本書重點對5G無綫係統的五大關鍵技術――大規模天綫、新型多址技術、新型波形、毫米波通信、軌道角動量復用進行瞭詳細介紹，並對其性能進行對比分析，使讀者對5G無綫網絡關鍵技術有更直接、更具體、更全麵的認識。首先對5G網絡進行簡要介紹，讓讀者對5G係統的需求有個基本瞭解，然後對大規模天綫、新型多址技術、新型波形技術、毫米波通信、軌道角動量復用技術進行瞭詳細介紹，並對其性能進行瞭對比分析。

作者簡介

　　趙紹剛：博士，2000年9月至2002年4月，研究生期間實驗室與大唐閤作從事WCDMA NodeB的研發；2005年7月至今，中國移動通信集團公司網絡部。

第1章　5G簡介：無綫網關鍵技術 1
1．1 為什麼需要5G 1
1．2 什麼是5G 6
1．3 5G的應用 8
1．4 5G標準化 9
1．5 5G的挑戰 10
1．6 5G網絡關鍵技術 12
1．6．1 大規模天綫陣列（Massive MIMO）技術 14
1．6．2 新型多址技術 15
1．6．3 新型波形技術 17
1．6．4 全頻譜接入：毫米波技術 19
1．6．5 基於軌道角度動量的傳輸技術 20
1．7 小結 21
參考文獻 21
第2章　大規模天綫陣列係統 23
2．1 大MIMO係統的優勢 24
2．2 大維度下的信道硬化 25
2．3 技術挑戰和解決方法 28
2．3．1 獨立空間維度的有效性 28
2．3．2 大量天綫和RF鏈路的放置 29
2．3．3 低復雜度的大MIMO信號處理 30
2．3．4 多小區操作 32
參考文獻 33
第3章　大MIMO係統的編碼與檢測 34
3．1 空間復用 35
3．2 空時編碼 36
3．2．1 空時分組碼 37
3．2．2 高碼率NO-STBC 39
3．2．3 基於循環可除代數（Cyclic Division Algebras，CDA）的
NO-STBC 39
3．3 空間調製 41
3．3．1 SM機製 41
3．3．2 SSK 42
3．3．3 GSM 43
3．4 大MIMO係統信號檢測 48
3．5 係統模型 51
3．6 最優檢測 52
3．7 綫性檢測 53
3．7．1 MF檢測器 53
3．7．2 ZF檢測器 54
3．7．3 MMSE檢測器 55
3．8 乾擾抵消 56
3．8．1 V-BLAST檢測器 56
3．9 LR輔助的綫性檢測 58
3．9．1 LR輔助的檢測 58
3．9．2 SA算法 59
3．10 球譯碼 64
3．10．1 算法 65
參考文獻 69
第4章　大MIMO係統信道模型 70
4．1 分析信道模型 71
4．1．1 基於空間相關的信道模型 71
4．1．2 基於傳播的信道模型 75
4．2 空間相關對大MIMO性能的影響 79
4．2．1 針孔效應 81
4．2．2 空間相關對局部搜索檢測器性能的影響 81
4．3 信道模型標準化 84
4．3．1 IEEE 802．11 WiFi模型 86
4．3．2 3GPP LTE模型 87
4．4 大MIMO係統測量活動 89
4．4．1 12×15MIMO室內測量 89
4．4．2 16×16MIMO都市室外測量 90
4．4．3 32×64室內測量 91
4．4．4 16×16室內測量 91
4．4．5 16×32室內測量 91
4．4．6 24×24和36×36MIMO立方體 92
4．4．7 8×16室外到室內測量 93
4．4．8 128天綫陣列的測量 94
4．5 緊湊天綫陣列 95
4．5．1 PIFA 96
4．5．2 PIFA作為陣元的緊湊天綫陣列 98
4．5．3 MIMO立方體 98
參考文獻 100
第5章　非正交多用戶疊加與共享多址技術 101
5．1 引言 101
5．2 非正交多用戶多址技術的基本原理和特徵 102
5．2．1 非正交多用戶疊加改善頻譜效率 102
5．2．2 非正交多用戶多址技術支持大連接 105
5．3 下行非正交多用戶傳輸 107
5．3．1 無Gray映射的直接疊加 107
5．3．2 具有Gray映射的疊加 108
5．4 上行非正交多址技術 117
5．4．1 LDS-CDMA/OFDM 118
5．4．2 SCMA 119
5．4．3 MUSA 122
5．4．4 PDMA 129
參考文獻 131
第6章　非正交多址（NOMA）概念與設計 133
6．1 引言 133
6．2 NOMA概念 134
6．2．1 下行NOMA 134
6．2．2 上行NOMA 137
6．3 NOMA優勢和驅動力 139
6．4 NOMA接口設計 140
6．4．1 下行NOMA 140
6．4．2 上行NOMA 142
6．5 對MIMO的支持 145
6．5．1 下行NOMA 145
6．5．2 上行NOMA 148
6．6 NOMA性能評估 150
6．6．1 下行NOMA 150
6．6．2 上行NOMA 157
6．7 小結 162
參考文獻 163
第7章　5G中的新波形技術 165
7．1 新波形 165
7．1．1 濾波器組多載波（Filter Bank Multi Carrier，FBMC） 166
7．1．2 通用濾波多載波（Universal Filtered Multi Carrier，UFMC） 174
7．1．3 通用頻分復用（Generalized Frequency-Division
Multiplexing，GFDM） 177
7．1．4 濾波OFDM（Filtered OFDM，f-OFDM） 181
7．2 新調製 183
7．2．1 頻率正交幅度調製（Frequency and Quadrature
Amplitude Modulation，FQAM） 184
7．3 超奈奎斯特通信（Faster Than Nyquist，FTN） 185
7．4 無綫完全雙工技術 189
參考文獻 191
第8章　靈活支持5G物理層的新波形：GFDM 192
8．1 5G應用場景對靈活波形的需求 194
8．1．1 比特管道通信 195
8．1．2 物聯網（Internet of Things，IoT） 196
8．1．3 觸摸因特網 196
8．1．4 無綫區域網（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的矩陣錶示 200
8．2．3 連續乾擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC） 205
8．2．4 使用Zak變換的接收濾波器設計 206
8．2．5 低OOB輻射的解決方案 210
8．2．6 GFDM符號差錯率性能分析 214
8．3 GFDM的偏置QAM 221
8．3．1 時域OQAM-GFDM 222
8．3．2 頻域OQAM-GFDM 225
8．4 使用預編碼的增強靈活性 226
8．4．1 每個子載波的GFDM處理 226
8．4．2 每個子符號的GFDM處理 228
8．4．3 GFDM的預編碼 229
8．5 GFDM的發射分集 233
8．5．1 時間反嚮STC-GFDM 234
8．5．2 全麵綫性均衡器（Widely Linear Equalizer，WLE）
STC-GFDM 240
8．6 支持LTE資源柵格的GFDM參數化 246
8．6．1 LTE時頻資源柵格 246
8．6．2 支持LTE時頻柵格的GFDM參數 247
8．6．3 GFDM信號與LTE信號的共存 249
8．7 GFDM作為框架支持各種波形 250
8．8 小結 255
參考文獻 255
第9章　基於毫米波通信的網絡架構、模型和性能 257
9．1 引言 257
9．2 頻譜 258
9．3 波束跟蹤 261
9．4 具有角度變量的信道模型 263
9．5 UAB網絡架構 268
9．5．1 以負荷為中心的迴傳（Load-Centric Backhauling，LCB） 269
9．5．2 多頻傳輸架構 272
9．6 係統容量 273
9．6．1 MIMO預編碼 273
9．6．2 性能評估 275
參考文獻 276
第10章　毫米波無綫傳播特徵 278
10．1 引言 278
10．2 傳播特性 279
10．2．1 高方嚮性 279
10．2．2 噪聲受限的無綫係統 281
10．3 傳播模型和參數 283
10．3．1 路徑衰耗模型 283
10．3．2 毫米波特定衰耗因子 285
10．4 鏈路預算分析 288
10．4．1 基於香農容量的計算 288
10．4．2 60GHz毫米波基於IEEE 802．11ad基帶參數的計算 289
10．5 小結 295
參考文獻 295
第11章　室外環境毫米波通信特徵 297
11．1 引言 297
11．2 毫米波信道特徵 299
11．2．1 自由空間傳播 300
11．2．2 大尺度衰落 301
11．2．3 小尺度衰落 308
11．2．4 車載環境下的毫米波特性 310
11．3 毫米波傳播模型 312
11．3．1 基於幾何的隨機信道模型 312
11．3．2 封閉自由空間參考路徑衰耗模型 313
11．3．3 射綫跟蹤仿真模型 316
參考文獻 316
第12章　基於軌道角度動量（OAM）的無綫通信 318
12．1 承載OAM的EM波 318
12．2 OAM到RF通信的應用 320
12．3 OAM波束的産生、復用和檢測 322
12．3．1 OAM波束的産生和檢測 322
12．3．2 OAM波束的復用和解復用 324
12．4 使用OAM復用的無綫通信 326
12．4．1 使用高斯波束和OAM波束的無綫通信 326
12．4．2 使用OAM和極化復用的32Gb/s毫米波通信 326
12．4．3 空間復用和OAM復用組閤的16Gb/s毫米波通信 328
12．4．4 OMA信道的多徑效應 332
12．4．5 基於貝塞爾波束的OAM通信 338
參考文獻 341

前言/序言

IMT－2020（5G）推進組於2015年發布《5G概念白皮書》，明確瞭未來移動互聯網和物聯網的業務需求，提齣5G將重點支持連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠4個主要技術場景，為實現上述業務需求就必須采用嶄新的無綫空口技術。這些關鍵無綫技術包括：大規模天綫陣列、新型多址、新型波形、全頻譜接入和基於軌道角動量無綫傳輸等，通過新空口來實現幾十甚至上百吉位每秒（Gb/s）用戶體驗速率及萬用戶量級的小區用戶數。

本書寫作的目的是為瞭讓從事移動通信的專業技術人員和相關專業的高校學生對5G無綫網絡的關鍵技術有一個比較詳細、全麵的瞭解。本書首先對5G網絡進行簡要的介紹，讓讀者對5G係統的需求有個基本瞭解。之後重點、詳細介紹5G無綫網絡中關鍵的技術：大規模天綫陣列、新型多址、新型波形、全頻譜接入和基於軌道角動量的無綫傳輸技術。內容不僅包括各種無綫關鍵技術的基本原理和技術特徵，同時還對這些技術的性能進行瞭仿真和對比分析。

這些內容不僅對從事TD-LTE網絡維護的工程技術人員有積極的指導意義，同時對高校的師生、設計研發人員有很好的參考意義。

全書共12章。

第1章簡要對5G係統進行介紹，包括5G的基本需求、挑戰、5G無綫關鍵技術等。

第2章對大MIMO係統進行總體介紹，包括大MIMO的機遇、大維度下的信道硬化、實現的技術挑戰和解決方法。

第3章對大MIMO係統的編碼與檢測進行詳細介紹，包括空間復用、空時編碼、MIMO檢測等。

第4章對大MIMO信道模型進行詳細介紹，包括分析信道模型、空間相關對大MIMO性能的影響、信道模型標準化、早期對大MIMO的測量等，最後還對緊湊大天綫陣列進行瞭介紹。

第5章對非正交多用戶疊加與共享多址技術進行介紹，包括非正交多用戶多址技術的基本原理和特徵、下行非正交多用戶傳輸、上行非正交多址技術等。

第6章對非正交多址的概念和設計進行介紹，包括NOMA概念、上/下行NOMA與OAM的比較、NOMA的優勢、NOMA的設計原則，最後對上/下行NOMA的性能進行評估。

第7章對5G新波形技術進行瞭介紹，包括5G中的新波形：FBMC、UFMC、GFDM和f-OFDM、FTN和新調製技術等。

第8章對靈活支持5G物理層的新波形GFDM進行介紹，包括5G應用場景對靈活波形的需求、GFDM原理和性能、GFDM的偏置QAM調製、預編碼對靈活性的支持、GFDM的發射分集、支持LTE資源柵格的GFDM參數化等。

第9章對基於毫米波通信的網絡架構、模型和性能進行介紹，包括無綫頻譜、波束跟蹤、具有角度變量的信道模型、UAB網絡架構、係統容量等。

第10章對毫米波無綫傳播特徵進行介紹，包括其無綫傳播特徵、傳播模型和參數、鏈路預算分析等。