从分布式MIMO到无蜂窝大规模MIMO，多节点协作传输经历20余年的研究，即将在6G的标准化中落地。无蜂窝大规模MIMO既是一种无线传输技术，也是一种移动通信组网技术。《无蜂窝无线接入网：关键技术与试验验证》系统化地提出了无蜂窝无线接入网，较为完整地介绍了关键技术以及相应的试验结果。《无蜂窝无线接入网：关键技术与试验验证》的主要内容涵盖无蜂窝无线接入网的基本概念和试验系统构建方法、可扩展的上下行分布式收发机、节点间的相位同步、多节点协作通感一体化、网络辅助全双工技术、智能的无线资源分配以及协议栈设计，相关的关键技术均经过试验平台的试验验证。

目录
丛书序
前言
第1章 移动通信系统及其演进 1
1.1 蜂窝组网及移动通信系统的演进 1
1.1.1 蜂窝组网与频率复用 1
1.1.2 蜂窝移动通信系统与网络架构 2
1.1.3 室内蜂窝组网与覆盖增强 4
1.2 多天线技术的演进 6
1.2.1 点到点MIMO 7
1.2.2 点到多点MIMO 8
1.2.3 多点到多点MIMO 9
1.3 新型的无线接入网系统实现架构 13
1.3.1 D-RAN、C-RAN及cloud-RAN 13
1.3.2 O-RAN 14
1.3.3 无蜂窝无线接入网(CF-RAN) 14
1.4 CF-RAN与6G典型场景及关键指标 16
1.4.1 6G典型场景及关键指标 16
1.4.2 CF-RAN对6G关键指标的支撑 16
1.4.3 5G演进趋势与6G CF-RAN的应用前景 18
1.5 本章小结 19
参考文献 19
第2章 无蜂窝无线接入网系统 22
2.1 CF-RAN软件系统和硬件设备 22
2.1.1 5G O-RAN室内分布式小基站系统 22
2.1.2 CF-RAN的EDU和vCPU的实现 24
2.1.3 RRU/AAU 25
2.1.4 前传卡和FEC加速卡 27
2.1.5 网络设备间的时间和时钟同步 27
2.1.6 终端 29
2.2 无蜂窝RAN试验平台 29
2.2.1 sub-6GHz CF-RAN系统 30
2.2.2 毫米波CF-RAN系统 31
2.2.3 通感一体化的试验验证 32
2.3 本章小结 34
参考文献 34
第3章 无蜂窝大规模MIMO的分布式接收机技术 36
3.1 无蜂窝大规模MIMO的集中式接收机 36
3.1.1 集中式接收机 37
3.1.2 集中式接收机的前传开销 40
3.1.3 集中式接收机的计算开销 40
3.2 传统分布式接收机 41
3.2.1 完全分布式接收机 42
3.2.2 分层接收机模型 43
3.2.3 序贯MMSE接收机模型 46
3.2.4 分布式接收机的频谱效率 48
3.3 基于新型无蜂窝网络架构的分布式接收机 49
3.3.1 局部检测和全局检测的关系 49
3.3.2 分组协作分布式接收机 51
3.4 数值计算和仿真结果 53
3.4.1 不同接收方法的性能对比 53
3.4.2 复杂度分析 55
3.5 试验系统离线测试结果 56
3.6 本章小结 57
附录 关于式(3.42)推导过程 58
参考文献 59
第4章 无蜂窝大规模MIMO节点间时频同步与互易性校准技术 60
4.1 互易性失配模型 60
4.1.1 互易性失配对下行传输的影响 60
4.1.2 实际系统中硬件非理想造成的互易性失配建模 62
4.1.3 时频同步对校准系数的影响 63
4.2 网络侧互易性自校准方法 66
4.2.1 分组总体*小二乘校准 66
4.2.2 分组Argos平均校准 67
4.2.3 大规模节点的校准 69
4.2.4 校准系数的跟踪 70
4.3 UE反馈校准方法 74
4.3.1 信道信息反馈辅助校准 74
4.3.2 基于预编码参考信号的反馈辅助校准 75
4.4 校准信号设计 76
4.5 无蜂窝大规模MIMO系统中的空口校准测试结果 79
4.5.1 校准系数的时频特性 80
4.5.2 校准系数相位误差分析 82
4.5.3 下行16个数据流的总频谱效率性能对比 84
4.5.4 分布式预编码的总频谱效率性能对比 86
4.6 本章小结 89
参考文献 89
第5章 无蜂窝大规模MIMO的鲁棒预编码技术 91
5.1 无蜂窝大规模MIMO的下行传输问题 91
5.1.1 下行传输的信号模型 92
5.1.2 相位噪声问题和建模 92
5.1.3 相位噪声的基本处理思路 93
5.1.4 简单集中式和分布式的鲁棒预编码 94
5.2 传统集中式鲁棒预编码 94
5.2.1 基于SLNR的鲁棒预编码 95
5.2.2 基于WMMSE的鲁棒预编码 95
5.3 基于新型无蜂窝网络架构的鲁棒分布式预编码 96
5.3.1 基于团队决策的鲁棒预编码 97
5.3.2 级联鲁棒分布式预编码 98
5.4 数值计算和仿真结果 99
5.4.1 仿真性能 100
5.4.2 复杂度分析 102
5.5 试验系统测试结果 102
5.6 本章小结 103
附录A. WMMSE鲁棒预编码的推导 104
附录B. RCT-MMSE的推导 105
参考文献 107
第6章 无蜂窝系统的网络协作感知技术 109
6.1 无蜂窝系统遥感技术 109
6.1.1 研究背景 109
6.1.2 通感融合的波形技术 110
6.1.3 多节点协作感知技术 110
6.2 兼容5G NR波形的感知信号设计 111
6.2.1 发射侧信号生成 112
6.2.2 接收侧信号处理 113
6.2.3 OFDM符号内距离模糊消除方案 113
6.2.4 OFDM符号间距离模糊消除方案 114
6.2.5 高精度速度分辨率的帧结构设计 115
6.3 非理想硬件特性下时延-多普勒频移估计 117
6.3.1 非理想时频同步的处理 117
6.3.2 多普勒频移和时延估计 118
6.3.3 时延-多普勒频移参数匹配和多普勒频移符号确定 119
6.3.4 随机相位偏移的时域跟踪 119
6.3.5 无人机探测试验验证 120
6.4 基于Turbo-VBI的多节点协作感知技术 124
6.4.1 无蜂窝通感融合场景下的感知信号模型 124
6.4.2 基于网格的接收信号模型 126
6.4.3 概率模型 128
6.4.4 基于Turbo-VBI的感知参数估计方法 129
6.4.5 预处理 131
6.4.6 仿真结果 132
6.4.7 实测结果 134
6.5 本章小结 138
附录 近似边缘概率分布更新的推导 138
参考文献 141
第7章 毫米波无蜂窝大规模MIMO系统的双向相干传输与感知 144
7.1 毫米波CF-mMIMO相干传输与感知的非理想因素 144
7.2 系统建模 145
7.2.1 毫米波点到点系统的信道互易性建模 145
7.2.2 多点到多点系统中存在时频偏时的互易性建模 147
7.3 准静态场景下双向校准和同步方法 149
7.3.1 准静态场景下双向校准流程设计 149
7.3.2 初始射频校准系数估计 150
7.3.3 相对校准系数相位跟踪 152
7.3.4 准静态场景仿真结果 153
7.4 动态场景下校准感知一体化 154
7.4.1 动态场景下双向校准流程设计 154
7.4.2 校准辅助感知 155
7.4.3 感知辅助校准 156
7.4.4 动态场景仿真结果 157
7.5 实测验证 158
7.5.1 校准系数特性 159
7.5.2 通信测试结果 162
7.5.3 感知测试结果 166
7.6 本章小结 168
参考文献 168
第8章 无蜂窝大规模MIMO的网络辅助全双工技术 171
8.1 双工技术的演进 171
8.1.1 传统TDD和FDD系统 171
8.1.2 5G-A的SBFD 172
8.1.3 CCFD 174
8.2 无蜂窝网络辅助全双工 175
8.2.1 网络辅助全双工的基本思想 175
8.2.2 CF-NAFD与SBFD 176
8.3 网络辅助全双工的关键技术 179
8.3.1 交叉链路干扰消除 179
8.3.2 NAFD的天线模式选择 181
8.3.3 NAFD的资源管理 184
8.3.4 非理想情况与可扩展问题 186
8.3.5 NAFD与6G技术的结合 188
8.4 数值计算和仿真结果 189
8.5 本章小结 193
参考文献 194
第9章 无蜂窝试验系统中空时互换方案测试与验证 197
9.1 空时互换方案研究背景 197
9.2 无蜂窝场景下空时互换性能分析 198
9.2.1 信道模型与有限码长分析 198
9.2.2 信道色散项分析 200
9.2.3 空时互换可行性验证 204
9.3 无蜂窝场景空时互换的实现方案 205
9.4 可扩展的sub-6GHz无蜂窝试验系统性能验证 207
9.4.1 多流信道估计方案 209
9.4.2 拆分架构收发机实现 211
9.4.3 试验结果及分析 213
9.5 毫米波无蜂窝试验系统性能验证 217
9.5.1 硬件平台实现 217
9.5.2 低时延调度实现 218
9.5.3 试验结果及分析 220
9.6 本章小结 226
参考文献 226
第10章 CF-RAN的优化部署与智能的用户-节点关联 228
10.1 AP和EDU的优化部署 228
10.1.1 可达速率的上界和下界分析 229
10.1.2 大尺度衰落分析 230
10.1.3 基于遗传算法的AP和EDU关联部署 232
10.2 UE-AP-EDU的动态关联策略 234
10.2.1 基于启发式算法的用户关联策略 235
10.2.2 基于多智能体Q-learning算法的UE-AP-EDU关联策略 236
10.2.3 复杂度分析 238
10.3 UE和UCDU的关联策略 239
10.4 仿真分析 240
10.5 本章小结 242
参考文献 243
第11章 无蜂窝无线接入网系统设计 244
11.1 5G cloud-RAN与CF-RAN 244
11.1.1 5G CU-DU分离架构 245
11.1.2 支持CU-DU分离的cloud-RAN部署 246
11.1.3 前传方案 248
11.1.4 cloud-RAN的优点 248
11.1.5 新型CF-RAN实现架构 249
11.2 新型的物理层切分 250
11.2.1 新型的切分方式 250
11.2.2 新型的切分接口设计 252
11.3 CF-RAN上层协议栈的关键技术 256
11.3.1 UE-RRU-EDU-UCDU的关联 256
11.3.2 移动性管理：用户无感UCDU关联 257
11.3.3 eMAC-C的分布式空时频资源分配 258
11.4 CF-RAN的RIC技术 259
11.4.1 CF-RAN的RIC架构 259
11.4.2 CF-RAN的RIC的实现 260
11.5 本章小结 261
参考文献 261
缩略语索引 263

第1章 移动通信系统及其演进
　　移动通信从1G到5G，网络架构和系统实现架构也在逐渐演化，支撑了从话音、数据到泛在连接的无线通信业务。在蜂窝移动通信系统发展的过程中，从4G的研究阶段开始，如何打破蜂窝架构，进而持续提升移动通信系统的覆盖和容量，一直是学术界的研究热点。本章主要介绍移动通信系统及组网的演进。*先回顾传统的蜂窝组网技术的发展、网络架构和系统实现架构的演变。然后回顾多天线(multiple input multiple output，MIMO)技术的发展，介绍点到点MIMO，点到多点多用户MIMO、大规模MIMO，多点到多点分布式协作MIMO以及无蜂窝大规模MIMO。从分布式协作MIMO演进到无蜂窝大规模MIMO也为打破蜂窝架构奠定基础。在此基础上，提出新型无蜂窝无线接入网，并介绍其对6G关键技术指标的主要支撑作用。
　　1.1 蜂窝组网及移动通信系统的演进
　　1.1.1 蜂窝组网与频率复用
　　1947年Ring提出了蜂窝移动通信广域覆盖的概念[1]，至今已被广泛应用于1G到5G系统。如图1.1(a)所示，传统的蜂窝移动通信系统将不同的频谱资源划分给一簇相互毗邻小区(或扇区)，间隔一定距离的小区可以重复使用这些频谱资源。这种频率复用在提高移动通信系统容量的同时，可避免相邻小区(或扇区)之间产生干扰。这种频率资源的静态划分方法被应用于**代(1G)和第二代(2G)移动通信系统，极大地简化了蜂窝移动通信系统的设计。但是，这种传统的频率复用蜂窝组网方式丧失了资源分配的灵活性，频谱利用率较低。例如，当毗邻小区的业务量不均衡时，传统的频率复用蜂窝系统将无法调度邻区的频率资源，实现频谱资源的动态分配。
　　为了进一步提升频谱效率(spectral efficiency)，全频率复用被3G及后续移动通信系统广泛采用。如图1.1(b)所示，系统中4个基站共同使用相同的频谱资源。全频率复用的缺点是小区之间的干扰较为严重，尤其是小区边界。如图1.1(b)的5个用户终端(user equipment，UE) UE1~UE5均处在多个基站的公共服务区，当基站采用相同的时频资源为其服务时，性能严重恶化。
　　在4G的研究初期，为了降低全频率复用引入的干扰，研究学者提出分数倍频率复用(fractional frequency reuse，FFR)[2]。FFR将总的频率资源做更精细的划分，并将小区的覆盖分为边缘和中心区域，在中心区域采用相同的频率资源，而边缘区域采用互相正交的频率资源。另一种提升频率复用效率并降低干扰的方法是软频率复用(soft frequency reuse，SFR)[3]。SFR通过功率门限决定频率资源在多大程度上被使用。通过调整副载波与主载波的功率门限的比值，SFR可以适应负载在小区内部和小区边缘的分布。与FFR相比，无论是在小区边缘还是小区内部，SFR都可以获得更多的频带和更高的频谱使用率。
　　本质上，上述频率复用方法均归结为频谱资源与功率资源的分配问题。因此，随着正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的应用以及基站间协作能力的提升，联合时间、频率、功率等资源分配可以更加灵活、高效地使用无线资源。因此，全频率复用被4G及后续的移动通信系统广泛采用。
　　1.1.2 蜂窝移动通信系统与网络架构
　　如图1.2所示，移动通信系统经过1G到5G的演进，基本上形成了终端和移动通信网络系统两大部分，后者又包括无线接入网(radio access network，RAN)和核心网两部分。
　　从网络架构的角度，当前5G新空口(new radio，NR)为了进一步提高灵活性，采用3级架构，即分布式单元(distributed unit，DU)—集中单元(centralized unit，CU)—核心网(core network，CN)[4]。DU主要负责实时性较强的物理层、介质访问控制(medium access control，MAC)和无线链路控制(radio link control，RLC)协议层功能。CU负责实时性要求较低的处理功能，如分组数据汇聚协议(packet data convergence protocol，PDCP)和无线资源控制(radio resource control，RRC)。DU和CU是逻辑上的划分，它们共同构成无线接入网系统，通过基站(base station，BS，3GPP中称为gNodeB)实现。图1.3给出5G无线接入网的关键功能单元[4]。在5G系统中，每个CU可以连接1个或多个DU。CU和DU之间存在多种逻辑功能分割方案，可以适配不同的通信场景和不同的通信需求。
　　从系统设备实现的角度，基站的物理层(physical layer，PHY)处理单元主要包括天线单元、射频(radio frequency，RF)单元和基带单元(baseband unit，BBU)。在工业界，通常认为BBU还包括RAN的上层协议栈。当前，一种常用的系统实现方式是BBU、射频拉远单元(remote radio unit，RRU)和天线单元，例如室外宏蜂窝场景。根据应用的需要，天线单元和射频单元可以集成在一起，例如室内低功率覆盖场景的小型远程无线单元(pico-RRU，pRRU)。射频单元和BBU之间通常以数字基带信号为接口划分，但是随着技术的发展，部分物理层功能下沉到RRU，与天线单元共同形成有源天线单元(active antenna unit，AAU)，在5G NR标准化中，此类节点也被定义为收发点/面板(transmission and reception point/panel，TRP)。在学术界，将集成了天线、RF和部分基带功能的节点统称为接入点(access point，AP)。随着家庭应用需求的增加，BBU、射频单元及天线单元共同集成形成了一体化基站，但在本书中不涉及一体化基站。
　　需要说明的是，AP/RRU/AAU/TRP的功能界定没有统一标准，使用这些术语体现了工业界和学术界的不同习惯，因此本书中均有使用。在研究理论和关键技术时，我们按照学术界的习惯，将集成了天线、射频收发机乃至部分物理层信号处理能力的节点统称为AP。在工业界，将具备射频收发机和数模转换功能的低频段硬件设备称为RRU，其中用于室内低功率覆盖场景的pRRU通常还配置有小规模天线；而将采用有源天线阵列的低频段和高频段单元称为AAU。在描述3GPP标准中相关技术时，统一采用标准化的术语——TRP。
　　1.1.3 室内蜂窝组网与覆盖增强
　　移动通信系统组网*基本的要求是无线信号无缝覆盖。由于无线电波在空中传播时信号强度随距离指数衰减，尤其是遇到障碍物(例如建筑物)，会产生更加严重的穿透损耗。由于移动通信有将近80%的业务量发生在室内，而室内受穿透损耗的影响较大。早在20世纪80年代就诞生了室内分布式天线系统(indoor distributed antenna system，IDAS)[5]。至今，DAS仍是5G室内覆盖的主要实现方式。如图1.4所示的DAS，下行传输时，BBU的数字信号经射频单元的上变频，输出模拟信号，并经RF耦合器发送到无源天线；上行传输时，各天线接收信号经RF耦合器发送到射频单元，经过下变频及模数转换发送到BBU。DAS在部署时，无源天线阵列单元被分散部署，可以将无线信号输送到距离用户较近的地方，从而增强覆盖。这种部署方式也称为模拟直放站。由于RF耦合器仅简单地将信号重复发送或简单地在射频叠加合并，从BBU看，系统中等效只有一个射频单元和天线单元。因此，在传统的DAS系统中，用户之间的时频资源需要正交分配，并且系统虽然有多个天线单元，却无法获得多天线的空分增益。另外，系统通常采用大功率的射频单元和同轴电缆部署，能效较低，而且实现MIMO部署的成本较高。
　　为了实现更高的能效和性能，当前5G室内部署中也采用如图1.5所示的数字室内分布式天线系统。下行传输时，BBU的数字基带信号经过扩展单元(部分产品也称为射频集线器(radio-hub，R-Hub))分发到各pRRU，完成数模转换及上变频；上行传输时，接收信号经pRRU的下变频和模数转换，形成数字信号发送到扩展单元，扩展单元将多个pRRU的数字信号进行直接合并，发送给BBU。为了扩大覆盖，扩展单元之间可以进行级联。相比模拟室内分布式天线系统，数字室内分布式天线系统中pRRU和扩展单元实现的复杂度增加，由于采用数字光纤传输基带数据，该系统在能效以及支持MIMO方面均优于模拟室内分布式天线系统。与模拟室内分布式天线系统类似，整个系统可以等效为1个小区和1个pRRU(因此该组网也称为共小区组网)，用户之间需要采用正交资源分配。这种数字室内分布式天线系统已被5G室内覆盖广泛采用。由于该方式覆盖范围较大，也被用于线状小区的组网，例如高铁通信，可扩展单基站的覆盖范围，避免频繁切换。
　　随着系统载频的提高，蜂窝组网中每个小区覆盖范围逐渐缩小。为了提高覆盖性能，需要增大部署密度。因此，另一种常用的部署方式是采用小区分裂的全频率复用组网(图1.1(b))。这种部署方式被广泛应用于无蜂窝组网、密集小蜂窝(dense small cell)/微微蜂窝(pico cell)组网。在实际应用中，随着BBU处理能力的提升，通常一台BBU可以处理多个小区的信号。图1.6给出数字室内分布式天线系统的多小区实现方式。这种将多个小区的基带处理置于基带池的方式为多小区协作奠定了硬件基础。通过多小区之间的协作，可以实现小区间干扰协调(inter-cell interference coordination，ICIC)、联合无线资源调配，从而提高密集组网的性能。
　　1.2 多天线技术的演进
　　无线接入网中的物理层技术是移动通信系统*核心的创新源泉。图1.7给出物理层的关键技术，大致包括波形、多址接入与复用、多天线技术、编码调制等。考虑到空时频资源分配和多用户调度与物理层密切相关，通常将其视为物理层技术。
　　根据香农信息论，增加并行信道的数量可以线性提高信道容量。多天线(MIMO)技术通过在空间域增加并行信道的数量，显著提升了无线通信系统的容量。因此，多天线(MIMO)技术被视为提升移动通信系统关键性能指标(如频谱效率、峰值速率、可靠性等)的核心技术。从2G到5G，基站天线数从传统的1发1收(1 transmit antenna and 1 receive antenna，1T1R)到64T64R，系统的频谱效率也从0.5bit/(s Hz)提升到100bit/(s Hz)，实现了大幅度增长。多天线技术的发展，对无线接入网技术也产生了重要的影响。因此，本节将介绍近年来多天线技术的发展趋势及新型的多天线技术。