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Wireless_Communications[Goldsmith_A.].pdf
WIRELESS COMMUNICATIONS
Andrea Goldsmith
Stanford University
Copyright c 2004 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 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
2.1 Radio Wave Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Transmit and Receive Signal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Free-Space Path Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Ray Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Two-Ray 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 Propagation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.6
2.7 Shadow Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
1
1
5
7
9
9
14
15
16
17
17
18
18
19
19
19
20
21
27
28
29
31
32
33
36
37
40
42
42
43
43
44
44
45
46
2.8 Combined Path Loss and Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Outage Probability under Path Loss and Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10 Cell Coverage Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Statistical Multipath Channel 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 Power Delay 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
. . . . . . . . . . . . . .
3.4 Discrete-Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Spatio-Temporal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Wideband Fading Models
49
49
50
65
65
70
71
76
78
80
81
84
86
88
89
90
91
4 Capacity of Wireless Channels
99
4.1 Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2 Capacity of Flat-Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.1 Channel and System Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.2 Channel Distribution Information (CDI) Known . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.3 Channel Side Information at Receiver
4.2.4 Channel Side Information at the Transmitter and Receiver
. . . . . . . . . . . . . 106
4.2.5
Capacity with Receiver Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.6 Capacity Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 Capacity of Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.1 Time-Invariant Channels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.2 Time-Varying Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5 Digital Modulation and Detection
Signal and System Model
5.1 Signal Space Analysis
127
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.1.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.1.2 Geometric Representation of Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.1.3 Receiver Structure and Sufficient Statistics
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.1.4 Decision Regions and the Maximum Likelihood Decision Criterion . . . . . . . . . 135
5.1.5 Error Probability and the Union Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2 Passband Modulation Principles
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3 Amplitude and Phase Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3.1 Pulse Amplitude Modulation (MPAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3.2 Phase Shift Keying (MPSK)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3.3 Quadrature Amplitude Modulation (MQAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3.4 Differential Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.5 Constellation Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.6 Quadrature Offset
5.4 Frequency Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.1 Frequency Shift Keying (FSK) and Minimum Shift Keying (MSK) . . . . . . . . . 153
5.4.2 Continuous-Phase FSK (CPFSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4.3 Noncoherent Detection of FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.5 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.6 Symbol Synchronization and Carrier Phase Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.6.1 Receiver Structure with Phase and Timing Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.6.2 Maximum Likelihood Phase Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.6.3 Maximum-Likelihood Timing Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6 Performance of Digital Modulation over Wireless Channels
173
6.1 AWGN Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Signal-to-Noise Power Ratio and Bit/Symbol Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.1.1
6.1.2 Error Probability for BPSK and QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.1.3 Error Probability for MPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.1.4 Error Probability for MPAM and MQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.1.5 Error Probability for FSK and CPFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1.6 Error Probability Approximation for Coherent Modulations . . . . . . . . . . . . . 180
6.1.7 Error Probability for Differential Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.2 Alternate Q Function Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.3 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.3.1 Outage Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.3.2 Average Probability of Error
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3.3 Moment Generating Function Approach to Average Error Probability . . . . . . . 186
6.3.4 Combined Outage and Average Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 Doppler Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.5
Intersymbol Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7 Diversity
205
7.1 Realization of Independent Fading Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2 Diversity System Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.3 Selection Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.4 Threshold Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.5 Maximal Ratio Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.6 Equal-Gain Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.7 Moment Generating Functions in Diversity Analysis
7.7.1 Diversity Analysis for MRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.7.2 Diversity Analysis for EGC and SC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.7.3 Diversity Analysis for Noncoherent and Differentially Coherent Modulation . . . . 220
7.8 Transmitter Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8 Coding for Wireless Channels
227
8.1 Code Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.2 Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.2.1 Binary Linear Block Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
8.2.2 Generator Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.2.3 Parity Check Matrix and Syndrome Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.2.4 Cyclic Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2.5 Hard Decision Decoding (HDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
8.2.6 Probability of Error for HDD in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.2.7 Probability of Error for SDD in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.2.8 Common Linear Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.2.9 Nonbinary Block Codes: the Reed Solomon Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.2.10 Block Coding and Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.3 Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.3.1 Code Characterization: Trellis Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.3.2 Maximum Likelihood Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.3.3 The Viterbi Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.3.4 Distance Properties
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.3.5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.3.6 Error Probability for Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.3.7 Convolutional Coding and Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . 257
8.4 Concatenated Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
8.5 Turbo Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.6 Low Density Parity Check Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.7 Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.7.1 Coded Modulation for AWGN Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.7.2 Coded Modulation with Interleaving for Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . 266
8.8 Unequal Error Protection Codes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
8.9 Joint Source and Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
State Diagrams and Transfer Functions
9 Adaptive Modulation and Coding
279
9.1 Adaptive Transmission System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.2 Adaptive Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.2.1 Variable-Rate Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.2.2 Variable-Power Techniques
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.2.3 Variable Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.2.4 Variable-Coding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.2.5 Hybrid Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.3 Variable-Rate Variable-Power MQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.1 Error Probability Bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.2 Adaptive Rate and Power Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.3.3 Channel Inversion with Fixed Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
9.3.4 Discrete Rate Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
9.3.5 Average Fade Region Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.3.6 Exact versus Approximate Pb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.3.7
Channel Estimation Error and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
9.3.8 Adaptive Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
9.4 General M-ary Modulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.4.1 Continuous Rate Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.4.2 Discrete Rate Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.4.3 Average BER Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.5 Adaptive Techniques in Combined Fast and Slow Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10 Multiple Antenna Systems
10.1 Multiple Input Multiple Output (MIMO) Systems
315
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.1.1 The Narrowband Multiple Antenna System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.1.2 Transmit Precoding and Receiver Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
10.1.3 Parallel Decomposition of the MIMO Channel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10.1.4 MIMO Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.1.5 Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
10.2 Space-time codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
10.3 Smart Antennas
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
11 Equalization
327
11.1 Equalizer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
11.2 Folded Spectrum and ISI-Free Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
11.3 Linear Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
11.3.1 Zero Forcing (ZF) Equalizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.3.2 Minimum Mean Square Error (MMSE) Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
11.4 Maximum Likelihood Sequence Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.5 Decision-Feedback Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
11.6 Equalizer Training and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12 Multicarrier Modulation
343
12.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
12.2 Discrete Implementation of OFDM (Discrete Multitone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
12.3 Fading across Subcarriers
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.3.1 Frequency Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.3.2 Precoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
12.3.3 Adaptive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
12.3.4 Coding across Subchannels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
13 Spread Spectrum and RAKE Receivers
355
13.1 Spread Spectrum Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
13.2 Pseudorandom (PN) Sequences (Spreading Codes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
13.3 Direct Sequence Spread Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
13.4 RAKE receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.5 Spread Spectrum Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
13.5.1 Spreading Codes for Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
13.5.2 Broadcast Channels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
13.5.3 Multiple Access Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
13.5.4 Multiuser Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
13.6 Frequency-Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14 Multiuser Systems
373
14.1 Multiuser Channels: Broadcast and Multiple Access
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
14.2 Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.2.1 Frequency Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.2.2 Time-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.2.3 Code-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.2.4 Standards Debate
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.3 Broadcast Channel Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.3.1 The AWGN Broadcast Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.3.2 Capacity Region in AWGN under TD, FD, and CD . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.3.3 Fading Broadcast Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
14.4 Multiple Access Channel Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
14.5 Random Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
14.6 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
14.7 Power Control
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
14.4.1 The AWGN Multiple Access Channel
14.4.2 Fading Multiaccess Channels
15 Cellular Systems and Infrastructure-Based Wireless Networks
395
15.1 Cellular System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.2 Frequency Reuse in Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.2.1 Frequency Reuse in Code-Division Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.2.2 Frequency Reuse in Time and Frequency Division Systems
. . . . . . . . . . . . . 397
15.3 Dynamic Resource Allocation in Cellular Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
15.4 Area Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
15.5 Interference Model
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
15.5.1 Reuse Distance, Multicell Capacity, and Area Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . 400
15.5.2 Efficiency Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
15.6 Power Control Impact on Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
15.7 Interference Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
16 Ad-Hoc Wireless Networks
411
16.0.1 Applications
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
16.0.2 Cross Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
16.1 Link Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
16.1.1 Fundamental Capacity Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
16.1.2 Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
16.1.3 Multiple Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
16.1.4 Power control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
16.1.5 Adaptive Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
16.2 Medium Access Control Design Issues
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
16.3 Network Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
16.3.1 Neighbor Discovery and Network Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
16.4 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
16.4.1 Scalability and Distributed Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
16.4.2 Network Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
16.5 Application Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
16.5.1 Adaptive QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
16.5.2 Application Adaptation and Cross Layer Design Revisited . . . . . . . . . . . . . . 430
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