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无线通信(Wireless Communication by A.Goldsmith).pdf
Contents
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1
F O R D JUNIO
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STANFORD UNIVERSITY
EE 359
WIRELESS COMMUNICATIONS
Professor Andrea Goldsmith
Wireless communications is a rapidly growing segment of the communications industry. The number
of cell-phone users alone is expected to pass 1 billion worldwide within the next few years, and wireless
LANs are also poised to experience exponential growth. Wireless technology not only supports voice, data,
and video communication between portable devices located anywhere in the world, but also provides the
backbone technology for sensor networks, smart homes, telemedicine and remote learning, and automated
factories and vehicles. This course will cover the fundamental wireless communication techniques that
support these various applications, with a primary focus on the communication system design.
We begin with a brief overview of current wireless systems and standards, including 2nd and 3rd
generation cellular systems, wireless LANs, wide area wireless data systems, satellite networks, and
Bluetooth. We then characterize the wireless channel, including path loss for different environments,
random log-normal shadowing due to signal attenuation, and the flat and frequency-selective properties
of multipath fading. Next we examine the fundamental capacity limits of wireless channels and some
characteristics of the transmission strategies that achieve these limits. This gives us a performance
bound against which we can compare practical schemes as well as insight into optimal transmitter and
receiver designs. In fact, the capacity results indicate that for flat-fading channels, adaptive modulation
or diversity can provide significant capacity improvements.
The next part of the course is spent investigating techniques for communicating over wireless chan-
nels. We first review digital modulation techniques and then study their performance under wireless chan-
nel impairments, including flat and frequency selective fading. We find that multipath fading severely
degrades the performance of communication systems, and we therefore need methods to overcome the
inherent impairments of the wireless channel, in particular flat and frequency selective fading.
We next investigate the design and performance of two techniques to mitigate the effects of flat
fading: adaptive modulation and diversity. Three techniques to combat frequency-selective fading are
then investigated: adaptive equalization, multicarrier modulation, and spread spectrum. We will also
study the multiple access capabilities of spread spectrum with multiuser detection. The course concludes
with a brief overview of wireless networks, including multiple and random access techniques, cellular
system design, and ad-hoc network design.
Copyright c 2003 by Andrea Goldsmith
Contents
1 Overview of Wireless Communications
1.1 History of Wireless Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Wireless Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Technical Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Current Wireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Cellular Telephone Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Cordless Phones
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Wireless LANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.4 Wide Area Wireless Data Services
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.5 Fixed Wireless Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.6 Paging Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.7
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.8 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.9 HomeRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.10 Other Wireless Systems and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 The Wireless Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.1 Methods for Spectrum Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2
1.6 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spectrum Allocations for Existing Systems
Satellite Networks
2 Path Loss and Shadowing
Introduction to Mobile Radio Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
2.2 Signal Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Free-Space Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Ray Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Two-Path Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Dielectric Canyon (Ten-Ray Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 General Ray Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Simplified Path Loss Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Empirical Path Loss Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Okumura’s Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2 Hata Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.3 COST231 Extension to Hata Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.4 Walfisch/Bertoni Model
2.6.5 Piecewise Linear (Multi-Slope) Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Indoor Attenuation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.6
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2.7
Log-Normal Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Combined Path Loss and Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Outage Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Cell Coverage Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Statistical Multipath Channel Models
3.3 Wideband Fading Models
3.1 Time-Varying Channel Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Narrowband fading models
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Autocorrelation, Cross Correlation, and Power Spectral Density . . . . . . . . . . .
3.2.2 Envelope and Power Distributions
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Level Crossing Rate and Average Fade Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4 Finite State Markov Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Multipath Intensity Profile
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Coherence Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Doppler Power Spectrum and Channel Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Transforms for Autocorrelation and Scattering Functions
. . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 Envelope Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Discrete-Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Spatio-Temporal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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78
79
4 Capacity of Wireless Channels
4.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Capacity of Flat-Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Channel and System Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 No Channel Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Channel Distribution Information (CDI) Known . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 Channel Side Information at Receiver
4.3.5 Channel Side Information at the Transmitter and Receiver
. . . . . . . . . . . . .
4.3.6 Receiver Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.7 Capacity Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Capacity of Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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96
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98
4.4.1 Time-Invariant Channels
99
4.4.2 Time-Varying Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5 Digital Modulation
5.1 Signal Space Analysis
105
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.1
5.1.2 Basis Function Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.3 Receiver Design and Sufficient Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.1.4 Maximum Likelihood Decision Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.1.5 Error Probability and the Union Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Passband Modulation Principles
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3 Linear Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.1 Pulse Amplitude Modulation (M-PAM)
5.3.2 Phase Shift Keying (M-PSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.3 Quadrature Amplitude Modulation (M-QAM)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3.4 Constellation Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.5 Differential Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3.6 Quadrature Offset
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.5 Constant Envelope (Nonlinear) Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6 Performance of Digital Modulation over Wireless Channels
127
6.1 AWGN Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.1 Channel Model and SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.2 Optimal Linear Demodulation: The Matched Filter
. . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.1.3 BPSK Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Error Probability for Linear Modulations in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3 Alternate Q Function Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.1 Outage Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.2 Average Probability of Error
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.4.3 Moment Generating Function Technique for Average Ps . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4.4 Combined Outage and Average Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4.5 Effect of Channel Estimation Error on MQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5 Doppler Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Intersymbol Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.6
7 Diversity
145
7.1 Realization of Independent Fading Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2 Diversity System Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.3 Selection Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.4 Threshold Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.5 Maximal Ratio Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.6 Equal-Gain Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.7 A Unified Approach to Performance Analysis of MRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Signal, System, and Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.7.1
7.7.2 MRC Receiver
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.7.3 Product Form Representation of the Conditional BER . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.7.4 Average BER with Single Channel Reception (L = 1)
. . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.7.5 Average BER with Multichannel Reception (L > 1)
. . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.7.6 Average Symbol Error Rate of M-PSK Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.7.7 Average Symbol Error Rate of Square M-QAM Signals
. . . . . . . . . . . . . . . 163
7.7.8 Noncoherent and Differentially Coherent Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.8 Transmitter Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8 Coding for Wireless Channels
175
8.1 Code Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.2 Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.2.1 Binary Linear Block Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.2.2 Generator Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.2.3 Parity Check Matrix and Syndrome Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.2.4 Cyclic Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.2.5 Hard Decision Decoding (HDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2.6 Probability of Error for HDD in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2.7 Common Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.2.8 Nonbinary Block Codes: the Reed Solomon Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.2.9 Block Coding and Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.3 Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.3.1 Code Characterization: Trellis Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.3.2 Maximum Likelihood Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.3.3 The Viterbi Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.3.4 Distance Properties
8.3.5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.3.6 Error Probability for Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.3.7 Convolutional Coding and Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . 200
8.4 Concatenated Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.5 Turbo Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.6 Low Density Parity Check Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.7 Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.7.1 Coded Modulation for AWGN Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.7.2 Coded Modulation with Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . 207
8.7.3 Adaptive Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
State Diagrams and Transfer Functions
8.8 Unequal Error Protection Codes
9 Adaptive Modulation
217
9.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.3 Variable-Rate Variable-Power MQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.4 Constellation Restriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.4.1 Optimal Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.4.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
9.5
Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.6 Channel Estimation Error and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.7 Coding Issues and Capacity Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Suboptimal Policies
10 Multiple Antenna Systems
10.1 Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systems
237
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.1.1 The Narrowband Multiple Antenna System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.1.2 Transmit Precoding and Receiver Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.1.3 Parallel Decomposition of the MIMO Channel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.1.4 MIMO Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.1.5 Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.2 Space-time codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.3 Smart Antennas
11 Equalization
251
11.1 Equalizer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.2 Folded Spectrum and ISI-Free Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.3 Linear Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
11.3.1 Zero Forcing (ZF) Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.3.2 Minimum Mean Square Error (MMSE) Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.4 Maximum Likelihood Sequence Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.5 Decision-Feedback Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.6 Equalizer Training and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
12 Multicarrier Modulation
267
12.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.2 Discrete Implementation of OFDM (Discrete Multitone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.3 Fading across Subcarriers
12.3.1 Frequency Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.3.2 Precoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.3.3 Adaptive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
12.3.4 Coding across Subchannels
13 Spread Spectrum and RAKE Receivers
279
13.1 Spread Spectrum Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
13.2 Pseudorandom (PN) Sequences (Spreading Codes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
13.3 Direct Sequence Spread Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
13.4 RAKE receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.5 Spread Spectrum Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
13.5.1 Spreading Codes for Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
13.5.2 Broadcast Channels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
13.5.3 Multiple Access Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
13.5.4 Multiuser Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.6 Frequency-Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
14 Multiuser Systems
297
14.1 Multiuser Channels: Broadcast and Multiple Access
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
14.2 Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
14.2.1 Frequency Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
14.2.2 Time-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
14.2.3 Code-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
14.2.4 Standards Debate
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
14.3 Broadcast Channel Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
14.3.1 The AWGN Broadcast Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
14.3.2 Capacity Region in AWGN under TD, FD, and CD . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
14.3.3 Fading Broadcast Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
14.4 Multiple Access Channel Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
14.5 Random Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
14.6 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
14.4.1 The AWGN Multiple Access Channel
14.4.2 Fading Multiaccess Channels
14.7 Power Control
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
15 Cellular Systems
319
15.1 Cellular System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
15.2 Frequency Reuse in Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
15.2.1 Frequency Reuse in Code-Division Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
. . . . . . . . . . . . . 321
15.2.2 Frequency Reuse in Time and Frequency Division Systems
15.3 Dynamic Resource Allocation in Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
15.4 Area Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
15.5 Interference Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
15.5.1 Reuse Distance, Multicell Capacity, and Area Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . 324
15.5.2 Efficiency Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
15.6 Power Control Impact on Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
15.7 Interference Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
16 Ad-Hoc Networks
335
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
16.0.1 Applications
16.0.2 Cross Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
16.1 Link Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
16.1.1 Fundamental Capacity Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
16.1.2 Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.1.3 Multiple Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.1.4 Power control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.1.5 Adaptive Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.2 Medium Access Control Design Issues
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
16.3 Network Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
16.3.1 Neighbor Discovery and Network Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
16.4 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
16.4.1 Scalability and Distributed Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
16.4.2 Network Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
16.5 Application Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
16.5.1 Adaptive QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
16.5.2 Application Adaptation and Cross Layer Design Revisited . . . . . . . . . . . . . . 354
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