senaydud said:
sunart.org said:WIRELESS COMMUNICATIONS - Andrea Goldsmith
1 Overview ofWireless Communications 1
1.1 History of Wireless Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Wireless Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Technical Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Current Wireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Cellular Telephone Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Cordless Phones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.3 Wireless LANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.4 Wide Area Wireless Data Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.5 Broadband Wireless Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.6 Paging Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.7 Satellite Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.8 Low-Cost Low-Power Radios: Bluetooth and Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.9 Ultrawideband Radios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 The Wireless Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 Methods for Spectrum Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.2 Spectrum Allocations for Existing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Path Loss and Shadowing 24
2.1 Radio Wave Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Transmit and Receive Signal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Free-Space Path Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Ray Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Two-Ray Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.2 Ten-Ray Model (Dielectric Canyon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.3 General Ray Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.4 Local Mean Received Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Empirical Path Loss Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.1 The Okumura Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.2 Hata Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.3 COST 231 Extension to Hata Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.4 Piecewise Linear (Multi-Slope) Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.5 Indoor Attenuation Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6 Simplified Path Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7 Shadow Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.8 Combined Path Loss and Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.9 Outage Probability under Path Loss and Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.10 Cell Coverage Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Statistical Multipath Channel Models 58
3.1 Time-Varying Channel Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Narrowband Fading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 Autocorrelation, Cross Correlation, and Power Spectral Density . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 Envelope and Power Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Level Crossing Rate and Average Fade Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.4 Finite State Markov Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 Wideband Fading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.1 Power Delay Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2 Coherence Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 Doppler Power Spectrum and Channel Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.4 Transforms for Autocorrelation and Scattering Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4 Discrete-Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5 Space-Time Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Capacity ofWireless Channels 91
4.1 Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2 Capacity of Flat-Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1 Channel and System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.2 Channel Distribution Information (CDI) Known . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.3 Channel Side Information at Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.4 Channel Side Information at Transmitter and Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.5 Capacity with Receiver Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.6 Capacity Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 Capacity of Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.1 Time-Invariant Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.2 Time-Varying Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 Digital Modulation and Detection 116
5.1 Signal Space Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.1 Signal and System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.2 Geometric Representation of Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1.3 Receiver Structure and Sufficient Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1.4 Decision Regions and the Maximum Likelihood Decision Criterion . . . . . . . . . . . . 124
5.1.5 Error Probability and the Union Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2 Passband Modulation Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3 Amplitude and Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.1 Pulse Amplitude Modulation (MPAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.2 Phase Shift Keying (MPSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.3 Quadrature Amplitude Modulation (MQAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.4 Differential Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.5 Constellation Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.3.6 Quadrature Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4 Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.1 Frequency Shift Keying (FSK) and Minimum Shift Keying (MSK) . . . . . . . . . . . . . 142
5.4.2 Continuous-Phase FSK (CPFSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4.3 Noncoherent Detection of FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.6 Symbol Synchronization and Carrier Phase Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.6.1 Receiver Structure with Phase and Timing Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.6.2 Maximum Likelihood Phase Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.6.3 Maximum Likelihood Timing Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6 Performance of Digital Modulation overWireless Channels 159
6.1 AWGN Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1.1 Signal-to-Noise Power Ratio and Bit/Symbol Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1.2 Error Probability for BPSK and QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.1.3 Error Probability for MPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.1.4 Error Probability for MPAM and MQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.1.5 Error Probability for FSK and CPFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.6 Error Probability Approximation for Coherent Modulations . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.7 Error Probability for Differential Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2 Alternate Q Function Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3.1 Outage Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.3.2 Average Probability of Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.3 Moment Generating Function Approach to Average Error Probability . . . . . . . . . . . 171
6.3.4 Combined Outage and Average Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.4 Doppler Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.5 Intersymbol Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7 Diversity 190
7.1 Realization of Independent Fading Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.2 Receiver Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.1 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.2 Selection Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.2.3 Threshold Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.2.4 Maximal Ratio Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.2.5 Equal-Gain Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.3 Transmitter Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.3.1 Channel Known at Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.3.2 Channel Unknown at Transmitter - The Alamouti Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.4 Moment Generating Functions in Diversity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.1 Diversity Analysis for MRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.4.2 Diversity Analysis for EGC and SC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.4.3 Diversity Analysis for Noncoherent and Differentially Coherent Modulation . . . . . . . . 209
8 Coding forWireless Channels 213
8.1 Overview of Code Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.2 Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.2.1 Binary Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.2.2 Generator Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.2.3 Parity Check Matrix and Syndrome Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.2.4 Cyclic Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.2.5 Hard Decision Decoding (HDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.2.6 Probability of Error for HDD in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.2.7 Probability of Error for SDD in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.2.8 Common Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.2.9 Nonbinary Block Codes: the Reed Solomon Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.3 Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3.1 Code Characterization: Trellis Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.3.2 Maximum Likelihood Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.3.3 The Viterbi Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.3.4 Distance Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3.5 State Diagrams and Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.3.6 Error Probability for Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.4 Concatenated Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.5 Turbo Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.6 Low Density Parity Check Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.7 Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.8 Coding and Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.8.1 Block Coding with Interleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.8.2 Convolutional Coding with Interleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.8.3 Coded Modulation with Symbol/Bit Interleaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.9 Unequal Error Protection Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.10 Joint Source and Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9 Adaptive Modulation and Coding 263
9.1 Adaptive Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.2 Adaptive Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.2.1 Variable-Rate Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.2.2 Variable-Power Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.2.3 Variable Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.2.4 Variable-Coding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.2.5 Hybrid Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3 Variable-Rate Variable-Power MQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3.1 Error Probability Bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.3.2 Adaptive Rate and Power Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.3.3 Channel Inversion with Fixed Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.3.4 Discrete Rate Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.3.5 Average Fade Region Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
9.3.6 Exact versus Approximate Pb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
9.3.7 Channel Estimation Error and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.3.8 Adaptive Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.4 GeneralM-ary Modulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.4.1 Continuous Rate Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.4.2 Discrete Rate Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.4.3 Average BER Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.5 Adaptive Techniques in Combined Fast and Slow Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10 Multiple Antennas and Space-Time Communications 299
10.1 Narrowband MIMO Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.2 Parallel Decomposition of the MIMO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.3 MIMO Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.3.1 Static Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.3.2 Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.4 MIMO Diversity Gain: Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.5 Diversity/Multiplexing Tradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.6 Space-Time Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
10.6.1 ML Detection and Pairwise Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
10.6.2 Rank and Determinant Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.6.3 Space-Time Trellis and Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.6.4 Spatial Multiplexing and BLAST Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.7 Frequency-Selective MIMO Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.8 Smart Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
11 Equalization 327
11.1 Equalizer Noise Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
11.2 Equalizer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.3 Folded Spectrum and ISI-Free Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.4 Linear Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.4.1 Zero Forcing (ZF) Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.4.2 Minimum Mean Square Error (MMSE) Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
11.5 Maximum Likelihood Sequence Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.6 Decision-Feedback Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.7 Other Equalization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11.8 Adaptive Equalizers: Training and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12 Multicarrier Modulation 350
12.1 Data Transmission using Multiple Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
12.2 Multicarrier Modulation with Overlapping Subchannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
12.3 Mitigation of Subcarrier Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
12.3.1 Coding with Interleaving over Time and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.3.2 Frequency Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.3.3 Precoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
12.3.4 Adaptive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
12.4 Discrete Implementation of Multicarrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.4.1 The DFT and its Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
12.4.2 The Cyclic Prefix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
12.4.3 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
12.4.4 Matrix Representation of OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
12.4.5 Vector Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
12.5 Challenges in Multicarrier Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.5.1 Peak to Average Power Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
12.5.2 Frequency and Timing Offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
12.6 Case Study: The IEEE 802.11a Wireless LAN Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13 Spread Spectrum 378
13.1 Spread Spectrum Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
13.2 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.2.1 DSSS System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
13.2.2 Spreading Codes for ISI Rejection: Random, Pseudorandom, and m-Sequences . . . . . . 387
13.2.3 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
13.2.4 RAKE receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
13.3 Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
13.4 Multiuser DSSS Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
13.4.1 Spreading Codes for Multiuser DSSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
13.4.2 Downlink Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
13.4.3 Uplink Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
13.4.4 Multiuser Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
13.4.5 Multicarrier CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
13.5 Multiuser FHSS Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
14 Multiuser Systems 422
14.1 Multiuser Channels: The Uplink and Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
14.2 Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
14.2.1 Frequency-Division Multiple Access (FDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
14.2.2 Time-Division Multiple Access (TDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
14.2.3 Code-Division Multiple Access (CDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
14.2.4 Space-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
14.2.5 Hybrid Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
14.3 Random Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
14.3.1 Pure ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
14.3.2 Slotted ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
14.3.3 Carrier Sense Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
14.3.4 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
14.4 Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
14.5 Downlink (Broadcast) Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.5.1 Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
14.5.2 Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
14.5.3 Common Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
14.5.4 Capacity in Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
14.5.5 Capacity with Multiple Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
14.6 Uplink (Multiple Access) Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
14.6.1 Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
14.6.2 Capacity in Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
14.6.3 Capacity with Multiple Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
14.7 Uplink/Downlink Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
14.8 Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
14.9 MIMO Multiuser Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
15 Cellular Systems and Infrastructure-BasedWireless Networks 470
15.1 Cellular System Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
15.2 Channel Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
15.3 SIR and User Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
15.3.1 Orthogonal Systems (TDMA/FDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
15.3.2 Non-Orthogonal Systems (CDMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
15.4 Interference Reduction Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
15.5 Dynamic Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
15.5.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
15.5.2 Dynamic Channel Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
15.5.3 Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
15.6 Fundamental Rate Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.6.1 Shannon Capacity of Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
15.6.2 Area Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
16 Ad HocWireless Networks 499
16.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
16.1.1 Data Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
16.1.2 Home Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.1.3 Device Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.1.4 Sensor Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
16.1.5 Distributed Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
16.2 Design Principles and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
16.3 Protocol Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
16.3.1 Physical Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
16.3.2 Access Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
16.3.3 Network Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
16.3.4 Transport Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.3.5 Application Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.4 Cross-Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
16.5 Network Capacity Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
16.6 Energy-Constrained Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
16.6.1 Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
16.6.2 MIMO and Cooperative MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
16.6.3 Access, Routing, and Sleeping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
16.6.4 Cross-Layer Design under Energy Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
16.6.5 Capacity per Unit Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
A Representation of Bandpass Signals and Channels 534
B Probability Theory, Random Variables, and Random Processes 538
B.1 Probability Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
B.2 Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
B.3 Random Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
B.4 Gaussian Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
C Matrix Definitions, Operations, and Properties 547
C.1 Matrices and Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
C.2 Matrix and Vector Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
C.3 Matrix Decompositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
D Summary ofWireless Standards 554
D.1 Cellular Phone Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
D.1.1 First Generation Analog Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
D.1.2 Second Generation Digital Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
D.1.3 Evolution of 2G Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
D.1.4 Third Generation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
D.2 Wireless Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
D.3 Wireless Short-Distance Networking Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
