Wireless Communication, Andrea Goldsmith

572 Pages·2005·3.47 MB·English

WIRELESS COMMUNICATIONS
Andrea Goldsmith
Stanford University
Thepossessionofknowledgedoesnotkill thesenseofwonderandmystery.
Ana¨ısNin
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Contents
1 OverviewofWirelessCommunications 1
1.1 HistoryofWirelessCommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 WirelessVision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 TechnicalIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 CurrentWirelessSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 CellularTelephoneSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 CordlessPhones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3 WirelessLANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.4 WideAreaWirelessDataServices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.5 BroadbandWirelessAccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.6 PagingSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.7 SatelliteNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.8 Low-CostLow-PowerRadios: BluetoothandZigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.9 UltrawidebandRadios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 TheWirelessSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 MethodsforSpectrumAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.2 SpectrumAllocationsforExistingSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 PathLossandShadowing 24
2.1 RadioWavePropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 TransmitandReceiveSignalModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Free-SpacePathLoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 RayTracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Two-RayModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.2 Ten-RayModel(DielectricCanyon). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.3 GeneralRayTracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.4 LocalMeanReceivedPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 EmpiricalPathLossModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.1 TheOkumuraModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.2 HataModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.3 COST231ExtensiontoHataModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.4 PiecewiseLinear(Multi-Slope)Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.5 IndoorAttenuationFactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6 SimplifiedPathLossModel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7 ShadowFading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
iii
2.8 CombinedPathLossandShadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.9 OutageProbabilityunderPathLossandShadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.10 CellCoverageArea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 StatisticalMultipathChannelModels 58
3.1 Time-VaryingChannelImpulseResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 NarrowbandFadingModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 Autocorrelation,CrossCorrelation,andPowerSpectralDensity . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 EnvelopeandPowerDistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 LevelCrossingRateandAverageFadeDuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.4 FiniteStateMarkovChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 WidebandFadingModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.1 PowerDelayProfile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2 CoherenceBandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 DopplerPowerSpectrumandChannelCoherenceTime . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.4 TransformsforAutocorrelationandScatteringFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4 Discrete-TimeModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5 Space-TimeChannelModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 CapacityofWirelessChannels 91
4.1 CapacityinAWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2 CapacityofFlat-FadingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1 ChannelandSystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.2 ChannelDistributionInformation(CDI)Known. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3 ChannelSideInformationatReceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.4 ChannelSideInformationatTransmitterandReceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.5 CapacitywithReceiverDiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.6 CapacityComparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 CapacityofFrequency-SelectiveFadingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.1 Time-InvariantChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.2 Time-VaryingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 DigitalModulationandDetection 116
5.1 SignalSpaceAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.1 SignalandSystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.2 GeometricRepresentationofSignals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1.3 ReceiverStructureandSufficientStatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1.4 DecisionRegionsandtheMaximumLikelihoodDecisionCriterion . . . . . . . . . . . . 124
5.1.5 ErrorProbabilityandtheUnionBound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2 PassbandModulationPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3 AmplitudeandPhaseModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.1 PulseAmplitudeModulation(MPAM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.2 PhaseShiftKeying(MPSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.3 QuadratureAmplitudeModulation(MQAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.4 DifferentialModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.5 ConstellationShaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.3.6 QuadratureOffset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4 FrequencyModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.1 FrequencyShiftKeying(FSK)andMinimumShiftKeying(MSK) . . . . . . . . . . . . . 142
5.4.2 Continuous-PhaseFSK(CPFSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4.3 NoncoherentDetectionofFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5 PulseShaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.6 SymbolSynchronizationandCarrierPhaseRecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.6.1 ReceiverStructurewithPhaseandTimingRecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.6.2 MaximumLikelihoodPhaseEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.6.3 MaximumLikelihoodTimingEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6 PerformanceofDigitalModulationoverWirelessChannels 159
6.1 AWGNChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1.1 Signal-to-NoisePowerRatioandBit/SymbolEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1.2 ErrorProbabilityforBPSKandQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.1.3 ErrorProbabilityforMPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.1.4 ErrorProbabilityforMPAMandMQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.1.5 ErrorProbabilityforFSKandCPFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.6 ErrorProbabilityApproximationforCoherentModulations . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.7 ErrorProbabilityforDifferentialModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2 AlternateQFunctionRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3.1 OutageProbability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3.2 AverageProbabilityofError . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.3 MomentGeneratingFunctionApproachtoAverageErrorProbability . . . . . . . . . . . 171
6.3.4 CombinedOutageandAverageErrorProbability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4 DopplerSpread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.5 IntersymbolInterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7 Diversity 190
7.1 RealizationofIndependentFadingPaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.2 ReceiverDiversity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.1 SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.2 SelectionCombining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.2.3 ThresholdCombining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.2.4 MaximalRatioCombining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.5 Equal-GainCombining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.3 TransmitterDiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.3.1 ChannelKnownatTransmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.3.2 ChannelUnknownatTransmitter-TheAlamoutiScheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.4 MomentGeneratingFunctionsinDiversityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.1 DiversityAnalysisforMRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.2 DiversityAnalysisforEGCandSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.4.3 DiversityAnalysisforNoncoherentandDifferentiallyCoherentModulation . . . . . . . . 209
8 CodingforWirelessChannels 213
8.1 OverviewofCodeDesign. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.2 LinearBlockCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.2.1 BinaryLinearBlockCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.2.2 GeneratorMatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.2.3 ParityCheckMatrixandSyndromeTesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.2.4 CyclicCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.2.5 HardDecisionDecoding(HDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.2.6 ProbabilityofErrorforHDDinAWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.2.7 ProbabilityofErrorforSDDinAWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.2.8 CommonLinearBlockCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.2.9 NonbinaryBlockCodes: theReedSolomonCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.3 ConvolutionalCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3.1 CodeCharacterization: TrellisDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3.2 MaximumLikelihoodDecoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.3.3 TheViterbiAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3.4 DistanceProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3.5 StateDiagramsandTransferFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.3.6 ErrorProbabilityforConvolutionalCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.4 ConcatenatedCodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.5 TurboCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.6 LowDensityParityCheckCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.7 CodedModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.8 CodingandInterleavingforFadingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.8.1 BlockCodingwithInterleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.8.2 ConvolutionalCodingwithInterleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.8.3 CodedModulationwithSymbol/BitInterleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.9 UnequalErrorProtectionCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.10 JointSourceandChannelCoding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9 AdaptiveModulationandCoding 263
9.1 AdaptiveTransmissionSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.2 AdaptiveTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.2.1 Variable-RateTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.2.2 Variable-PowerTechniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.2.3 VariableErrorProbability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.2.4 Variable-CodingTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.2.5 HybridTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3 Variable-RateVariable-PowerMQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3.1 ErrorProbabilityBounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3.2 AdaptiveRateandPowerSchemes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.3.3 ChannelInversionwithFixedRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.3.4 DiscreteRateAdaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.3.5 AverageFadeRegionDuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.3.6 ExactversusApproximateP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
b
9.3.7 ChannelEstimationErrorandDelay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.3.8 AdaptiveCodedModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.4 GeneralM-aryModulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.4.1 ContinuousRateAdaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.4.2 DiscreteRateAdaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.4.3 AverageBERTarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.5 AdaptiveTechniquesinCombinedFastandSlowFading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10 MultipleAntennasandSpace-TimeCommunications 299
10.1 NarrowbandMIMOModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.2 ParallelDecompositionoftheMIMOChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.3 MIMOChannelCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.3.1 StaticChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.3.2 FadingChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.4 MIMODiversityGain: Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.5 Diversity/MultiplexingTradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.6 Space-TimeModulationandCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
10.6.1 MLDetectionandPairwiseErrorProbability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.6.2 RankandDeterminantCriterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.6.3 Space-TimeTrellisandBlockCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.6.4 SpatialMultiplexingandBLASTArchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.7 Frequency-SelectiveMIMOChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.8 SmartAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11 Equalization 327
11.1 EqualizerNoiseEnhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
11.2 EqualizerTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.3 FoldedSpectrumandISI-FreeTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.4 LinearEqualizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.4.1 ZeroForcing(ZF)Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.4.2 MinimumMeanSquareError(MMSE)Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
11.5 MaximumLikelihoodSequenceEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.6 Decision-FeedbackEqualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.7 OtherEqualizationMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11.8 AdaptiveEqualizers: TrainingandTracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12 MulticarrierModulation 350
12.1 DataTransmissionusingMultipleCarriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.2 MulticarrierModulationwithOverlappingSubchannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
12.3 MitigationofSubcarrierFading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
12.3.1 CodingwithInterleavingoverTimeandFrequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.3.2 FrequencyEqualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.3.3 Precoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.3.4 AdaptiveLoading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
12.4 DiscreteImplementationofMulticarrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.4.1 TheDFTanditsProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.4.2 TheCyclicPrefix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
12.4.3 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
12.4.4 MatrixRepresentationofOFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
12.4.5 VectorCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
12.5 ChallengesinMulticarrierSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.5.1 PeaktoAveragePowerRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.5.2 FrequencyandTimingOffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
12.6 CaseStudy: TheIEEE802.11aWirelessLANStandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13 SpreadSpectrum 378
13.1 SpreadSpectrumPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
13.2 DirectSequenceSpreadSpectrum(DSSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.2.1 DSSSSystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.2.2 SpreadingCodesforISIRejection: Random,Pseudorandom,andm-Sequences . . . . . . 387
13.2.3 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.2.4 RAKEreceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
13.3 Frequency-HoppingSpreadSpectrum(FHSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
13.4 MultiuserDSSSSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.4.1 SpreadingCodesforMultiuserDSSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.4.2 DownlinkChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
13.4.3 UplinkChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
13.4.4 MultiuserDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
13.4.5 MulticarrierCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
13.5 MultiuserFHSSSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
14 MultiuserSystems 422
14.1 MultiuserChannels: TheUplinkandDownlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
14.2 MultipleAccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
14.2.1 Frequency-DivisionMultipleAccess(FDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
14.2.2 Time-DivisionMultipleAccess(TDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
14.2.3 Code-DivisionMultipleAccess(CDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
14.2.4 Space-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
14.2.5 HybridTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
14.3 RandomAccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
14.3.1 PureALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
14.3.2 SlottedALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
14.3.3 CarrierSenseMultipleAccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
14.3.4 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
14.4 PowerControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
14.5 Downlink(Broadcast)ChannelCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.5.1 ChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.5.2 CapacityinAWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
14.5.3 CommonData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
14.5.4 CapacityinFading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
14.5.5 CapacitywithMultipleAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14.6 Uplink(MultipleAccess)ChannelCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
14.6.1 CapacityinAWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
14.6.2 CapacityinFading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
14.6.3 CapacitywithMultipleAntennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
14.7 Uplink/DownlinkDuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
14.8 MultiuserDiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
14.9 MIMOMultiuserSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
15 CellularSystemsandInfrastructure-BasedWirelessNetworks 470
15.1 CellularSystemFundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
15.2 ChannelReuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
15.3 SIRandUserCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
15.3.1 OrthogonalSystems(TDMA/FDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
15.3.2 Non-OrthogonalSystems(CDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
15.4 InterferenceReductionTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
15.5 DynamicResourceAllocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
15.5.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
15.5.2 DynamicChannelAssignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
15.5.3 PowerControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
15.6 FundamentalRateLimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.6.1 ShannonCapacityofCellularSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.6.2 AreaSpectralEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16 AdHocWirelessNetworks 499
16.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
16.1.1 DataNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.1.2 HomeNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.1.3 DeviceNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.1.4 SensorNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
16.1.5 DistributedControlSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
16.2 DesignPrinciplesandChallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
16.3 ProtocolLayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
16.3.1 PhysicalLayerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
16.3.2 AccessLayerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
16.3.3 NetworkLayerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.3.4 TransportLayerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.3.5 ApplicationLayerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.4 Cross-LayerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
16.5 NetworkCapacityLimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
16.6 Energy-ConstrainedNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
16.6.1 ModulationandCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
16.6.2 MIMOandCooperativeMIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
16.6.3 Access,Routing,andSleeping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
16.6.4 Cross-LayerDesignunderEnergyConstraints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
16.6.5 CapacityperUnitEnergy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
A RepresentationofBandpassSignalsandChannels 534
B ProbabilityTheory,RandomVariables,andRandomProcesses 538
B.1 ProbabilityTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
B.2 RandomVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
B.3 RandomProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542