內容簡介

近年來，移動通信産業發展迅速，移動用戶數量激增，移動網絡設備大規模布設，隨之而來的移動通信的能耗問題日益突齣。同時，隨著有限頻譜資源的日益飽和，移動通信的頻譜效率問題日益成為其發展瓶頸。怎樣有效突破能效與頻譜效率的枷鎖，是未來5G移動通信網絡發展的關鍵。本書將著重係統介紹麵嚮5G移動通信網絡的能量與頻譜優化技術，結閤國際學術界與工業界的*新研究成果，對提高網絡及通信係統能效與頻譜效率的優化技術進行*前沿的係統分析。內容主要包括綠色通信網絡概念及應用需求、用戶需求與資源管理、網絡能效模型及評估、基於服務質量的5G通信係統能效優化、異構多網協同機製、基於用戶體驗質量和能效的5G通信係統應用等。

作者簡介

　　　　葛曉虎，華中科技大學電子信息與通信學院教授，博士生導師，華中學者特聘教授，湖北省國際科技閤作基地——綠色寬帶無綫通信國際科技閤作基地主任，華中科技大學——悉尼科技大學移動通信聯閤研究中心主任。2003年畢業於華中科技大學獲通信與信息係統博士學位， 2004年擔任韓國亞洲大學電子與計算機工程係研究員，2005年擔任意大利都靈理工大學電子係博士後助理研究員。 2005年獲意大利Galilei Grant，2009年獲挪威政府奬學金資助短期訪問挪威多所大學，2010年6-8月以visiting researcher身份訪問英國Heriot-Watt University，2011年11月-2012年11月以Visiting Professor身份訪問挪威University of Agder。近年來主持承擔瞭10餘項*傢級科研課題和多項國際高水平科技閤作項目。擔任國傢科技部和國傢自然基金委項目評審專傢，湖北省科技廳自然基金項目評審專傢，IEEE高級會員（Senior Member），中國通信學會高級會員，中國電子學會高級會員。

目錄

目 錄

第1章 Chapter 1
5G綠色通信網絡概念及應用需求 1
1．1 緒論 2
1．2 綠色通信在國內外的研究現狀與趨勢 5
1．2．1 基站節能措施 5
1．2．2 基站能耗模型 7
1．2．3 無綫異構網絡能效研究 9
1．3 蜂窩網物化能耗與整體能效評估 10
1．3．1 基站的能耗組成與評估 11
1．3．2 蜂窩網絡整體能效建模及優化 17
1．3．3 蜂窩網物化能耗後續研究 20
1．4 5G綠色通信網絡的挑戰 21
1．4．1 5G迴程網絡 21
1．4．2 5G迴程網絡能效 21
1．5 本章小結 26
1．6 參考文獻 27
基 礎 篇
第2章 Chapter 2
麵嚮綠色通信的無綫資源管理 33
2．1 緒論 34
2．2 用戶業務流量模型 36
2．2．1 數據業務 36
2．2．2 語音業務 39
2．3 輻射能量與乾擾模型 42
2．4 基於Bregman非精確過度間距的資源分配 45
2．4．1 問題描述 46
2．4．2 正則拉格朗日對偶方程和?-Excessive Gap光滑技術 47
2．4．3 具有Bregman投影的快速迭代算法 51
2．4．4 異構網絡下多服務資源分配問題 57
2．5 本章小結 61
2．6 參考文獻 62
第3章 Chapter 3
蜂窩網絡能量效率 67
3．1 隨機幾何理論 68
3．1．1 引言 68
3．1．2 隨機點過程 69
3．1．3 隨機分割理論 71
3．2 PVT隨機蜂窩網能效模型 72
3．2．1 係統模型 72
3．2．2 PVT蜂窩網流量模型與性能分析 74
3．2．3 PVT單天綫蜂窩網絡能效模型與性能分析 78
3．2．4 PVT多天綫蜂窩網絡運行功耗模型與性能分析 88
3．3 多天綫隨機蜂窩網功率優化 102
3．3．1 係統模型 102
3．3．2 多天綫蜂窩網能效模型 102
3．4 HCPP隨機蜂窩網能效模型 106
3．4．1 係統模型 107
3．4．2 基於HCPP的蜂窩網絡乾擾模型 108
3．4．3 基於HCPP的MIMO蜂窩網容量模型 112
3．4．4 HCPP蜂窩網絡能效模型 116
3．4．5 性能仿真及討論 116
3．5 本章小結 118
3．6 參考文獻 119
第4章 Chapter 4
基於服務質量的移動通信係統能效優化 123
4．1 緒論 124
4．2 誤比特率約束條件下的MIMO-OFDM通信係統能效優化 126
4．2．1 MIMO-OFDM通信係統能效模型 126
4．2．2 誤比特率約束條件下的通信係統能效優化 128
4．2．3 仿真與性能分析 132
4．3 服務質量統計約束模型及通信係統有效容量 135
4．3．1 QoS統計約束模型 135
4．3．2 通信係統有效容量 136
4．3．3 有效容量性能仿真 137
4．4 基於服務質量的MIMO-OFDM通信係統能效優化 139
4．4．1 係統模型 139
4．4．2 基於有效容量的MIMO-OFDM係統能效模型 140
4．4．3 通信係統能效優化 142
4．4．4 算法設計 144
4．4．5 仿真結果及分析 145
4．5 本章小結 155
4．6 參考文獻 156
第5章 Chapter 5
5G異構無綫多網的能效協同優化 159
5．1 緒論 160
5．2 異構無綫多網能效協同優化架構 161
5．3 異構多網網絡與終端的聯閤能效優化 163
5．3．1 現有網絡能效評估指標 163
5．3．2 網絡與終端聯閤考慮的新能效評估指標 165
5．3．3 宏微小區共存場景下的網絡能效分析 166
5．4 無綫網絡虛擬化與軟件定義無綫網絡 174
5．4．1 無綫網絡虛擬化 175
5．4．2 軟件定義無綫網絡 179
5．5 本章小結 186
5．6 參考文獻 186
應 用 篇
第6章 Chapter 6
基於用戶體驗質量的客戶端設計 191
6．1 緒論 192
6．2 相關標準與研究 192
6．2．1 漸進式超文本串流 192
6．2．2 自適應HTTP串流 193
6．2．3 MPEG-DASH 197
6．3 基於用戶體驗質量的動態自適應串流機製 198
6．3．1 緩衝預存模式 200
6．3．2 實時串流模式 203
6．3．3 動態自適應串流決策 204
6．4 係統設計與實現 204
6．4．1 軟硬件平颱介紹 204
6．4．2 係統架構與實現流程 222
6．4．3 開發環境 223
6．4．4 安卓應用程序開發環境 228
6．4．5 移植MPEG-DASH至安卓多媒體框架 228
6．5 係統結果分析 230
6．5．1 測試環境 230
6．5．2 串流設備決策機製分析 235
6．5．3 使用者觀賞體驗分析 239
6．6 結論與未來展望 242
6．7 參考文獻 243
第7章 Chapter 7
基於能效增益的安卓平颱設計 247
7．1 緒論 248
7．2 H．264視頻編譯碼標準 249
7．2．1 H．264標準介紹 249
7．2．2 H．264雙核心並行解碼機製 250
7．3 安卓多媒體係統架構 253
7．4 能效增益與動態串流機製 254
7．4．1 影音同步機製設計 254
7．4．2 網絡帶寬分析 255
7．4．3 實時硬件運算能力分析 256
7．4．4 RTSP與HTTP網絡串流 259
7．4．5 動態串流調整機製決策 261
7．5 係統架構與實現流程 265
7．5．1 編譯環境 265
7．5．2 基於H．264並行解碼的雙核心安卓平颱 269
7．5．3 安卓應用程序包設計 280
7．6 係統實現結果 284
7．6．1 測試環境與實現分析 284
7．6．2 能效增益分析 286
7．6．3 影音同步機製分析 286
7．6．4 動態串流調整機製分析 288
7．7 結論與未來展望 289
7．8 參考文獻 290

前言/序言

5G技術叢書專傢委員會

專傢委員會主任

鄔賀銓：中國工程院院士，IMT-2020（5G）推進組顧問

專傢委員會副主任

劉韻潔：中國工程院院士，中國聯閤網絡通信集團有限公司

叢書特彆顧問

張乃通：中國工程院院士，哈爾濱工業大學

專傢委員會委員

曹淑敏：IMT-2020（5G）推進組組長，中國信息通信研究院原院長

張新生：中國通信學會副理事長，未來移動通信論壇常務副理事長

侯自強（中國科學院聲學研究所）

王曉雲（中國移動通信集團公司）

畢 奇（中國電信股份有限公司）

趙先明（中興通訊有限公司）

佟 文（華為技術有限公司）

陳山枝（大唐電信科技産業集團）

張 平（北京郵電大學）

尤肖虎（東南大學）

李少謙（電子科技大學）

王 京（清華大學）

李建東（西安電子科技大學）

5G技術叢書編審委員會

編審委員會主任

楊 暘（中國科學院上海微係統與信息技術研究所）

編審委員會委員

楊峰義（中國電信股份有限公司）

王映民（大唐電信科技産業集團）

陶小峰（北京郵電大學）

張欽宇（哈爾濱工業大學）

金 石（東南大學）

季新生（解放軍信息工程大學）

李雲洲（清華大學）

葛曉虎（華中科技大學）

武 剛（電子科技大學）

王海明（東南大學）

徐 景（上海無綫通信研究中心）

鄔賀銓院士之序

電子工業齣版社從我國大力推動第五代移動通信係統（IMT-2020，又稱5G）研究的背景齣發，通過充分調研和認真組織，策劃齣版“5G技術”叢書，以期及時總結、深入分析和充分反映我國在新的無綫通信國際標準製定過程中的最新進展。叢書將按照5G關鍵技術和5G係統設計與應用兩個層麵分成兩捲，“關鍵技術捲”各分冊主要從理論和技術層麵對5G關鍵候選技術進行具體詳實的分析和介紹，“係統設計與應用捲”各分冊主要從係統和應用層麵對5G總體架構以及關鍵方法的評估和應用進行深入分析和描述，各分冊的作者都是國內活躍在相關研究領域的優秀中青年科研工作者，具有較強的理論研究積纍和實踐經驗，目前又都承擔瞭與5G有關的國傢重大專項和“863計劃”等項目。很高興看到這批優秀的中青年科研工作者在參與科研工作的同時，積極參加編寫這套高新技術叢書。

從齣版社和著作者提供的樣書看齣，叢書以及每本書的結構都是經過仔細斟酌的，邏輯清晰、內容全麵、觀點鮮明、創新性強，內容充分反映瞭我國在新一代移動通信國際標準探索和技術開發中的最新成果，可供國內外的同行參考，將促進我國對國際5G標準製定的貢獻。相信本套叢書的齣版發行，將會推動我國移動通信技術的自主創新和産業發展。

鄔賀銓

2016年8月

劉韻潔院士之序

麵嚮2020年及未來，移動通信技術和産業將邁入第五代移動通信（5G）的發展階段。5G將滿足人們的超高業務吞吐量、超高連接數密度、超高移動速度和超可靠低時延的廣泛應用需求，大幅改善提升通信網絡頻譜效率、能量效率與成本效率，拓展移動通信産業的發展空間。更為重要的是，5G將滲透到物聯網和傳統産業領域，與工業設施、醫療儀器、交通工具等深度融閤，全麵實現“萬物互聯”，有效滿足工業、醫療、交通等垂直行業的信息化服務需要。

在2016年7月15日，美國政府宣布推齣4億美元的先進無綫研究計劃（Advanced Wireless Research Initiative），由美國國傢科學基金會牽頭實施，將部署四個城市規模的5G實驗測試平颱，推動麵嚮未來無綫通信的基礎理論和關鍵技術研究。我國工信部、發改委、科技部聯閤成立瞭“IMT-2020推進組”，匯聚産、學、研、用各方力量，引領規劃和重點推動5G關鍵技術研發，充分支持我國優勢電信企業和研究院所在新一代移動通信國際標準製定過程中掌控影響力和話語權。

隨著5G研發和標準化工作的快速深入展開，急需一套全麵論述5G基礎理論、關鍵技術和應用架構的係列書籍，電子工業齣版社提前預見這一技術發展趨勢和重要産業需求，有效組織國傢IMT-2020推進組、國傢03科技重大專項和國傢“863計劃”5G前期研發項目等的主要承擔單位和優秀科技工作者，成功策劃瞭這套5G技術叢書，及時總結和深入分析瞭最新5G技術的理論基礎、體係架構、係統設計、測試評估、應用實現等多個方麵的最新進展和研發挑戰，相信這套叢書的豐富理論成果和實踐經驗能夠幫助和培養新一代移動通信科技工作者，有效推進和鞏固我國在5G國際標準化進程中的領導地位。

劉韻潔

2016年9月

張乃通院士之序

移動通信的發展不僅深刻改變瞭人們的生活方式，且已成為推動國民經濟發展、提升社會信息化水平的重要引擎。移動互聯網關鍵技術和基礎設施的發展是“中國製造2025”、“互聯網+”戰略的基礎和保障。當前，麵嚮2020年及未來的第五代移動通信（5G）已成為全球研發熱點。為占領信息領域國際領先地位、掌握産業發展話語權，國傢工信部、發改委、科技部成立“IMT-2020推進組”，組織我國産、學、研、用各方力量，推動5G技術研究，以期在新的無綫通信國際標準製定中掌握話語權和主導權，推動技術創新發展戰略，為自主可控的信息網絡提供基礎設施保障。目前，我國的5G研發工作已走在國際前列。

電子工業齣版社以此為背景，提齣5G技術叢書的齣版計劃，組織國傢IMT-2020推進組的主要參與單位，承擔或參與國傢“863計劃”5G係統研究開發先期研究重大項目的單位，選擇在國傢重大科技專項中承擔5G相關項目研發工作的中青年科技工作者作為叢書編著團隊，編著這套叢書。叢書分為兩捲：

（1）“關鍵技術捲”，從理論和技術層麵對5G關鍵技術進行全麵深入的分析，係統總結近年來我國在麵嚮IMT-2020（5G）研發方麵所取得的進展。

（2）“係統設計與應用捲”，從係統應用層麵對5G總體架構、傳輸性能評估和應用等方麵進行闡述，具有係統創新特色和理論聯係實際的效果，符閤當前開展IMT-2020研究與工程的需求。

IMT-2020推進組當前為瞭更加廣泛與深入的開展研發工作，急需一套從理論技術到應用的叢書，相信本套叢書的豐富內容和先進成果能夠有效促進完成IMT-2020推進組的既定目標。

張乃通

2016年11月

尤肖虎教授之序

從2009年開始，全球掀起4G建設熱潮，截至2015年底，全球4G用戶數已達到10.5億，中國4G用戶數到達3.86億，4G在網用戶人均月度使用流量突破瞭200MB，運營商從原本以語音為主的運營，逐步轉嚮以數據為主的流量運營，同時極大地激活瞭移動互聯網。

2012年底，歐盟啓動瞭全球首個5G研究項目METIS。2013年，國際電聯正式啓動瞭5G標準研究工作，開展5G需求、頻譜及技術趨勢的研究工作，計劃2016年完成技術評估方法研究，2018年完成IMT-2020標準徵集，2020年最終確定5G標準。 3GPP作為國際移動通信的標準化組織，於2015年確定瞭5G研究計劃，2016～2017年完成5G技術方案研究階段，2018～2019年完成5G技術規範製定。我國“863計劃”於2014年啓動瞭5G技術研究項目，係統研究5G領域的關鍵技術，包括無綫網絡架構、大規模天綫、超密集無綫網絡、軟基站試驗平颱、無綫網絡虛擬化、毫米波室內無綫接入和評估與測試驗證。與“863計劃”5G相銜接，國傢科技重大專項5G相關研發課題的目標是麵嚮國際標準，鼓勵我國産學研聯閤開展研發，由企業推動創新成果納入IMT-2020國際標準中。進一步，我國已將“積極推進第五代移動通信（5G）和超寬帶關鍵技術研究，啓動5G商用”寫入 “十三五”規劃中。

5G的主要應用為移動寬帶、物聯網和工業互聯網，旨在成為未來社會的信息基礎設施。5G將引入新型傳輸技術提高頻譜利用率和支持高頻段使用；同時以網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）為主要手段，構建控製與轉發分離和控製集中的網絡架構，實現網絡資源的靈活編排和部署；通過新型波形、新多址和新幀結構等技術，從而為海量物聯網設備提供低功耗與深度覆蓋，為工業無綫通信等應用提供高可靠低時延的連接。

本套叢書內容涉及5G係統的最新理論研究成果和關鍵技術評估，具體包括5G網絡架構、無綫傳輸、超密集網絡、大規模多天綫、能效和頻譜優化、仿真與測試等多個方麵的研究成果和技術趨勢，作者來自於電信運營商、設備研製企業和科研院所，內容和視角全麵完整，注重理論分析與實際應用相結閤，具有很好的時效性和參考價值。本叢書適閤高等院校通信信息、電子工程及相關專業的高年級本科生和研究生，以及無綫通信領域的專業工程技術人員。

尤肖虎

2016年9月

前 言

移動通信網絡在過去幾十年中，取得瞭飛速的發展，從最初的模擬製式到數字製式，從2G GSM網絡到3G的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，再到現在的4G LTE網絡，改變瞭人們的生活方式，並促進瞭社會進步。隨著應用需求的增加，人們對速率和通信方式的不斷追求，未來5G移動通信網絡技術將繼續改變並影響人們對信息的需求。

移動通信技術的發展在給人們帶來巨大便利和利益的同時，也使得整個信息通信技術産業的能耗以及運營成本急劇增加。為瞭提高信息通信技術産業的經濟效益，降低運營成本，順應全球綠色可持續發展的趨勢，綠色通信這個概念近年來得到瞭國內外産業界和學術界的廣泛認可，並成為5G移動通信技術發展的核心目標之一。在全球氣候變暖的情況下，各行各業應該開展節能減排工作，以保護並改善我們賴以生存的自然環境，信息通信産業也不例外。5G綠色移動通信網絡旨在滿足人們對日益增長的信息需求的同時，不斷提升通信網絡能量效率，減少通信産業的能耗，以降低信息通信産業總體碳排放量。

本書共分為7章，涵蓋綠色通信網絡的概念、基礎及應用。其中第1章為緒論篇，第2章至第5章為基礎篇，第6

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