无线通信研究中的新方向

jiwen01

1 Measurement and Modeling of Wireless Channels . . . . . . . . . . . . . . . 1
David G. Michelson and Saeed S. Ghassemzadeh
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 A Brief History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Characterization of Wireless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Development of New Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Measurement of Wireless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Recent Advances in Channel Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6.1 Channel Models for Ultrawideband Wireless Systems . . . 13
1.6.2 Channel Models for MIMO-Based Wireless Systems . . . . 16
1.6.3 Channel Models for Body Area Networks . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.4 Channel Models for Short-Range Vehicular Networks . . . 20
1.6.5 Channel Models for 60 GHz and Terahertz Systems . . . . . 22
1.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 OFDM: Principles and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Nicola Marchetti, Muhammad Imadur Rahman, Sanjay Kumar,
and Ramjee Prasad
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 History and Development of OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The Benefit of Using Multi-carrier Transmission . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 OFDMTransceiver Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5 Analytical Model of OFDM System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.1 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.2 Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.3 Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.4 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6 Advantages of OFDM System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.1 Combating ISI and Reducing ICI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.2 Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
ix
x Contents
2.6.3 Some Other Benefits of OFDM System . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7 Disadvantages of OFDM System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7.1 Strict Synchronization Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7.2 Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7.3 Co-channel Interference in Cellular OFDM . . . . . . . . . . . . 46
2.8 OFDMSystem Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.1 OFDM System Design Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.2 OFDMSystem Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.9 Multi-carrier Based Access Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.9.1 Definition of Basic Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.10 Single-Carrier vs Multi-carrier, TDE vs FDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.10.1 Single-Carrier FDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.10.2 Single-Carrier vs Multi-carrier, FDE vs TDE . . . . . . . . . . 54
2.10.3 Analogies and Differences Between OFDM and SCFDE . 54
2.10.4 Interoperability of SCFDE and OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.11 OFDMA: An Example of Future Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.12 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3 Recent Advances in Low-Correlation Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Gagan Garg, Tor Helleseth, and P. Vijay Kumar
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Cyclic Hadamard Difference Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 The Merit Factor of Binary Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4 Low-Correlation QAM Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.2 Quaternary Family A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4.3 Canonical 16-QAM Family CQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4.4 Extensions and Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.5 Example: Generation of a 16-QAM Sequence . . . . . . . . . . 83
3.5 Low-Correlation Zone Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6 Additional Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6.1 Merit Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6.2 QAM Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.6.3 Low-Correlation Zone Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4 Resource Allocation inWireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Jon W. Mark and Lian Zhao
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3 The Inverse of S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4 Convergence of Power Distribution Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Contents xi
4.4.1 With Zero Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.2 With Nonzero Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.3 With Power Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.4 Capacity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.5 Optimal Data Rate Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.1 Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.2 Optimal Spreading Factor (OSF) Selection . . . . . . . . . . . . 107
4.5.3 Rate Selection for GRP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.6 Joint Rate and Power Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6.1 OSF-PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.6.2 GRP-PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.7 Numerical Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Iterative Receivers and Their Graphical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Ezio Biglieri
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 MAP Symbol Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1 Factor Graphs and the Sum–Product Algorithm . . . . . . . . 121
5.2.2 The Basic Factorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3 Channel and Codes: A Menagerie of Factor Graphs . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.1 Modeling the Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.2 Modeling the Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4 Equalization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.5 Multiuser Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.6 MIMO Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.7 Multilevel Coded Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.8 Convergence of the Iterative Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6 Fundamentals of Multi-user MIMO Communications . . . . . . . . . . . . 139
Luca Sanguinetti and H. Vincent Poor
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3 Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.1 Capacity Region of the Gaussian MIMO MAC . . . . . . . . . 142
6.3.2 Gaussian MIMO Broadcast Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4 Open- and Closed-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.4.1 Open-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.4.2 Closed-Loop Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.5 System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.5.1 Receiver Design for Uplink Transmissions . . . . . . . . . . . . 160
6.5.2 Transmitter Design for Downlink Transmissions . . . . . . . . 161
6.6 Limited Feedback Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
xii Contents
6.6.1 Channel Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.6.2 Random Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.3 Transceiver Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7 Collaborative Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Hideki Ochiai and Hideki Imai
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.2 System Model and Beam Patterns of Fixed Nodes . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.1 Array Factor and Beam Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2.2 Beam Patterns of Linear Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.3 Beam Patterns of Circular Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3 Collaborative Beamforming by Randomly Distributed Nodes . . . . . 185
7.3.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.3.2 Average Beam Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.3.3 Distribution of Beam Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.3.4 Distribution ofMaxima in Sidelobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8 Cooperative Wireless Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Behnaam Aazhang, Chris B. Steger, Gareth B. Middleton,
and Brett Kaufman
Contents xiii
9 Interference Rejection and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Arun Batra, James R. Zeidler, John G. Proakis, and Laurence B. Milstein
10 Cognitive Radio: From Theory to Practical Network Engineering . . 251
Ekram Hossain, Long Le, Natasha Devroye, and Mai Vu
xiv Contents
11 Coded Bidirectional Relaying inWireless Networks . . . . . . . . . . . . . . 291
Petar Popovski and Toshiaki Koike-Akino
12 Minimum Cost Subgraph Algorithms for Static and Dynamic
Multicasts with Network Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Fang Zhao, Muriel M´edard, Desmond Lun, and Asuman Ozdaglar
Contents xv
13 Ultra Mobile Broadband (UMB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
14 Mobile WiMAX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
15 An Overview of 3GPP Long-Term Evolution Radio Access
Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
Sassan Ahmadi
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