超密集无线组网

随着未来移动通信应用场景的不断丰富，网络中的信息传输需求随时间和地点呈现出非均匀特性，传统以宏蜂窝为主、以区域覆盖为目的的移动通信网络架构将难以应对通信业务需求爆炸式增长的挑战，而超密集无线网络被认为是解决此挑战的创新性变革之一。本书将重点介绍基于超密集无线网络的理论与应用技术，结合国际学术界与标准化组织的*研究进展，对超密集无线网络的建模、部署场景、容量极限、资源分配、干扰管理等核心问题进行科学系统的介绍，同时还将针对5G关键技术的组网进行详细分析，包括D2D组网、有源天线组网、动态TDD组网、融合认知组网等，力求为读者呈现未来移动通信组网的全景。 本书适合5G移动通信工程和技术领域的专业人员阅读。

陶小峰，博士，北京邮电大学教授，博士生导师，IET会士，IEEE高级会员，斯坦福大学访问教授（2010年），移动互联网安全技术国家工程实验室主任，IEEE通信学会北京分会主席。长期专注于无线通信基础理论的研究及实践。先后主持国家自然科学基金重大项目课题、国家863重大项目、国家科技重大专项等10余项*科研项目；近五年发表SCI论文40余篇，获国际会议*论文奖2次，ACM Mobicom 荣誉提名奖1次；撰写中英文专著各1部，中文专著获第三届中国出版政府奖图书奖；获授权专利63项（含美国专利2项）；被3GPP接纳提案23篇；获国家技术发明奖二等奖（两次）、*技术发明奖一等奖、中国通信学会科学技术奖一等奖（两次）等奖项；先后入选*新世纪优秀人才、新世纪百千万人才工程*人选、科技北京百名领军人才、中青年科技创新领军人才等计划；获2013年度国家杰出青年科学基金。

目 录
Contents

基 础 篇
第1章 Chapter 1 无线网络概述
1.1 移动通信发展概述
1.2 第五代移动通信（5G）的需求
1.3 第五代移动通信（5G）的组网架构与技术
1.4 章节安排和内容梗概
1.5 参考文献
第2章 Chapter 2 无线网络组网分析
2.1 聚合网络干扰及容量分析
2.1.1 泊松点过程
2.1.2 网络干扰分析
2.1.3 随机网络容量分析
2.2 安全容量分析
2.2.1 安全容量简介
2.2.2 基于天线选择的安全容量
2.2.3 多用户系统的安全容量
2.2.4 随机网络的安全容量
2.3 参考文献
技 术 篇
第3章 Chapter 3 无框架网络架构
3.1 无框架网络架构部署场景及特点
3.1.1 无框架网络架构的提出
3.1.2 无框架网络架构的部署场景
3.1.3 无框架网络架构的组网特点
3.2 基于软件定义网络的无框架网络架构演进
3.2.1 基于软件定义网络的无框架网络架构
3.2.2 基于软件定义网络的业务分片策略
3.2.3 基于无框架网络架构的业务分片策略试验验证
3.3 本章小结
3.4 参考文献
第4章 Chapter 4 D2D组网
4.1 引言
4.2 D2D通信技术简介
4.3 D2D通信模型和组网场景
4.3.1 D2D通信用户位于同一小区
4.3.2 D2D通信用户位于相邻小区
4.3.3 基于D2D簇的通信模型及策略
4.4 D2D组网中的资源分配
4.4.1 基于标准化进程的D2D资源分配方式
4.4.2 D2D组网中的功率分配方式
4.5 D2D通信的探测、建立、维护和释放
4.6 本章小结
4.7 参考文献
第5章 Chapter 5 有源天线组网
5.1 有源天线原理
5.1.1 有源天线简介
5.1.2 有源天线架构
5.1.3 天线阵子辐射方向图
5.1.4 单列天线阵列因子
5.1.5 多列天线阵列因子
5.2 有源天线组网技术
5.2.1 上/下行独立优化技术
5.2.2 小区分裂技术
5.2.3 用户级波束赋形技术
5.3 有源天线的主要参数
5.3.1 电下倾角
5.3.2 邻道泄漏比
5.3.3 带内阻塞
5.4 有源天线组网性能
5.4.1 上/下行独立优化技术
5.4.2 小区分裂技术
5.5 FD-MIMO技术
5.5.1 FD-MIMO的产生及简介
5.5.2 FD-MIMO用户分布对吞吐量的影响
5.5.3 FD-MIMO对有源天线系统的影响
5.6 本章小结
5.7 参考文献
第6章 Chapter 6 动态TDD组网
6.1 动态TDD概述
6.1.1 动态TDD研究背景
6.1.2 动态TDD技术含义
6.1.3 动态TDD标准化进程
6.2 动态TDD组网问题分析
6.2.1 自动重传请求时序
6.2.2 子帧交错干扰
6.3 动态TDD传输机制
6.3.1 动态TDD信令配置
6.3.2 动态TDD下行HARQ反馈重传时序
6.3.3 动态TDD上行HARQ反馈重传时序
6.4 动态TDD干扰协调
6.4.1 动态TDD系统干扰协调方案
6.4.2 基于图论的小区动态分簇方案
6.5 本章小结
6.6 参考文献
第7章 Chapter 7 融合认知组网
7.1 概述
7.2 自适应频谱感知
7.2.1 系统模型
7.2.2 传统能量检测协同频谱感知算法
7.2.3 基于归一化能量检测的协同频谱感知算法
7.2.4 仿真分析
7.2.5 小结
7.3 认知资源的柔性重构
7.3.1 频谱重构
7.3.2 小区/覆盖重构
7.3.3 网元重构
7.3.4 路由重构
7.3.5 小结
7.4 协作接入
7.4.1 多信道协作接入
7.4.2 多网络协作接入
7.4.3 协作中继接入
7.4.4 小结
7.5 参考文献
第8章 Chapter 8 密集网络的资源管理与优化
8.1 超密集异构网络架构
8.2 多层次异构融合网络的资源管理架构
8.3 无线接入控制
8.3.1 基于接收信号强度的接入选择
8.3.2 基于用户导向的接入选择
8.3.3 基于负载均衡的接入选择
8.4 无线频谱资源分配
8.4.1 基于能效和频谱效率联合优化的无线资源分配
8.4.2 基于混合方式的簇内自主学习资源调配技术
8.4.3 基于干扰分级动态区簇划分的簇间资源联合调配技术
8.4.4 基于协作分布式化资源分配算法
8.4.5 基于密集无线网络公平性的频谱资源分配算法
8.5 干扰管理与功率控制
8.5.1 基于干扰对齐和空间复用的联合调度技术
8.5.2 基于博弈的功率控制技术
8.5.3 基于用户配对的异构网络功率控制博弈
8.5.4 基于基站休眠和部分频谱复用联合优化的干扰管理技术
8.6 无线资源管理与优化所涉及的数学理论
8.7 本章小结
8.8 参考文献
第9章 Chapter 9 异构网络移动性管理
9.1 异构小区组网功率控制
9.1.1 异构小区上行功率控制
9.1.2 异构小区下行功率控制
9.2 异构网络移动性管理
9.2.1 异构网络移动性管理机制、问题和趋势
9.2.2 异构融合网络小小区发现
9.2.3 异构融合网络跨层切换
9.3 本章小结
9.4 参考文献
第10章 Chapter 10 无线接入网络安全
10.1 引言
10.2 安全需求与挑战
10.3 无线接入安全关键技术
10.3.1 传统无线接入安全技术
10.3.2 物理层安全技术
10.4 物理层安全保密通信技术
10.4.1 基本原理
10.4.2 关键技术手段
10.5 本章小结
10.6 参考文献
实 践 篇
第11章 Chapter 11 超密集聚合无线网络原型系统设计与评估
11.1 超密集无线聚合组网的总体架构
11.2 聚合协作各层分析
11.2.1 物理层协作
11.2.2 数据链路层协作
11.2.3 网络层协作
11.2.4 传输层协作
11.3 异构无线网络融合
11.3.1 LTE与Femtocell的融合
11.3.2 LTE与WLAN融合
11.3.3 IEEE 802.21媒体无关切换
11.4 异构云处理
11.4.1 可扩展的新型异构无线网络融合方案
11.4.2 基于云处理的改进方案
11.5 试验测试
11.5.1 LTE和WLAN融合验证架构图
11.5.2 多模终端四路接入测试
11.6 本章小结
11.7 参考文献
第12章 Chapter 12 软件定义的接入网与核心网接口
12.1 5G核心网、接入网及接口的发展趋势
12.1.1 5G网络概述
12.1.2 5G核心网和接入网
12.1.3 接口需求
12.2 接入网与核心网接口的技术难点
12.2.1 LTE-A系统结构及关键接口概述
12.2.2 隧道转发方式成为性能瓶颈
12.2.3 网络管理平面间缺乏协同
12.2.4 网络与终端缺乏配合
12.2.5 小结
12.3 软件定义的接入网与核心网接口概念设计——SDN 架构
12.3.1 SDN 架构设计
12.3.2 异构接入网的统一控制平面
12.3.3 接入网设备功能抽象
12.3.4 基于功能抽象的资源统一调度
12.3.5 基于802.11u/ANDSF的终端协同
12.3.6 小结
12.4 SDN 架构的初步实验验证
12.4.1 设计目标
12.4.2 平台描述
12.4.3 推荐设备及扩展
12.4.4 功能接口验证实验
12.4.5 小结
12.5 本章小结
12.6 参考文献
第13章 Chapter 13 未来无线网络的部署场景及组网应用
13.1 未来无线网络的部署场景
13.1.1 智能家庭
13.1.2 城市交通
13.1.3 户外场地
13.1.4 高速铁路
13.1.5 桥洞隧道
13.2 未来无线网络组网应用
13.2.1 未来无线网络组网在智能配用电领域的应用
13.2.2 未来无线网络在军事领域的应用
13.3 本章小结
13.4 参考文献

前  言

Preface

 

截至2017年4月，我国移动互联网用户数达11.5亿，其中4G用户数约为8.49亿，4月当月移动互联网接入流量达15.8亿GB，人们正在享受4G商用网带来的便利，移动支付、移动办公、移动电子商务等移动互联网业务得到了广泛应用。预计到2020年，数据流量将达到目前的1000倍以上，不断增长的业务量需求使得提升移动通信网络容量的要求更加迫切。

2014年开始，作者牵头国家863 5G超密集无线组网项目——“5G无线密集网络架构与关键技术研发”，与国内20余家优势单位形成项目组开展5G组网理论与关键技术研究，目前网络峰值速率可达12.5 Gbps（万兆）。

结合项目研究成果，将5G组网领域的研究精华汇聚成本书。本书首先概述了5G组网架构、技术和分析方法，给出理论研究依据，随后介绍了无框架网络架构、D2D组网、有源天线组网、动态TDD组网、融合认知组网、密集网络的资源管理与优化、异构小区组网功率控制及移动性管理、无线接入网络安全等5G组网的关键技术及方法。部分理论和技术已在863 5G超密集无线组网项目中得到验证，相关应用成果体现在超密集聚合无线网络原型系统设计与评估、软件定义的接入网与核心网接口、未来无线网络的部署场景及组网应用等章节之中。

本书各章的作者均来自项目组，编写负责人和参与人员如下：

章    号         负  责  人     参 与 人 员

第1章     北京邮电大学 张平       北京邮电大学 陶小峰

北京邮电大学
徐珉

第2章     北京邮电大学 陶小峰  北京邮电大学
吴慧慈

第3章     北京邮电大学 许晓东  北京邮电大学
孙朝

北京邮电大学
戴巡

北京邮电大学
刘家祥

第4章     北京邮电大学 张雪菲 

第5章     北京邮电大学 崔琪楣  北京邮电大学
赵泽宇

第6章     北京邮电大学 徐瑨       北京邮电大学 陶铭亮

第7章     电子科技大学 唐伟       电子科技大学 王军

电子科技大学
赵聪

电子科技大学
陈劼

第8章     北京科技大学 张中山  上海无线中心
王江

北京科技大学
柴晓萌

第9章     北京邮电大学 侯延昭  北京邮电大学
洪亚腾

 

第10章   北京邮电大学 李娜      

第11章   华中科技大学 王德胜  北京邮电大学
王强

第12章   清华大学 李贺武  清华大学
孙文琪

清华大学
戴祎程

清华大学
江卓

清华大学
吴茜

第13章   华北电力大学 唐良瑞  华北电力大学
季石宇

本书作者感谢863 5G超密集无线组网项目组全体成员的倾力合作，感谢清华大学、电子科技大学、华中科技大学、北京科技大学、华北电力大学、上海无线中心等单位在本书成书过程中的鼎力相助，感谢在5G技术研究和标准化过程中国家有关部门给予的大力支持，以及众多国内外研究机构和厂商的交流与合作。

本书是作者（包括各章作者）近年来对于5G组网的研究及开发心得，希望能对移动通信领域的学者、研究人员和技术开发人员起到一定的参考作用，同时也能对相关通信类研究生和高年级本科生起到学习借鉴的作用。由于作者水平和时间有限，书中缺点和错误在所难免，望读者批评指正。