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Wireless communications E-Book PDF
Neeraj Yadav

Wireless communications E-Book PDF

Neeraj Yadav | 06-Jan-2016 |
Wireless spectrum , Wireless communications , Current Wireless Systems , Statistical Multipath Channel Models , Wideband Fading Models , Discrete-Time Model , Space-Time Channel Models , Capacity of Wireless Channels , Performance of Digital Modulation over Wireless Channels , Alternate Q Function Representation , Doppler Spread , Multiple Antennas and Space-Time Communications , Multicarrier Modulation , Multiuser Systems , Representation of Bandpass Signals and Channels , Probability Theory , Random Variables , And Random Processes , Matrix Definitions , Summary of Wireless Standards ,

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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. 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

3  Statistical Multipath Channel Models

24

3.1

Time-Varying Channel Impulse Response  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.2

Narrowband Fading Models  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

 

3.2.1

Autocorrelation, Cross Correlation, and Power Spectral Density  . . . . . . . . . . . . . .

30

 

3.2.2

Envelope and Power Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

 

3.2.3

Level Crossing Rate and Average Fade Duration  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

 

3.2.4

Finite State Markov Channels  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

3.3

Wideband Fading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

 

3.3.1

Power Delay Profile  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

 

3.3.2

Coherence Bandwidth  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

 

3.3.3

Doppler Power Spectrum and Channel Coherence Time  . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

 

3.3.4

Transforms for Autocorrelation and Scattering Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

3.4

Discrete-Time Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.5

Space-Time Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

 

 

 

 

 

 

 

iii

 

4  Capacity of Wireless Channels

57

4.1

Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

4.2

Capacity of Flat-Fading Channels  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

 

4.2.1

Channel and System Model  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

 

4.2.2   Channel Distribution Information (CDI) Known . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

 

4.2.3

Channel Side Information at Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

 

4.2.4

Channel Side Information at Transmitter and Receiver  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

 

4.2.5

Capacity with Receiver Diversity  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

 

4.2.6

Capacity Comparisons  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

4.3

Capacity of Frequency-Selective Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

 

4.3.1

Time-Invariant Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

 

4.3.2

Time-Varying Channels  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

 

6  Performance of Digital Modulation over Wireless Channels

82

6.1

AWGN Channels  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

 

6.1.1

Signal-to-Noise Power Ratio and Bit/Symbol Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

 

6.1.2   Error Probability for BPSK and QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

 

6.1.3

Error Probability for MPSK  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

 

6.1.4

Error Probability for MPAM and MQAM  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

 

6.1.5   Error Probability for FSK and CPFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

 

6.1.6

Error Probability Approximation for Coherent Modulations  . . . . . . . . . . . . . . . .

89

 

6.1.7

Error Probability for Differential Modulation  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

6.2

Alternate Q Function Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

6.3

Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

 

6.3.1

Outage Probability  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

 

6.3.2

Average Probability of Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

 

6.3.3

Moment Generating Function Approach to Average Error Probability  . . . . . . . . . . .

94

 

6.3.4

Combined Outage and Average Error Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

6.4

Doppler Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

6.5

Intersymbol Interference  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102

10 Multiple Antennas and Space-Time Communications

113

 

  1. Narrowband MIMO Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  113

 

  1. Parallel Decomposition of the MIMO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  115

 

  1. MIMO Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 10.3.1 Static Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

 

10.3.2  Fading Channels  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120

10.4 MIMO Diversity Gain: Beamforming  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123

 

  1. Diversity/Multiplexing Tradeoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  125

 

  1. Space-Time Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  126

 

10.6.1  ML Detection and Pairwise Error Probability  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  127

 

  1. Rank and Determinant Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  128

 

  1. Space-Time Trellis and Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  128

 

  1. Spatial Multiplexing and BLAST Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  129

 

 

10.7

Frequency-Selective MIMO Channels  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

131

10.8

Smart Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

131

 

12 Multicarrier Modulation

141

 

12.1   Data Transmission using Multiple Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  142

 

12.2   Multicarrier Modulation with Overlapping Subchannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  144

 

12.3 Mitigation of Subcarrier Fading  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146

12.3.1

Coding with Interleaving over Time and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

147

12.3.2

Frequency Equalization  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

147

 

12.3.3   Precoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  147

 

12.3.4   Adaptive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  148

 

12.4   Discrete Implementation of Multicarrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  149

 

12.4.1   The DFT and its Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  149

 

12.4.2   The Cyclic Prefix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  150

 

12.4.3   Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  152

 

12.4.4   Matrix Representation of OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  154

 

12.4.5  Vector Coding  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  156

 

  1. Challenges in Multicarrier Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 12.5.1 Peak to Average Power Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

 

 

12.5.2

Frequency and Timing Offset  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

160

12.6

Case Study: The IEEE 802.11a Wireless LAN Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

161

14 Multiuser Systems

169

14.1

Multiuser Channels: The Uplink and Downlink  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

169

14.2

Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

171

 

14.2.1

Frequency-Division Multiple Access (FDMA)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

171

 

14.2.2

Time-Division Multiple Access (TDMA)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

173

 

14.2.3

Code-Division Multiple Access (CDMA)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

 

14.2.4

Space-Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

176

 

14.2.5

Hybrid Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

176

14.3

Random Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

177

 

14.3.1

Pure ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

178

 

14.3.2

Slotted ALOHA  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

179

 

14.3.3

Carrier Sense Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

180

 

14.3.4

Scheduling  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181

14.4

Power Control  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

182

 

  1. Downlink (Broadcast) Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  184

 

  1. Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  184

 

14.5.2   Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  185

 

14.5.3

Common Data  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

191

14.5.4

Capacity in Fading  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

191

14.5.5

Capacity with Multiple Antennas  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

195

 

  1. Uplink (Multiple Access) Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 14.6.1 Capacity in AWGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

 

 

14.6.2

Capacity in Fading  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

200

 

14.6.3

Capacity with Multiple Antennas  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

202

14.7

Uplink/Downlink Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

202

14.8

Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

205

14.9

MIMO Multiuser Systems  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

207

 

A

Representation of Bandpass Signals and Channels

217

B

Probability Theory, Random Variables, and Random Processes

221

 

B.1

Probability Theory  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

221

 

B.2

Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

222

 

B.3

Random Processes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

225

 

B.4

Gaussian Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

228

C

Matrix Definitions, Operations, and Properties

230

 

C.1

Matrices and Vectors  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

230

 

C.2

Matrix and Vector Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

231

 

C.3

Matrix Decompositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

233

D

Summary of Wireless Standards

237

 

D.1

Cellular Phone Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

237

 

 

D.1.1

First Generation Analog Systems  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

237

 

 

D.1.2

Second Generation Digital Systems  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

237

 

 

D.1.3  Evolution of 2G Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

239

 

 

D.1.4

Third Generation Systems  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

240

 

D.2

Wireless Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

241

 

D.3

Wireless Short-Distance Networking Standards  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

242

 

 

 

 

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