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本书聚焦于两大主流宽带无线接入技术——移动通信和无线局域网（WLAN），深入分析宽带无线接入技术的发展现状及未来趋势，系统阐述4G移动通信（LTE/LTE-Advanced）和IEEE 802.11无线局域网的技术和标准原理，并详细介绍当前正处于标准化过程中的5G移动通信和下一代WLAN（IEEE 802.11ax）技术的最新研究进展。本书合适从事无线局域网、短距离通信、无线个域网和无线城域网等宽带无线接入领域研究、开发和运营的科研人员、工程技术人员及高校教师和学生阅读及参考。

第1章  宽带无线接入综述	1
1.1  宽带无线接入发展现状	2
1.1.1  总体情况	2
1.1.2  移动通信	2
1.1.3  无线局域网	4
1.1.4  移动通信与WLAN的关系	4
1.2  宽带无线接入发展愿景	6
1.2.1  5G——未来宽带无线接入技术趋势	6
1.2.2  驱动力与市场趋势	7
1.2.3  业务及用户需求	8
1.2.4  典型场景与技术挑战	9
1.2.5  可持续发展与效率指标	9
1.2.6  关键能力需求	10
1.2.7  时间表	12
第2章  LTE/LTE-Advanced技术原理	13
2.1  概述	14
2.2  标准化情况	15
2.2.1  LTE标准化情况	15
2.2.2  LTE-Advanced标准化情况	18
2.3  LTE/LTE-Advanced系统架构	22
2.3.1  基础架构	22
2.3.2  主要接口	30
2.3.3  协议架构	31
2.3.4  移动性管理	36
2.4  LTE/LTE-Advanced无线技术框架	37
2.4.1  发射原理	39
2.4.2  无线帧结构	40
2.4.3  基本物理资源的分配	42
2.4.4  编码、复用与交织	44
2.4.5  物理信道的设计	47
2.4.6  物理层过程	61
2.5  LTE/LTE-Advanced关键技术	67
2.5.1  多址技术	67
2.5.2  MIMO技术	69
2.5.3  CoMP技术	98
2.5.4  载波聚合	113
2.5.5  同频异构网（HetNet）	134
2.5.6  Small Cell/LTE-Hi	143
2.5.7  无线中继	156
2.5.8  终端直通（D2D）	163
2.5.9  授权频谱辅助接入	171
2.5.10  物联网优化	180
第3章  无线局域网技术原理	191
3.1  概述	192
3.2  系统架构	193
3.2.1  系统简述	193
3.2.2  组网方式	194
3.2.3  协议架构	196
3.2.4  技术特征	197
3.3  标准体系	198
3.3.1  核心物理层标准	198
3.3.2  服务质量改善	200
3.3.3  安全机制	201
3.3.4  新业务拓展	202
3.3.5  新频段支持	203
3.3.6  组网协议	203
3.3.7  网络管理	204
3.3.8  外网融合	204
3.3.9  IEEE 802.11标准一览表	204
3.3.10  ISO/IEC标准	206
3.4  物理层原理	206
3.4.1  物理层基本流程	206
3.4.2  物理层关键技术	208
3.4.3  物理层帧结构	222
3.4.4  频率与信道划分	227
3.4.5  子载波映射结构	230
3.4.6  基本物理层参数	233
3.5  MAC层原理	247
3.5.1  MAC层基本流程	247
3.5.2  CSMA/CA接入机制	250
3.5.3  MAC帧结构	259
第4章  5G技术展望	265
4.1  5G概念	267
4.2  5G技术路线	269
4.3  5G技术框架	271
4.3.1  设计理念	271
4.3.2  5G空口技术框架	271
4.3.3  5G低频新空口设计考虑	273
4.3.4  5G高频新空口设计考虑	274
4.3.5  4G演进空口设计考虑	275
4.4  5G关键技术	275
4.4.1  大规模天线	275
4.4.2  超密集组网	281
4.4.3  新型多址	288
4.4.4  高频段通信	299
4.4.5  新型多载波	303
4.4.6  全双工	312
4.4.7  灵活双工	318
4.4.8  M2M技术	326
4.4.9  终端直通技术	330
4.4.10  先进调制编码	333
4.4.11  低时延高可靠	337
4.4.12  频谱共享技术	340
第5章  下一代无线局域网最新进展	343
5.1  下一代WLAN发展背景	344
5.1.1  WLAN主要挑战	344
5.1.2  下一代WLAN标准立项及进展	344
5.1.3  下一代WLAN重要意义	345
5.2  主要场景与技术需求	346
5.2.1  主要场景	346
5.2.2  技术需求	347
5.3  下一代WLAN关键技术	347
5.3.1  OFDMA	347
5.3.2  MU-MIMO增强	353
5.3.3  动态灵敏度控制	355
5.4  IEEE 802.11ax技术框架	357
5.4.1  物理层框架	357
5.4.2  多用户技术	367
5.4.3  MAC层框架	370
5.4.4  共存机制	372
附录A  缩略语	374
参考文献	380

总  序  1
宽带网络是新时期我国经济社会发展的战略性公共基础设施，是推进国家治理能力现代化和公共服务均等化的重要手段，是推动工业强国建设、促进农村经济发展和新型城镇化建设的重要途径。发展宽带网络对于促进信息消费、推动经济发展方式转变、全面建成小康社会具有重要支撑作用。加快宽带网络建设、增强技术创新能力、丰富信息服务应用、繁荣网络文化发展、保障网络安全，利在当前，惠及长远。
当前，我国已建成覆盖全国、连接世界、技术先进、全球最大的宽带网络，网民数量、移动智能手机用户规模全球领先，相关产业能力持续提升，已经成为名副其实的网络大国。但同时，我国宽带领域的自主创新能力相对落后，区域和城乡普及差异比较明显，平均带宽与国际先进水平差距较大，网络安全形势日益严峻，总体上看国内宽带网络发展仍存在诸多瓶颈。在全球各国加强宽带战略部署、ICT产业变革发展日新月异的形势下，要实现工业化、信息化、城镇化、农业现代化四化同步发展、建成网络强国仍然任重道远。
党中央、国务院高度重视宽带网络发展和管理，2013年国务院先后出台了《“宽带中国”战略及实施方案》和《关于促进信息消费扩大内需的若干意见》。2013年年底，中央网络安全和信息化领导小组成立，习近平总书记亲自担任组长，提出努力把我国建设成为网络强国，战略部署要与“两个一百年”奋斗目标同步推进，向着网络基础设施基本普及、自主创新能力显著增强、信息经济全面发展、网络安全保障有力的目标不断前进。这是党中央在新时期对我宽带网络发展提出的新目标和新要求，需要我们以改革创新精神，通过政策推动、技术驱动、产业带动、应用拉动促发展保安全；需要我们着眼长远、统筹谋划，积跬步、行千里，不断推动网络大国向网络强国迈进。
工业和信息化部电信研究院是我国在ICT领域权威的研究机构，多年来在重大决策支撑、行业发展规划、技术标准引领、产业创新推动和监管支撑服务中发挥着重要作用。“宽带中国出版工程”系列丛书，是该院及业界多位专家学者知识和智慧的结晶，是多专业科研成果的集中展现，更是多年理论与实践经验的综合集成，该系列丛书的出版有助于读者系统学习宽带网络最新技术，准确把握宽带应用和相关产业的最新趋势，从而提升对宽带网络的研究、规划、管理、运营水平。希望我国政产学研用各界齐心协力，共同为宽带中国发展、网络强国建设事业贡献力量！
工业和信息化部    
   
总  序  2
市场牵引是通信发展的动力，通信业务从话音为主到数据和视频为主，对带宽的需求与日俱增。思科公司2014年6月发布的报告指出，2013年全球互联网忙时流量是平均值的2.66倍，与2012年相比，平均流量和忙时流量分别增长了25%和32%。思科公司还预测，从2013年到2018年，全球互联网流量忙时是平均值的3.22倍，平均流量和忙时流量分别增长了23%和28%。在互联网流量中视频已成主流，全球互联网视频流量占总量之比从2013年的57%将增长到2018年的75%。全球移动数据流量增长更快，2013年一年就增加了81%，到2018年还将保持平均年增长61%的速度，届时，移动数据流量将占全部IP流量的12%。美国Telegeography公司给出了国际互联网干线流量2009－2013年平均年增长45%，2013年相比2012年增加了38%。我国国际互联网干线带宽从2009年到2013年平均年增长39.6%，2013年相对2012年年增长79%，增长的后劲更明显。
通信业务与技术的发展总是市场牵引与技术驱动相辅相成，市场催生了技术，技术支撑了市场。集成电路继续遵循摩尔定律，单位面积的晶体管数年增长40%，强大的计算和处理能力改进了频谱效率与信噪比，提升了通信流量，较好地适应了互联网流量的增长。光器件的技术进步加上电域的信号处理，使光纤通信干线商用容量水平基本按照十年千倍提升。2009年起，我国移动通信从2G经3G跨越到4G，借助先进的多址复用技术和频谱的扩展技术等，峰值速率增加了数百倍。
近年通信技术与业务发展一个值得注意的趋势是从消费者的应用向企事业应用扩展，2013年全球企事业单位互联网流量较2012年增长了21%，到2018年将达到2013年的2.6倍，将占全球互联网流量的14%，而且全球企事业单位互联网流量中14%将是移动流量。随着物联网发展及信息化与工业化的深度融合，企事业单位的互联网应用还将有更大的发展。
互联网的渗透促进了经济的复兴，2013年发布的《OECD互联网经济展望2012》分析了互联网对所有行业经济的影响，得出如果宽带普及率增长1%，则GDP将增长0.025%，并且通过模拟得出互联网的贡献占2010年美国GDP的4.65%～7.21%，占企业增加值的3%～13%。波士顿咨询公司2012年发表的《连接世界》报告分析2010－2016年互联网经济对GDP的贡献，中国仅次于英国和韩国为第三位，占GDP的比例从2010年的5.5%增加到2016年的6.9%。IDC公司提出信息技术已从计算机和互联网这两个平台发展到移动宽带、云服务、社交应用和大数据为标志的第三平台，即宽带化平台，并预测到2020年信息产业收入的40%和增长的98%将由第三平台的技术所驱动。世界银行的研究报告表明，对制造业的海外销售额和服务业的销售额来说，使用宽带的企业与其他企业相比分别高出6%和7.5%～10%，中低收入国家的宽带普及率每增加10个百分点，GDP就会增长1.38个百分点。美国认为宽带的发展对上下游产业就业的拉动作用是传统产业的1.7倍。GSM协会和德勤咨询机构2012年发表的研究报告指出，3G移动数据应用增加100%，人均GDP增速提升1.4个百分点。
为了抢占信息技术新的制高点并获得宽带化的红利，一些国家纷纷出台国家宽带战略，最近两三年来美国出台了《国家宽带计划》和《大数据研究和发展倡议》等，全球有146个国家都制定了加速发展宽带的国家战略或规划，不少国家建立了宽带普遍服务基金。
我国网民数量世界第一，但按网民平均的国际互联网干线带宽、固网平均接入速率和移动互联网下载速率仍低于世界平均水平，这几年有了显著改进，但与互联网高速发展和社会大众的期望相比总是恨铁不成钢。国务院在2013年8月发布了《“宽带中国”战略及实施方案》，提出到2015年要初步建成宽带、融合、安全、泛在的下一代国家信息基础设施，到2020年我国下一代信息基础设施基本接近发达国家水平，技术创新和产业竞争力达到国际先进水平。该方案对宽带网络覆盖、网络能力、应用水平、产业链发展和网络信息安全保障五方面提出了具体发展目标、重大任务和保障举措等。可以预期“宽带中国”战略的实施，必将为我国经济和社会的发展奠定坚实的网络基础，并惠及大众。
工业和信息化部电信研究院作为“宽带中国”战略的起草支撑单位之一，为“宽带中国”战略的制定做了深入的调查研究，现在与电子工业出版社联袂推出“宽带中国出版工程”系列丛书。该丛书串起终端、接入、传送、网络和云端各环节，涉及研究、制造、运营与服务各方面，涵盖宽带化技术、业务、应用、安全与管理各领域，解读“宽带中国”战略制定的背景，分析宽带化的解决方案，展望宽带化发展的前景。本套丛书内容全面，系统性强，既反映了宽带网最新的技术及国际标准化进展，又有国内实践经验的总结，兼具前瞻性与实用性。在此，衷心感谢工业和信息化部电信研究院和电子工业出版社及众多作者所付出的辛勤劳动，希望本套丛书能够有助于业内外人士加深对宽带化的意义和内涵及难度的理解，相信本套丛书能够对行业发展和政府决策起到积极作用，为“宽带中国”战略的实施贡献正能量。


工业和信息化部通信科学技术委员会主任
中国互联网协会理事长      
  
前    言
宽带网络能够有力推动国民经济的发展，提升社会信息化水平，刺激技术创新和产业革命，消除数字鸿沟，促进节能减排，已成为世界各国积极发展的战略重点。我国在“宽带中国”战略中提出，到2020年使我国宽带网络服务质量、应用水平和宽带产业支撑能力达到世界先进水平。在各类宽带技术中，宽带无线接入作为连接广大用户最方便、快捷的手段，在各国宽带战略中扮演着极其重要的角色。特别是第四代移动通信（4G）和无线局域网（WLAN）等宽带无线接入技术的快速发展，有力推动了移动互联网及智能终端的爆发式增长，激发了新一轮的信息技术和产业革命。面向2020年及未来，第五代移动通信（5G）技术将会进一步全面提升无线接入能力，不仅能够满足下一代移动互联网的极致用户体验，而且同时将重点解决海量物联网及垂直行业应用需求。
本书聚焦于两大主流宽带无线接入技术——移动通信和无线局域网，详细介绍了宽带无线接入技术的发展现状与趋势、4G技术（LTE/LTE-Advanced）和无线局域网（IEEE 802.11系列）技术和标准原理，以及5G及下一代WLAN的最新研究进展。本书共有如下五章内容。
第1章“宽带无线接入综述”：系统介绍当前移动通信和无线局域网的发展现状及相互关系，并展望2020年及未来宽带无线接入的发展愿景。本章主要由中国信息通信研究院（以下简称中国信通院）罗振东、沈霞撰写。
第2章“LTE/LTE-Advanced技术原理”：基于3GPP系列标准介绍LTE/LTE-Advanced的系统架构和技术框架，并深入分析LTE/LTE-Advanced的上下行多址技术、MIMO、多点协作、载波聚合、异构网络、小小区等关键技术。本章主要由中国信通院焦慧颖、刘晓峰、杜滢、朱浩撰写。
第3章“无线局域网技术原理”：总结基于IEEE 802.11系列标准的无线局域网系统架构和标准体系，并根据IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac等现有无线局域网主流标准，对无线局域网的物理层和MAC层原理进行详细介绍。本章主要由中国信通院罗振东、杨萌撰写。
第4章“5G技术展望”：基于我国IMT-2020(5G)推进组研究成果，分析5G概念、技术路线、技术框架，并详细介绍大规模天线、超密集组网、新型多址、高频段通信、新型多载波、全双工等5G关键技术。本章主要由中国信通院魏克军、罗振东撰写。
第5章“下一代无线局域网最新进展”：分析下一代无线局域网的发展背景、主要挑战、应用场景和技术需求，并详细介绍下一代无线局网的技术框架及涵盖的关键技术。本章主要由中国信通院罗振东、中兴通讯公司孙波和中国信通院杨萌撰写。
本书在编写的过程中参考了大量相关标准文档、技术提案、论文、研究报告和书籍资料。其中，LTE/LTE-Advanced相关内容重点参考了3GPP R8～R13的标准文档、草案和技术提案、ITU IMT-Advanced相关建议书以及相关论文和书籍资料等。无线局域网及下一代无线局域网相关内容，重点参考了IEEE 802.11系列标准文档、草案和技术提案以及相关论文、报告和书籍资料。在5G方面，本书重点介绍了我国IMT-2020(5G)推进组在5G领域的最新研究进展，并参考了ITU IMT-2020相关建议书和部分5G相关论文。
由于4G、5G和WLAN技术体系庞杂，而且一直在不断快速发展，因此书中难免出现错误或不当之处，恳请广大读者提出宝贵意见。


编著者  
2016年12月

宽带接入网—4G/5G—宽带中国

罗振东，男，北京邮电大学博士毕业，清华大学与贝尔实验室联合培养博士后，现为工业和信息化部电信研究院高级工程师，长期从事B3G/4G、IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16等无线通信技术研究工作，对无线通信的基础理论、关键技术和标准化工作有深入理解，主持和参与包括国家科技重大专项、863计划在内的十余项重大科研项目/课题的研究工作，申请发明专利10项，发表论文40余篇，其中多篇论文收录于中国科学、IEEE Transactions、ICC、Globecom等国内外著名学术期刊和会议。

宽带无线接入技术是连接终端用户与宽带网络的主要方式之一，拥有巨大的发展潜力。本书深入细致介绍与剖析了宽带无线接入技术的基本概念、技术分类、主要关键技术，以及无线局域网（WLAN）、短距离通信与无线个域网（WPAN）、无线城域网（WMAN）主要技术标准和最新进展。

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