5G：开启未来无线通信创新之路

本书重点对5G无线系统的五大关键技术——大规模天线、新型多址技术、新型波形、毫米波通信、轨道角动量复用进行了详细介绍，并对其性能进行对比分析，使读者对5G无线网络关键技术有更直接、更具体、更全面的认识。首先对5G网络进行简要介绍，让读者对5G系统的需求有个基本了解，然后对大规模天线、新型多址技术、新型波形技术、毫米波通信、轨道角动量复用技术进行了详细介绍，并对其性能进行了对比分析。

2000年9月至2002年4月，研究生期间实验室与大唐合作从事WCDMA NodeB的研发；2005年7月至今，中国移动通信集团公司网络部。

第1章　5G简介：无线网关键技术1
1.1 为什么需要5G1
1.2 什么是5G6
1.3 5G的应用8
1.4 5G标准化9
1.5 5G的挑战10
1.6 5G网络关键技术12
1.6.1 大规模天线阵列（Massive MIMO）技术14
1.6.2 新型多址技术15
1.6.3 新型波形技术17
1.6.4 全频谱接入：毫米波技术19
1.6.5 基于轨道角度动量的传输技术20
1.7 小结21
参考文献21
第2章　大规模天线阵列系统23
2.1 大MIMO系统的优势24
2.2 大维度下的信道硬化25
2.3 技术挑战和解决方法28
2.3.1 独立空间维度的有效性28
2.3.2 大量天线和RF链路的放置29
2.3.3 低复杂度的大MIMO信号处理30
2.3.4 多小区操作32
参考文献33
第3章　大MIMO系统的编码与检测34
3.1 空间复用35
3.2 空时编码36
3.2.1 空时分组码37
3.2.2 高码率NO-STBC39
3.2.3 基于循环可除代数（Cyclic Division Algebras，CDA）的
NO-STBC39
3.3 空间调制41
3.3.1 SM机制41
3.3.2 SSK42
3.3.3 GSM43
3.4 大MIMO系统信号检测48
3.5 系统模型51
3.6 最优检测52
3.7 线性检测53
3.7.1 MF检测器53
3.7.2 ZF检测器54
3.7.3 MMSE检测器55
3.8 干扰抵消56
3.8.1 V-BLAST检测器56
3.9 LR辅助的线性检测58
3.9.1 LR辅助的检测58
3.9.2 SA算法59
3.10 球译码64
3.10.1 算法65
参考文献69
第4章　大MIMO系统信道模型70
4.1 分析信道模型71
4.1.1 基于空间相关的信道模型71
4.1.2 基于传播的信道模型75
4.2 空间相关对大MIMO性能的影响79
4.2.1 针孔效应81
4.2.2 空间相关对局部搜索检测器性能的影响81
4.3 信道模型标准化84
4.3.1 IEEE 802.11 WiFi模型86
4.3.2 3GPP LTE模型87
4.4 大MIMO系统测量活动89
4.4.1 12×15MIMO室内测量89
4.4.2 16×16MIMO都市室外测量90
4.4.3 32×64室内测量91
4.4.4 16×16室内测量91
4.4.5 16×32室内测量91
4.4.6 24×24和36×36MIMO立方体92
4.4.7 8×16室外到室内测量93
4.4.8 128天线阵列的测量94
4.5 紧凑天线阵列95
4.5.1 PIFA96
4.5.2 PIFA作为阵元的紧凑天线阵列98
4.5.3 MIMO立方体98
参考文献100
第5章　非正交多用户叠加与共享多址技术101
5.1 引言101
5.2 非正交多用户多址技术的基本原理和特征102
5.2.1 非正交多用户叠加改善频谱效率102
5.2.2 非正交多用户多址技术支持大连接105
5.3 下行非正交多用户传输107
5.3.1 无Gray映射的直接叠加107
5.3.2 具有Gray映射的叠加108
5.4 上行非正交多址技术117
5.4.1 LDS-CDMA/OFDM118
5.4.2 SCMA119
5.4.3 MUSA122
5.4.4 PDMA129
参考文献131
第6章　非正交多址（NOMA）概念与设计133
6.1 引言133
6.2 NOMA概念134
6.2.1 下行NOMA134
6.2.2 上行NOMA137
6.3 NOMA优势和驱动力139
6.4 NOMA接口设计140
6.4.1 下行NOMA140
6.4.2 上行NOMA142
6.5 对MIMO的支持145
6.5.1 下行NOMA145
6.5.2 上行NOMA148
6.6 NOMA性能评估150
6.6.1 下行NOMA150
6.6.2 上行NOMA157
6.7 小结162
参考文献163
第7章　5G中的新波形技术165
7.1 新波形165
7.1.1 滤波器组多载波（Filter Bank Multi Carrier，FBMC）166
7.1.2 通用滤波多载波（Universal Filtered Multi Carrier，UFMC）174
7.1.3 通用频分复用（Generalized Frequency-Division
Multiplexing，GFDM）177
7.1.4 滤波OFDM（Filtered OFDM，f-OFDM）181
7.2 新调制183
7.2.1 频率正交幅度调制（Frequency and Quadrature
Amplitude Modulation，FQAM）184
7.3 超奈奎斯特通信（Faster Than Nyquist，FTN）185
7.4 无线完全双工技术189
参考文献191
第8章　灵活支持5G物理层的新波形：GFDM192
8.1 5G应用场景对灵活波形的需求194
8.1.1 比特管道通信195
8.1.2 物联网（Internet of Things，IoT）196
8.1.3 触摸因特网196
8.1.4 无线区域网（Wireless Regional Area Network，WRAN）197
8.2 GFDM原理和性能197
8.2.1 GFDM波形198
8.2.2 GFDM的矩阵表示200
8.2.3 连续干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）205
8.2.4 使用Zak变换的接收滤波器设计206
8.2.5 低OOB辐射的解决方案210
8.2.6 GFDM符号差错率性能分析214
8.3 GFDM的偏置QAM221
8.3.1 时域OQAM-GFDM222
8.3.2 频域OQAM-GFDM225
8.4 使用预编码的增强灵活性226
8.4.1 每个子载波的GFDM处理226
8.4.2 每个子符号的GFDM处理228
8.4.3 GFDM的预编码229
8.5 GFDM的发射分集233
8.5.1 时间反向STC-GFDM234
8.5.2 全面线性均衡器（Widely Linear Equalizer，WLE）
STC-GFDM240
8.6 支持LTE资源栅格的GFDM参数化246
8.6.1 LTE时频资源栅格246
8.6.2 支持LTE时频栅格的GFDM参数247
8.6.3 GFDM信号与LTE信号的共存249
8.7 GFDM作为框架支持各种波形250
8.8 小结255
参考文献255
第9章　基于毫米波通信的网络架构、模型和性能257
9.1 引言257
9.2 频谱258
9.3 波束跟踪261
9.4 具有角度变量的信道模型263
9.5 UAB网络架构268
9.5.1 以负荷为中心的回传（Load-Centric Backhauling，LCB）269
9.5.2 多频传输架构272
9.6 系统容量273
9.6.1 MIMO预编码273
9.6.2 性能评估275
参考文献276
第10章　毫米波无线传播特征278
10.1 引言278
10.2 传播特性279
10.2.1 高方向性279
10.2.2 噪声受限的无线系统281
10.3 传播模型和参数283
10.3.1 路径衰耗模型283
10.3.2 毫米波特定衰耗因子285
10.4 链路预算分析288
10.4.1 基于香农容量的计算288
10.4.2 60GHz毫米波基于IEEE 802.11ad基带参数的计算289
10.5 小结295
参考文献295
第11章　室外环境毫米波通信特征297
11.1 引言297
11.2 毫米波信道特征299
11.2.1 自由空间传播300
11.2.2 大尺度衰落301
11.2.3 小尺度衰落308
11.2.4 车载环境下的毫米波特性310
11.3 毫米波传播模型312
11.3.1 基于几何的随机信道模型312
11.3.2 封闭自由空间参考路径衰耗模型313
11.3.3 射线跟踪仿真模型316
参考文献316
第12章　基于轨道角度动量（OAM）的无线通信318
12.1 承载OAM的EM波318
12.2 OAM到RF通信的应用320
12.3 OAM波束的产生、复用和检测322
12.3.1 OAM波束的产生和检测322
12.3.2 OAM波束的复用和解复用324
12.4 使用OAM复用的无线通信326
12.4.1 使用高斯波束和OAM波束的无线通信326
12.4.2 使用OAM和极化复用的32Gb/s毫米波通信326
12.4.3 空间复用和OAM复用组合的16Gb/s毫米波通信328
12.4.4 OMA信道的多径效应332
12.4.5 基于贝塞尔波束的OAM通信338
参考文献341