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4G无线通信发展的历程表明多天线技术通过天线数目的增加已经给系统带来巨大的性能增益。近年来，大规模多天线技术在传统多天线技术的基础上进一步得到发展，已经成为5G无线通信领域的关键技术之一，吸引学术界和工业界大量的研究目光。本书将着重系统地介绍大规模多天线技术的理论与应用技术，结合国际学术界和标准化组织的具体研究进展，对大规模多天线的理论，算法和系统设计等进行最前沿的技术分析。内容主要包括大规模天线技术发展现状、大规模多天线信道模型、大规模多天线系统容量分析、大规模多天线空分多址传输、大规模多天线多用户调度技术、大规模多天线信道估计与导频设计、大规模多天线链路自适应传输技术、大规模多天线高性能接收技术、系统级仿真与原型验证平台设计和应用等。

目  录   Contents
第1章  Chapter 1         MIMO无线通信系统发展	1
1.1  MIMO无线通信系统发展简史	2
1.2  大规模MIMO系统特征及当前研究进展	4
1.2.1  大规模MIMO系统研究需求	4
1.2.2  基本原理及系统特征	4
1.2.3  主要研究内容	6
1.2.4  研究现状	7
1.3  MIMO无线衰落信道的基本特征	11
1.4  大规模MIMO信道特点	16
1.4.1  大规模MIMO信道的最佳传播条件	16
1.4.2  大规模MIMO信道的非平稳性	18
1.4.3  大规模MIMO阵列组态及球面波前	18
1.4.4  大规模MIMO用户信道建模	19
第2章  Chapter 2         大规模MIMO系统信息论基础及信道容量分析	21
2.1  大规模MIMO系统信息论基础	22
2.1.1  MIMO技术	22
2.1.2  多用户MIMO技术	23
2.1.3  大规模MIMO技术	25
2.2  大规模MIMO系统模型	26
2.2.1  六边形小区	26
2.2.2  正交频分复用	26
2.2.3  时分双工	27
2.2.4  传输模型	27
2.3  导频污染形成机理	28
2.3.1  反向链路导频传输	28
2.3.2  导频污染	29
2.4  大规模MIMO信道容量分析	30
2.4.1  反向链路数据传输	30
2.4.2  前向链路数据传输	32
2.5  本章小结	34
第3章  Chapter 3  大规模MIMO空分多址传输台	35
3.1  多用户MIMO传输基本原理	36
3.1.1  多用户信道	36
3.1.2  多址接入	36
3.1.3  多用户MIMO系统的速率域	38
3.2  多用户MIMO下行预编码技术	40
3.2.1  预编码基本原理	40
3.2.2  ZF预编码	41
3.2.3  MMSE预编码	41
3.3  大规模MIMO空分多址传输	42
3.4  联合空分复用传输技术	43
3.4.1  系统模型	43
3.4.2  JSDM方案	44
3.4.3  JSDM性能	46
3.4.4  性能仿真	47
3.5  大规模MIMO统计空分多址传输	49
3.5.1  系统模型	49
3.5.2  空间信道特征	50
3.5.3  波束域下行最优传输理论	54
3.5.4  MB-SDMA传输方案	56
3.6  本章小结	58
第4章  Chapter 4   大规模MIMO多用户调度技术台	59
4.1  多用户MIMO调度基本原理	60
4.1.1  多用户MIMO系统模型	60
4.1.2  启发式搜索调度算法概述	62
4.1.3  基于零空间投影的调度算法	64
4.1.4  半正交用户选择算法	65
4.1.5  基于树形搜索的调度算法	66
4.2  JSDM传输下大规模MIMO多用户调度	68
4.2.1  用户分组算法	68
4.2.2  组内用户调度算法	74
4.3  统计大规模MIMO多用户调度	76
4.3.1  多用户和速率及其在线估计	76
4.3.2  用户调度算法	79
4.4  大规模MIMO多用户调度技术性能评估	82
4.4.1  JSDM方案中多用户调度性能	82
4.4.2  统计大规模MIMO多用户调度性能	84
第5章  Chapter 5  大规模MIMO信道估计与导频设计	91
5.1  大规模MIMO信道估计与导频设计基本原理	92
5.1.1  信道估计原理	92
5.1.2  导频设计基本原理	93
5.2  低复杂度的大规模MIMO信道估计	93
5.2.1  传统的信道估计	94
5.2.2  低复杂度的信道估计	95
5.3  基于压缩感知的大规模MIMO信道估计	98
5.3.1  压缩感知与信道估计	98
5.3.2  压缩感知信道重建方法	99
5.3.3  信道反馈与压缩感知	100
5.4  导频设计与导频再用	101
5.4.1  导频再用与导频污染	101
5.4.2  导频再用与导频分配	102
5.5  性能评估	105
5.5.1  信道估计误差	106
5.5.2  传输速率	106
5.5.3  频谱效率	108
第6章  Chapter 6  大规模多天线接收机	109
6.1  系统模型	111
6.2  信号解调	111
6.2.1  ZF解调器	112
6.2.2  LMMSE解调器	112
6.2.3  近似信息传递解调器	112
6.3  信道估计	118
6.3.1  信道特性	118
6.3.2  贝叶斯信道估计	119
6.4  AMP算法性能评估	123
6.4.1  信号解调	123
6.4.2  信道估计	125
6.5  本章小结	128
第7章  Chapter 7  毫米波大规模MIMO技术	129
7.1  毫米波信道模型	130
7.1.1  可分辨路径集合	130
7.1.2  路径损耗	131
7.1.3  角度扩散	131
7.1.4  阻塞概率	132
7.1.5  小尺度衰落	133
7.1.6  简化模型	133
7.2  结合波分多址与干扰抑制的多用户传输方案	134
7.2.1  系统模型	135
7.2.2  波束域分析	136
7.2.3  多用户传输方案设计	139
7.2.4  仿真结果	145
7.3  本章小结	148
第8章  Chapter 8  大规模MIMO原型验证平台设计和应用	149
8.1  Argos原型平台	150
8.2  NI原型平台	152
8.2.1  NI的大规模MIMO应用程序框架	152
8.2.2  128天线大规模MIMO原型验证平台	155
8.2.3  IO流速率分析	159
8.2.4  系统的同步	161
8.2.5  系统实物图和测试结果	163
第9章  Chapter 9  大规模MIMO技术最新进展	169
9.1  低成本大规模MIMO技术	170
9.2  低精度量化研究现状	172
9.3  量化OFDM技术[175]	174
9.3.1  系统模型	174
9.3.2  MAP信道估计	176
9.3.3  MMSE数据检测	176
9.4  大规模MIMO系统的混合ADC设计方案	177
9.4.1  系统模型	178
9.4.2  MIMO检测器	180
9.4.3  混合ADC设计方案	185
9.4.4  仿真结果与分析	187
9.5  大规模MIMO系统中的多水平低位数ADC应用方案	194
9.5.1  系统模型	195
9.5.2  状态演化方程	196
9.5.3  多水平低位数ADC替换高位数ADC	200
9.5.4  仿真结果与分析	203
附录A  Appendix A  松弛置信度传播算法推导	207
附录B  Appendix B  AMP算法推导	213
附录C  Appendix C  缩略语	217
附录D  Appendix D  缩略语	221
参考文献	229

前  言
   Preface


随着移动互联网的蓬勃发展，移动通信业务量呈现爆炸式增长，新一代蜂窝移动通信将具备“海容量、泛连接、超效能”等新特征，急需在频谱效率、功率效率、频谱扩展与网络密集化等多重方向上取得突破性进展。现有的4G技术难以满足未来超高传输速率移动互联无线通信需求，在频谱资源日趋紧缺的情况下，需要引入变革性的无线传输新技术。近年来，大规模MIMO传输理论与关键技术由于能够显著提升无线网络容量、应对新一代蜂窝移动通信的多重需求，引发了国内外学术界和工业界的极大关注。
大规模MIMO技术是利用基站侧配置的大规模天线阵列服务小区中若干用户的 MIMO系统。早期的理论研究表明：当天线数目趋于无穷大时，大规模MIMO技术能够有效提高空间分辨率，削弱快衰落以及非相关噪声的影响，使空间资源能够进一步划分，可以采用空分多址的复用方式，同时调度服务的用户个数，实现多用户传输，提高系统容量。
本书主要内容为大规模MIMO传输理论与关键技术，详细介绍了大规模MIMO的基本概念、基本原理、关键技术、原型验证平台以及最新进展。全书共9章，内容包括MIMO无线通信系统发展、大规模MIMO系统信息论基础、大规模MIMO空分多址传输、大规模MIMO多用户调度技术、大规模MIMO的信道估计与导频设计、大规模MIMO先进接收机设计、毫米波大规模MIMO技术、大规模MIMO原型验证平台设计和应用以及大规模MIMO技术最新进展。
本书由金石组织编写并统稿，东南大学移动通信国家重点实验室金石主要负责或参与撰写本书第2、3、4、7、8、9章，台湾中山大学通讯技术实验室温朝凯主要负责或参与撰写本书第6、7、8、9章，清华大学自动化系信息处理研究所高飞飞主要负责或参与撰写本书的第1、2、7章，华中科技大学电子信息与通信学院江涛主要负责或参与撰写本书第5、9章。本书部分原型验证平台的介绍得到了美国国家仪器公司的授权。此外，还要特别感谢东南大学移动通信国家重点实验室李峥、阳析、韩瑜、范利等研究生为本书所做的贡献。
限于作者认知水平和写作时间，对于本书中存在的错误或不足之处，恳请同行专家与读者给予批评指正，我们将不胜感谢！

作  者       
于中国无线谷

通信技术/专著

金石，东南大学教授，国家自然科学基金杰出青年基金获得者。2007年获得东南大学通信与信息系统专业博士学位，同年起在东南大学移动通信国家重点实验室工作，2007年4月至2009年10月赴英国伦敦大学学院电气与电子工程系进行博士后研究。目前主要研究方向为5G/4G移动通信理论与关键技术、空时无线通信理论与技术、现代信号处理及其在移动通信中应用。

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