5G权威指南 信号处理算法及实现PDF电子书下载

第一部分 5G的调制、编码和波形图 2

第1章 5G网络的调制和波形简介 2

1.1 动因和背景 2

1.1.1 LTE解决方案：OFDM和SC-FDMA 4

1.2 新型调制技术：FBMC、GFDM、BFDM、UFMC和TFP 5

1.2.1 滤波器组多载波技术 5

1.2.2 广义频分复用技术 7

1.2.3 双正交频分复用技术 9

1.2.4 通用滤波多载波技术 10

1.2.5 时频打包技术 11

1.2.6 单载波方案 13

1.3 波形选择 14

1.4 总结与结束语 15

第2章 5G通信中的超奈奎斯特传输 18

2.1 FTN信号简介 18

2.1.1 FTN的定义：源自信号检测理论的FTN 19

2.1.2 FTN的香农极限 23

2.1.3 小结 24

2.2 时域FTN：接收器和性能 24

2.2.1 BCJR算法和迭代解码 24

2.2.2 二进制编码FTN的性能 27

2.2.3 四进制编码FTN 28

2.2.4 小结 31

2.3 频域FTN信号 31

2.3.1 频域FTN的定义 32

2.3.2 频率FTN的实现 34

2.3.3 小结 34

2.4 总结 35

第3章 从OFDM到FBMC：原理与对比 36

3.1 引言 36

3.2 滤波器组 37

3.2.1 合成滤波器 37

3.2.2 分析滤波器 38

3.3 多相实现 40

3.4 OFDM 42

3.4.1 循环前缀 43

3.4.2 保护频带 46

3.5 FBMC 46

3.6 FBMC和滤波OFDM的比较 48

3.6.1 旁瓣抑制的古典方法 48

3.6.2 性能 49

3.6.3 复杂度 49

3.7 总结 50

第4章 用于大规模MIMO的滤波器组多载波 52

4.1 大规模MIMO中的系统模型和FBMC公式 53

4.1.1 大规模MIMO中的多相CMT 53

4.1.2 大规模MIMO中的扩频CMT 55

4.2 大规模MIMO中FBMC的自均衡特性 57

4.2.1 多相CMT在大规模MIMO信道中的数值研究 58

4.2.2 扩频CMT在大规模MIMO信道中的数值研究 60

4.3 与OFDM的比较 62

4.4 盲平衡和导频去污 62

4.4.1 仿真结果 65

4.5 总结 67

第5章 带宽压缩多载波通信：SEFDM 69

5.1 引言 69

5.2 SEFDM基础 71

5.2.1 SEFDM的原理 71

5.2.2 SEFDM信号的生成 72

5.2.3 SEFDM信号的检测 74

5.3 块SEFDM 74

5.3.1 块SEFDM的原理 75

5.3.2 两级信号检测 75

5.4 Turbo-SEFDM 78

5.4.1 Turbo-SEFDM的原理 79

5.4.2 软检测 80

5.5 实际条件和实验论证 82

5.5.1 信道估计 82

5.5.2 实验论证 84

5.6 总结 87

第6章 非正交多用户叠加和共享接入 90

6.1 引言 90

6.2 非正交多用户接入的基本原理和特性 90

6.2.1 提高频谱效率的非正交多用户叠加 91

6.2.2 大规模连接的非正交多用户接入 93

6.3 下行非正交多用户传输 93

6.3.1 无格雷映射的直接叠加 93

6.3.2 格雷映射叠加 94

6.4 上行链路非正交多用户接入 101

6.4.1 LDS-CDMA/OFDM 101

6.4.2 SCMA 102

6.4.3 MUSA 104

6.4.4 PDMA 108

6.5 总结和未来工作 110

第7章 非正交多址接入（NOMA）：概念和设计 113

7.1 引言 113

7.2 概念 114

7.2.1 下行链路NOMA 114

7.2.2 上行链路NOMA 116

7.3 效益和动机 117

7.4 接口设计 118

7.4.1 下行链路NOMA 118

7.4.2 上行链路NOMA 119

7.5 MIMO支持 120

7.5.1 下行链路NOMA 120

7.5.2 上行链路NOMA 123

7.6 性能评估 124

7.6.1 下行链路NOMA 124

7.6.2 上行链路NOMA 129

7.7 总结 132

第8章 主要5G波形的候选：概述和比较 134

8.1 为什么我们需要新的波形 134

8.2 主要多载波调制的候选 135

8.2.1 CP-OFDM调制 135

8.2.2 使用线性卷积的子载波滤波MCM 136

8.2.3 使用循环卷积的子载波滤波MCM 137

8.2.4 子带滤波MCM 140

8.3 定性对比 141

8.3.1 频谱效率 141

8.3.2 尾部问题 142

8.3.3 频谱限制 143

8.3.4 移动性 143

8.3.5 时延 143

8.3.6 调制解调器复杂度 144

8.3.7 与LTE的兼容性 145

8.4 总结 145

缩略语列表 146

第二部分 5G空间信号处理新技术 152

第9章 5G大规模MIMO：原理、实现和原型设计 152

9.1 引言 152

9.2 大规模天线技术原理 154

9.2.1 下行链路 154

9.2.2 线性的预编码方案 154

9.2.3 上行链路 155

9.2.4 线性检测方法 156

9.2.5 信道估计 156

9.3 大规模天线信道 157

9.3.1 已有的传统MIMO模型 158

9.3.2 必要的模型扩展 159

9.3.3 基于COST 2100信道模型的大规模天线信道模型扩展 160

9.4 大规模MIMO技术的实现 161

9.4.1 天线和模拟前端 161

9.4.2 基带处理 164

9.4.3 原型 167

9.4.4 部署场景 168

9.5 测试床设计 169

9.5.1 分层概述 170

9.5.2 数据流输入输出速率 173

9.5.3 结构和功能划分 173

9.5.4 天线阵列 175

9.5.5 LuMaMi测试床的机械结构和电器特性 177

9.6 同步 177

9.6.1 同步的类型 178

9.7 未来的挑战和总结 180

致谢 180

第10章 毫米波MIMO发射接收机：原理，设计，实施部署 183

10.1 引言 183

10.1.1 毫米波MIMO技术：背景和展望 184

10.1.2 组织结构 185

10.2 毫米波MIMO发射接收机结构的概述 185

10.3 点对点单用户系统 187

10.3.1 采样MIMO系统表征 187

10.3.2 波束域MIMO系统表现 187

10.3.3 信道模型 188

10.3.4 波束选择：低维波束域MIMO信道 189

10.3.5 最优的发射接收机 190

10.3.6 波束域MIMO发射接收机 191

10.3.7 数值结果 192

10.4 点对多点多用户系统 192

10.4.1 信道模型 192

10.4.2 波束域系统模型 193

10.4.3 波束选择：低维信道 193

10.4.4 多用户波束域MIMO预编码器 194

10.4.5 结果分析 194

10.5 扩展 197

10.6 总结 198

第11章 3D传播信道：建模和测量 202

11.1 引言 202

11.1.1 全维度MIMO 202

11.1.2 基本信道描述 203

11.2 测量技术 204

11.2.1 基本信道测量技术 204

11.2.2 MIMO探测器 204

11.2.3 参数提取技术 206

11.2.4 射线追踪 206

11.3 传播效应 207

11.3.1 城市宏基站 207

11.3.2 室外到室内 207

11.4 测量结果 209

11.4.1 MS侧的角度扩展 209

11.4.2 基站侧的角度扩展 210

11.5 信道模型 211

11.5.1 基本建模方法 211

11.5.2 常规的和非常规的GSCM 212

11.5.3 3GPP信道模型 212

11.6 总结和开放问题 213

致谢 213

免责声明 213

第12章 大规模阵列3D-MIMO：理论、实现和测试 217

12.1 简介 217

12.2 大规模天线3D-MIMO的应用场景 218

12.2.1 宏蜂窝和微蜂窝场景 219

12.2.2 高层建筑场景 219

12.2.3 室内场景 219

12.3 基于当前标准化的技术获取3D-MIMO增益 220

12.3.1 系统模型 220

12.3.2 3D-MIMO TDD系统的上行反馈 221

12.3.3 用于下行预编码的上行信道估计 222

12.3.4 3D-MIMO TDD系统的下行预编码 222

12.3.5 BS利用CQI和信道互易性在BS侧进行MCS计算 223

12.4 系统级仿真评估 224

12.4.1 仿真假设 224

12.4.2 大规模天线3D MIMO的性能 226

12.4.3 不同天线结构的性能比较 227

12.5 大规模天线3D-MIMO外场测试 228

12.5.1 暗室中的性能测试 228

12.5.2 典型城市微小区场景和高层建筑场景下的外场试验 229

12.6 大规模天线3D-MIMO：从理论到实现 232

12.6.1 有源天线（AAS）：大规模天线3D-MIMO商用化的关键 232

12.6.2 AAS中收发机到天线阵子的映射 232

12.7 总结 233

第13章 基于轨道角动量的无线通信：设计与实现 235

13.1 携带OAM的电磁波 235

13.2 OAM在RF通信中的应用 236

13.3 OAM波束的生成、复用和检测 237

13.3.1 OAM波束的生成和检测 237

13.3.2 OAM波束的复用和解复用 239

13.4 采用OAM复用的无线通信 240

13.4.1 采用高斯和OAM波束进行无线通信 240

13.4.2 采用OAM和极化复用进行32Gbits的毫米波通信 240

13.4.3 传统空分复用和OAM复用通过MIMO处理相结合实现16Gbit/s的毫米波通信 241

13.4.4 OAM信道的多径效应 245

13.4.5 基于贝塞尔波束的OAM通信 247

13.5 总结和展望 249

第三部分 5G频谱新机遇 254

第14章 面向5G的毫米波：从理论到实践 254

14.1 引言 254

14.2 构建毫米波概念验证系统 254

14.3 毫米波原型系统的理想特性 255

14.3.1 射频前端要求 256

14.3.2 射频前端的实时控制 256

14.3.3 转换器的要求 257

14.3.4 分布式多处理器控制和基带信号处理要求 257

14.4 毫米波蜂窝网络概念验证系统 259

14.4.1 空口描述 259

14.4.2 PoC系统架构 263

14.4.3 示例：高速并行信号处理FFT 269

14.4.4 示例：高吞吐量编码体系结构 271

14.4.5 毫米波PoC系统的MIMO扩展 273

14.4.6 实验结果 276

14.5 总结 279

第15章 5G毫米波通信信道和技术概述 280

15.1 引言 280

15.2 毫米波信道特性 280

15.3 5G毫米波信道模型的需求 282

15.4 用于5G的毫米波信道模型 283

15.4.1 增强型空间信道模型（SCM） 283

15.4.2 基于射线传播的统计模型 286

15.5 毫米波频段5G无线接入技术的信号处理 290

15.5.1 波束采集和信道估计 290

15.5.2 协作通信和干扰处理 292

15.6 总结 293

第16章 全双工传输的一般原理和基本算法 295

16.1 引言 295

16.2 自干扰：基本分析和模型 297

16.3 SIC技术和算法 298

16.3.1 SIC的要求 298

16.3.2 SIC的技术类别 300

16.3.3 传播域中的被动抑制技术 300

16.3.4 模拟域中的有源SIC 302

16.3.5 数字域中的有源SIC 303

16.3.6 辅助链SIC 304

16.4 硬件损耗和实施挑战 305

16.4.1 非线性SIC 306

16.4.2 IQ失衡 307

16.4.3 相位噪声 310

16.5 全双工MIMO系统概览 311

16.5.1 天线技术 311

16.5.2 在模拟域中消除 312

16.5.3 在数字域中消除 312

16.5.4 用辅助发射机消除 313

16.6 总结和展望 314

第17章 全双工收发器的设计与实现 319

17.1 研究挑战 321

17.1.1 无源隔离和有源消除 321

17.1.2 射频缺陷问题 322

17.2 天线设计 324

17.3 射频自干扰消除方法 326

17.4 数字自干扰消除算法 327

17.4.1 信号模型 327

17.4.2 基本原理 328

17.4.3 空间抑制 328

17.4.4 线性消除 329

17.4.5 非线性消除 331

17.4.6 自适应的处理和基于块的处理 335

17.5 示例 336

17.6 总结 337

致谢 338

第四部分 5G的新型系统级使能技术 342

第18章 C-RAN：上行链路信道估计与下行链路预编码 342

18.1 引言 342

18.2 技术背景 342

18.2.1 C-RAN中信号处理面临的挑战 343

18.2.2 章节概述 344

18.3 上行链路：在何处执行信道估计？ 344

18.3.1 系统模型 344

18.3.2 传统方法 346

18.3.3 远端无线射频单元的信道估计 347

18.3.4 数值结果 349

18.4 下行链路：在何处执行信道编码和预编码？ 350

18.4.1 系统模型 351

18.4.2 传统方法 352

18.4.3 远端无线射频单元的信道预编码 356

18.4.4 数值结果 359

18.5 总结 361

第19章 5G D2D通信基于能量效率的资源分配 364

19.1 引言 364

19.2 信号模型 365

19.2.1 I2D通信 366

19.2.2 D2D通信 367

19.3 资源分配 368

19.4 分式规划 369

19.4.1 广义凹问题 369

19.5 算法 372

19.5.1 Dinkelbach算法 372

19.5.2 Charnes-Cooper变换法 374

19.6 序列分式规划 375

19.7 系统优化 376

19.8 数值结果 380

19.9 总结 383

第20章 超密集网络：总体介绍与设计概述 386

20.1 引言 386

20.1.1 应用场景 387

20.1.2 挑战 387

20.1.3 关键技术 388

20.2 干扰管理 388

20.2.1 网络协作 388

20.2.2 先进的接收器 392

20.3 移动管理 394

20.3.1 双重连接 394

20.3.2 虚拟蜂窝 395

20.3.3 虚拟层 395

20.3.4 移动锚点 396

20.3.5 切换命令分集 397

20.4 架构与回传 397

20.5 5G UDN中的其他问题 401

20.6 总结 402

第21章 无线资源管理和5G网络优化 405

21.1 引言 405

21.2 研究背景 406

21.2.1 无线资源管理所面临的挑战 406

21.2.2 集中式无线资源管理所运用的优化工具 407

21.3 单天线协同超密网络的最优策略 408

21.3.1 系统模型 408

21.3.2 用户联合与调度 409

21.3.3 用户联合、调度和功率分配 412

21.3.4 数值仿真结果 414

21.4 多天线协作与合作超密集组网中的优化策略 417

21.4.1 系统模型 417

21.4.2 基于用户联合的预编码器设计 418

21.4.3 回传受约束的预编码设计与用户联合的联合 420

21.4.4 数值仿真结果 421

21.5 总结和未来的研究方向 423

致谢 423

第五部分 参考设计和5G标准的发展 428

第22章 5G中的全双工无线电：基础、设计和原型实验 428

22.1 引言 428

22.2 自干扰 429

22.3 模拟自干扰消除 430

22.3.1 模拟被动自干扰消除：隔离 430

22.3.2 模拟的主动自干扰消除 432

22.4 数字自干扰消除 434

22.4.1 线性分量 434

22.4.2 非线性分量 435

22.4.3 辅助的接收链路 436

22.5 全双工无线电的原型设计 436

22.5.1 硬件结构 437

22.5.2 使用SDR的全双工无线电实现 439

22.6 总体性能评估 443

22.7 总结 444

第23章 5G标准的发展：技术和路线图 446

23.1 引言 446

23.2 4G到5G的标准路线 446

23.3 5G蜂窝通信标准的准备 452

23.4 总结 455

中英文对照与索引 457