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[移动通信] wireless communications

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1# 大 中 小 发表于 07-7-25 10:42  只看该作者

wireless communications

推荐好书《wirless communications》

book 收藏 
 作者 Andrea Goldsmith
 ＩＳＢＮ 978-7-115-15993-9
 出版日期/版本 2005
 格式 ＰＤＦ Adobe Acrobat

主题内容

无线通信理论的全面介绍，值得学习研究。 Contents 1 Overview of Wireless 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 of Wireless 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 over Wireless 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 for Wireless 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 P b ................................ 277 9.3.7 Channel Estimation Error and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.3.8 Adaptive Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 9.4 General M -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-Based Wireless 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 Hoc Wireless 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 of Wireless Standards 554 D.1 Cellular Phone Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 D.1.1 First Generation Analog Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 D.1.2 Second Generation Digital Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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我已经有了该书的电子版，但还是多谢楼主分享！

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