5G大规模天线技术

鲁照华天津大学博士，教授级高 级工程师。2004年开始在中兴通讯股份有限公司从事3G、4G、5G移动通信系统关键技术研究工作，移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室成员。在国际学术期刊和会议上发表论文二十余篇，已授权发明专利五百余项。曾获深圳市科技进步奖一等奖、深圳市技术发明奖一等奖、广东省科技进步奖一等奖、广东杰出发明人奖等荣誉。袁弋非国家海外高层次引进人才，清华大学本科和硕士毕业，美国卡内基-梅隆大学博士毕业。2000—2008年在朗讯贝尔实验室从事3G和4G移动通信关键技术研究；2008—2020年在中兴通讯股份有限公司担任无线标准技术总监，负责4G和5G关键技术研究和标准推进工作；2020年调中国移动研究院，担任首 席专 家，负责5G和6G前沿技术研究及标准化工作。在国际学术期刊和会议上发表论文五十余篇，出版4G和5G中/英文专著8部，已授权美国专利四十余项。担任汉斯《无线通信》期刊主编，IEEE Communications Letters和China Communications编委，获IEEE ComSoc亚太杰出论文奖。吴昊东南大学博士，2011—2012年在美国哥伦比亚大学电子工程系作为联合培养博士从事科研工作。2015年开始在中兴通讯股份有限公司从事无线通信技术研究与标准化工作，担任技术研究专 家、标准项目经理，其间代表中兴通讯股份有限公司参加3GPP RAN和RAN1会议，在MIMO、AI、定位、终端节能等多个4G、5G技术方向上提交二百余份提案。已在IEEE Trans等国际期刊或会议上发表论文十余篇，拥有专利七十余项。高波清华大学博士，2015年开始任职于中兴通讯股份有限公司，技术预研专 家，负责5G Massive MIMO前沿技术研究及标准化工作。已在国际学术期刊和会议上发表论文二十余篇，拥有5G专利十余项。蒋创新西安科技大学硕士，从事4G、5G 物理层标准化工作十余年，精通3GPP标准，曾在NEC从事LTE MIMO、信道建模及系统级仿真等标准化研究工作。2016年加入中兴通讯股份有限公司，从事无线通信技术研究与标准化工作，担任技术研究专 家、标准项目经理，曾代表中兴通讯股份有限公司参加3GPP RAN1和RAN会议，在MIMO、定位等多个4G、5G技术方向上提交二百余份提案，拥有59项授权专利。

第 1章 大规模天线技术发展概述 1
1.1 无线通信系统和天线 2
1.2 多天线在移动通信的应用 4
1.2.1 波束赋形 5
1.2.2 空间分集 5
1.2.3 空间复用 5
1.2.4 干扰管理 6
1.3 大规模天线技术理论及发展历程 6
1.3.1 数学基础 6
1.3.2 信道相关系数特征分析 9
1.3.3 发展历程 11
1.4 大规模天线增强技术的主要方向 13
1.4.1 参考信号 14
1.4.2 CSI反馈 14
1.4.3 协作多点传输（Multi TRP） 15
1.4.4 波束管理 16
1.4.5 上行传输 16
1.5 小结 17
第 2章 大规模天线无线信道模型 19
2.1 无线信道概述 20
2.1.1 路径损耗 21
2.1.2 阴影衰落 21
2.1.3 小尺度衰落 22
2.2 无线信道理论 23
2.2.1 信道的表达式 23
2.2.2 瑞利衰落 25
2.2.3 莱斯衰落 27
2.2.4 多普勒频谱 28
2.3 信道模型 29
2.3.1 信道建模方法 29
2.3.2 信道模型介绍 31
2.4 信道建模流程 36
2.4.1 场景设置 37
2.4.2 天线设置 40
2.4.3 LOS概率计算 46
2.4.4 路径损耗计算 48
2.4.5 穿透损耗计算 52
2.4.6 大尺度参数计算 53
2.4.7 小尺度参数计算 56
2.4.8 小尺度计算增强 62
2.4.9 基于地图的混合信道模型 82
2.5 小结 99
第3章 大规模天线系统参考信号设计 101
3.1 CSI-RS 104
3.1.1 CSI-RS图样 105
3.1.2 CSI-RS序列 108
3.1.3 CSI-RS的周期与偏置设计 110
3.1.4 CSI-RS资源配置 110
3.1.5 CSI-RS与其他信号碰撞解决机制设计 111
3.1.6 CSI-RS的速率匹配 112
3.1.7 用于CSI的CSI-RS 112
3.1.8 用于跟踪的CSI-RS 112
3.1.9 用于波束管理的CSI-RS 116
3.1.10 用于移动管理的CSI-RS 116
3.2 DM-RS 117
3.2.1 DM-RS基本设计 117
3.2.2 Rel-16低PAPR DM-RS 135
3.3 SRS 140
3.3.1 LTE中的SRS容量增强技术 141
3.3.2 SRS类型 146
3.3.3 SRS时频码域资源 148
3.3.4 SRS序列 151
3.3.5 SRS信令配置 154
3.3.6 SRS与其他资源的优先级处理 155
3.3.7 SRS天线切换 156
3.3.8 SRS在分量载波之间的切换 158
3.4 PT-RS 161
3.4.1 基于OFDM波形的PT-RS的设计 162
3.4.2 基于DFT-S-OFDM波形的PT-RS的设计 178
3.5 QCL关系 183
3.5.1 参考信号间的QCL关系 186
3.5.2 Rel-15 QCL的信令配置 189
3.6 小结 193
第4章 CSI反馈增强关键技术 195
4.1 5G中CSI测量、反馈的基本原理和关键技术 196
4.1.1 获取CSI的基本方法 196
4.1.2 用于获取CSI的参考信号 198
4.1.3 CSI报告的组成和属性 200
4.1.4 终端处理CSI的要求和能力 204
4.2 Rel-15 Type I码本设计方案 208
4.3 Rel-15 Type II码本设计方案 213
4.4 Rel-16 eType II码本设计方案 218
4.5 性能分析 226
4.6 CSI反馈的未来发展方向 229
4.7 小结 233
第5章 Multi-TRP方案 235
5.1 场景分析 236
5.2 基于单DCI的M-TRP 237
5.2.1 SDM方式 238
5.2.2 FDM-A方式 240
5.2.3 FDM-B方式 243
5.2.4 TDM-A方式 246
5.2.5 TDM-B方式 247
5.2.6 各种方式的对比与切换 250
5.2.7 DM-RS端口指示 251
5.2.8 波束指示与默认波束 252
5.3 基于多DCI的M-TRP 255
5.3.1 PDCCH 255
5.3.2 PDSCH 260
5.3.3 HARQ-ACK 261
5.3.4 乱序（Out-of-order） 270
5.3.5 速率匹配 272
5.4 M-TRP技术演进 274
第6章 波束管理增强方案 279
6.1 高频信道特征、系统结构及部署场景 280
6.1.1 高频信道特性 281
6.1.2 高频段通信系统架构 283
6.1.3 高频部署场景 286
6.1.4 高频组网 289
6.2 波束管理技术 292
6.2.1 波束扫描与测量 294
6.2.2 波束报告 296
6.2.3 波束指示 299
6.2.4 波束维护 302
6.2.5 波束恢复 303
6.3 波束管理后续演进 305
6.3.1 上行默认波束和默认路损确定 305
6.3.2 上下行多面板同时传输 307
6.3.3 MU-MIMO下的感知干扰的波束管理 312
6.3.4 基于人工智能（AI）的波束管理增强 316
6.4 小结 318
第7章 上行传输增强 319
7.1 PUSCH传输 320
7.1.1 基于码本的PUSCH传输 322
7.1.2 非码本的PUSCH传输 326
7.2 上行功率控制 328
7.2.1 波束相关的功率控制 329
7.2.2 CA、DC的功率共享 345
7.2.3 PHR 348
7.3 上行满功率传输增强 351
7.3.1 上行满功率传输增强的约束因素 352
7.3.2 上行满功率传输模式1 354
7.3.3 上行满功率传输模式2 358
7.4 小结 363
第8章 大规模天线的IMT-2020性能评估 365
8.1 IMT-2020的关键性能指标 366
8.2 IMT-2020 eMBB系统频谱效率的评估 369
8.2.1 室内热点场景 370
8.2.2 密集城区场景 371
8.2.3 乡村场景 371
8.3 小结 372
第9章 未来技术演进 373
9.1 非理想互易性CSI获取 374
9.2 基于OAM的复用及涡旋波传输 379
9.2.1 OAM模态与涡旋电磁波 379
9.2.2 OAM模态正交性 381
9.2.3 OAM无线通信发展 383
9.2.4 OAM与MIMO的关系 384
9.2.5 OAM的产生与接收 386
9.2.6 未来OAM的研究方向 387
9.3 智能电磁表面 389
9.3.1 可控无线环境 389
9.3.2 智能表面的理论与设计 392
9.3.3 面临的挑战性问题 395
9.3.4 未来研究方向 396
9.4 无蜂窝大规模MIMO 398
9.4.1 Cell-Free Massive MIMO的原理 399
9.4.2 Cell Free M-MIMO的实现 402
9.4.3 Cell-Free M-MIMO网络的特征 404
9.4.4 Cell-Free M-MIMO的优势 405
9.5 太赫兹极窄波束通信 407
9.5.1 太赫兹通信介绍 407
9.5.2 太赫兹通信中的波束赋形 410
9.5.3 太赫兹通信的窄波束赋形应用前景与展望 412
9.6 小结 415
附录 417
缩略语 427
参考文献 435