5G NR物理层技术详解 原理、模型和组件

随着移动通信技术的持续演进，我们已经进入5G时代。在这个万物互联的时代，5G为各行各业和五花八门的应用提供了有力的技术支撑，也为层出不穷的新创意铺设了良好的技术基础。
物理层是任何通信技术的核心，其结构和设计决定了频谱效率、调度方式和网络性能。这是第一本全面介绍5G物理层的专业书籍，本书的作者都是在无线通信研究和标准化领域深耕多年的专家，书中通过对波形、调制、参数集、信道编码和多天线方案的详细阐述，给读者展现了一幅5G物理层的全景视图。本书还对5G物理层技术背后的成因以及无线电波传播和硬件损伤在高频下建模的重要性进行了详细说明。对于从事无线通信系统研发的人员和相关专业的高校学生，本书都具有极高的参考价值。

 

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译者序
致谢
第1章 绪论：5G无线接入 1
1.1 移动通信的演进 2
1.2 5G新的无线接入技术 3
1.3 5G NR全景视图 4
1.3.1 5G标准化 4
1.3.2 5G频谱 6
1.3.3 5G用例 9
1.3.4 5G外场试验 9
1.3.5 5G商用部署 13
1.4 本书预览 15
参考文献 17
第2章 NR物理层概述 19
2.1 无线协议架构 20
2.2 NR物理层：关键技术 21
2.2.1 调制 21
2.2.2 波形 21
2.2.3 多天线 22
2.2.4 信道编码 23
2.3 物理时频资源 23
2.4 物理信道 25
2.5 物理信号 25
2.6 双工机制 27
2.7 帧结构 28
2.8 物理层过程和测量 30
2.9 物理层的挑战 30
2.9.1 传播相关的挑战 30
2.9.2 硬件相关的挑战 31
参考文献 32
第3章 传播和信道建模 33
3.1 传播的基本原理 33
3.1.1 电磁波 34
3.1.2 自由空间传播 34
3.1.3 散射和吸收 37
3.2 传播信道特性 37
3.2.1 频率–时延域 39
3.2.2 多普勒–时域 42
3.2.3 方向域 44
3.3 试验信道特性 45
3.3.1 测量技术 45
3.3.2 分析方法 47
3.3.3 传输损耗测量 51
3.3.4 时延域测量 56
3.3.5 方向域测量 59
3.4 信道建模 68
3.4.1 5G随机信道模型 68
3.4.2 基于几何的建模 75
3.5 总结和展望 76
参考文献 77
第4章 硬件损伤的数学建模 79
4.1 射频功率放大器 80
4.1.1 伏尔特拉级数 81
4.1.2 伏尔特拉级数的常见子集 82
4.1.3 全局和局部基函数 84
4.1.4 试验模型验证 85
4.1.5 正交基函数 88
4.1.6 多天线环境及互耦 90
4.2 振荡器相位噪声 94
4.2.1 相位噪声功率谱和Leeson公式 94
4.2.2 相位噪声建模：自激振荡器 94
4.2.3 相位噪声建模：锁相环 95
4.3 数据转换器 97
4.3.1 量化噪声的建模 97
4.4 统计建模 98
4.4.1 Bussgang定理和系统模型 98
4.5 功率放大器的随机建模 99
4.6 振荡器相位噪声 100
4.7 数据转换器的随机建模 100
4.8 模型的串联和仿真 101
4.8.1 信号与干扰和噪声比 102
4.8.2 仿真 102
4.8.3 仿真结果 104
参考文献 106
第5章 多载波波形 107
5.1 多载波波形概述 108
5.1.1 正交性原理 108
5.1.2 基于OFDM的波形 111
5.1.3 基于滤波器组的波形 117
5.2 单载波DFTS-OFDM 126
5.3 5G NR波形设计要求 128
5.4 NR波形设计的关键性能指标 129
5.5 NR波形对比 131
5.5.1 频率局部化 132
5.5.2 功率效率 134
5.5.3 时变衰落信道 135
5.5.4 基带复杂度 135
5.5.5 相位噪声鲁棒性对比 137
参考文献 142
第6章 NR的波形 144
6.1 OFDM对于NR的适用性 144
6.2 NR OFDM的可扩展性 147
6.2.1 为什么选择15 kHz作为参数集基线 150
6.2.2 为什么选择15×2n kHz作为参数集缩放比例 150
6.3 OFDM参数集的实现 151
6.3.1 相位噪声 152
6.3.2 小区大小、业务时延及移动性 153
6.3.3 业务复用 157
6.3.4 频谱 157
6.3.5 保护频带的考虑 159
6.3.6 实现因素 162
6.4 改善NR波形的功率效率 162
6.4.1 有失真的技术 164
6.4.2 无失真的技术 165
6.5 同步误差的影响 167
6.5.1 定时偏移的影响 167
6.5.2 载波频率偏移的影响 169
6.5.3 采样频率偏移 170
6.6 损伤抑制 171
6.6.1 相位噪声抑制机制 171
6.6.2 CFO和SFO抑制 174
参考文献 179
第7章 多天线技术 180
7.1 多天线技术在NR中的作用 181
7.1.1 低频 181
7.1.2 高频 181
7.2 多天线基本原理 183
7.2.1 波束赋形、预编码和分集 183
7.2.2 空间复用 188
7.2.3 天线阵列架构 194
7.2.4 UE天线 200
7.2.5 天线端口和QCL 201
7.2.6 CSI的获取 202
7.2.7 大规模MIMO 207
7.3 NR中多天线技术 208
7.3.1 获取CSI 209
7.3.2 下行MIMO传输 212
7.3.3 上行MIMO传输 213
7.3.4 波束管理 215
7.4 试验结果 222
7.4.1 波束赋形增益 222
7.4.2 波束跟踪 224
7.4.3 系统仿真 225
参考文献 227
第8章 信道编码 229
8.1 前向纠错的基础 230
8.1.1 二进制-AWGN信道 230
8.1.2 二进制-AWGN信道的编码机制 230
8.1.3 性能指标 230
8.2 二进制-AWGN信道的FEC机制 234
8.2.1 简介 234
8.2.2 一些定义 234
8.2.3 LDPC码 236
8.2.4 极化码 239
8.2.5 较短码块长度的其他编码机制 244
8.3 衰落信道的编码机制 247
8.3.1 SISO的情况 247
8.3.2 MIMO的情况 249
参考文献 251
第9章 仿真器 253
9.1 仿真器概览 254
9.2 功能模块 254
9.2.1 信道模型 254
9.2.2 功放模型 255
9.2.3 相位噪声模型 255
9.2.4 同步 257
9.2.5 信道估计和均衡 257
9.3 波形 257
9.3.1 CP-OFDM 257
9.3.2 W-OFDM 258
9.3.3 UF-OFDM 258
9.3.4 FBMC-OQAM 258
9.3.5 FBMC-QAM 259
9.4 仿真练习 259
9.4.1 频谱再生 259
9.4.2 CFO损伤 261
9.4.3 PN损伤 263
9.4.4 衰落信道的损伤 265
参考文献 266
缩略语表 268