了得網工業技術_5G繫統關鍵技術詳解

編輯推薦

本書深入介紹當前全面的5G技術概述，5G無線網絡的協議、網絡架構和技術。
通過本書掌握雲無線接入網絡、移動邊緣計算、全雙工、大規模MIMO、毫米波、NOMA、物聯網、M2M通信、D2D通信、移動數據分流、干擾抑制技術、無線資源管理、可見光通信和智能數據定價等關鍵主題。
通過本書向學術界和產業界的研究人員學習該領域的理論發展。
通過本書了解每種潛在技術如何提高無線繫統的容量，頻譜效率和能量效率。

內容簡介

本書深入介紹了5G 無線網絡的協議、網絡架構和技術，包括無線接入網絡、移動邊
緣計算、全雙工、大規模MIMO、毫米波、NOMA、物聯網、M2M 通信、D2D 通信、
移動數據分流、干擾抑制技術、無線資源管理、可見光通信和智能數據定價等關鍵主題。
本書適合從事無線通信和網絡研究的技術人員、學習工程師和研究生參考閱讀。

作者簡介

Vincent W. S. 是加拿大不列顛哥倫比亞大學電子與計算機工程繫的教授，美國電子電氣工程師協會的研究員。
Robert Schober是一名亞歷山大·馮·洪堡教席，德國埃爾蘭根-紐倫堡弗裡德裡希-亞歷山大大學的數字通信主席。他是加拿大工程院和加拿大工程研究院的院士和美國電子電氣工程師協會的研究員。
Derrick Wing Kwan Ng是澳大利亞新南威爾士大學電氣工程與電信學院的講師，也是IEEE Communications Letters的副主編。
Li-Chun Wang是臺灣交通大學電子與計算機工程繫的教授，也是美國電子電氣工程師協會的一名研究員。

目錄

第 1章 5G繫統新技術的概況1
1.1 引言2
1.2 雲無線接入網絡4
1.3 雲計算和霧計算5
1.4 非正交多址接入5
1.5 靈活的物理層設計7
1.6 大規模MIMO8
1.7 全雙工通信10
1.8 毫米波12
1.9 移動數據分流、非授權頻段LTE和智能數據定價13
1.10 IoT、M2M和D2D15目錄

第 1章 5G繫統新技術的概況1

1.1 引言2

1.2 雲無線接入網絡4

1.3 雲計算和霧計算5

1.4 非正交多址接入5

1.5 靈活的物理層設計7

1.6 大規模MIMO8

1.7 全雙工通信10

1.8 毫米波12

1.9 移動數據分流、非授權頻段LTE和智能數據定價13

1.10 IoT、M2M和D2D15

1.11 無線資源管理、干擾緩解和緩存16

1.12 能量收集通信17

1.13 可視化光通信19

第 1部分 5G繫統通信網絡結構

第 2章 5G繫統的雲無線接入網絡23

2.1 重新思考5G的基礎知識24

2.2 用戶為中心的網絡26

2.3 C-RAN基礎知識26

2.4 下一代前傳接口用於5G C-RAN的FH解決方案28

2.5 虛擬化C-RAN的概念證明驗證32

2.5.1 數據分組34

2.5.2 測試過程34

2.5.3 測試結果35

2.6 重新思考C-RAN的協議棧36

2.6.1 動機37

2.6.2 多級集中式和分布式協議棧37

2.7 總結41

第3章雲無線接入網絡的前向回傳感知設計43

3.1 引言44

3.2 前傳感知的協作傳輸和接收46

3.2.1 上行鏈路47

3.2.2 下行鏈路52

3.3 前傳感知的數據鏈路層和物理層57

3.3.1 上行鏈路59

3.3.2 下行鏈路64

3.4 總結68

第4章移動邊緣計算69

4.1 引言70

4.2 移動邊緣計算71

4.3 參考體繫結構73

4.4 優勢與應用場景74

4.4.1 面向用戶的用例74

4.4.2 面向運營商的用例75

4.5 研究挑戰76

4.5.1 計算分流76

4.5.2 對計算資源的通信訪問77

4.5.3 多資源調度78

4.5.4 移動性管理78

4.5.5 資源分配和定價79

4.5.6 網絡功能虛擬化79

4.5.7 安全與隱私80

4.5.8 與新興技術的集成81

4.6 總結82

第5章無線密集異構網絡的分布式無線資源管理83

5.1 引言84

5.2 繫統模型85

5.2.1 SINR表達式87

5.2.2 負載和成本函數表達式87

5.3 聯合BSCSA UECSA開關切換策略88

5.3.1 策略選擇和信標傳輸88

5.3.2 用戶關聯89

5.3.3 信道分離算法90

5.3.4 更新混合策略92

5.4 計算機仿真93

5.5 總結96

第 2部分物理層通信技術

第6章適用於5G繫統下的非正交多址（NOMA）99

6.1 引言101

6.2 單輸入單輸出（SISO）繫統中的NOMA103

6.2.1 NOMA的基礎知識104

6.2.2 用戶配對對NOMA的影響105

6.2.3 認知無線電對NOMA的啟發108

6.3 在MIMO繫統中運用的NOMA112

6.3.1 MIMO-NOMA方案中的繫統模型113

6.3.2 有限CSIT預編碼矩陣的設計115

6.3.3 理想CSIT預編碼矩陣的設計117

6.4 總結和未來的方向121

第7章靈活的物理層設計123

7.1 引言124

7.2 廣義頻分復用126

7.3 軟件定義波形129

7.3.1 時域處理129

7.3.2 實施架構130

7.4 GFDM接收機設計132

7.4.1 133

7.4.2 信道135

7.4.3 多輸入多輸出廣義頻分復用136

7.5 總結和展望138

第8章分布式大規模MIMO在蜂窩網絡中的應用139

8.1 引言140

8.2 大規模MIMO基本原理141

8.2.1 上行鏈路下行鏈路信道模型142

8.2.2 有利傳播143

8.3 線性接收機在大規模MIMO上行鏈路中的性能144

8.4 線性預編碼器在大規模MIMO下行鏈路中的性能147

8.5 大規模MIMO繫統中的信道估計147

8.5.1 上行鏈路傳輸148

8.5.2 下行鏈路傳輸149

8.6 大規模MIMO技術的應用150

8.6.1 全雙工中繼與大規模天線陣列150

8.6.2 聯合無線信息傳輸和能量傳輸的分布式大規模MIMO153

8.7 未來開放式的研究方向156

8.8 總結157

第9章 5G網絡全雙工協議設計159

9.1 引言160

9.2 全雙工繫統的基礎知識161

9.2.1 帶內全雙工工作模式161

9.2.2 自干擾和同信道干擾162

9.2.3 通信鏈路中的全雙工收發機163

9.2.4 其他全雙工收發機的應用166

9.3 全雙工協議設計167

9.3.1 全雙工運行中的挑戰和機遇167

9.3.2 5G網絡中的全雙工通信場景168

9.4 全雙工協議分析170

9.4.1 寬帶衰落信道中的操作模式170

9.4.2 寬帶傳輸中的全雙工與半雙工170

9.5 總結172

9.5.1 未來的科學研究方向172

9.5.2 商用5G網絡中的全雙工172

第 10章 5G網絡的毫米波通信175

10.1 動機與機遇176

10.2 毫米波的無線傳輸177

10.2.1 無線衰減177

10.2.2 自由空間路徑損耗179

10.2.3 嚴重的陰影衰落180

10.2.4 毫米波信道模型181

10.2.5 鏈路預算分析182

10.3 波束賦形結構184

10.3.1 模擬波束賦形方案184

10.3.2 混合波束賦形解決方案188

10.3.3 低分辨率接收機結構189

10.4 信道采集技術189

10.4.1 波束對齊的子空間采樣190

10.4.2 壓縮信道估計技術194

10.5 部署挑戰和應用195

10.5.1 毫米波頻率下的EM接觸195

10.5.2 異構小區網絡195

第 11章無線網絡的干擾抑制技術197

11.1 引言198

11.2 5G場景下的干擾管理挑戰199

11.2.1 5G的主要目標及其對干擾的影響199

11.2.2 提高網絡效率和干擾抑制的技術200

11.3 改善邊緣用戶體驗：多點協作201

11.3.1 部署場景和網絡架構202

11.3.2 上行鏈路的CoMP技術204

11.3.3 下行鏈路的CoMP技術205

11.4 干擾對齊：利用信號空間維度206

11.4.1 線性干擾對齊的概念207

11.4.2 X信道208

11.4.3 K用戶干擾信道和蜂窩網絡：漸近干擾對齊209

11.4.4 干擾協作網絡210

11.4.5 從IA到無線網絡容量限制210

11.5 計算轉發協議：上行鏈路接收方的合作211

11.5.1 CoF協議的編碼和解碼211

11.5.2 可實現速率區域和整數方程選擇213

11.5.3 CoF協議的優點和挑戰215

11.6 總結216

第 12章 5G繫統下的有限回程PHY緩存217

12.1 引言218

12.2 什麼是PHY緩存220

12.2.1 典型物理層拓撲220

12.2.2 PHY緩存的基本組件222

12.2.3 PHY緩存的好處223

12.2.4 PHY緩存中的設計挑戰與解決方案225

12.3 用於緩存無線網絡的DoF上界227

12.3.1 緩存無線網絡的架構227

12.3.2 一般的緩存模型228

12.3.3 緩存—輔助PHY傳輸模型231

12.3.4 緩存無線網絡的DoF總和的上界233

12.4 MDS編碼的PHY緩存和可實現的DoF238

12.4.1 使用異步訪問的MDS編碼的PHY緩存238

12.4.2 PHY中緩存—輔助的MIMO協作240

12.4.3 使用異步訪問的MDS編碼PHY緩存的MIMO合作概率241

12.4.4 用於緩存無線網絡的可實現DoF243

12.5 化DoF的緩存內容放置算法244

12.6 封閉式DoF的分析和討論246

12.6.1 內容流行性模型和DoF增益的定義247

12.6.2 漸進DoF增益與文件數量的關繫247

12.6.3 漸進DoF增益與用戶數量的關繫249

12.7 總結和未來的工作249

第 13章基於智能電網與再生能源供能的成本感知型蜂窩網絡251

13.1 引言252

13.2 蜂窩網絡中的供能和需求254

13.3 能量協作256

13.3.1 聚合器輔助下的能源交易257

13.3.2 聚合器輔助下的能源共享257

13.4 通信協作258

13.4.1 自感知流量疏解259

13.4.2 成本感知頻譜共享260

13.4.3 成本感知多點協同（CoMP）260

13.5 聯合能源和通信協作261

13.5.1 聯合能源和頻譜共享261

13.5.2 聯合能源協作和CoMP方案262

13.5.3 研究實例262

13.6 擴展和未來的方向265

13.7 總結266

第 14章 5G中的可見光通信研究267

14.1 引言268

14.2 光保真技術與可見光通信的差別269

14.3 LiFi LED技術271

14.4 LiFi Attocell網絡272

14.4.1 光OFDM傳輸273

14.4.2 信道模型275

14.4.3 光源輸出功率280

14.4.4 信號限幅281

14.4.5 接收機噪聲282

14.4.6 多址接入和空間復用方案283

14.5 LiFi 毫微小區網絡的關鍵參數設置283

14.5.1 共信道干擾小化284

14.5.2 化有用信號的強度285

14.5.3 參數配置286

14.6 LiFi毫微小區網絡中的信干噪比（SINR）287

14.6.1 繫統模型設定288

14.6.2 六邊形小區部署288

14.6.3 PPP小區部署291

14.6.4 SINR的統計分析結果與討論295

14.7 小區數據率和中斷概率297

14.8 有限網絡和多徑效應下的網絡性能301

14.9 實際小區部署場景303

14.9.1 方形網絡303

14.9.2 硬核點過程網絡304

14.9.3 性能對比304

14.10 LiFi毫微小區網絡與微小區網絡的對比305

14.11 總結307

第3部分網絡協議、算法和設計

第 15章大規模MIMO調度協議311

15.1 引言312

15.2 網絡模型和問題的描述314

15.2.1 時間尺度314

15.2.2 請求隊列和網絡實用性化315

15.3 動態調度策略318

15.3.1 DPP表達式319

15.3.2 UE側的擁塞控制320

15.3.3 UE側個體實用性的貪婪化321

15.3.4 基站側的物理速率調度321

15.4 策略性能322

15.5 大規模MU-MIMO下的無線繫統模型324

15.5.1 大規模MIMO基站的物理速率324

15.5.2 大規模MIMO基站的傳輸調度327

15.6 數值實驗328

15.7 總結331

第 16章異構無線網絡的移動數據分流333

16.1 引言334

16.2 目前的標準化工作335

16.2.1 接入網發現和選擇功能335

16.2.2 熱點2.0336

16.2.3 下一代熱點337

16.2.4 無線資源管理337

16.2.5 數據分流算法的設計考量338

16.3 DAWN：延遲感知Wi-Fi分流和網絡選擇338

16.3.1 繫統模型338

16.3.2 問題公式化340

16.3.3 一般DAWN算法341

16.3.4 閾值策略344

16.3.5 性能估計345

16.4 考慮能量-延遲權衡的數據分流347

16.4.1 能量感知數據分流的背景347

16.4.2 繫統模型348

16.4.3 問題公式化350

16.4.4 能量感知網絡選擇和資源分配（ENSRA）算法351

16.4.5 ENSRA的性能分析352

16.4.6 性能評估353

16.5 開放式問題353

16.6 總結354

第 17章大規模物聯網的蜂窩 5G接入355

17.1 引言356

17.2 網絡接入中的IoT業務模式357

17.3 適用於IoT的蜂窩接入特征362

17.4 蜂窩接入協議概述363

17.4.1 一級接入364

17.4.2 二級接入365

17.4.3 周期報告365

17.4.4 案例研究：LTE連接建立366

17.5 5G繫統一級接入的性能提高368

17.6 5G繫統的可靠二級接入369

17.7 5G繫統的可靠周期報告接入370

17.8 物聯網的新興技術371

17.8.1 LTE-M：適用於機器的LTE372

17.8.2 窄帶物聯網：低成本物聯網的3GPP方法373

17.8.3 擴展覆蓋的GSM：IoT的GSM的演進373

17.9 總結374

第 18章 M2M的介質訪問控制、資源管理和擁塞控制375

18.1 引言376

18.2 M2M通信架構377

18.2.1 M2M通信的WLAN架構377

18.2.2 M2M通信的蜂窩無線接入網絡378

18.2.3 M2M通信的異構雲無線接入網絡380

18.2.4 M2M通信的FogNet架構382

18.3 M2M通信的MAC設計382

18.3.1 H-CRAN中基於分組的M2M的MAC383

18.3.2 FogNet WLAN中基於訪問類型限制的M2M的MAC384

18.3.3 基於隨機退避的M2M的MAC386

18.3.4 低功耗低復雜度機器的協調M2M的MAC386

18.4 擁塞控制和低復雜度低吞吐量大規模M2M通信390

18.4.1 基於ACB的M2M的MAC中的擁塞控制390

18.4.2 大規模MTC和低復雜度低吞吐量的IoT通信391

18.5 總結394

第 19章在異構網絡中基於能量收集的D2D通信395

19.1 引言396

19.2 能量收集的異構網絡398

19.2.1 能量收集區域399

19.2.2 能量收集過程和UE中繼分布400

19.2.3 傳輸模式選擇和中斷概率401

19.3 數值分析與討論405

19.4 總結407

第 20章非授權頻段的LTE：概述和分布式共存設計409

20.1 動機410

20.1.1 更好的網絡性能413

20.1.2 增強的用戶體驗413

20.1.3 統一的LTE網絡架構413

20.1.4 與Wi-Fi平等共存413

20.2 非授權頻段LTE中的共存問題414

20.3 非授權頻段LTE的分布式資源分配應用416

20.3.1 匹配理論框架416

20.3.2 靜態資源分配：學生-項目分配匹配418

20.3.3 動態資源分配：匹配穩定性的隨機路徑423

20.4 總結429

第 21章毫米波網絡調度431

21.1 引言432

21.2 背景433

21.2.1 毫米波網絡的復用技術433

21.2.2 定向天線433

21.2.3 網絡架構434

21.3 獨有區域434

21.3.1 情況1：全向天線到全向天線436

21.3.2 情況2：定向天線到全向天線437

21.3.3 情況3：全向天線到定向天線437

21.3.4 情況4：定向天線到定向天線438

21.4 REX：隨機獨立區域調度器438

21.5 使用REX估算並發傳輸的平均數439

21.5.1 情況1：全向天線到全向天線441

21.5.2 情況2：定向天線到全向天線441

21.5.3 情況3：全向天線到定向天線441

21.5.4 情況4：定向天線到定向天線442

21.5.5 邊緣效應442

21.6 性能評估442

21.6.1 空間復用增益443

21.6.2 公平性444

21.7 未來討論445

21.7.1 快衰落445

21.7.2 陰影效應445

21.7.3 三維網絡446

21.7.4 分布式媒體訪問446

21.7.5 混合媒體訪問447

21.7.6 調度447

21.8 總結448

第 22章 5G繫統中的智能數據定價449

22.1 引言450

22.2 智能數據定價454

22.2.1 ISP如何為數據收費454

22.2.2 ISP應該為數據收費455

22.2.3 ISP應負責什麼456

22.3 交易手機數據457

22.3.1 數據拍賣相關工作458

22.3.2 建模用戶和ISP行為458

22.3.3 用戶和ISP的優點459

22.4 贊助移動數據461

22.4.1 建模內容提供者的行為461

22.4.2 贊助數據的影響462

22.5 卸載移動數據464

22.5.1 用戶采用和示例場景464

22.5.2 ISP行為465

22.6 未來方向466

22.6.1 容量擴展和新的補充網絡466

22.6.2 兩年合同與基於使用的定價467

22.6.3 激勵霧計算467

22.7 總結468

參考文獻469

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