《5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件 》
现代通信网络技术丛书
5G NR物理层技术详解：
原理、模型和组件
5G Physical Layer: Principles, Models and Technology Components
[瑞典] 阿里扎伊迪（Ali Zaidi）
弗雷德里克·阿斯利（Fredrik Athley）
乔纳斯·梅德博（Jonas Medbo）
乌尔夫·古斯塔夫松（Ulf Gustavsson）
朱塞佩·杜里西（Giuseppe Durisi）
[中] 陈晓明（Xiaoming Chen）
刘阳 李蕾 张增洁 译
推 荐 序 一
物理层传输技术是无线与移动通信的核心，它在过去40年间的蓬勃发展直接促成了移动通信从第一代（1G）到第四代（4G）的演进，在实现任何时间、任何地点与任何人通信梦想的同时，彻底改变了人类的生活方式。今天，面向以物联网和无人驾驶等为标志的新兴应用，移动通信正在向更高容量、更大规模连接、更低时延和更高可靠性的第五代（5G）方向演进，并通过与各垂直行业应用的深度融合，让我们的城市和社会更加智能和高效。
为此，5G将引入全新的物理层传输技术和频谱，包括大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术、非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术、全双工技术以及毫米波传输技术等。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。因此我相信无论是在校生还是无线通信领域的从业者，都能从本书中得到帮助。
5G在毫米波波段的频谱分配对于所有的无线通信系统来说都是全新的应用，也是中国通信技术腾飞的一个重大战略机遇。本书采用大量篇幅介绍了毫米波波段的电磁波传播特性，并配有研究方法和大量实测数据，提供了在该全新领域中摸索尝试的宝贵经验和数据，值得学术界和产业界学习与借鉴。
本书由爱立信研究院的几位专家及爱立信公司的战略产品经理、瑞典查尔姆斯理工大学教授以及西安交通大学教授合作完成。该创作团队的构成也很好地体现了学术理论、工程实践、行业应用和商业价值的深度融合。
在全球移动通信学术界和产业界的通力合作下，5G时代正渐行渐近，5G引领的未来已经触手可及。我相信本书的翻译出版会进一步推动以5G为代表的移动通信技术在中国的蓬勃发展。
清华大学电子工程系教授
IEEE会士
牛志升
推 荐 序 二
随着5G技术的快速推进，5G的产业化逐渐提上日程。5G产品的开发和产业规模也逐渐成形，同时5G也将面临种种前所未有的挑战。例如如何满足多种频谱需求，尤其是高频领域的超宽带和新频谱，是之前各代移动通信系统从未涉及的；如何同时满足多种场景，比如极高用户速率、极低时延、超大容量、无缝覆盖、高能效及大规模终端性能要求等。
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、硬件建模和实现、多载波波形及多天线技术等各个领域进行关键技术分析，并提供技术实现和测量。书中既有很扎实的理论基础，也有目前业内最先进的实现方式。
本书的作者包括爱立信研究院的几位专家及战略产品经理、瑞典查尔姆斯理工大学教授，以及中国西安交通大学教授。他们的技术水平和行业洞察力在公司内部和业界都得到了高度的认可。几位译者也是我熟识的同事，她们有的是通信标准领域资深人士，有的是产品部门的核心技术骨干。我相信本书中文版的引入会进一步推动5G技术在中国的产业发展与落地，并为产品开发者提供极有价值的技术参考。
作为行业的领先者和思考者，爱立信公司不仅在技术预研和标准领域孜孜不倦地做出了杰出贡献，也积极参与了中国的5G研发测试活动，并将技术标准转化成性能和品质过硬的产品。在此特别感谢本书的作者和译者，感谢他们在繁忙的工作之余将先进的知识和宝贵的经验进行总结，并贡献给业界；也希望本书的出版对5G在各个行业和领域的探索与尝试有所裨益，并期待5G能够成为网络社会数字化转型的强大引擎。
爱立信（中国）通信有限公司CTO
彭俊江
译 者 序
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。
译者有幸参与了3G、4G和5G在中国的产生、发展和壮大过程，亲历了移动通信产业突飞猛进、波澜壮阔的伟大进程，这也是我们人生中的一段宝贵经历。
本书英文版出版后引起了业界的极大兴趣，翻译工作也紧随着启动。我们希望能够将本书的内容尽早带给国内的广大读者。但由于翻译工作主要是在业余时间进行，因此历时近四个月。虽然译者在移动通信行业已经工作多年，但是要保证译文的信、达、雅，还是很有挑战的。书中难免存在疏漏和错误，恳请读者能够不吝指正。我们希望在后续的版本里改正这些不足。
在本书的翻译过程中，译者得到了原作者的大力支持。编辑朱捷先生和冯秀泳先生在整个过程中的耐心指导和悉心审阅，也给了我们很大帮助。在翻译工作中，研究助理杨茜婷同学做了很多排版整理工作。在此，我们一并表示诚挚的感谢！
我们要感谢爱立信公司和爱立信的同事给予的热情帮助，他们提出了很多宝贵的建议和意见。我们还要感谢家人永远的支持，这是激励我们不断前行的动力。
移动通信对于人们生活方式的影响已经渗透到各个角落，5G的发展会带来更多新的变化。我们会继续为中国的通信事业贡献自己的微薄之力，也希望和各位同道一起，为让通信营造出更加美好的生活而努力。
刘阳 李蕾 张增洁
2019年6月于爱立信大厦
致 谢
感谢以下同事的持续支持、合作和鼓舞：Robert Baldemair（爱立信），Vicent Molés-Cases（前爱立信，现UPV），Markus Ringstrm（爱立信），Joakim Sorelius（爱立信），Marie Hogan（爱立信），Gianluigi Liva（德国航空航天中心），Hua Wang（是德科技），Kittipong Kittichokechai（爱立信），Mattias Andersson（爱立信），Erik Dahlman（爱立信），Stefan Parkvall（爱立信），Kristoffer Andersson（爱立信），Sven Mattisson（爱立信），Lars Sundstrm（爱立信），Per Landin（爱立信），Sven Jacobsson（爱立信），Thomas Eriksson（查尔姆斯大学），Christian Fager（查尔姆斯大学），Erik G. Larsson（林雪平大学），Christopher Mollén（前林雪平大学），Katharina Hausmair（前查尔姆斯大学，现Qamcom），Christoph Studer（康奈尔大学），Jian Luo（华为），Jaakko Vihrilla（诺基亚），Andreas Wolfgang（Qamcom），Robin Gerzaguet（ENSSAT），Yinan Qi（三星），Ning He（爱立信），Karl Werner（爱立信），Sebastian Faxér（爱立信），Shehzad Ali Ashraf（爱立信），Eleftherios Karipidis（爱立信），Peter von Wrycza（爱立信），Miurel Tercero（爱立信），Hkan Bjrkegren（爱立信），Mikael Wahlén（爱立信），Joakim Hallin（爱立信），Arne Simonsson（爱立信），Kjell Larsson（爱立信），Gran Klang（爱立信），Dennis Sundman（爱立信），Henrik Asplund（爱立信），Satyam Dwivedi（爱立信）。
我们感谢mmMAGIC（欧洲合作研究项目）、3GPP（标准开发组织之间的合作项目）和爱立信研究院为5G NR的开发做出的巨大贡献。我们也感谢Qamcom Research & Technology AB发布了本书的源代码。
目 录
推荐序一
推荐序二
译者序
致谢
参考文献 17
参考文献 32
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***拉级数 81
4.1.2 伏***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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