【资料成文时间】：2004，10
【语言】：英语
【页数】：646
【何人（公司）所著】：David Tse，Pramod Viswanath
【文件格式】：pdf
【文件原名】：Fundamentals of Wireless Communication
【摘要或目录】：
1 Introduction 12
1.1 Book Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Wireless Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Book Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2 The Wireless Channel 21
2.1 Physical Modeling for Wireless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 Free space, fixed transmitting and receive antennas . . . . . . . 23
2.1.2 Free space, moving antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3 Reflecting wall, fixed antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.4 Reflecting wall, moving antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.5 Reflection from a Ground Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.6 Power Decay with Distance and Shadowing . . . . . . . . . . . . 30
2.1.7 Moving Antenna, Multiple Reflectors . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Input/Output Model of the Wireless Channel . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 The Wireless Channel as a Linear Time-Varying System . . . . 32
2.2.2 Baseband Equivalent Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3 A Discrete Time Baseband Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Discussion 2.1 Degrees of Freedom . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.4 Additive White Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3 Time and Frequency Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.1 Doppler Spread and Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.2 Delay Spread and Coherence Bandwidth . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Statistical Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.1 Modeling Philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.2 Rayleigh and Rician Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.3 Tap Gain Autocorrelation Function . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Example 2.2 Clarke’s Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3 Point-to-Point Communication:
Detection, Diversity and Channel Uncertainty 64
3.1 Detection in a Rayleigh Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
3.5 Impact of Channel Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.5.1 Noncoherent Detection for DS Spread Spectrum . . . . . . . . . 122
3.5.2 Channel Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.5.3 Other Diversity Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

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
4.2.2 Impact on Network and System Design . . . . . . . . . . . . . . 150
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
4.4.3 Signal Characteristics and Receiver Design . . . . . . . . . . . . 177
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 195
5.1 AWGN Channel Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1.1 Repetition Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.1.2 Packing Spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Discussion 5.1 Capacity-Achieving AWGN Channel Codes . . 199
5.2 Resources of the AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.2.1 Continuous-Time AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.2.2 Power and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Example 5.2 Bandwidth Reuse in Cellular Systems . . . . . . 205
5.3 Linear Time-Invariant Gaussian Channels . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.3.1 Single Input Multiple Output (SIMO) Channel . . . . . . . . . 209
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 Slow Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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

6 Multiuser Capacity and Opportunistic Communication 266
6.1 Uplink AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
6.2 Downlink AWGN Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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

6.3 Uplink Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
6.3.1 Slow Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
6.3.2 Fast Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.3.3 Full Channel Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
6.4 Downlink Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
6.7 Multiuser Diversity: System Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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

7 MIMO I: Spatial Multiplexing and Channel Modeling 342
7.1 Multiplexing Capability of Deterministic MIMO Channels . . . . . . . 343
7.1.1 Capacity via Singular Value Decomposition . . . . . . . . . . . 343
7.1.2 Rank and Condition Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
7.2 Physical Modeling of MIMO Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
7.2.1 Line-of-Sight SIMO channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
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
7.3 Modeling of MIMO Fading Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 I.I.D. Rayleigh Fading Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
7.4 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
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
8.3 Receiver Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
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
Codes 451
9.1 Diversity-Multiplexing Tradeoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
9.1.1 Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
9.1.2 Scalar Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
9.1.3 Parallel Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
9.1.4 MISO Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
9.1.5 2 × 2 MIMO Rayleigh Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
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

10 MIMO IV: Multiuser Communication 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
10.3 Downlink with Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . . . . . 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
10.5.5 Downlink with Multiple Transmit Antennas . . . . . . . . . . . 559
Example 10.1 SDMA in ArrayComm Systems . . . . . . . . . 559
10.6 Bibliographical Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
10.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

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
A.3.2 Estimation in a Vector Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
Tse and Viswanath: Fundamentals of Wireless Communication 7
A.3.3 Estimation in a Complex Vector Space . . . . . . . . . . . . . . 595
A.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
B Information Theory Background 599
B.1 Discrete Memoryless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
Example B.1 Binary Symmetric Channel . . . . . . . . . . . . 601
Example B.2 Binary Erasure Channel . . . . . . . . . . . . . . 601
B.2 Entropy, Conditional Entropy and Mutual Information . . . . . . . . . 602
Example B.3 Binary Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
B.3 Noisy Channel Coding Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
B.3.1 Reliable Communication and Conditional Entropy . . . . . . . . 606
B.3.2 A Simple Upper Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
B.3.3 Achieving the Upper Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
Example B.4 Binary Symmetric Channel . . . . . . . . . . . . 609
Example B.5 Binary Erasure Channel . . . . . . . . . . . . . . 609
B.3.4 Operational Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
B.4 Formal Derivation of AWGN Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
B.4.1 Analog Memoryless Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
B.4.2 Derivation of AWGN Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
B.5 Sphere Packing Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
B.5.1 Upper Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
B.5.2 Achievability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
B.6 Time-Invariant Parallel Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
B.7 Capacity of the Fast Fading Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
B.7.1 Scalar Fast Fading Channnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
B.7.2 Fast Fading MIMO Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
B.8 Outage Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
B.9 Multiple Access Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
B.9.1 Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
B.9.2 Corner Points of the Capacity Region . . . . . . . . . . . . . . . 624
B.9.3 Fast Fading Uplink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625
B.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

[ 本帖最后由 linhaidu 于 2008-10-11 22:43 编辑 ]