5G丛书 5G系统关键技术详解
作者： （加）文森特 黄，（加）罗伯特 施韦尔等主编
出版时间：2018年版
内容简介
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。
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MIMO 8
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D2D 15
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NOMA 103
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NOMA 112
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MIMO 153
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DoF 238
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DoF 243
12．5 最大化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 共信道干扰最小化 284
14．5．2 最大化有用信号的强度 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最大化 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最大化 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2．0 336
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LTE 372
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MAC 383
18．3．2 FogNet/WLAN中基于访问类型限制的M2M的MAC 384
18．3．3 基于随机退避的M2M的MAC 386
18．3．4 低功耗/低复杂度机器的协调M2M的MAC 386
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 最优调度 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 最佳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
