技术可以分为如下四类：
1）新的调制和编码方案。
2）新的空间处理技术。
3）新的频谱机会。
4）新的系统级技术。
这些5G新技术的成功开发和应用极具挑战，需要来自工业界、学术界、标准化组织和监管机构的巨大努力。
从算法和实现的角度来看，本书旨在为面向5G的信号处理技术提供全面和高度的概括，包括系统架构、物理层（下行链路和上行链路）、协议、空中接口、小区搜索、调度和速率适配、接入过程、中继和频谱分配。本书由五部分组成，共计23章。
部分：5G的调制、编码和波形图部分由8章组成，将介绍和比较用于5G的所有主要候选调制编码方案的详细算法和实现，包括广义频分复用（Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM）、滤波器组多载波（F?Ilter-Bank
Multi-Carrier，FBMC）传输、通用滤波多载波（Universal F?iltered Multi-Carrier，UFMC）传输、双正交频分复用（Bi-orthogonal
Frequency Division Multiplexing，BFDM）、频谱高效频分复用（Spectrally Eff?Icient Frequency Division Multiplexing，SEFDM）、基于超奈奎斯特信令（Faster-than-Nyquist
Signaling，FTN）的时频打包（Time-Frequency Packing，TFP）、稀疏码多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、多用户共享接入（Multi-User
Shared Access，MUSA）和非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。
第1章着重介绍了FBMC、GFDM、UFMC、BFDM和TFP，覆盖了基本原理、数学模型、初步算法、实现复杂度、原理图处理流程和相应的应用场景。
第2章是专门致力于FTN数据传输方法，并重点介绍对未来5G系统至关重要的应用。本章探讨的主要内容包括非二进制调制的time-FTN方法和在结构上类似于OFDM的多载波方法。使用上述方法时，可以在时间上加速处理或者频率上进行压缩，使得信号流不再正交。FTN可以与错误校正编码结构进行组合以获得高的频谱效率。事实上，基于FTN的系统可以潜在地使得数据传输速率翻倍。
从OFDM到FBMC的技术演进在第3章中讨论，涵盖这两个方案的原理、算法、设计和实现。本章首先介绍了基于OFDM方案的细节，以及这些方案应用于5G系统的主要缺点。通过引入合成和分析滤波器组、原型滤波器设计和相应的多相实现，第3章深入研究了FBMC的工作原理，并与OFDM进行性能比较，包含功率谱密度和带外功率辐射、复杂度、快速傅里叶变换和滤波器组的数量。从本章中还可以看出，OFDM是FBMC的一种特殊情况。
与大规模多输入多输出（MIMO）技术简单有效地集成是5G中调制和波形生成方案的关键要求。第4章论证了在大规模MIMO的应用中，FBMC可以作为一个可行的候选波形。本章将概述用于大规模MIMO信道的FBMC的系统模型、算法公式、自均衡属性和导频污染。通过论证可知，FBMC在提供与OFDM相同的处理增益的同时还提供了以下优点：更灵活的载波聚合（CA）、由于不存在循环前缀（CP）而具有更高的频谱效率、盲信道均衡和更大的子载波间隔，并且因此对载波频率偏移和更低的峰值对平均功率比（PAPR）的敏感性较低。
第5章提出了非正交多载波系统，即频谱高效频分复用（SEFDM），其以小于符号速率的频率间隔打包子载波，同时保持每个单独子载波相同的传输速率。因此，与OFDM系统相比，SEFDM频谱效率得到提高。通过传输相同数量的数据，SEFDM系统可以在理论上节省高达45%的带宽。本章还描述了一个实际的实验，其中在考虑现实衰落信道的CA场景中评估SEFDM。另一方面，SEFDM涉及更高的计算复杂度和更长的处理时延，主要是由于对复杂信号检测的要求，这表明高级硬件实现非常重要，以使SEFDM更适合于5G。
如第6章所指出的，非正交多用户叠加和共享接入是一种有前景的技术，可以在提高系统吞吐量的同时提供大规模连接。非正交接入允许多个用户通过简单的线性叠加或码域复用在同一空间层中共享时间和频率资源。本章概述了所有主要的非正交接入方案，将它们分为两组：
非扩频方法，调制符号被一对一映射到时间/频率资源元素。
扩频方法，首先进行符号扩展，然后被映射到时间/频率资源。
它们的设计原理、关键特性、优点和缺点在本章中进行了广泛讨论。
第7章致力于新的多址方案，称为NOMA，引入功率域用户复用并利用用户之间的信道差异来提高频谱效率。本章还介绍了NOMA的接口设计，例如多用户调度和多用户功率控制，以及它与MIMO的组合。此外，本章还介绍了NOMA上行和下行链路的性能评估和正在进行的平台测试。仿真结果和从实验平台获得的测量结果表明，在多种配置下，NOMA达到的小区吞吐量比OFDMA高30%。
第8章介绍了所有5G主要多载波调制（MCM）候选的概述，将它们分为三组：
使用线性卷积的子载波滤波MCM。
使用循环卷积的子载波滤波MCM。
子带窗口MCM。
本章对这些候选算法进行了整体性能的比较，包括PAPR、OOB发射、处理和实现复杂度、频谱效率、CP要求、载波间干扰、符号间干扰、多径失真、正交性以及频率偏移和相位噪声的相关影响，在时域和频域中的同步要求、时延、移动性、兼容性以及与诸如大规模MIMO的其他技术的集成。
第二部分：5G空间信号处理新技术第二部分的5个章节聚焦5G空间信号处理的新技术，包括大规模天线、全维度MIMO（FD-MIMO）、三维MIMO（3D-MIMO）、自适应3D波束赋形和分集、连续孔径相位MIMO（CAP-MIMO）和基于轨道角动量（OAM）的复用。第9章讲述了大规模天线技术的高级计算和处理平台的原理、理论、算法、设计、测试、实现和原型机，这将在5G标准中使用。本章首先回顾了下行链路预编码、上行链路检测和信道估计等核心处理单元，之后重点介绍了大规模天线的各种硬件实现问题，涵盖射频（RF）前端校准、基带处理、同步分析、测试床和系统原型，以及相应的部署场景。
第10章介绍了使用毫米波（mmWave）波段的大规模天线传输和接收的设计与实现。更具体地，本章提出了一个新的MIMO收发器架构的设计、分析、测试和实现框架：CAP-MIMO。CAP-MIMO使用波束域MIMO通信的概念（通过多个正交空间波束复用数据以便地利用空间维度），组合了传统天线的方向性增益、相控阵列的波束控制能力、空间MIMO系统的复用增益（以实现毫米波技术的多GB/s容量潜力），以及前所未有的动态多波束控制和数据复用的操作功能。
第11章主要讨论了3D传播信道的建模和测量，这在设计和实现FD-MIMO和3D波束赋形系统中起着非常重要的作用。本章首先介绍了基本信道描述，然后介绍了3D传播信道下的先进测量和建模技术。本章还概述了与3D信道传播效应密切相关的测量结果和理论分析。本章还可以作为在其他应用场景传播信道建模和测量的一个良好开端，例如室外到室内场景和高密度用户场景等。
从理论到实践，基于大规模天线的3D-MIMO技术的所有技术方面，尤其是性能评估方面，都在第12章中进行了讨论。更具体地，本章通过基于实际假设和信道模型下的系统级仿真，及基于商用终端和网络下的外场测试，对大规模天线下3D-MIMO的性能进行了评估。此外，本章还给出了系统级仿真结果和场外测试结果全面的比较和分析。研究表明，基于有源天线系统（AAS）的方式，即将有源收发器和无源天线阵列集成到一个单元中，可以实现成本和性能之间良好的折中。由此可见，在未来的5G系统中，AAS将成为大规模天线3D-MIMO商用化的关键。
第13章全面介绍了电磁（EM）波OAM的基本概念及其在无线通信中的应用。它涵盖了OAM波束的复用和解复用的生成、检测，以及对OAM信道中传播效应的分析。如本章所述，通过发送多个数据流的方式，基于OAM复用可以用来提高无线通信链路的系统容量和频谱效率。此外，OAM复用还可以与极化复用和传统的空间复用相结合，以进一步提高系统性能。
第三部分：5G频谱新机遇第三部分由4个章节组成，专门针对利用新的频谱机会进行5G信号处理算法和实现，如毫米波频带和全双工（FD）传输。
第14章概述了为5G设计的毫米波概念验证（PoC）系统，包括RF前端、实时控制、模-数转换和数-模转换器、分布式多处理器控制和基带处理实现。本章讨论了原型平台的一些重要要求，以及支持高吞吐量、高带宽应用（如5G的毫米波无线接入技术）所需的软件和硬件系统架构。为了展示如何处理设计和实施挑战，本章还提供了一个基于商用平台的毫米波 PoC系统设计的案例研究。
第15章重点介绍了毫米波信道建模，并讨论了5G中毫米波通信的其他信号处理问题。本章介绍了满足5G毫米波信道模型要求的两种方法，即：
增强型3GPP空间信道模型。
基于射线传播的统计模型。
通过对毫米波信道特性的理解和分析，本章提供了5G毫米波段无线接入技术和与5G毫米波通信相关的关键信号处理技术（包括波束采集、信道估计和干扰处理）的系统设计考虑。
FD传输的一般原理和基本算法在第16章中给出，解释了FD系统要求、自干扰消除（SIC）技术、实现挑战、减轻干扰和与MIMO的硬件集成。FD操作不仅提供了双频谱效率的潜力，而且提高了动态频谱分配的可靠性和灵活性。同时，SIC是使FD成为现实的关键。由于强调SIC的信号处理，本章概述了4种SIC技术：
传播域中的被动自干扰（SI）抑制。
模拟域中的主动SIC。
数字域中的主动SIC。
辅助链SIC。
第17章提供了多天线带内FD通信（包括双向和中继传输）的SI减轻和消除技术的概述。通过具体示例描述FD收发器的设计和实现，特别是被动隔离、RF消除、非线性和自适应数字消除。在第17章的后一部分，给出了带内全双工收发器的说明。该说明将RF天线设计与中继的数字消除相结合，表明即使使用常规的低成本组件，也可以实现接近100dB（降至噪声水平）的总体SI抑制。
第四部分：5G的新型系统级使能技术第四部分包括4个章节，涉及5G系统级别的使能技术，包括云无线接入网络（C-RAN）、终端到终端（D2D）通信和超密集组网（UDN）。
在第18章中，首先回顾了C-RAN在信号处理方面的挑战，然后将重点转移到两个关键的基带信号处理步骤，即上行链路中的信道估计和下行链路中的信道编码/线性预编码。结合理论分析和数值仿真，本章讨论了在不同物理层功能分割方案中，前传链路压缩与基带信号处理的联合优化问题。
能量效率是5G网络的驱动因素之一，为此第19章论述了无线网络中的功率分配问题。构建了关于所有用户设备发射功率化的网络全局能量效率，并且概述了问题的解决方案——序列分式规划算法。正如本章开头所指出的，D2D通信被认为是5G无线网络的关键组成部分之一。因此，本章描述了5G蜂窝系统中D2D通信的序列分式规划算法，包括算法细节、理论分析和数值仿真。
第20章致力于超密集组网（UDN），这是满足5G所需的超高业务量、密度和容量的主要方法之一。本章讨论了UDN的部署和操作所面临的主要技术挑战，包括网络运维、干扰管理、移动性管理和回传资源等。所提出的关键技术包括网络协作、干扰抑制接收机、双连接、虚拟小区、虚拟层、移动锚点、切换命令分集，以及时频联合同步。
第21章对UDN的无线资源管理（RRM）进行了分析，重点在于集中优化问题的建模和解决。本章首先提出一系列数学模型和算法，然后将这些算法应用于潜在的UDN系统部署中，本章探讨速率性能关于基础设施密度函数的趋势，以及单个RRM维度优化对整体性能的影响。研究表明，RRM是获得UDN增益的主要使能技术。
第五部分：参考设计和5G标准的发展在第22章中描述了5G全双工通信系统的原型设计。本章首先回顾了主要的自干扰消除方案，然后呈现原型设计的细节架构、处理流程、编程工具和测试设置。本章介绍的原型系统主要由4个部分组成：
双极化天线。
控制器。
现场可编程门阵列模块。
相应的RF前端。
本章讨论了将全双工概念融合到实际系统中需要解决的关键技术问题：模拟和数字SIC、同步、参考符号分配、信道估计，自干扰消除测量和吞吐量测试。
第23章是本书的后一章。首先回顾从4G到5G的标准路线图，然后讨论主要的使能技术和5G标准开发的详细路线图。如本章所概括的，5G标准中采用的技术不仅应该能够有效支持增强的移动宽带，而且还应使能新的服务，例如大规模机器类型通信、超可靠通信和超低时延通信。从标准制定和监管机构的角度来看，6GHz以上（高达100GHz）的新频段预计将在5G网络中发挥非常重要的作用。
这本书写给谁？本书可以提供给专业工程师、研究人员、制造商、网络运营商、软件开发商、内容提供商、服务提供商、广播公司和监管机构作为5G及后续系统演进的参考，还可作为电路、信号处理、无线通信、微波技术、信息理论、天线和传播等专业的研究生教科书。
Fa-Long Luo, Ph.D., IEEE FellowCharlie (Jianzhong) Zhang, Ph.D., IEEE
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