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fundamentals of wireless communication无线通信基础.pdf
Fundamentals of Wireless Communication1
David Tse, University of California, Berkeley
Pramod Viswanath, University of Illinois, Urbana-Champaign
September 10, 2004
1Draft, to be published by Cambridge University Press, which owns the copyright. Online
version is available with their permission. Comments will be much appreciated; please send
them to dtse@eecs.berkeley.edu or pramodv@uiuc.edu.
Contents
1 Introduction
1.1 Book Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Wireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Book Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 The Wireless Channel
2.2
2.1 Physical Modeling for Wireless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Free space, fixed transmitting and receive antennas
. . . . . . .
2.1.2 Free space, moving antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Reflecting wall, fixed antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Reflecting wall, moving antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5 Reflection from a Ground Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.6 Power Decay with Distance and Shadowing . . . . . . . . . . . .
2.1.7 Moving Antenna, Multiple Reflectors . . . . . . . . . . . . . . .
Input/Output Model of the Wireless Channel
. . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 The Wireless Channel as a Linear Time-Varying System . . . .
2.2.2 Baseband Equivalent Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 A Discrete Time Baseband Model . . . . . . . . . . . . . . . . .
Discussion 2.1 Degrees of Freedom . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Additive White Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Time and Frequency Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Doppler Spread and Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Delay Spread and Coherence Bandwidth . . . . . . . . . . . . .
2.4 Statistical Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Modeling Philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Rayleigh and Rician Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Tap Gain Autocorrelation Function . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Example 2.2 Clarke’s Model
12
12
13
16
21
21
23
24
25
27
29
30
31
32
32
34
37
40
41
42
42
44
47
47
48
50
51
55
56
1
Tse and Viswanath: Fundamentals of Wireless Communication
2
3 Point-to-Point Communication:
Detection, Diversity and Channel Uncertainty
3.1 Detection in a Rayleigh Fading Channel
64
. . . . . . . . . . . . . . . . .
65
3.1.1 Noncoherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
3.1.2 Coherent Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
3.1.3 From BPSK to QPSK: Exploiting the Degrees of Freedom . . .
72
3.1.4 Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
3.2 Time Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
3.2.1 Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
3.2.2 Beyond Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
Example 3.1 Time Diversity in GSM . . . . . . . . . . . . . .
86
3.3 Antenna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
3.3.1 Receive Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
3.3.2 Transmit Diversity: Space-Time Codes . . . . . . . . . . . . . .
90
3.3.3 MIMO: A 2 × 2 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
3.4 Frequency Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.1 Basic Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.2
Single-Carrier with ISI Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4.3 Direct Sequence Spread Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.4 Orthogonal Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . 114
Impact of Channel Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.5.1 Noncoherent Detection for DS Spread Spectrum . . . . . . . . . 122
3.5.2 Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5.3 Other Diversity Scenarios
3.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.5
4 Cellular Systems: Multiple Access and Interference Management
143
4.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.2 Narrowband Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.2.1 Narrowband allocations: GSM system . . . . . . . . . . . . . . 147
Impact on Network and System Design . . . . . . . . . . . . . . 150
4.2.2
4.2.3
Impact on Frequency Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.3 Wideband Systems: CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.3.1 CDMA Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.3.2 CDMA Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.3.3
System Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.4 Wideband Systems: OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.4.1 Allocation Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.4.2 Hopping Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Signal Characteristics and Receiver Design . . . . . . . . . . . . 177
4.4.3
Tse and Viswanath: Fundamentals of Wireless Communication
3
4.4.4
Sectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Example 4.1 Flash-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5 Capacity of Wireless Channels
5.2 Resources of the AWGN Channel
5.3 Linear Time-Invariant Gaussian Channels
Example 5.2 Bandwidth Reuse in Cellular Systems
Discussion 5.1 Capacity-Achieving AWGN Channel Codes
195
5.1 AWGN Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1.1 Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1.2 Packing Spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
. . 199
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.2.1 Continuous-Time AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.2.2 Power and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
. . . . . . 205
. . . . . . . . . . . . . . . . 209
. . . . . . . . . 209
Single Input Multiple Output (SIMO) Channel
5.3.1
5.3.2 Multiple Input Single Output (MISO) Channel
. . . . . . . . . 210
5.3.3 Frequency-Selective Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.4 Capacity of Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.4.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.4.2 Receive Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.4.3 Transmit Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
5.4.4 Time and Frequency Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.4.5 Fast Fading Channel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
5.4.6 Transmitter Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Example 5.3 Rate Adaptation in IS-856 . . . . . . . . . . . . . 244
5.4.7 Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.4.8
Summary: A Shift in Point of View . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Slow Fading Channel
6 Multiuser Capacity and Opportunistic Communication
6.1 Uplink AWGN Channel
266
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.1.1 Capacity via Successive Interference Cancellation . . . . . . . . 267
6.1.2 Comparison with Conventional CDMA . . . . . . . . . . . . . . 271
6.1.3 Comparison with Orthogonal Multiple Access
. . . . . . . . . . 271
6.1.4 General K-user Uplink Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6.2.1
Symmetric Case: Two Capacity-Achieving Schemes . . . . . . . 276
6.2.2 General Case: Superposition Coding Achieves Capacity . . . . . 279
Discussion 6.1 SIC: Implementation Issues . . . . . . . . . . . 283
6.2 Downlink AWGN Channel
Tse and Viswanath: Fundamentals of Wireless Communication
4
6.4 Downlink Fading Channel
6.3 Uplink Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Slow Fading Channel
6.3.1
6.3.2 Fast Fading Channel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.3.3 Full Channel Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.4.1 Channel Side Information at Receiver Only . . . . . . . . . . . . 293
6.4.2 Full Channel Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.5 Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.6 Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
6.6.1 Multiuser Diversity Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
6.6.2 Multiuser versus Classical Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . 298
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6.7.1 Fair Scheduling and Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . 301
6.7.2 Channel Prediction and Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
6.7.3 Opportunistic Beamforming using Dumb Antennas
. . . . . . . 309
6.7.4 Multiuser Diversity in Multi-cell Systems . . . . . . . . . . . . . 318
6.7.5 A System View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.8 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
6.7 Multiuser Diversity: System Aspects
7 MIMO I: Spatial Multiplexing and Channel Modeling
I.I.D. Rayleigh Fading Model
7.2 Physical Modeling of MIMO Channels
7.1 Multiplexing Capability of Deterministic MIMO Channels
342
. . . . . . . 343
7.1.1 Capacity via Singular Value Decomposition . . . . . . . . . . . 343
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
7.1.2 Rank and Condition Number
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
7.2.1 Line-of-Sight SIMO channel
7.2.2 Line-of-Sight MISO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
7.2.3 Antenna arrays with only a line-of-sight path . . . . . . . . . . 351
7.2.4 Geographically separated antennas
. . . . . . . . . . . . . . . . 352
7.2.5 Line-of-sight plus one reflected path . . . . . . . . . . . . . . . . 359
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
7.3.1 Basic Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
7.3.2 MIMO Multipath Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
7.3.3 Angular Domain Representation of Signals . . . . . . . . . . . . 367
7.3.4 Angular Domain Representation of MIMO Channels . . . . . . . 370
7.3.5
Statistical Modeling in the Angular Domain . . . . . . . . . . . 372
7.3.6 Degrees of Freedom and Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
Example 7.1 Degrees of Freedom in Clustered Response Models 375
7.3.7 Dependency on Antenna Spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
7.3.8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
7.4 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.3 Modeling of MIMO Fading Channels
Tse and Viswanath: Fundamentals of Wireless Communication
5
7.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
8 MIMO II: Capacity and Multiplexing Architectures
393
8.1 The V-BLAST Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
8.2 Fast Fading MIMO Channel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
8.2.1 Capacity with CSI at Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
8.2.2 Performance Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
8.2.3 Full CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
8.3.1 Linear Decorrelator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
8.3.2
Successive Cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
8.3.3 Linear MMSE Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
8.3.4
Information Theoretic Optimality* . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Discussion 8.1 Connections with CDMA Multiuser Detection
8.3 Receiver Architectures
and ISI Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
8.4 Slow Fading MIMO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
8.5 D-BLAST: An Outage-Optimal Architecture . . . . . . . . . . . . . . . 433
8.5.1
Sub-optimality of V-BLAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
8.5.2 Coding Across Transmit Antennas: D-BLAST . . . . . . . . . . 435
8.5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
8.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
9 MIMO III: Diversity-Multiplexing Tradeoff and Universal Space-Time
Scalar Rayleigh Channel
2 × 2 MIMO Rayleigh Channel
Codes
451
9.1 Diversity-Multiplexing Tradeoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
9.1.1 Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
9.1.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
9.1.3 Parallel Rayleigh Channel
9.1.4 MISO Rayleigh Channel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
9.1.5
9.1.6 nt × nr MIMO i.i.d. Rayleigh Channel
. . . . . . . . . . . . . . 463
9.2 Universal Code Design for Optimal Diversity-Multiplexing Tradeoff . . 467
9.2.1 QAM is Approximately Universal for Scalar Channels . . . . . . 468
9.2.2 Universal Code Design for Parallel Channels . . . . . . . . . . . 470
9.2.3 Universal Code Design for MISO Channels . . . . . . . . . . . . 477
9.2.4 Universal Code Design for MIMO Channels
. . . . . . . . . . . 481
Discussion 9.1 Universal Codes in the Downlink . . . . . . . . 485
9.3 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
9.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
Tse and Viswanath: Fundamentals of Wireless Communication
6
10 MIMO IV: Multiuser Communication
10.3 Downlink with Multiple Transmit Antennas
497
10.1 Uplink with Multiple Receive Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
10.1.1 Space-Division Multiple Access
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
10.1.2 SDMA Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
10.1.3 System Implications
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.1.4 Slow Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
10.1.5 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
10.1.6 Multiuser Diversity Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
10.2 MIMO Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
10.2.1 SDMA with Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . . . 517
10.2.2 System Implications
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
10.2.3 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
. . . . . . . . . . . . . . . 523
10.3.1 Degrees of Freedom in the Downlink . . . . . . . . . . . . . . . 523
10.3.2 Uplink-Downlink Duality and Transmit Beamforming . . . . . . 525
10.3.3 Precoding for Interference Known at Transmitter
. . . . . . . . 530
10.3.4 Precoding for the downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
10.3.5 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
10.4 MIMO Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
10.5 Multiple Antennas in Cellular Networks: A System View . . . . . . . . 552
10.5.1 Inter-cell Interference Management
. . . . . . . . . . . . . . . . 554
10.5.2 Uplink with Multiple Receive Antennas . . . . . . . . . . . . . . 555
10.5.3 MIMO Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
10.5.4 Downlink with Multiple Receive Antennas . . . . . . . . . . . . 558
. . . . . . . . . . . 559
10.5.5 Downlink with Multiple Transmit Antennas
. . . . . . . . . 559
10.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
10.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
Example 10.1 SDMA in ArrayComm Systems
A Detection and Estimation in Additive Gaussian Noise
579
A.1 Gaussian Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
A.1.1 Scalar Real Gaussian Random Variable . . . . . . . . . . . . . . 579
A.1.2 Real Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
A.1.3 Complex Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . 583
A.2 Detection in Gaussian Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
A.2.1 Scalar Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
A.2.2 Detection in a Vector Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
A.2.3 Detection in a Complex Vector Space . . . . . . . . . . . . . . . 591
A.3 Estimation in Gaussian Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
A.3.1 Scalar Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
A.3.2 Estimation in a Vector Space
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