4G/B4G關鍵技術及系統（簡體書）

《4G/B4G關鍵技術及系統》從當前移動通信關鍵理論與技術出發，介紹了4G/B4G中涉及的從物理層到網絡層的主要關鍵技術。《4G/B4G關鍵技術及系統》主要內容包括當前主要移動通信系統的組網架構及頻率規劃，4G/B4G中涉及的數學問題，OFDM及MIMO，壓縮感知技術，組網技術及資源分配、接入控制、功率控制等資源管理技術，并對未來綠色無線通信網及其關鍵技術進行了介紹。《4G/B4G關鍵技術及系統》最後結合針對未來無線通信網絡的試驗系統與試驗網，對各項關鍵技術的實現方法進行了簡要介紹。《4G/B4G關鍵技術及系統》內容豐富，是一本理論、技術與應用實踐相結合的技術書籍，適合于從事移動通信相關方向科研與學習的高校師生及工程技術人員閱讀與參考。

陶小峰，北京郵電大學教授，博士生導師，斯坦福大學訪問教授，泛網無線通信教育部重點實驗室(北京郵電大學)副主任，北京郵電大學無線新技術研究所副所長。2009年“新世紀百千萬人才工程”國家級人選.2006年被原信息產業部詳為全國信息產業科技創新先進工作者，2005年入選“教育部新世紀優秀人才支持計劃”，2004年入選北京市科技新星人才培養計劃。2008年獲國家技術發明獎二等獎。2006年和2009年分別獲中國通信學會科學技術獎一等獎。
從事無線通信基礎理論的研究及實踐，在無線接入、瓤型網絡架構、第四代移動通信(4G)系統等領域取得了多項創新性成果。先後主持了國家“863”重大項目、國家自然科學基金重大項目子項目、國家科技重大專項、科技部中澳國際合作項目等10余項國家級項目。曾擔任“863”計劃通信技術主題“面向後三代／四代( B3G/4G)的移動通信發展研究計劃——未來通用無線環境研究計劃(簡稱FuTURE計劃)”TDD特別工作組組長，在行業專家等的指導支持下，帶領由多個參與院校組成的4GTDD特別工作組，于2006年10月成功開發出第一個4G TDD群小區——協同多點(CoMP)試驗網絡，支持122Mbit/s、同頻組網、切換、多基站多用戶多業務；其後于2009年將TDD的傳輸速率提升到lGbit/s，該項成果獲教育部2010年度中國高等學校十大科技進展。
《IEEE Communications Mag.》、《IEEE Transactions on VT.》、《中國科學》、《電子學報》審稿人：Globecom SPC程序委員會委員；ICC SPC委員會委員。SCI、El、ISTP檢索論文93篇，其中SCI論文10多篇。出版專著3部。申請發明專利54項，其中16項已授權，多項專利已實現向企業的成果轉讓，應用于實際產品的設計生產中；含申請者本人專利的8篇提案被國際標準化組織3GPP/3GPP2接納為標準。

《4G/B4G關鍵技術及系統》是“十一五”國家重點圖書出版規劃項目。

第1章　緒論　1
1.1　本書目標　1
1.2　新一代移動通信技術與系統　2
1.3　本書結構　3
參考文獻　5

第2章　當前移動通信技術及系統概述　7
2.1　頻率規劃　7
2.1.1　第三代移動通信的頻率規劃　7
2.1.2　LTE的頻率規劃　8
2.1.3　本節小結　9
2.2　當前的移動通信系統　10
2.2.1　3G移動通信系統概述　10
2.2.2　LTE系統概述　13
2.2.3　Wi-Fi、WiMAX系統　17
2.2.4　本節小結　20
2.3　當前主要移動通信技術　20
2.3.1　調制技術　20
2.3.2　信道編碼和交織技術　20
2.3.3　分集技術　22
2.3.4　本節小結　23
2.4　當前移動通信組網　23
2.4.1　3G組網　23
2.4.2　WiMAX、Wi-Fi組網　26
2.4.3　LTE組網　28
2.4.4　本節小結　30
2.5　當前4G研究計劃　30
2.5.1　其他國家和組織關于4G的研究計劃　31
2.5.2　中國4G研究計劃　31
2.5.3　本節小結　32
參考文獻　32

第3章　與本書相關的數學問題　35
3.1　信息論概述　35
3.1.1　熵、互信息　36
3.1.2　信道容量　38
3.1.3　離散信道的容量　38
3.1.4　連續信道的容量　39
3.1.5　網絡信息論　43
3.2　凸優化　50
3.2.1　最優化問題　50
3.2.2　約束優化問題的求解　50
3.2.3　凸優化有關概念的定義　53
3.2.4　凸優化　53
3.3　本章小結　53
參考文獻　54

第4章　4G的共性技術之一——OFDM　56
4.1　最早的多址技術　56
4.1.1　頻分多址　56
4.1.2　時分多址　57
4.1.3　碼分多址　57
4.2　CDMA多址之後的OFDMA　57
4.3　OFDM技術介紹　58
4.3.1　OFDM的發展歷史　58
4.3.2　OFDM的基本原理　58
4.3.3　OFDM技術的優缺點　62
4.4　OFDM同步　63
4.4.1　一般數字通信系統中的同步　63
4.4.2　OFDM通信系統中的同步要求　64
4.4.3　同步對OFDM系統的影響　65
4.4.4　OFDM系統的同步算法　67
4.5　OFDM信道估計　73
4.5.1　OFDM的系統模型　73
4.5.2　二維WIENER濾波的理論　74
4.5.3　在二維格上的導頻模式比較　75
4.5.4　時域和頻域抽樣率的研究　78
4.5.5　二維信道估計算法的改進　79
4.6　MIMO-OFDM的信道估計　80
4.6.1　MIMO技術與OFDM技術的結合　80
4.6.2　MIMO-OFDM系統模型　80
4.6.3　MIMO-OFDM中信道估計算法描述　81
4.7　MIMO-OFDM的信道估計DSP實踐　87
4.7.1　信道估計的DSP設計　87
4.7.2　信道估計的DSP實現　88
4.7.3　性能分析　94
4.8　本章小結　95
參考文獻　96

第5章　言必稱的MIMO　99
5.1　MIMO技術概論　99
5.1.1　MIMO系統模型　99
5.1.2　MIMO信道的靜態容量　100
5.1.3　典型的MIMO技術　101
5.2　空間復用技術　101
5.2.1　分層空時碼　101
5.2.2　預編碼技術　102
5.3　空間分集技術　104
5.3.1　空時格碼　104
5.3.2　空時分組碼　107
5.4　波束賦形技術　109
5.5　不同MIMO技術的結合　110
5.5.1　空間分集技術與波束賦形天線技術的結合(STBC-BF)　110
5.5.2　空間分集技術與空間復用技術的結合(STBC-SM)　110
5.6　MIMO檢測技術　111
5.6.1　硬判決輸出檢測算法　111
5.6.2　迭代MIMO接收機技術　113
5.6.3　MIMO檢測算法與聯合檢測　115
5.7　MIMO技術在3GPP LTE系統中的應用　120
5.7.1　空分復用預編碼　120
5.7.2　空間分集預編碼　123
5.7.3　多用戶MIMO技術　125
5.8　MIMO接收機在吉比特系統的實踐　126
5.8.1　算法的邏輯實現　127
5.8.2　算法的流水段設計　129
5.8.3　定點化方案　129
5.9　本章小結　130
參考文獻　131

第6章　壓縮感知　136
6.1　概述　137
6.2　離散域壓縮感知的介紹　137
6.2.1　信號的稀疏表達　137
6.2.2　測量矩陣的設計　137
6.2.3　恢復算法的設計　138
6.2.4　其他壓縮感知恢復算法　139
6.2.5　信號的稀疏表達、測量矩陣以及恢復算法之間的關系　144
6.3　模擬域的壓縮感知介紹　144
6.3.1　模擬信息轉換器　144
6.3.2　調制寬帶轉換器　146
6.3.3　其他方法　152
6.4　壓縮感知的應用　154
6.4.1　壓縮感知在頻譜檢測中的應用　154
6.4.2　壓縮感知在無線定位中的應用　155
6.5　對壓縮感知的擴展　156
6.6　當前壓縮感知研究中所遇到的挑戰　158
6.7　本章小結　160
參考文獻　160

第7章　組網技術　164
7.1　蜂窩網絡結構的發展與演進　164
7.2　群小區網絡架構　166
7.2.1　群小區概念　166
7.2.2　廣義分布式群小區　166
7.2.3　群小區與分布式天線技術　170
7.2.4　群小區與聯合發送技術　171
7.2.5　群小區與分層空時碼　171
7.2.6　群小區的容量　172
7.3　基于群小區架構的滑動切換　175
7.3.1　滑動切換定義　175
7.3.2　滑動切換模式　176
7.4　基于群小區架構的快速小區組選擇　178
7.5　基于群小區架構的協作多點傳輸技術　179
7.5.1　協作多點傳輸架構　179
7.5.2　CoMP應用場景　179
7.5.3　CoMP小區簇構建　181
7.6　本章小結　182
參考文獻　182

第8章　資源管理　185
8.1　資源管理策略面臨的挑戰　185
8.2　接入控制　186
8.2.1　最大效用準則接入控制方法　186
8.2.2　在群小區架構中的應用　190
8.2.3　性能分析　191
8.2.4　小結　194
8.3　資源分配　194
8.3.1　支持協作組網架構的資源分配策略　195
8.3.2　基于蟻群優化的資源分配策略　201
8.3.3　基于資源池概念的資源分配策略　208
8.4　功率控制　220
8.4.1　系統模型　221
8.4.2　納什均衡的存在性和唯一性　222
8.4.3　算法流程　227
8.4.4　性能評估　227
8.4.5　小結　229
8.5　本章小結　229
參考文獻　230

第9章　綠色無線通信　231
9.1　4G的危機　231
9.1.1　移動通信的演進　231
9.1.2　為什么需要綠色通信　232
9.1.3　能耗構成分析　234
9.2　綠色無線通信網　235
9.2.1　綠色無線通信網概述　235
9.2.2　綠色無線通信網目標　236
9.2.3　綠色無線通信的指標　236
9.3　綠色無線通信關鍵技術　237
9.3.1　協作分布式網絡架構　237
9.3.2　無線傳輸及組網技術　238
9.3.3　認知無線網絡　239
9.3.4　綠色小區設計　240
9.4　綠色基站子系統　246
9.4.1　空調節能　246
9.4.2　電源節能　248
9.4.3　建筑節能　249
9.4.4　數據設備節能　249
9.4.5　網絡規劃與設計節能　250
9.5　自組織通信網　251
9.5.1　設計原則　252
9.5.2　跨層設計　253
9.6　綠色無線通信　253
9.7　本章小結　255
參考文獻　255

第10章　FuTURE 4G TDD系統實踐　257
10.1　FuTURE 4G TDD系統設計指標　257
10.2　FuTURE 4G TDD系統的總體架構　257
10.2.1　試驗系統總體結構　258
10.2.2　試驗系統規模　258
10.2.3　演示業務　259
10.2.4　雙工和多址方式　259
10.2.5　系統參數　259
10.3　FuTURE 4G TDD組網結構——群小區架構　260
10.3.1　群小區扁平接入網架構　260
10.3.2　控制平面與數據平面的分離　261
10.3.3　接入網實體　261
10.4　FuTURE 4G TDD系統幀結構　262
10.5　FuTURE 4G TDD系統上行鏈路設計　263
10.5.1　上行傳輸方案鏈路　263
10.5.2　上行MIMO信號處理算法　264
10.5.3　同步算法　265
10.5.4　信道估計算法分析　266
10.5.5　聯合檢測算法分析　266
10.6　FuTURE 4G TDD系統下行鏈路設計　266
10.6.1　多址方案　266
10.6.2　鏈路結構　267
10.6.3　關鍵模塊結構及基本參數　267
10.7　FuTURE 4G TDD系統信道編解碼　272
10.7.1　編碼設計方案　272
10.7.2　譯碼設計方案　273
10.8　FuTURE 4G TDD系統全鏈路性能仿真結果　275
10.9　FuTURE 4G TDD系統MAC層設計　276
10.9.1　無線空中接口協議結構　276
10.9.2　數據鏈路層協議結構及各子層功能概述　276
10.9.3　RLC子層設計　277
10.9.4　MAC子層設計　278
10.9.5　自適應鏈路控制物理層　280
10.10　無線資源管理模塊概述　281
10.10.1　QoS管理　282
10.10.2　接納控制　283
10.10.3　動態資源分配　284
10.10.4　RRC功能　286
10.10.5　切換　287
10.11　本章小結　288
參考文獻　289
縮略語　290

在當前的數據業務系統、支撐系統和數據中心的應用中，存在系統配置冗余度較高、系統效率不高等問題，同時，數據設備集成度高、能耗高，因而對空調的配置要求更高。而若放置數據設備的機房設置不當，很可能形成熱島，影響設備正常運行。因此應針對數據設備的特點，合理優化空調設計和數據設備配置。
下面列舉較為實用的數據設備節能技術。
（1）刀片式服務器。刀片式服務器是一種高可用性、高密度的低成本服務平臺，其每一刀片類似于獨立的服務器。這種方法可以有效節約空間資源和電能，使用時需避免熱島。
（2）分層存儲技術。分層存儲技術是將不常用的數據從高成、本高容量的FC盤，轉移到低負載循環高容量的FATA盤上，減少磁盤數，提高能源效率。’
（3）虛擬機技術。虛擬機是通過軟件模擬的、具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統。采用虛擬機技術，可對現有業務平臺及支撐系統加以整合，提高系統利用率，減少設備數量，降低系統功耗。
此外，采用數字預失真技術，可以提高功率及功放的線性特性，減少基站的發熱量。功放穩定性增強、集成度增加，并且支持更寬的信號頻帶，配合高集成度的射頻器件，這為基站收發信機實現多載頻技術創造了條件。基站功能模塊變得更小，也使得多載頻功放的實現成為可能。采用高集成度的設計和低功耗的芯片，能夠降低基站的占用空間，減少機柜數量。9.4.5 網絡規劃與設計節能在網絡規劃和設計中，應綜合考慮基站新技術和成熟程度，做到在滿足網絡覆蓋、業務需求的情況下，減少基站數量，降低基站發射功率。通過網絡優化可以提高網絡資源的利用率，提高業務服務質量。因此合理的網絡優化可以降低基站數量，降低設備發射功率，提高設備利用率，從而達到降低基站能耗的目的。下面將主要對無線通信領域新提出的無線云計算技術進行闡述，該技術的應用將有助于無線通信能耗的降低和綠色無線通信的實現。
分布式計算技術，也即云計算技術，是一項正在興起中的技術，其最基本的概念，是通過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統，經搜尋、計算分析之後將處理結果回傳給用戶。通過這項技術，網絡服務提供者可以在數秒之內，達成處理數以千萬計甚至億計的信息。
在移動通信中，受限于體積和便攜性的要求，移動設備的處理、運算和存儲能力具有較大的瓶頸，但云計算的概念為此提供了新的信息處理方式。利用遠端的“云”，可以進行高速的數掘處理過程。而在互聯網與通信網高速融合的同時，云計算不再是一種單純的計算模式，而是一種服務模式。在該架構下，形成一個巨大的“無線網絡云”，其關鍵技術主要包括軟件無線電技術（SDR）、射頻拉遠技術以及云計算。