近年来，移动通信产业发展迅速，移动用户数量激增，移动网络设备大规模布设，随之而来的移动通信的能耗问题日益突出。同时，随着有限频谱资源的日益饱和，移动通信的频谱效率问题日益成为其发展瓶颈。怎样有效突破能效与频谱效率的枷锁，是未来5G移动通信网络发展的关键。本书将着重系统介绍面向5G移动通信网络的能量与频谱优化技术，结合国际学术界与工业界的*新研究成果，对提高网络及通信系统能效与频谱效率的优化技术进行*前沿的系统分析。内容主要包括绿色通信网络概念及应用需求、用户需求与资源管理、网络能效模型及评估、基于服务质量的5G通信系统能效优化、异构多网协同机制、基于用户体验质量和能效的5G通信系统应用等。

作者简介

　　　　葛晓虎，华中科技大学电子信息与通信学院教授，博士生导师，华中学者特聘教授，湖北省国际科技合作基地——绿色宽带无线通信国际科技合作基地主任，华中科技大学——悉尼科技大学移动通信联合研究中心主任。2003年毕业于华中科技大学获通信与信息系统博士学位， 2004年担任韩国亚洲大学电子与计算机工程系研究员，2005年担任意大利都灵理工大学电子系博士后助理研究员。 2005年获意大利Galilei Grant，2009年获挪威政府奖学金资助短期访问挪威多所大学，2010年6-8月以visiting researcher身份访问英国Heriot-Watt University，2011年11月-2012年11月以Visiting Professor身份访问挪威University of Agder。近年来主持承担了10余项*家级科研课题和多项国际高水平科技合作项目。担任国家科技部和国家自然基金委项目评审专家，湖北省科技厅自然基金项目评审专家，IEEE高级会员（Senior Member），中国通信学会高级会员，中国电子学会高级会员。

目录

第1章 Chapter 1
5G绿色通信网络概念及应用需求 1
1．1 绪论 2
1．2 绿色通信在国内外的研究现状与趋势 5
1．2．1 基站节能措施 5
1．2．2 基站能耗模型 7
1．2．3 无线异构网络能效研究 9
1．3 蜂窝网物化能耗与整体能效评估 10
1．3．1 基站的能耗组成与评估 11
1．3．2 蜂窝网络整体能效建模及优化 17
1．3．3 蜂窝网物化能耗后续研究 20
1．4 5G绿色通信网络的挑战 21
1．4．1 5G回程网络 21
1．4．2 5G回程网络能效 21
1．5 本章小结 26
1．6 参考文献 27
基础篇
第2章 Chapter 2
面向绿色通信的无线资源管理 33
2．1 绪论 34
2．2 用户业务流量模型 36
2．2．1 数据业务 36
2．2．2 语音业务 39
2．3 辐射能量与干扰模型 42
2．4 基于Bregman非精确过度间距的资源分配 45
2．4．1 问题描述 46
2．4．2 正则拉格朗日对偶方程和?-Excessive Gap光滑技术 47
2．4．3 具有Bregman投影的快速迭代算法 51
2．4．4 异构网络下多服务资源分配问题 57
2．5 本章小结 61
2．6 参考文献 62
第3章 Chapter 3
蜂窝网络能量效率 67
3．1 随机几何理论 68
3．1．1 引言 68
3．1．2 随机点过程 69
3．1．3 随机分割理论 71
3．2 PVT随机蜂窝网能效模型 72
3．2．1 系统模型 72
3．2．2 PVT蜂窝网流量模型与性能分析 74
3．2．3 PVT单天线蜂窝网络能效模型与性能分析 78
3．2．4 PVT多天线蜂窝网络运行功耗模型与性能分析 88
3．3 多天线随机蜂窝网功率优化 102
3．3．1 系统模型 102
3．3．2 多天线蜂窝网能效模型 102
3．4 HCPP随机蜂窝网能效模型 106
3．4．1 系统模型 107
3．4．2 基于HCPP的蜂窝网络干扰模型 108
3．4．3 基于HCPP的MIMO蜂窝网容量模型 112
3．4．4 HCPP蜂窝网络能效模型 116
3．4．5 性能仿真及讨论 116
3．5 本章小结 118
3．6 参考文献 119
第4章 Chapter 4
基于服务质量的移动通信系统能效优化 123
4．1 绪论 124
4．2 误比特率约束条件下的MIMO-OFDM通信系统能效优化 126
4．2．1 MIMO-OFDM通信系统能效模型 126
4．2．2 误比特率约束条件下的通信系统能效优化 128
4．2．3 仿真与性能分析 132
4．3 服务质量统计约束模型及通信系统有效容量 135
4．3．1 QoS统计约束模型 135
4．3．2 通信系统有效容量 136
4．3．3 有效容量性能仿真 137
4．4 基于服务质量的MIMO-OFDM通信系统能效优化 139
4．4．1 系统模型 139
4．4．2 基于有效容量的MIMO-OFDM系统能效模型 140
4．4．3 通信系统能效优化 142
4．4．4 算法设计 144
4．4．5 仿真结果及分析 145
4．5 本章小结 155
4．6 参考文献 156
第5章 Chapter 5
5G异构无线多网的能效协同优化 159
5．1 绪论 160
5．2 异构无线多网能效协同优化架构 161
5．3 异构多网网络与终端的联合能效优化 163
5．3．1 现有网络能效评估指标 163
5．3．2 网络与终端联合考虑的新能效评估指标 165
5．3．3 宏微小区共存场景下的网络能效分析 166
5．4 无线网络虚拟化与软件定义无线网络 174
5．4．1 无线网络虚拟化 175
5．4．2 软件定义无线网络 179
5．5 本章小结 186
5．6 参考文献 186
应用篇
第6章 Chapter 6
基于用户体验质量的客户端设计 191
6．1 绪论 192
6．2 相关标准与研究 192
6．2．1 渐进式超文本串流 192
6．2．2 自适应HTTP串流 193
6．2．3 MPEG-DASH 197
6．3 基于用户体验质量的动态自适应串流机制 198
6．3．1 缓冲预存模式 200
6．3．2 实时串流模式 203
6．3．3 动态自适应串流决策 204
6．4 系统设计与实现 204
6．4．1 软硬件平台介绍 204
6．4．2 系统架构与实现流程 222
6．4．3 开发环境 223
6．4．4 安卓应用程序开发环境 228
6．4．5 移植MPEG-DASH至安卓多媒体框架 228
6．5 系统结果分析 230
6．5．1 测试环境 230
6．5．2 串流设备决策机制分析 235
6．5．3 使用者观赏体验分析 239
6．6 结论与未来展望 242
6．7 参考文献 243
第7章 Chapter 7
基于能效增益的安卓平台设计 247
7．1 绪论 248
7．2 H．264视频编译码标准 249
7．2．1 H．264标准介绍 249
7．2．2 H．264双核心并行解码机制 250
7．3 安卓多媒体系统架构 253
7．4 能效增益与动态串流机制 254
7．4．1 影音同步机制设计 254
7．4．2 网络带宽分析 255
7．4．3 实时硬件运算能力分析 256
7．4．4 RTSP与HTTP网络串流 259
7．4．5 动态串流调整机制决策 261
7．5 系统架构与实现流程 265
7．5．1 编译环境 265
7．5．2 基于H．264并行解码的双核心安卓平台 269
7．5．3 安卓应用程序包设计 280
7．6 系统实现结果 284
7．6．1 测试环境与实现分析 284
7．6．2 能效增益分析 286
7．6．3 影音同步机制分析 286
7．6．4 动态串流调整机制分析 288
7．7 结论与未来展望 289
7．8 参考文献 290

前言/序言

5G技术丛书专家委员会

专家委员会主任

邬贺铨：中国工程院院士，IMT-2020（5G）推进组顾问

专家委员会副主任

刘韵洁：中国工程院院士，中国联合网络通信集团有限公司

丛书特别顾问

张乃通：中国工程院院士，哈尔滨工业大学

专家委员会委员

曹淑敏：IMT-2020（5G）推进组组长，中国信息通信研究院原院长

张新生：中国通信学会副理事长，未来移动通信论坛常务副理事长

侯自强（中国科学院声学研究所）

王晓云（中国移动通信集团公司）

毕奇（中国电信股份有限公司）

赵先明（中兴通讯有限公司）

佟文（华为技术有限公司）

陈山枝（大唐电信科技产业集团）

张平（北京邮电大学）

尤肖虎（东南大学）

李少谦（电子科技大学）

王京（清华大学）

李建东（西安电子科技大学）

5G技术丛书编审委员会

编审委员会主任

杨旸（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）

编审委员会委员

杨峰义（中国电信股份有限公司）

王映民（大唐电信科技产业集团）

陶小峰（北京邮电大学）

张钦宇（哈尔滨工业大学）

金石（东南大学）

季新生（解放军信息工程大学）

李云洲（清华大学）

葛晓虎（华中科技大学）

武刚（电子科技大学）

王海明（东南大学）

徐景（上海无线通信研究中心）

邬贺铨院士之序

电子工业出版社从我国大力推动第五代移动通信系统（IMT-2020，又称5G）研究的背景出发，通过充分调研和认真组织，策划出版“5G技术”丛书，以期及时总结、深入分析和充分反映我国在新的无线通信国际标准制定过程中的最新进展。丛书将按照5G关键技术和5G系统设计与应用两个层面分成两卷，“关键技术卷”各分册主要从理论和技术层面对5G关键候选技术进行具体详实的分析和介绍，“系统设计与应用卷”各分册主要从系统和应用层面对5G总体架构以及关键方法的评估和应用进行深入分析和描述，各分册的作者都是国内活跃在相关研究领域的优秀中青年科研工作者，具有较强的理论研究积累和实践经验，目前又都承担了与5G有关的国家重大专项和“863计划”等项目。很高兴看到这批优秀的中青年科研工作者在参与科研工作的同时，积极参加编写这套高新技术丛书。

从出版社和著作者提供的样书看出，丛书以及每本书的结构都是经过仔细斟酌的，逻辑清晰、内容全面、观点鲜明、创新性强，内容充分反映了我国在新一代移动通信国际标准探索和技术开发中的最新成果，可供国内外的同行参考，将促进我国对国际5G标准制定的贡献。相信本套丛书的出版发行，将会推动我国移动通信技术的自主创新和产业发展。

邬贺铨

2016年8月

刘韵洁院士之序

面向2020年及未来，移动通信技术和产业将迈入第五代移动通信（5G）的发展阶段。5G将满足人们的超高业务吞吐量、超高连接数密度、超高移动速度和超可靠低时延的广泛应用需求，大幅改善提升通信网络频谱效率、能量效率与成本效率，拓展移动通信产业的发展空间。更为重要的是，5G将渗透到物联网和传统产业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，全面实现“万物互联”，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。

在2016年7月15日，美国政府宣布推出4亿美元的先进无线研究计划（Advanced Wireless Research Initiative），由美国国家科学基金会牵头实施，将部署四个城市规模的5G实验测试平台，推动面向未来无线通信的基础理论和关键技术研究。我国工信部、发改委、科技部联合成立了“IMT-2020推进组”，汇聚产、学、研、用各方力量，引领规划和重点推动5G关键技术研发，充分支持我国优势电信企业和研究院所在新一代移动通信国际标准制定过程中掌控影响力和话语权。

随着5G研发和标准化工作的快速深入展开，急需一套全面论述5G基础理论、关键技术和应用架构的系列书籍，电子工业出版社提前预见这一技术发展趋势和重要产业需求，有效组织国家IMT-2020推进组、国家03科技重大专项和国家“863计划”5G前期研发项目等的主要承担单位和优秀科技工作者，成功策划了这套5G技术丛书，及时总结和深入分析了最新5G技术的理论基础、体系架构、系统设计、测试评估、应用实现等多个方面的最新进展和研发挑战，相信这套丛书的丰富理论成果和实践经验能够帮助和培养新一代移动通信科技工作者，有效推进和巩固我国在5G国际标准化进程中的领导地位。

刘韵洁

2016年9月

张乃通院士之序

移动通信的发展不仅深刻改变了人们的生活方式，且已成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。移动互联网关键技术和基础设施的发展是“中国制造2025”、“互联网+”战略的基础和保障。当前，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。为占领信息领域国际领先地位、掌握产业发展话语权，国家工信部、发改委、科技部成立“IMT-2020推进组”，组织我国产、学、研、用各方力量，推动5G技术研究，以期在新的无线通信国际标准制定中掌握话语权和主导权，推动技术创新发展战略，为自主可控的信息网络提供基础设施保障。目前，我国的5G研发工作已走在国际前列。

电子工业出版社以此为背景，提出5G技术丛书的出版计划，组织国家IMT-2020推进组的主要参与单位，承担或参与国家“863计划”5G系统研究开发先期研究重大项目的单位，选择在国家重大科技专项中承担5G相关项目研发工作的中青年科技工作者作为丛书编著团队，编著这套丛书。丛书分为两卷：

（1）“关键技术卷”，从理论和技术层面对5G关键技术进行全面深入的分析，系统总结近年来我国在面向IMT-2020（5G）研发方面所取得的进展。

（2）“系统设计与应用卷”，从系统应用层面对5G总体架构、传输性能评估和应用等方面进行阐述，具有系统创新特色和理论联系实际的效果，符合当前开展IMT-2020研究与工程的需求。

IMT-2020推进组当前为了更加广泛与深入的开展研发工作，急需一套从理论技术到应用的丛书，相信本套丛书的丰富内容和先进成果能够有效促进完成IMT-2020推进组的既定目标。

张乃通

2016年11月

尤肖虎教授之序

从2009年开始，全球掀起4G建设热潮，截至2015年底，全球4G用户数已达到10.5亿，中国4G用户数到达3.86亿，4G在网用户人均月度使用流量突破了200MB，运营商从原本以语音为主的运营，逐步转向以数据为主的流量运营，同时极大地激活了移动互联网。

2012年底，欧盟启动了全球首个5G研究项目METIS。2013年，国际电联正式启动了5G标准研究工作，开展5G需求、频谱及技术趋势的研究工作，计划2016年完成技术评估方法研究，2018年完成IMT-2020标准征集，2020年最终确定5G标准。 3GPP作为国际移动通信的标准化组织，于2015年确定了5G研究计划，2016～2017年完成5G技术方案研究阶段，2018～2019年完成5G技术规范制定。我国“863计划”于2014年启动了5G技术研究项目，系统研究5G领域的关键技术，包括无线网络架构、大规模天线、超密集无线网络、软基站试验平台、无线网络虚拟化、毫米波室内无线接入和评估与测试验证。与“863计划”5G相衔接，国家科技重大专项5G相关研发课题的目标是面向国际标准，鼓励我国产学研联合开展研发，由企业推动创新成果纳入IMT-2020国际标准中。进一步，我国已将“积极推进第五代移动通信（5G）和超宽带关键技术研究，启动5G商用”写入 “十三五”规划中。

5G的主要应用为移动宽带、物联网和工业互联网，旨在成为未来社会的信息基础设施。5G将引入新型传输技术提高频谱利用率和支持高频段使用；同时以网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）为主要手段，构建控制与转发分离和控制集中的网络架构，实现网络资源的灵活编排和部署；通过新型波形、新多址和新帧结构等技术，从而为海量物联网设备提供低功耗与深度覆盖，为工业无线通信等应用提供高可靠低时延的连接。

本套丛书内容涉及5G系统的最新理论研究成果和关键技术评估，具体包括5G网络架构、无线传输、超密集网络、大规模多天线、能效和频谱优化、仿真与测试等多个方面的研究成果和技术趋势，作者来自于电信运营商、设备研制企业和科研院所，内容和视角全面完整，注重理论分析与实际应用相结合，具有很好的时效性和参考价值。本丛书适合高等院校通信信息、电子工程及相关专业的高年级本科生和研究生，以及无线通信领域的专业工程技术人员。

尤肖虎

2016年9月

前言

移动通信网络在过去几十年中，取得了飞速的发展，从最初的模拟制式到数字制式，从2G GSM网络到3G的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，再到现在的4G LTE网络，改变了人们的生活方式，并促进了社会进步。随着应用需求的增加，人们对速率和通信方式的不断追求，未来5G移动通信网络技术将继续改变并影响人们对信息的需求。

移动通信技术的发展在给人们带来巨大便利和利益的同时，也使得整个信息通信技术产业的能耗以及运营成本急剧增加。为了提高信息通信技术产业的经济效益，降低运营成本，顺应全球绿色可持续发展的趋势，绿色通信这个概念近年来得到了国内外产业界和学术界的广泛认可，并成为5G移动通信技术发展的核心目标之一。在全球气候变暖的情况下，各行各业应该开展节能减排工作，以保护并改善我们赖以生存的自然环境，信息通信产业也不例外。5G绿色移动通信网络旨在满足人们对日益增长的信息需求的同时，不断提升通信网络能量效率，减少通信产业的能耗，以降低信息通信产业总体碳排放量。

本书共分为7章，涵盖绿色通信网络的概念、基础及应用。其中第1章为绪论篇，第2章至第5章为基础篇，第6

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