6G移动通信系统 理论与技术

本书系统深入地介绍了6G移动通信系统的演进背景、应用场景、性能目标、体系架构、理论原理、关键技术、先进算法以及未来发展趋势等。内容包括5G到6G的演进驱动力、6G应用场景和性能目标、毫米波通信、太赫兹通信、可见光通信、多址接入、信道编译码、随机接入、大规模天线、体系架构、空天地海一体化、雾无线网络、智慧无线通信、智简无线网络、内生安全、区块链技术等。

　　本书可供从事新一代宽带移动通信研究的大专院校高年级学生、专业技术人员、管理人员，特别是从事6G通信理论、关键技术、算法设计、标准研究和应用开发的工程人员作为基础专业图书和参考图书使用。本书也可供学习6G传输与组网理论的大专院校相关专业师生阅读参考，还可以作为移动通信专业的教材和学习参考书。

本书系统深入地介绍了6G移动通信系统的演进背景、应用场景、性能目标、体系架构、理论原理、关键技术、先进算法以及未来发展趋势等。内容包括5G到6G的演进驱动力、6G应用场景和性能目标、毫米波通信、太赫兹通信、可见光通信、多址接入、信道编译码、随机接入、大规模天线、体系架构、空天地海一体化、雾无线网络、智慧无线通信、智简无线网络、内生安全、区块链技术等。

　　本书可供从事新一代宽带移动通信研究的大专院校高年级学生、专业技术人员、管理人员，特别是从事6G通信理论、关键技术、算法设计、标准研究和应用开发的工程人员作为基础专业图书和参考图书使用。本书也可供学习6G传输与组网理论的大专院校相关专业师生阅读参考，还可以作为移动通信专业的教材和学习参考书。

彭木根 北京邮电大学教授，中国电子学会会士、中国通信学会会士、IEEE Fellow、IET Fellow。长期致力于4G/5G/6G 等移动通信系统的灵巧小基站及智能无线组网理论研究与工程实践。

第 1章　移动通信系统演进 001

1.1　第五代移动通信系统概述　003

1.1.1　5G性能需求与目标　006

1.1.2　5G体系架构　008

1.1.3　5G关键技术　009

1.2　5G演进与愿景　013

1.2.1　全息通信　015

1.2.2　数字孪生及应用　016

1.2.3　智慧城市及应用　017

1.2.4　工业互联网和智能工厂　018

1.2.5　智赋农业　019

1.2.6　超能交通与一体化控制　020

1.2.7　应急通信和无人区探测　021

1.3　6G性能需求和频谱规划　022

1.3.1　6G多极致性能需求　023

1.3.2　6G技术特征　025

1.3.3　6G频谱规划　026

｜　1.4 6G体系架构和关键技术　028

1.4.1　AI驱动的空天地海一体化按需网络　029

1.4.2　物理层关键技术　031

1.4.3　边缘计算和雾计算　040

1.4.4　通信 感知 计算一体化　042

1.4.5　内生安全　045

参考文献　046

第　2章 毫米波通信技术　049

2.1　无线频谱　050

2.1.1　电磁波谱排列　051

2.1.2　毫米波频谱　053

2.1.3　毫米波通信优势　053

2.1.4　小结　054

2.2　毫米波通信特性　055

2.2.1　毫米波传播特性　055

2.2.2　毫米波信道特性　058

2.2.3　小结　065

2.3　毫米波通信关键技术　066

2.3.1　毫米波大规模MIMO　066

2.3.2　毫米波混合波束赋形　071

2.3.3　毫米波信道估计技术　077

2.3.4　毫米波通信器件　081

2.3.5　其他关键技术　085

2.3.6　小结　086

2.4　毫米波通信组网　086

2.4.1　毫米波陆地通信　086

2.4.2　毫米波卫星通信　089

2.4.3　小结　091

2.5　毫米波通信标准化　091

2.5.1　IEEE毫米波通信标准化　091

2.5.2　3GPP毫米波通信标准化　093

2.5.3　ITU毫米波通信标准化　093

2.5.4　小结　095

参考文献　095

第3章　6G太赫兹与可见光通信　099

3.1　太赫兹与可见光通信概述　101

3.1.1　太赫兹与可见光通信原理　101

3.1.2　国内外研究现状　103

3.1.3　小结　108

3.2　太赫兹与可见光通信信道特性　109

3.2.1　太赫兹信道建模　109

3.2.2　可见光信道建模　110

3.2.3　太赫兹与可见光通信关键技术　113

3.2.4　小结　129

3.3　太赫兹与可见光通信组网　130

3.3.1　太赫兹组网及其应用　131

3.3.2　可见光组网及演示平台　133

3.3.3　小结　140

3.4　太赫兹与可见光通信发展趋势　141

3.4.1　太赫兹通信发展趋势　141

3.4.2　可见光产业发展趋势　143

3.4.3　小结　144

3.5　太赫兹与可见光通信标准化　145

3.5.1　太赫兹通信标准化　145

3.5.2　可见光通信标准化　147

3.5.3　小结　151

参考文献　151

第4章　6G多址接入与编码技术　155

4.1　非正交多址接入　157

4.1.1　功率域NOMA　158

4.1.2　稀疏码分多址SCMA　162

4.1.3　图样分割多址PDMA　167

4.1.4　多用户共享接入MUSA　172

4.1.5　小结　176

4.2　极化编译码　176

4.2.1　基础知识　177

4.2.2　信道极化　180

4.2.3　极化信道可靠性排序　187

4.2.4　极化码编码　189

4.2.5　极化码译码　192

4.2.6　小结　198

参考文献　198

第5章　6G随机接入与大规模天线　203

5.1　免授权随机接入　205

5.1.1　随机接入原理　205

5.1.2　免调度随机接入　214

5.1.3　关键技术　216

5.1.4　小结　220

5.2　超大规模MIMO　221

5.2.1　技术原理　222

5.2.2　小规模MIMO　227

5.2.3　超大规模MIMO　234

5.2.4　小结　241

5.3　信道估计与检测　242

5.3.1　无线信道概述　242

5.3.2　OFDM原理　246

5.3.3　导频图样设计　249

5.3.4　基于导频的信道估计方法　252

5.3.5　插值方法　255

5.3.6　基于机器学习算法的信道估计　258

5.3.7　小结　260

参考文献　260

第6章　6G无线网络体系架构　267

6.1　6G空天地海一体化组网　270

6.1.1　标准进展　272

6.1.2　结构组成　273

6.1.3　移动性关键技术　275

6.1.4　协同覆盖关键技术　278

6.2　6G空间信息网络　279

6.2.1　卫星网络发展　281

6.2.2　空间信息网络功能与特征　288

6.2.3　空间信息网络关键技术　290

6.2.4　空间信息网络技术挑战　293

6.2.5　空间信息网络发展目标　294

6.2.6　空间信息网络核心问题　295

6.3　空中无人机组网　296

6.3.1　无人机通信与自组网　298

6.3.2　无人机辅助的无线组网　301

6.3.3　无人机无线组网的应用　306

6.3.4　无人机网络的覆盖及切换性能　310

6.4　浮空平台区域无线网络　323

6.4.1　浮空平台分类　324

6.4.2　浮空平台网络架构　326

6.4.3　浮空平台空间段链路　328

6.4.4　浮空平台关键技术　329

6.5　海洋无线组网　329

6.5.1　海洋无线通信组成　331

6.5.2　海洋无线通信技术　334

6.6　无线接入网切片　338

6.6.1　6G无线网络切片体系结构　339

6.6.2　关键组成元素　342

参考文献　346

第7章　6G雾无线网络　349

7.1　雾计算与雾网络　352

7.1.1　雾网络结构　353

7.1.2　雾计算和边缘计算　355

7.1.3　小结　356

7.2　雾无线接入网　356

7.2.1　架构　357

7.2.2　关键技术　358

7.2.3　挑战　362

7.2.4　小结　363

7.3　NOMA和F-RAN　363

7.3.1　NOMA的主要特征　363

7.3.2　基于NOMA的F-RAN体系架构　365

7.3.3　关键技术与挑战　366

7.3.4　小结　369

7.4　F-RAN的基础理论与关键技术　369

7.4.1　基础理论　369

7.4.2　F-RAN理论与技术　372

7.4.3　未来展望　375

7.5　F-RAN资源调配　376

7.5.1　系统模型　377

7.5.2　问题建模和求解方法　381

7.5.3　性能仿真验证　390

7.6　F-RAN垂直行业应用　395

7.6.1　F-RAN在不同移动业务中的应用　395

7.6.2　F-RAN在垂直行业中的应用　397

7.6.3　小结　400

参考文献　400

第8章　6G智慧无线通信　403

8.1　人工智能基本原理　404

8.1.1　认知人工智能　405

8.1.2　机器学习　405

8.1.3　深度学习　405

8.1.4　常见的人工智能学习方法　406

8.1.5　小结　414

8.2　人工智能在物理层中的应用　415

8.2.1　基于模型驱动深度学习的多输入多输出检测　416

8.2.2　基于深度学习的信道状态信息反馈与重建　417

8.2.3　基于深度学习的自动调节识别　419

8.2.4　小结　420

8.3　人工智能在资源调配中的应用　420

8.3.1　基于资源块Q-Learning的物联网资源调配　420

8.3.2　基于深度学习的分布式天线系统中的功率分配方法　422

8.3.3　小结　426

8.4　人工智能在网络结构中的应用　426

8.4.1　实时智能边缘　427

8.4.2　智能无线通信　429

8.4.3　分布式/集中式AI网络架构　429

8.4.4　小结　430

8.5　人工智能在网络管理中的应用　431

8.5.1　故障管理（根因分析）　432

8.5.2　网络运行（基于AI的能量优化）　433

8.5.3　网络运行（调度）　433

8.5.4　网络规划　434

8.5.5　小结　435

8.6　人工智能在业务层面的应用　435

8.6.1　流量管理　435

8.6.2　业务推送　438

8.6.3　小结　439

8.7　AI驱动的雾无线网络　440

8.7.1　AI-FRAN组网基本原理　441

8.7.2　AI-FRAN的性能分析　444

8.7.3　AI-FRAN关键技术　444

8.7.4　未来挑战　446

参考文献　447

第9章　6G智简无线网络　453

9.1　智简无线网络功能组成　455

9.1.1　广域无缝通信　456

9.1.2　巨容量高保真通信　457

9.1.3　超可靠低时延通信　458

9.1.4　巨连接极低功耗机器类通信　459

9.2　意图驱动的智简无线网络　460

9.2.1　意图驱动的网络架构　462

9.2.2　意图驱动的AI组成　464

9.3　智简无线网络理论与技术　466

9.3.1　智简无线网络信息理论　467

9.3.2　AI使能的无线传输技术　469

9.3.3　云边协同的雾无线组网技术　470

9.3.4　多维资源智能调配技术　472

9.3.5　AI使能的移动性管理技术　473

9.4　智简6G应用展望　474

9.4.1　无人机应急通信　474

9.4.2　海洋通信　475

9.4.3　全息高清视频通信　475

9.4.4　VR/AR演进　476

9.4.5　工厂内智能通信　476

9.4.6　增强型车联网　476

参考文献　477

第　10章 6G内生安全与区块链　479

10.1　6G内生安全　481

10.1.1　面向无线网络切片的身份认证　482

10.1.2　面向无线网络切片的安全增强　483

10.1.3　面向无线网络切片的安全监控　485

10.2　区块链概述　485

10.2.1　区块链架构模型　486

10.2.2　区块链特征　487

10.2.3　交易和区块　488

10.2.4　准入机制　490

10.2.5　共识机制　491

10.2.6　区块激励　491

10.2.7　智能合约　492

10.2.8　密码学　493

10.2.9　数据结构　494

10.3　6G区块链　495

10.3.1　6G雾计算中的区块链　496

10.3.2　6G智能网络中的区块链　499

10.3.3　基于区块链技术的频谱共享　500

10.3.4　区块链使能的网络切片　501

10.3.5　区块链使能的终端直通　503

10.4　区块链行业应用　503

10.4.1　区块链行业应用总体现状　504

10.4.2　区块链重点领域行业应用发展现状　505

10.4.3　区块链行业应用面临的问题　507

10.5　6G区块链共识算法的开销分析　509

10.5.1　网络模型以及共识流程　509

10.5.2　共识开销分析　512

10.5.3　仿真与性能分析　519

参考文献　524

名词索引　527

本书系统深入地介绍了6G移动通信系统的演进背景、应用场景、性能目标、体系架构、理论原理、关键技术、先进算法以及未来发展趋势等。内容包括5G到6G的演进驱动力、6G应用场景和性能目标、毫米波通信、太赫兹通信、可见光通信、多址接入、信道编译码、随机接入、大规模天线、体系架构、空天地海一体化、雾无线网络、智慧无线通信、智简无线网络、内生安全、区块链技术等。

　　本书可供从事新一代宽带移动通信研究的大专院校高年级学生、专业技术人员、管理人员，特别是从事6G通信理论、关键技术、算法设计、标准研究和应用开发的工程人员作为基础专业图书和参考图书使用。本书也可供学习6G传输与组网理论的大专院校相关专业师生阅读参考，还可以作为移动通信专业的教材和学习参考书。

彭木根 北京邮电大学教授，中国电子学会会士、中国通信学会会士、IEEE Fellow、IET Fellow。长期致力于4G/5G/6G 等移动通信系统的灵巧小基站及智能无线组网理论研究与工程实践。