LTE-A和下一代无线网络——信道建模与传播 PDF下载

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内容简介

；；本书系统讲解无线通信原理、技术和系统设计所涉及的各个方面。全书分为三部分、共计18章，包括无线传播信道的机制、特性、建模与探测，通信收发信机的调制、分集、信道编码、语音编码和均衡技术，多址与蜂窝、OFDM、扩频技术、多天线技术、认知无线电、中继与协作通信、视频编码，以及当前主流和*出现的无线标准系统。既包含无线通信的处理技术，又包含当前热门的研究专题。书中的讲解凸显数学描述和直观物理解释相结合，深入浅出，给出的大量例题和习题取自当前主流无线通信系统和标准的实际案例。

作者简介

；；纪尧姆.德.拉.罗什（Guillaume de la Roche）是法国敏迅科技公司的无线系统工程师。2007-2011年，纪尧姆一直在英国贝德福德郡大学的无线网络设计中心（CWiND）工作。此外，纪尧姆也曾在德国英飞凌公司（2001-2002）、法国斯格蒙 (2003-2004)和法国CITI实验室（2004-2007）工作；他还是美国都科摩实验室（2010）和轴心科技公司（2011）的客座研究员。

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第一部分背景知识
第1章3GPP LTEA网络的支撑技术
1.1简介
1.2IMTA的一般特征和需求
1.2.1业务
1.2.2频谱
1.2.3技术性能
1.3LTEA的需求
1.3.1和容量相关的需求
1.3.2系统性能
1.3.3实施部署
1.4LTEA的支撑技术
1.4.1载波聚合
1.4.2先进的MIMO技术
1.4.3协作多点发送或接收
1.4.4中继
1.4.5家用eNodeB的增强
1.4.6机器类通信
1.4.7自优化网络（SON）
1.4.8控制和用户平面延迟的改善
1.5小结
参考文献
第2章无线信道建模的基本原理
2.1传播原理
2.1.1自由空间传播和天线增益
2.1.2反射和透射
2.1.3绕射
2.1.4散射
2.1.5波导
2.1.6多径传播
2.2确定性的信道描述
2.2.1时变冲激响应
2.2.2MIMO矩阵的方向性描述
2.2.3极化
2.2.4超宽带信道的描述
2.3统计性信道描述
2.3.1路损及阴影衰落
2.3.2小尺度衰落
2.3.3宽平稳非相关散射信道(WSSUS)
2.3.4推广的WSSUS
2.4信道建模方法
2.4.1确定性建模方法
2.4.2模型架构
2.4.3分簇
2.4.4统计性建模
2.4.5基于几何的统计模型
2.4.6绕射多径分量
2.4.7多链路统计信道模型
参考文献
第二部分无线信道
第3章室内模型
3.1引言
3.2室内大尺度衰落
3.2.1室内大尺度模型
3.2.2室内大尺度特性
3.2.3室内传输的重要因素
3.3室内小尺度衰落
3.3.1基于几何的随机信道模型
3.3.2时延域的统计特性
3.3.3角度域的统计参数
3.3.4室内场景下的交叉极化鉴别度
3.3.5室内MIMO信道的3D建模
3.3.6俯仰角分布的影响
参考文献
第4章室外信道
4.1引言
4.2参考信道模型
4.3小尺度变化
4.3.1一阶统计特性
4.3.2二阶统计特性
4.4路径损耗和大尺度变化
4.5小结
致谢
参考文献
第5章室外到室内的信道
5.1引言
5.2模型理论
5.3经验传播模型
5.3.1路径损耗的衰减指数模型
5.3.2包括建筑物穿透平均损耗的路径损耗衰减指数模型
5.3.3基于分区的室外到室内模型
5.3.4包括建筑物穿透损耗的路径损耗衰减指数模型
5.3.5COST 231建筑物穿透损耗模型
5.3.6穿透建筑物的附加路径损耗模型
5.3.7扩展COST 231在LOS情况下的建筑物穿透损耗
5.3.8WINNER II室外到室内路径损耗模型
5.4确定模型
5.4.1FDTD
5.4.2基于射线的方法
5.4.3智能射线投影法（Intelligent Ray Launching Algorithm， IRLA）
5.5混合模型
5.5.1天线辐射方向图
5.5.2校准
5.5.3IRLA案例的学习： INSA
5.5.4IRLA实例学习： 兴海
致谢
参考文献
第6章车载信道
6.1引言
6.2无线信道测量
6.2.1信道探测器
6.2.2车载天线
6.2.3车载测量方案
6.3车载信道特性
6.3.1信道的时变性
6.3.2车载信道参数的时变性
6.3.3经验结果
6.4车载通信的信道模型
6.4.1信道建模技术
6.4.2基于几何的随机信道建模
6.4.3低复杂度的GSCM仿真
6.5新车载通信技术
6.5.1OFDM物理层（PHY）和接入层
6.5.2中继技术
6.5.3合作编码和分布式传感
6.5.4展望
参考文献
第7章多用户MIMO信道
7.1引言
7.2多用户MIMO测量
7.2.1测量概述
7.2.2测量技术
7.2.3相位噪声
7.2.4测量天线
7.2.5测量场景
7.3多用户信道特征描述
7.4多用户信道模型
7.4.1分析模型
7.4.2常规簇模型
7.4.3簇模型的详细实现
参考文献
第8章宽带信道
8.1大尺度信道特性
8.1.1路径损耗： 距离依赖性
8.1.2路径增益： 频率依赖性
8.2UWB信道冲激响应
8.2.1IEEE802.15.4a冲激响应
8.2.2自由空间中天线冲激响应的影响
8.2.3真实室内信道中天线冲激响应的表示
8.2.4新UWB信道模型
8.2.5UWB信道冲激响应： 实际应用的简化模型
8.2.6UWB信道冲激响应结论
8.3UWB信道的频率选择性衰落
8.3.1衰落深度
8.3.2衰落的概率分布函数
8.4多天线技术
8.4.1宽带阵列描述
8.4.2天线阵列： UWB OFDM 系统
8.5针对LTEA的应用
参考文献
第9章无线体域网信道
9.1背景简介
9.2可穿戴天线
9.3近人天线分析
9.3.1媒介的复介电常数和等效电导率
9.3.2人体组织的特性
9.3.3生物体组织内的能量损失
9.3.4人体对可穿戴天线的Q因子、 带宽的影响
9.4人体表面典型传播模型的研究
9.5植入天线的未来趋势
9.6小结
参考文献
第三部分仿真与性能
第10章射线跟踪模型
10.1简介
10.2传播中的主要物理现象
10.2.1基本术语和准则
10.2.2自由空间传播
10.2.3反射和透射（Transmission）
10.2.4绕射
10.2.5散射
10.3植被的影响
10.3.1树冠绕射的建模
10.3.2树阴影的建模
10.3.3树的漫反射模型
10.4射线跟踪方法
10.4.1环境的建模
10.4.2射线轨迹的几何计算
10.4.3直接方法或射线发射
10.4.4图像法射线跟踪
10.4.5加速技术
10.4.6混合技术
10.4.7电磁波场强的确定和空时输出
10.4.8扩展到超宽带信道模型
参考文献
第11章有限差分建模
11.1简介
11.2求解麦克斯韦方程组的模型
11.2.1FDTD
11.2.2部分流
11.3FD模型的实际应用
11.3.1与射线跟踪模型的比较
11.3.2降低复杂度
11.3.3校准
11.3.4天线方向图的影响
11.3.53D估计
11.4仿真结果
11.4.1路径损耗预测
11.4.2衰落预测
11.5有限差分模型的展望
11.5.1扩展到3D模型
11.5.2与射线跟踪模型联合使用
11.5.3宽带信道建模的应用
11.6小结与展望
致谢
参考文献
第12章无线网络规划的传播模型
12.1RNP地理数据
12.1.1术语
12.1.2生产技术
12.1.3传播模型所需的具体细节
12.1.4栅格层多分辨率
12.1.5栅格矢量多分辨率
12.2传播模型的分类
12.2.1通用站址路损模型
12.2.2特定站址路损和信道模型
12.3观测模型
12.3.1Lee模型
12.3.2Erceg模型
12.4宏蜂窝下的半预测模型
12.4.1宏蜂窝下半预测模型通用公式
12.4.2COST231WalfischIkegami模型
12.4.3其他模型
12.5城市区域的确定性模型
12.5.1城市波导效应
12.5.2不同环境间的转换
12.5.3建筑物内的穿透效应
12.5.4确定性模型的基本原理
12.5.5室外到室内技术
12.5.6参数校准
12.6RNP传播模型的准确性
12.6.1测量活动
12.6.2调整过程
12.6.3模型准确性
12.7覆盖概率
参考文献
第13章使用IMTA信道模型进行系统级仿真
13.1简介
13.2IMTA评估指南
13.2.1通用的系统级仿真方法
13.2.2系统级性能指标
13.2.3测试环境和场景设置
13.2.4天线的建模
13.3IMTA信道模型
13.3.1链路的大尺度属性
13.3.2小尺度参数的初始化
13.3.3系数的产生
13.3.4CIR和CTF的计算有效时间演进
13.4信道模型校准
13.4.1大尺度校准指标
13.4.2小尺度校准指标
13.4.3CIR和CTF校准
13.5LTEA的链路系统建模
13.5.1系统级仿真与链路级仿真
13.5.2MIMO线性接收机的建模和预编码性能
13.5.3有效SINR
13.5.4误块率的建模
13.63GPP LTEA系统级仿真器的校准
13.6.1下行链路仿真假设
13.6.2上行链路仿真假设
13.6.3仿真校准结果
13.7小结与展望
参考文献
第14章新兴通信系统的信道仿真仪
14.1引言
14.2仿真仪系统
14.3随机数的生成
14.3.1伪随机噪声生成器
14.3.2高斯查找表
14.3.3均匀和（Sum of Uniform， SoU）分布
14.3.4BoxMuller
14.4衰落生成器
14.4.1高斯独立同分布
14.4.2改进的Jakes模型
14.4.3Zheng模型
14.4.4随机游走模型
14.4.5Rice K因子
14.4.6相关性
14.5信道卷积
14.6仿真仪的发展
14.7新型系统收发机应用实例
14.7.1MIMOOFDM
14.7.2单载波系统
14.8小结
参考文献
第15章MIMO OTA测试
15.1概述
15.1.1问题描述
15.1.2OTA测试概要
15.2信道建模理论
15.2.1基于几何建模
15.2.2基于相关性建模
15.3DUT的使用和定义
15.4OTA的品质因子
15.5多探针天线的MIMO OTA 测试法
15.5.1多探针天线系统
15.5.2信道合成
15.5.3场合成
15.5.4场合成方法的两个例子
15.5.5探针天线的近场效应和范围反射的补偿
15.6其他的MIMO OTA测试方法
15.6.1混响暗室
15.6.2双阶段测试法
15.7未来的趋势
参考文献
第16章认知无线电网络： 传感、 接入和安全
16.1引言
16.2认知无线电
16.2.1认知无线电和频谱管理
16.2.2认知无线电网络
16.2.3认知无线电与OSI
16.3

前沿

译者序
无线信道的传播特性在很大程度上决定了无线通信网络的性能，而传统的无线信道模型已无法适用于LTEA及下一代无线网络新技术的研发和应用。因此，为了研究未来无线网络的性能，建模不同应用场景下的无线信道，世界上各个研究机构及组织在过去十几年里开展了大量关于新型信道传播特性和模型的研究，本书就是在这样一种背景下起草的。
译者曾受邀撰写本书的第3章内容，对整本书的构架非常清楚，也为书中全面新颖的内容深深吸引。本书作为集体智慧的结晶，每部分都由该领域的资深专家完成，他们多年从事移动通信技术领域的研究和开发，对无线信道建模及传播特性有着独到的见解和深刻的认识。作者利用他们丰富的实践经验，深入浅出地剖析了无线信道的相关概念、原理和建模理论。这是一本很优秀的书籍，所以我们由衷希望将这本书推荐给广大的中国读者。
本书全面、清晰地阐述了LTEA及下一代无线网络一些主要应用场景下的信道传播特性，在内容选取和安排上，一方面按照大尺度传播模型和小尺度衰落模型的分类方法，详细介绍了无线信道的传播特征、基本理论和分析方法；另一方面结合实测数据和参考模型，给出了室内、室外、多用户MIMO和体域网等典型应用场景的建模分析。这样的内容安排既便于读者对无线信道传播的认识，也能很好地理解无线信道建模方法的演进。本书适合于研发、系统设计和测试等移动通信领域的相关从业人员，也可作为从事移动通信研究和高等院校学生的参考教材。
本书由张建华、田磊和刘光毅翻译并审校，由张建华负责全书统稿。其中张建华教授负责第1章至第10章的内容，田磊负责第11章至第15章的内容，刘光毅负责第16章至第18章的内容。参加本书整理工作的还有来自北京邮电大学泛网教育部重点实验室的博士生孙彦良、熊艳伟和潘淳，硕士研究生曾菁、郭云领、裴峰、刘子建、陈伟和吴琳云等。在此，向所有为本书出版提供帮助的人士表示诚挚的谢意！
需要特别说明的是，本书是译者在尽量忠实于原书的基础上翻译的，由于专业水平和时间有限，书中翻译不妥之处, 敬请广大读者及同行专家批评指正。

主编简介
纪尧姆德拉罗什（Guillaume de la Roche）是法国敏迅科技公司的无线系统工程师。2007-2011年，纪尧姆一直在英国贝德福德郡大学的无线网络设计中心（CWiND）工作。此外，纪尧姆也曾在德国英飞凌公司（2001-2002）、法国斯格蒙 (2003-2004)和法国CITI实验室（2004-2007）工作；他还是美国都科摩实验室（2010）和轴心科技公司（2011）的客座研究员。纪尧姆具有里昂高等化学物理与电子学院的工学硕士和国立里昂应用科学院的硕士和博士学位，曾组织负责欧洲第七框架计划项目CWNetPlan关于无线传播下组合无线网规划。纪尧姆还参与了2010年Wiley出版的《毫微微蜂窝：技术和部署》的编著，并于2011年担任EURASIP JWCN期刊与无线传播，信道建模和对异构网络评估的无线信道仿真工具特刊客座编辑。纪尧姆是欧洲电信学报的编辑委员，兼职里昂第一大学讲师。安德烈斯阿雷恩格拉祖诺夫（Andrés Alayón Glazunov）生于古巴哈瓦那。1994年，安德烈斯获得俄罗斯圣彼得堡国立理工大学物理工程硕士学位（工程师研究员），并在2009年取得瑞典隆德大学电气工程博士学位。从那以后，安德烈斯就一直活跃在行业和学术界。目前，安德烈斯在瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院电磁工程实验室做博士后研究工作。1996-2001年，安德烈斯曾是瑞典爱立信研究部门的一名研究员，随后在2001年作为高级研究工程师加入了瑞典Telia研究机构。2003-2006年，安德烈斯担任瑞典TeliaSonera公司天线系统及传播项目高级专家。安德烈斯不但是3GPP和ITU标准化机构成员，还积极促成了欧洲COST 259和273， EVERST和 NEWCOM等国际研究项目。他的研究兴趣包括基于电磁波理论的统计信号处理技术，重点是天线信道间的交互，以及RF传播信道的测量和模拟，先进无线传播预测数控工具等。阿雷恩格拉祖诺夫博士曾获得英国贝德福德郡大学无线网络设计中心2009-2010居里夫人研究奖学金，是 IEEE的高级会员。本艾伦（Ben Allen）是英国贝德福德大学无线研究中心的负责人。他于2001年从布里斯托尔大学获得了博士学位后加入了新西兰大吉电子有限公司，后来成为伦敦国王学院电信研究中心研究员和教学人员。2005年到2010年期间，本艾伦在牛津大学工程科学系任职。通过行业及学术界的交流合作，本在无线技术创新方面取得了辉煌的业绩，在无线系统领域颇负盛名，他的两本书也被广为流传。本艾伦的研究兴趣涉及宽带无线系统，天线，传波，波形设计和能量收集等。作为一名特许工程师，工程技术学会院士， IEEE高级会员和IET微波、天线和传播杂志编辑委员会成员，本艾伦在他的研究工作中获得了多个奖项。

前言
19世纪，科学家、数学家、工程师和革新者都开始研究电磁学。与无线通信有关的理论起源自麦克斯韦。早期理论经由赫兹、特斯拉和其他一些人得到证实。马可尼开创了第一次无线传输。自此以后，应用范围和有关技术快速发展与扩展。发展速度变得难以置信，技术和商用成熟度也变得十分高。没有对电磁波传播的透彻理解，是不可能取得这些成就的。这些知识帮助我们设计成功的系统和网络，天线和收发端设备。无线信道是任何无线系统运行的基石。
今天，无线网络支持大量用户，以及横跨语音、电子邮件、短信、视频和3G图像的各种应用。此外，网络通常包括在多种多样环境中使用到的无线技术和频率。例如，蓝牙个人通信可以发生在室外、室内或车辆上；无线LAN发生在建筑物、家用基站、微蜂窝和宏蜂窝中；无线回程线路以及卫星通信。新兴的无线技术的例子包括，用于医学或传感设备的体域网，超高数据速率通信的超宽带通信，以及有效利用当前电磁频谱中不可使用部分的认知无线电技术。
移动设备的使用持续增长，使得网络流量没有下降。当前大部分的蜂窝网络都处于第三代（third generation， 3G）移动通信。基于通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System，UMTS）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术，在低移动性的条件下，可达到兆比特每秒的数据速率。在过去的一些年中，移动电话数量持续增长，使得移动通信成为通信的首选模式，而固网通信则持续下降。并且，包括智能电话、平板电脑和笔记本电脑在内的大部分无线设备，都可以进行3G应用。这就是为何每年都推出大量新设备，以及现今使用移动设备越来越普及，这不仅仅针对语音业务，还包括数据和视频业务等。
上述情况带来的直接结果是使得蜂窝网络必须支持的无线数据持续扩大。例如，思科公司在最近视觉网络指数（Visual Networking Index， VNI）全球移动数据预测报告中提出，智能手机比起单纯功能的移动电话，平均产生高24倍的无线数据。这个报告也指出平板电脑产生了比智能手机高122倍的无线数据，无线笔记本产生了比传统移动电话高515倍的无线数据流量。因此，在2009年，国际电信联盟无线部门（International Telecommunication Union-Radiocommunication Sector， ITUR）针对4G标准征集了方案（International Mobile Telecommunication Advanced， IMTA），在高移动通信中（如火车、汽车上），峰值速度为100 Mbit/s，在低移动通信中（如行人和静止用户），峰值速度为1 Gbit/s。针对4G标准，主流的候选方案为长期演进技术升级版（Long Term Evolution Advanced， LTEAdvanced），已经在2012年发布。不同于最初的长期演进（Long Term Evolution， LTE）应用（版本8或版本9），并没有完全满足4G要求，而LTEAdvanced将会全面超越这些要求。这就是为何LTEAdvanced及其网络引进了多项新技术（多天线，更大的带宽， OFDMA，等等），为了获得即使在移动条件下都更高的容量。4G及其网络现今还没有部署，然而大部分产业研究者都在关注发展新产品、新算法、新的解决方案和应用相关。与所有无线网络一样， 4G及其网络的性能在很大程度上都依靠信道，及信号如何在发送端和用户之间传播。这就是为何信道建模和传播，有时候这个虽然已经被认定为很老的课题，仍然很重要且必须全面考虑。为了研究未来无线网络的性能，表征多种不同场景下的无线信道，以及由于未来网络引起的新情况，如在高速汽车里应用多天线，都很重要。
传播和信道建模
本书描述了在不同场景下的信道模型，以及如何应用这些信道模型来研究4G及其网络的性能。4G时代即将到来，所以我们认为此时出版这本有关信道传播的书籍是个好时机。此外，未来的无线网络不会停止使用更大的带宽、更高的频率和更多的天线。因此本书不仅关注4G通信，还会有部分内容超出4G技术，其中认知无线电或非均匀的一些新概念将会更加重要。
本书分为以下三个部分：；
● 第一部分包含一些基础部分，对于理解本书的其余部分是十分必要的。因此，第1章阐述了LTEA标准和引进的新技术，主要是为了获取高数据速率和低延时。特别地，在这一章中将会看到LTEA将会支持更多的天线、更大的带宽、更多的蜂窝和相较传统蜂窝网络更多不同的场景。第2章中将会解释信道建