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《5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件》

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5G专家和学者撰写，详解5G NR物理层技术（包括波形、编码调制、信道仿真和多天线技术等）及其背后的成因，爱立信中国研发团队翻译。

编辑推荐

1. 本书详细阐述5G NR物理层技术，涵盖NR物理层波形、编码调制、参数集、信道仿真和多天线方案等内容。

2. 本书适合无线通信领域的研发工程师或研究者，以及大学相关专业的学生，学习掌握最新5G NR标准物理层技术和设计方法，配合阅读《5G NR标准-下一代无线通信技术》会有更佳效果；

名人推荐

本书对5G物理层核心技术做了系统性的介绍，并且对这些技术的基本原理做了深入浅出的分析。有很多原理性的分析是在教科书上出现过的，但是作者赋予了它们在工程应用中的新意义。对于如何为5G新频谱特性和高容量低时延的新应用选择最优的技术机制，如何准确和真实建模，如何评估备选技术的适用性，如何做出成本（复杂度）和性能的折中以及标准化工作的过程都有详细的描述。这些分析和思路不仅适用于5G通信系统，对任何无线通信系统从理论到实现都有很好的指导作用。

——清华大学电子工程系教授 IEEE Fellow 牛志升

本书是一本具有很强技术理论性和实际操作参考性的书籍。针对5G面临的各个技术挑战逐一详解，尤其是5G技术核心之一的物理层，从物理层架构、传输和信道建模、硬件建模及实现、多载波波形及多天线技术等各个领域进行关键技术分析并提供技术实现及测量。此书既有很扎实的理论基础也有目前业内最先进的实现方式。

——爱立信（中国）通信有限公司CTO 彭俊江

内容简介

本书详细阐述5G新的无线接入技术—5G NR物理层技术的基本设计原理、模型和组件，其中物理层模型包括针对5G NR（最高到100 GHz）全频段范围的无线电波传播和硬件损伤。物理层技术包括灵活的多载波波形、先进的多天线解决方案，以及针对5G及以后技术的各种服务、部署和频率的信道编码机制。包括一个基于MATLAB的链路级仿真器以探索各种设计选项。本书主要内容包括：

• NR物理层帧结构（图2-5）

• 传播和信道建模（图3-2，图3-3）

• 硬件损伤的数学建模

• NR波形设计的关键性能指标（图5-32，图6-1）

• NR参数集设计（图6-5）

• NR多天线传输技术和波束赋形功能（图7-4，图7-10）

• NR信道编码（图8-4）

• NR开源仿真器结构（图9-1）

作者简介

本书作者阿里·扎伊迪（Ali Zaidi）是瑞典爱立信战略产品经理。弗雷德里克·阿斯利（Fredrik Athley）是瑞典爱立信高级研究员。乔纳斯·梅德博（Jonas Medbo）和乌尔夫·古斯塔夫松（Ulf Gustavsson）是瑞典爱立信高级专家。朱塞佩·杜里西（Giuseppe Durisi）是瑞典查尔姆斯理工大学教授及瑞典爱立信客座研究员。陈晓明（Xiaoming Chen）是中国西安交通大学教授。

目录

推荐序一

推荐序二

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　频谱限制 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　前向纠错的基础限制 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

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