Fundamentos de la comunicación inalámbrica

La última década ha visto muchos avances en la comunicación de capa física inalámbrica teoría y su

aplicación en los sistemas inalámbricos. Este libro de texto se una visión unificada de los fundamentos de la

comunicación inalámbrica y explica la web de los conceptos que sustentan estos avances a un nivel de acceso a una audiencia con una base de fondo en la probabilidad y la comunicación digital.Los temas cubiertos incluyen la comunicación MIMO (entrada múltiple salida múltiple), espacio-tiempo de

codificación, comunicaciones oportunistas, OFDM y CDMA. La conceptos se ilustran con numerosos

ejemplos de sistemas inalámbricos, tales como GSM, IS-95 (CDMA), ES-856 (1 x EV-DO), Flash OFDM y

ArrayComm SDMA sistemas. Se hace especial hincapié en la interacción entre conceptos y su aplicación en

los sistemas. Un suministro abundante de ejercicios y las cifras refuerzan el material en el texto. Este libro

está destinado a cursos de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y también será de gran interés para los ingenieros.

David Tse es profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica yCiencias de la Computación de la Universidad de California en Berkeley.Pramod Viswanath es profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctricae Ingeniería Informática, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Fundamentos de laComunicación inalámbricaDavid TseUniversidad de California, Berkeleyy

Pramod ViswanathUniversidad de Illinois, Urbana-Champaign

......... .......... .....Cambridge, Nueva York, Melbourne, Madrid, Ciudad del Cabo, Singapur, São PauloCambridge University PressLa construcción de Edimburgo, Cambridge ... ..., Reino UnidoPublicado por primera vez en formato de impresión....-.. ...-.-...-.....-.....-.. ...-.-...-.....-.Cambridge University Press © 20052005Información sobre este título: www.cambridge.org/ 9780521845274Esta publicación está en derecho de autor. Sin perjuicio de excepción legal y con el suministro delos acuerdos de licencia colectiva, no la reproducción de cualquier parte puede tener lugarsin el permiso escrito de Cambridge University Press.....-.. .-...-.....-.....-.. .-...-.....-.Cambridge University Press no tiene la responsabilidad de la persistencia o la exactitud de s ...para los sitios web de Internet externos o de terceros mencionados en esta publicación, y nogarantizar que el contenido de dichos sitios web es, o va a seguir siendo, preciso o apropiado.Publicado en los Estados Unidos de América por Cambridge University Press, Nueva Yorkwww.cambridge.orgtapa duraeBook (NetLibrary)eBook (NetLibrary)tapa dura

Contenido

Prólogo página xvAgradecimientos xviiiLista de notación xx1 Introducción 11.1 Libro objetivo 11.2 Los sistemas inalámbricos 21.3 Libro de esquema 52 El canal inalámbrico 102.1 de modelado físico para los canales inalámbricos 102.1.1 Espacio libre, fija las antenas de transmisión y recepción 122.1.2 Espacio libre, moviendo la antena 132.1.3 Como reflejo de la pared, la antena fija 142.1.4 Como reflejo de la pared, moviendo la antena 162.1.5 Reflexión de un plano de tierra 172.1.6 Poder decaimiento con la distancia y las sombras 182.1.7 Traslado de la antena, reflectores múltiples 192.2 de entrada / salida del modelo del canal inalámbrico 202.2.1 El canal móvil como un sistema lineal variante en el tiempo 202.2.2 Baseband modelo equivalente 222.2.3 Una banda de tiempo discreto modelo 25Discusión 2.1 Grados de libertad 282.2.4 ruido blanco aditivo 292.3 El tiempo y la coherencia de frecuencia 302.3.1 Doppler propagación y tiempo de coherencia 302.3.2 Retardo de propagación y el ancho de banda de coherencia 312.4 Modelos estadísticos canal 342.4.1 Modelado de la filosofía 342.4.2 Rayleigh y Rician desvanecimiento 362.4.3 La ganancia de función de auto-correlación 37Ejemplo 2.2 modelo de Clarke 38Capítulo 2 La trama principal 402.5 notas bibliográficas 422.6 Ejercicios 423 de comunicación punto a punto: la detección, la diversidady la incertidumbre del canal 493.1 Detección en un canal de desvanecimiento de Rayleigh 503.1.1 detección no coherente 503.1.2 Detección coherente 523.1.3 De BPSK QPSK a: la explotación de los gradosde la libertad 563.1.4 Diversidad 593.2 Tiempo de la diversidad 603.2.1 La repetición de codificación 603.2.2 Más allá de la repetición de codificación 64Resumen 3,1 diversidad de código de tiempo de diseño criterio 68Ejemplo 3.1 Tiempo de la diversidad en las redes GSM 693.3 Antena diversidad 713.3.1 Recibir la diversidad 713.3.2 Transmisión de la diversidad: los códigos de espacio-tiempo 733.3.3 MIMO: un ejemplo de 2 × 2 77

Resumen 3.2 2 × 2 MIMO esquemas 823.4 Frecuencia de la diversidad 833.4.1 Concepto básico 833.4.2 una sola compañía con ecualización ISI 843.4.3 secuencia directa de espectro ensanchado 913.4.4 División de Frecuencia Ortogonal multiplexación 95Resumen 3.3 Comunicación a través de canales selectivos de frecuencia 1013.5 Impacto de la incertidumbre del canal 1023.5.1 detección no-coherente para la propagación de espectro DS 1033.5.2 Canal de estimación 1053.5.3 Otros escenarios de la diversidad 107Capítulo 3 La trama principal 1093.6 notas bibliográficas 1103.7 Ejercicios 111Cuatro sistemas celulares: acceso múltiple y gestión de las interferencias 1204.1 Introducción 1204.2 estrecha sistemas celulares 1234.2.1 asignaciones de banda estrecha: el sistema GSM 1244.2.2 Impacto sobre el diseño de redes y sistemas 1264.2.3 Impacto en la reutilización de la frecuencia 1274.1 Resumen de banda estrecha sistemas 1284.3 sistemas de banda ancha: CDMA 1284.3.1 CDMA de enlace ascendente 1314.3.2 CDMA enlace descendente 1454.3.3 Sistema de cuestiones 147Resumen 4.2 CDMA 1474.4 sistemas de banda ancha: OFDM 1484.4.1 Asignación de los principios de diseño 1484.4.2 Salto de patrón 1504.4.3 Señal de características y diseño del receptor 1524.4.4 Sectorización 153Ejemplo 4.1 Flash-OFDM 153Capítulo 4 La trama principal 1544.5 notas bibliográficas 1554.6 Ejercicios 1555 Capacidad de canales inalámbricos 1665.1 AWGN capacidad de canal 1675.1.1 La repetición de codificación 1675.1.2 Embalaje esferas 168Discusión 5.1 Creación de lograr AWGNcódigos de canal 170Resumen 5.1 tasa fiable de comunicacióny la capacidad 1715.2 Recursos del canal AWGN 1725.2.1 tiempo continuo AWGN canal 1725.2.2 Energía y ancho de banda 173Ejemplo 5.2 Ancho de banda de la reutilización en los sistemas celulares 1755.3 El tiempo lineal e invariante en canales Gaussianos 1795.3.1 sola entrada múltiple salida (SIMO) del canal 1795.3.2 Múltiple de entrada y salida única (MISO) canal 1795.3.3 canal de frecuencia selectiva 1815.4 Capacidad de los canales de desvanecimiento 1865.4.1 lento desvanecimiento del canal 1875.4.2 Recibir la diversidad 1895.4.3 Transmisión de la diversidad 191Resumen 5.2 Transmisión y recepción de la diversidad 195

5.4.4 El tiempo y la diversidad de frecuencia 195Resumen 5.3 Interrupción de canales paralelos 1995.4.5 rápido canal de desvanecimiento 1995.4.6 Transmisor de información lateral 203Ejemplo 5.3 Tasa de adaptación en el ES-856 2095.4.7 canales de desvanecimiento selectivo en frecuencia 2135.4.8 Resumen: un cambio en el punto de vista 213Capítulo 5 La trama principal 2145.5 notas bibliográficas 2175.6 Ejercicios 2176 multiusuario la capacidad y la comunicación oportunistas 2286.1 Uplink canal AWGN 2296.1.1 Capacidad de cancelación de interferencias a través de sucesivas 2296.1.2 Comparación con los sistemas convencionales CDMA 2326.1.3 Comparación con acceso múltiple ortogonales 2326.1.4 General K-usuario la capacidad de enlace ascendente 2346.2 descendente canal AWGN 2356.2.1 simétrica caso: dos de capacidad lograr esquemas 2366.2.2 Caso general: la superposición de codificación logra la capacidad de 2386.1 Resumen de enlace ascendente y descendente AWGN capacidad 240Discusión 6.1 SIC: cuestiones de aplicación 2416.3 desvanecimiento del canal de enlace ascendente 2436.3.1 lento desvanecimiento del canal 2436.3.2 rápido canal de desvanecimiento 2456.3.3 canal completa información lateral 247Resumen 6.2 desvanecimiento del canal de enlace ascendente 2506.4 desvanecimiento del canal de enlace descendente 2506.4.1 Información lado del canal en el receptor sólo 2506.4.2 canal completa información lateral 2516.5 canales de desvanecimiento selectivo en frecuencia 2526.6 multiusuario la diversidad 2536.6.1 multiusuario aumento de la diversidad 2536.6.2 multiusuario frente a la diversidad clásica 2566.7 multiusuario la diversidad: los aspectos del sistema 2566.7.1 Feria de la programación y la diversidad multiusuario 2586.7.2 Canal de predicción y comentarios 2626.7.3 oportunistas formación de haz mediante antenas tonto 2636.7.4 multiusuario la diversidad en los sistemas multicelulares 2706.7.5 Un sistema de visión 272Capítulo 6 La trama principal 2756.8 notas bibliográficas 2776.9 Ejercicios 2787 Yo MIMO: multiplexado espacial y modelado del canal 2907.1 Posibilidad de multiplexado de canales MIMO determinista 2917.1.1 Capacidad a través de la descomposición de valor singular 2917.1.2 Clasificación y número de condición 2947.2 modelización física de los canales MIMO 2957.2.1 Línea de SIMO, la vista del canal 2967.2.2 Línea de MISO la vista del canal 2987.2.3 Antena matrices con sólo una ruta de acceso de línea de vista 2997.2.4 antenas separadas geográficamente 3007.2.5 Línea de visión más uno refleja camino 306Resumen 7.1 Posibilidad de multiplexado de canales MIMO 3097.3 Modelado de canales MIMO desvanecimiento 3097.3.1 Enfoque básico 3097.3.2 MIMO canal multitrayecto 311

7.3.3 representación en el dominio angular de las señales 3117.3.4 representación en el dominio angular de canales MIMO 3157.3.5 Estadística de modelado en el dominio angular 3177.3.6 Grados de libertad y la diversidad 318Ejemplo 7.1 Grados de libertad en el clústermodelos de respuesta 3197.3.7 La dependencia de la antena espacio 3237.3.8 iid desvanecimiento Rayleigh modelo 327Capítulo 7 La trama principal 3287.4 notas bibliográficas 3297.5 Ejercicios 3308 MIMO II: arquitecturas de la capacidad y la multiplexación 3328.1 El V-BLAST arquitectura 3338.2 rápido desvanecimiento del canal MIMO 3358.2.1 Capacidad de CSI en el receptor 3368.2.2 Rendimiento ganancias 3388.2.3 CSI completa 346Resumen de 8,1 aumentos de rendimiento en un canal MIMO 3488.3 Receptor arquitecturas 3488.3.1 lineal correlador 3498.3.2 cancelación sucesivas 3558.3.3 lineal receptor MMSE 3568.3.4 Información de la teoría de la optimalidad 362Discusión 8.1 Conexiones con la detección multiusuario CDMAy el ISI ecualización 3648.4 lento desvanecimiento del canal MIMO 3668.5 D-BLAST: una arquitectura de corte óptima 3688.5.1 suboptimalidad de V-BLAST 3688.5.2 Codificación de transmitir a través de antenas: D-BLAST 3718.5.3 Discusión 372Capítulo 8 La trama principal 3738.6 notas bibliográficas 3748.7 Ejercicios 3749 MIMO III: equilibrio con la diversidad de la multiplexación y universalespacio-tiempo códigos 3839.1-Diversidad compensación multiplexado 3849.1.1 Formulación 3849.1.2 escalar Rayleigh canal 3869.1.3 Paralelo canal Rayleigh 3909.1.4 MISO Rayleigh canal 3919.1.5 2 × 2 MIMO canal Rayleigh 3929.1.6 nt× nr MIMO iid canal Rayleigh 3959.2 Diseño universal código para una óptima la diversidad de la multiplexaciónCompensación 3989.2.1 QAM es de aproximadamente universal de los canales de escalar 398Resumen 9.1 universalidad aproximado 4009.2.2 Diseño universal código de canales paralelos 400Resumen 9.2 Universal de los códigos de los canales paralelos 4069.2.3 Diseño universal código de canales MISO 407Resumen 9.3 Universal de los códigos para el canal MISO 4109.2.4 Diseño universal código para canales MIMO 411Discusión 9.1 Universal de los códigos en el enlace descendente 415Capítulo 9 La trama principal 4159.3 notas bibliográficas 4169.4 Ejercicios 41710 MIMO IV: Comunicación de multiusuario 425

10.1 de enlace ascendente con múltiples antenas reciben 42610.1.1 Espacio acceso múltiple por división 42610.1.2 SDMA región de capacidad 42810.1.3 Sistema de consecuencias 431Resumen 10.1 SDMA y acceso múltiple ortogonales 43210.1.4 lento desvanecimiento 43310.1.5 rápido desvanecimiento 43610.1.6 multiusuario diversidad revisitado 439Resumen 10.2 oportunistas de comunicación y múltiplesantenas de recepción 44210.2 MIMO enlace ascendente 44210.2.1 SDMA con múltiples antenas de transmisión 44210.2.2 Sistema de consecuencias 44410.2.3 rápido desvanecimiento 44610.3 de enlace descendente con múltiples antenas de transmisión 44810.3.1 Los grados de libertad en el enlace descendente 44810.3.2 dualidad de enlace ascendente-descendente y transmitir la formación de haz 44910.3.3 precodificación de interferencia conocida en el transmisor 45410.3.4 precodificación para el enlace descendente 46510.3.5 rápido desvanecimiento 468

10.4 MIMO enlace descendente47110.5 múltiples antenas en redes de telefonía móvil: una visión del sistema473Resumen 10.3 Sistema implicaciones de múltiples antenas enacceso múltiple47310.5.1 Interamericano de célula de gestión de interferencia47410.5.2 enlace ascendente con múltiples antenas reciben47610.5.3 MIMO enlace ascendente47810.5.4 enlace descendente con múltiples antenas reciben47910.5.5 enlace descendente con múltiples antenas de transmisión479Ejemplo 10.1 SDMA en ArrayComm sistemas479Capítulo 10 La trama principal48110.6 notas bibliográficas48210.7 Ejercicios483Apéndice A de detección y estimación de ruido Gaussiano aditivo496A.1 variables aleatorias gaussianas496A.1.1 escalares reales variables aleatorias gaussianas496A.1.2 Real gaussiano aleatorio vectores497A.1.3 Complejo vectores aleatorios gaussianos

500Resumen A.1 Complejo vectores aleatorios gaussianos502A.2 Detección de ruido Gaussiano503A.2.1 detección de escalar503Detección A.2.2 en un espacio vectorial504Detección A.2.3 en un espacio vectorial complejo507Resumen A.2 vector de detección de ruido gaussiano complejo508A.3 Estimación del ruido gaussiano509A.3.1 estimación escalares509Estimación A.3.2 en un espacio vectorial510Estimación A.3.3 en un espacio vectorial complejo511Resumen A.3 media cuadrada de estimación en un espacio vectorial complejo513A.4 Ejercicios513Apéndice B Información de la teoría de los primeros principios516B.1 canales discretos sin memoria516Ejemplo B.1 canal binario simétrico517Ejemplo B.2 canal borrado binario517B.2 La entropía, la entropía condicional y de información mutua518Ejemplo entropía binaria B.3518B.3 teorema de codificación de canal ruidoso521B.3.1 La comunicación fiable y la entropía condicional521B.3.2 Un simple límite superior522B.3.3 El logro de la cota superior523Ejemplo B.4 canal binario simétrico524B.5 Ejemplo canal borrado binario525B.3.4 operativo interpretación525

xivContenidoB.4 formal derivación de AWGN capacidad526B.4.1 canales analógicos sin memoria526B.4.2 Derivación de AWGN capacidad527B.5 Esfera de empaque de la interpretación529B.5.1 del límite superior529B.5.2 alcanzables530B.6 tiempo-invariante canales paralelos532B.7 la capacidad del canal de desvanecimiento rápido533B.7.1 escalar rápido desvanecimiento channnel533MIMO B.7.2 rápido desvanecimiento del canal535B.8 interrupción formulación536B.9 canal de acceso múltiple538Capacidad región B.9.1538B.9.2 Rincón de los puntos de la región de capacidad539B.9.3 rápida subida desvanecimiento540B.10 Ejercicios541Referencias546Índice554