5G網(wǎng)絡(luò)的機(jī)遇 研究和發(fā)展前景

第 一部分 5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)
第 1章 5G的基礎(chǔ) 3
1．1 歷史簡(jiǎn)介 4
1．2 引言 6
1．3 5G概念 7
1．3．1 開(kāi)放式的無(wú)線(xiàn)架構(gòu) 7
1．3．2 網(wǎng)絡(luò)層 8
1．3．3 開(kāi)放傳輸協(xié)議 8
1．3．4 應(yīng)用層 9
1．4 5G顛覆性技術(shù) 9
1．4．1 以設(shè)備為中心的架構(gòu) 10
1．4．2 毫米波 11
1．4．3 大規(guī)模MIMO 12
1．4．4 智能設(shè)備 13
1．4．5 支持機(jī)器間（M2M）通信 13
第 2章 5G概述：關(guān)鍵技術(shù) 15
2．1 為什么是5G 16
2．2 什么是5G 20
2．3 5G的應(yīng)用 21
2．4 5G的技術(shù)規(guī)范 22
2．5 面臨的挑戰(zhàn) 22
2．6 5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 23
2．7 小結(jié) 25
第3章 從4G到5G 27
3．1 引言 28
3．2 LTE概述 29
3．2．1 LTE網(wǎng)絡(luò) 29
3．2．2 LTE幀結(jié)構(gòu) 31
3．2．3 eNB、S-GW以及 MME池 32
3．2．4 協(xié)議棧 33
3．2．5 首次注冊(cè) 33
3．2．6 基于X2的無(wú)S-GW重選的切換 34
3．2．7 基于X2的S-GW重選的切換 35
3．2．8 基于S1接口的切換 36
3．2．9 代理移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議——LTE 39
3．3 LTE-A概況 40
3．4 5G時(shí)代的黎明 40
3．5 5G服務(wù)愿景 41
3．5．1 物聯(lián)網(wǎng) 41
3．5．2 身臨其境的多媒體體驗(yàn) 42
3．5．3 萬(wàn)物上云 42
3．5．4 直觀的遠(yuǎn)程訪問(wèn) 42
3．6 5G的需求 42
3．6．1 單元邊緣數(shù)據(jù)速率 43
3．6．2 時(shí)延 44
3．6．3 實(shí)時(shí)在線(xiàn)用戶(hù) 44
3．6．4 成本效率 44
3．6．5 移動(dòng)性 44
3．6．6 蜂窩頻譜效率 45
3．7 5G關(guān)鍵技術(shù) 45
3．8 小結(jié) 47
第4章 5G空口技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題 49
4．1 引言 50
4．2 回傳/前傳對(duì)5G的影響 51
4．3 部署場(chǎng)景和各自的挑戰(zhàn) 52
4．3．1 3GPP發(fā)布的微蜂窩部署的基本場(chǎng)景 52
4．3．2 參考場(chǎng)景1：多層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的干擾管理技術(shù)——C-RAN 54
4．3．3 參考場(chǎng)景2：無(wú)處不在、按需服務(wù)的高速移動(dòng)微蜂窩部署方案 55
4．4 小結(jié) 56
第二部分 5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
第5章 5G RAN規(guī)劃的指導(dǎo)原則 61
5．1 蜂窩概念/蜂窩網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)史 62
5．1．1 從全向天線(xiàn)到6扇區(qū)基站 62
5．1．2 宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩 63
5．1．3 UMTS和LTE系統(tǒng)性能瓶頸 64
5．2 5G沙盤(pán) 65
5．2．1 增加1000倍容量的定義 65
5．2．2 室外vs室內(nèi)業(yè)務(wù) 65
5．2．3 主要服務(wù)配置層 66
5．3 候選的5G蜂窩技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù) 66
5．3．1 扇區(qū)高階化 66
5．3．2 垂直扇區(qū)化 67
5．3．3 傳統(tǒng)部署方案的演進(jìn) 68
5．3．4 微蜂窩/超密集組網(wǎng) 69
5．3．5 分布式天線(xiàn)系統(tǒng)/動(dòng)態(tài)DAS 72
5．3．6 大規(guī)模MIMO 73
5．3．7 毫米波通信 74
5．4 “5G/6G ”的非蜂窩方式 75
5．4．1 蜂窩vs非蜂窩 75
5．4．2 SPMA的創(chuàng)新性概念 76
第6章 5G網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量 79
6．1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的QoS管理模型演進(jìn) 80
6．2 5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因子--QoS 82
6．3 5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)量 84
6．4 QoS參數(shù) 86
6．5 5G網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量要求 87
6．6 小結(jié) 91
第7章 5G大規(guī)模天線(xiàn) 93
7．1 MIMO基礎(chǔ) 94
7．1．1 MIMO技術(shù)及其理論依據(jù) 95
7．1．2 多天線(xiàn)傳輸模型 96
7．1．3 多天線(xiàn)分集、復(fù)用和賦形的信道容量 100
7．1．4 多用戶(hù)MIMO 102
7．2 天線(xiàn) 104
7．2．1 大規(guī)模MIMO天線(xiàn)陣列 105
7．2．2 超大型天線(xiàn)的問(wèn)題 106
7．2．3 大規(guī)模MIMO測(cè)試臺(tái) 111
7．3 波束賦形 112
7．3．1 波束賦形概述 112
7．3．2 波束賦形系統(tǒng) 113
7．3．3 波束賦形的基本原則 114
7．3．4 無(wú)線(xiàn)MIMO系統(tǒng)波束賦形技術(shù)的分類(lèi) 117
7．3．5 MIMO波束賦形算法 119
第8章 5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的自愈合 121
8．1 SON簡(jiǎn)介 123
8．1．1 SON架構(gòu) 124
8．1．2 5G前的SON 124
8．1．3 5G中的SON 126
8．2 自愈合 128
8．2．1 故障來(lái)源 130
8．2．2 小區(qū)中斷檢測(cè) 130
8．2．3 小區(qū)中斷補(bǔ)償 131
8．3 自愈合技術(shù)的發(fā)展 131
8．4 案例研究：回傳自愈合 133
8．4．1 5G網(wǎng)絡(luò)中的回傳要求 133
8．4．2 5G網(wǎng)絡(luò)回傳自愈合架構(gòu)建議 134
8．4．3 新的自愈合方法 137
8．5 小結(jié) 144
第9章 5G光纖和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的融合 145
9．1 引言 146
9．2 無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)寬帶及基礎(chǔ)設(shè)施融合的趨勢(shì)與課題 149
9．3 容量和時(shí)延約束 153
9．3．1 容量 153
9．3．2 時(shí)延 156
9．4 前傳架構(gòu)和光纖技術(shù) 158
9．4．1 前傳架構(gòu) 158
9．4．2 光纖技術(shù) 162
9．5 光載無(wú)線(xiàn)和PON系統(tǒng)共用光纖的兼容性問(wèn)題 166
9．5．1 PON系統(tǒng)中的D-RoF傳輸 168
9．5．2 用于D-RoF傳輸?shù)囊苿?dòng)前傳調(diào)制解調(diào)器 170
9．6 小結(jié) 174
9．7 認(rèn)證 175
第 10章 基于MCC的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的功率控制 177
10．1 引言 179
10．2 頻譜感知：一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法 179
10．2．1 特性 180
10．2．2 分類(lèi)器 183
10．2．3 分類(lèi)調(diào)制編碼 186
10．3 認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)中的功率控制 187
10．3．1 基于游戲理論的分布式技術(shù) 188
10．3．2 其他分布式技術(shù) 189
10．3．3 集中式技術(shù) 189
10．4 使用分類(lèi)調(diào)制和編碼的功率控制 190
10．4．1 目前技術(shù)水平 191
10．4．2 系統(tǒng)模型 192
10．4．3 分類(lèi)調(diào)制編碼反饋 194
10．4．4 一種同時(shí)用于功率控制和干擾信道學(xué)習(xí)的新型算法 195
10．4．5 結(jié)論 197
10．5 小結(jié) 200
第 11章 關(guān)于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能源效率—光譜效率折中 203
11．1 EE-SE平衡 205
11．2 分布式MIMO系統(tǒng) 207
11．2．1 D-MIMO信道模型 208
11．2．2 D-MIMO的遍歷容量探討 209
11．2．3 D-MIMO系統(tǒng)容量的近似極限 209
11．2．4 D-MIMO功率模型 210
11．2．5 D-MIMO的EE-SE平衡公式 212
11．3 EE-SE平衡的近似閉合形式 212
11．4 用例方案 213
11．4．1 單無(wú)線(xiàn)接入單元情景 213
11．4．2 M個(gè)無(wú)線(xiàn)接入單元 215
11．4．3 M=2 RAU的D-MIMO系統(tǒng) 217
11．4．4 CFA的準(zhǔn)確性：數(shù)值結(jié)果 219
11．5 D-MIMO EE-SE平衡下低SE的近似值 221
11．6 D-MIMO EE-SE平衡下高SE的近似值 225
11．7 通過(guò)C-MIMO實(shí)現(xiàn)D-MIMO的EE增益 227
11．8 小結(jié) 229
第三部分 5G物理層
第 12章 5G的物理層技術(shù) 233
12．1 新波形 234
12．1．1 濾波器組多載波 235
12．1．2 通用濾波多載波 242
12．1．3 廣義頻分復(fù)用 245
12．2 新調(diào)制 250
12．3 非正交多址 251
12．3．1 基本NOMA與SIC 252
12．3．2 沒(méi)有SIC的基本NOMA 255
12．4 超奈奎斯特通信速度 257
12．5 全雙工無(wú)線(xiàn)電 261
第 13章 GFDM：為5G物理層提供靈活性 263
13．1 5G場(chǎng)景和動(dòng)機(jī) 266
13．1．1 Bitpipe通信 266
13．1．2 物聯(lián)網(wǎng) 267
13．1．3 觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng) 267
13．1．4 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 268
13．2 GFDM原理和性能 268
13．2．1 GFDM波形 269
13．2．2 GFDM的矩陣表示法 271
13．2．3 連續(xù)干擾消除 274
13．2．4 用Zak變換設(shè)計(jì)的接收濾波器 276
13．2．5 低OOB排放的解決方案 279
13．2．6 GFDM符號(hào)差錯(cuò)率的性能分析 282
13．3 GFDM的偏移量QAM 287
13．3．1 時(shí)域OQAM-GFDM 287
13．3．2 頻域OQAM-GFDM 290
13．4 通過(guò)預(yù)編碼提高靈活性 291
13．4．1 每個(gè)子載波的GFDM處理 291
13．4．2 每個(gè)子符號(hào)的GFDM處理 293
13．4．3 GFDM的預(yù)編碼 294
13．5 GFDM的發(fā)射分集 297
13．5．1 時(shí)間反轉(zhuǎn)STC-GFDM 297
13．5．2 廣泛線(xiàn)性均衡器（WLE）STC-GFDM 302
13．6 LTE資源網(wǎng)格的GFDM參數(shù)化 308
13．6．1 LTE時(shí)頻資源網(wǎng)格 309
13．6．2 LTE時(shí)頻網(wǎng)格的GFDM參數(shù)化 310
13．6．3 GFDM和LTE信號(hào)的共存 311
13．7 GFDM作為各種波形的框架 312
13．8 小結(jié) 316
第 14章 5G微蜂窩系統(tǒng)的新型厘米波概念 317
14．1 引言 318
14．2 毫米波和厘米波的特點(diǎn) 320
14．3 5G厘米波蜂窩系統(tǒng)概述 321
14．3．1 主要特征 321
14．3．2 理想的5G幀結(jié)構(gòu) 321
14．3．3 MIMO和支持的高級(jí)接收機(jī) 324
14．3．4 動(dòng)態(tài)TDD的支持 324
14．4 動(dòng)態(tài)TDD 325
14．4．1 動(dòng)態(tài)TDD的預(yù)期收益 326
14．4．2 動(dòng)態(tài)TDD的缺點(diǎn) 329
14．5 5G厘米波蜂窩系統(tǒng)中的秩自適應(yīng) 331
14．5．1 基于Taxation的秩自適應(yīng)方案 332
14．5．2 績(jī)效評(píng)估 333
14．5．3 秩自適應(yīng)和動(dòng)態(tài)TDD 336
14．6 能量效率機(jī)制 337
14．7 小結(jié) 340
第四部分 5G的厘米波和毫米波波形
第 15章 應(yīng)用于5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的毫米波通信技術(shù) 345
15．1 引言 346
15．2 毫米波技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作 347
15．3 毫米波信道特性 348
15．4 毫米波物理層技術(shù) 351
15．5 毫米波通信設(shè)備 352
15．6 毫米波室內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 353
15．7 小結(jié) 354
15．8 未來(lái)的研究方向 355
第 16章 基于毫米波技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、模型和性能 357
16．1 引言 358
16．2 頻譜 359
16．3 波束跟蹤 361
16．4 具有變化角度的信道模型 362
16．5 UAB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 367
16．5．1 以負(fù)載為中心的回程 368
16．5．2 多頻傳輸架構(gòu) 370
16．6 系統(tǒng)級(jí)容量 371
16．6．1 MIMO預(yù)編碼 371
16．6．2 性能評(píng)估 372
第 17章 毫米波無(wú)線(xiàn)電傳播特性 375
17．1 引言 376
17．2 傳播特性 377
17．2．1 高方向性 377
17．2．2 有限噪聲無(wú)線(xiàn)系統(tǒng) 379
17．3 傳播模型和參數(shù) 380
17．3．1 路徑損耗模型 380
17．3．2 毫米波特定衰減因子 382
17．4 鏈路預(yù)算分析 384
17．4．1 通過(guò)信噪比計(jì)算得到的香農(nóng)信道容量 385
17．4．2 60 GHz毫米波信道的IEEE 802．11ad基帶計(jì)算 386
17．5 小結(jié) 389
第 18章 室外環(huán)境中毫米波的通信特性 391
18．1 引言 392
18．2 毫米波信道特性 393
18．2．1 自由空間傳播 395
18．2．2 大尺度衰減 396
18．2．3 小尺度衰減 402
18．2．4 車(chē)輛環(huán)境中的毫米波特性 403
18．3 毫米波傳播模型 405
18．3．1 基于幾何的隨機(jī)信道模型 405
18．3．2 近距離自由空間參考路徑損耗模型 406
18．3．3 射線(xiàn)跟蹤模擬 408
18．3．4 組合方法 408
18．4 小結(jié) 409
第 19章 關(guān)于毫米波媒體訪問(wèn)控制的研究 411
19．1 引言 412
19．2 mmWave MAC設(shè)計(jì)中的定向波束管理 413
19．2．1 徹底/暴力算法搜索 413
19．2．2 IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的兩級(jí)光束訓(xùn)練 414
19．2．3 交互式波束訓(xùn)練 415
19．2．4 優(yōu)先扇區(qū)搜索排序 417
19．3 mmWave系統(tǒng)的調(diào)度和中繼選擇 417
19．3．1 調(diào)度 418
19．3．2 IEEE 802．11ad中的中繼選擇 418
19．4 視頻流 419
19．4．1 室內(nèi)無(wú)壓縮視頻流 419
19．4．2 室外實(shí)時(shí)視頻流 419
19．5 下一代無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)MAC 421
19．6 小結(jié) 422
第 20章 毫米波的MAC層設(shè)計(jì) 425
20．1 引言 426
20．2 MAC層設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)和方向 427
20．2．1 方向性 428
20．2．2 阻塞 428
20．2．3 MAC層中的CSMA問(wèn)題 428
20．3 空間復(fù)用 429
20．4 毫米波通信中的MAC協(xié)議比較 429
20．4．1 資源分配 430
20．4．2 傳輸調(diào)度 430
20．4．3 并發(fā)傳輸 431
20．4．4 阻塞和方向性 431
20．4．5 波束成形協(xié)議 431
20．5 MAC設(shè)計(jì)指南 432
20．6 毫米波通信標(biāo)準(zhǔn) 433
20．6．1 局域網(wǎng) 433
20．6．2 個(gè)域網(wǎng)絡(luò) 434
20．7 未來(lái)的研究方向 435
20．8 小結(jié) 436
參考文獻(xiàn) 437