Предисловие.......................................................................... 19
Сокращения. . . . . . ... .. . . . . .... . . . ... . . . . ... . . . ... . . . . . . . . .. . . . . ... . . . ... . . . . . . . . . . . . . . 26
Обозначения. . . . .... . . . . . . .... . . . ... . . . . .. . . . . ... . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . .... . . . .. . . . . . . . . 32
Глава 1
Обзор систем беспроводной связи...................................... 35
1.1. История беспроводной связи............................................... 36
1.2. Перспективы развития беспроводной связи.... ....................... 41
1.3. Технические решения......................................................... 44
1.4. Современные беспроводные системы ................................... 47
1.4.1. Сотовые телефонные системы....................................... 48
1.4.2. Беспроводные телефоны ... ...... ....... ....................... ....... 56
1.4.3. Беспроводные локальные вычислительные сети - беспроводные ЛВС .......................................................... 59
1.4.4. Региональные беспроводные сети передачи данных ......... 61
1.4.5. Широкополосный беспроводный доступ ............ ...... ....... 62
1.4.6. Пейджинговые системы .... ...... ........................ ...... ....... 63
1.4.7. Спутниковые сети ..... ....... ...... ....... ................. ...... ....... 64
1.4.8. Недорогая радиосвязь малой мощности: Вluetooth и ZigBee... 66
1.4.9. Системы сверхширокополосной радиосвязи..................... 68
1.5. Беспроводный спектр........................................................ 69
1.5.1. Методы распределения спектра........................ ...... ....... 69
1.5.2. Распределение спектра частот в существующих системах. 71
1.6. Стандарты....................................................................... 73
задачи ............................................................................. 74
Литература........................................................................... 76
Глава 2
Потери на трассе распространения радиоволн и экра-
нирование . . ... . . . .... .. . .. . .... . . . ... . . . . ... . . . ... . . . . ... . . . . . . . ... . . . .... . . . . . . . . . . . . . 78
2.1. Распространение радиоволн..... ...... ....... ................. ...... ....... 80
2.2. Модели передачи и приема сигнала ................. ....... ......... .... 81
2.3. Потери при распространении сигнала в свободном простран-
стве ................................................................................. 84
2.4. Построение траекторий лучей................................... .......... 86
2.4.1. Двулучевая модель ........................... ........................... 88
2.4.2. Десятилучевая модель (диэлектрическое ущелье). ............ 92
2.4.3. Общая схема построения лучей ..................................... 94
2.4.4. Среднее значение локальной принимаемой мощности ....... 98
2.5. Экспериментальные модели потерь в тракте распростране-
ния сигнала...................................................................... 99
2.5.1. Модель Окумуры ........................................................ 100
2.5.2. Модель Хата .............................................................. 101
2.5.3. Расширенная модель COST 231 Хата ............................. 101
2.5.4. Кусочно-линейная модель (с несколькими склонами) ........ 102
2.5.5. Параметры затухания при распространении
внутри зданий ............................................................ 103
2.6. Упрощенная модель потерь в тракте передачи ...................... 105
2.7. Замирания экранирования .................................................. 108
2.8. Комбинация потерь в тракте передачи и экранирования ........ 112
2.9. Вероятность перерывов связи в тракте передачи из-за потерь
и экранирования ............................................................... 113
2.10. Зона покрытия сотовой связи ............................................. 114
Задачи ............................................................................. 118
Литература ........................................................................... 124
Глава 3
Статистические модели каналов многолучевого
распространения ................................................................... 128
3.1. Импульсная характеристика не стационарного канала ............ 129
3.2. Модели замираний в узкополосных каналах .......................... 136
3.2.1. Автокорреляция, взаимная корреляция и спектральная
плотность мощности .................................................... 138
3.2.2. Огибающая и распределение мощности .......................... 146
3.2.3. Скорость пересечения уровней и средняя продолжитель-
ность замираний......................................................... 149
3.2.4. Каналы с конечным числом состояний Маркова .............. 152
3.3. Модели замираний в широкополосных каналах ...................... 153
3.3.1. Профиль задержек ...................................................... 158
3.3.2. Полоса когерентности .................................................. 161
3.3.3. Доплеровский спектр мощности и время когерентности
канала ....................................................................... 164
3.3.4. Преобразования автокорреляции и функции рассеяния ..... 165
3.4. Дискретно-временная модель .............................................. 166
3.5. Пространственно-временные модели каналов ........................ 168
Задачи ............................................................................. 169
Литература ........................................................................... 174
Глава 4
Пр опускная способность беспроводных каналов .............. 176
4.1. Пропускная способность канала с аддитивным белым гауссовым шумом - AWGN ........................................................ 178
4.2. Пропускная способность каналов с амплитудными замираниями .. 180
4.2.1. Модель канала и системы ............................................. 180
4.2.2. Известная информация о канальном распределении ......... 182
4.2.3. Наличие дополнительной информации о канале в приемнике183
4.2.4. Наличие дополнительной информация о канале в передатчике и приемнике ................................................... 188
4.2.5. Пропускная способность канала с разнесенным приемом ...... 198
4.2.6. Сравнительная оценка пропускной способности .............. 199
4.3. Пропускная способность каналов с -частотно-селективными замираниями .................................................................... 203
4.3.1. Стационарные каналы ................................................. 203
4.3.2. Не стационарные каналы .............................................. 206
Задачи ............................................................................. 209
Литература ........................................................................... 214
Глава 5
Цифровая модуляция и демодуляция ................................. 216
5.1. Анализ пространства сигналов ............................................ 218
5.1.1. Модель сигнала и системЬ1: ........................................... 219
5.1.2. Геометрическое представление сигналов ......................... 221
5.1.3. Структура приемник а и достаточная статистика ............ 224
5.1.4. Области решений и критерий максимального правдоподобия ......................................................................... 228
5.1.5. Вероятность ошибки и граница объединения .................. 231
5.2. Принципы модуляции в ограниченной полосе пропускания ..... 237
5.3. Амплитудная и фазовая модуляция ...................................... 238
5.3.1. Амплитудно-импульсная модуляция - АИМ ................... 240
5.3.2. Фазовая манипуляция - ФМН ..................................... 243
5.3.3. Квадратурная амплитудная модуляция - КАМ .............. 245
5.3.4. Относительная модуляция ............................................ 246
5.3.5. Формирование созвездий .............................................. 250
5.3.6. Квадратурный сдвиг ................................................... 250
5.4. Частотная модуляция ........... ' ............................................ 252
5.4.1. Частотная манипуляция ЧМН и манипуляция
с минимальным сдвигом (MSK) ..................................... 254
5.4.2. Частотная манипуляция с непрерывной фазой-
ЧМН-НФ ................................................................... 255
5.4.3. Некогерентное детектирование при ЧМН ....................... 25б
5.5. Формирование импульсов ................................................... 257
5.б. Символьная синхронизация и восстановление фазы несущего
сигнала ............................................................................ 2б1
5.б.1. Структура приемника с восстановлением тактовой час-
тоты и фазы ............................................................... 2б3
5.6.2. Оценка фазы по критерию максимального правдоподобия .... 265
5.б.3. Оценка сигнала тактовой частоты по критерию макси-
мального правдоподобия .............................................. 2б8
задачи ............................................................................. 271
Литература ........................................................................... 275
Глава 6
Характеристики цифровой модуляции в беспроводных
каналах .................................................................................. 27б
б.1. Каналы с аддитивным белым шумом AWGN ......................... 27б
б.1.1. Отношение сигнал-шум и энергия на бит или символ ...... 277
б.1.2. Вероятность ошибки при ФМ2 и ФМ4 ........................... 278
б.1.3. Вероятность ошибки при ФМН ..................................... 280
б.1.4. Вероятность ошибки при АИМ и КАМ .......................... 282
б.1.5. Вероятность ошибки при ЧМН и ЧМН-НФ .................... 285
б.1.б. Приближенные значения вероятности ошибки при коге-
рентной модуляции ..................................................... 28б
6.1.7. Вероятность ошибки при относительной модуляции ........ 287
6.2. Альтернативное представление Q-Функции ........................... 288
6.3. Замирания ....................................................................... 290
6.3.1. Вероятность перерывов радиосвязи ............................... 291
6.3.2. Средняя вероятность ошибки ........................................ 292
6.3.3. Расчет средней вероятности ошибки через производящую
функцию моментов ...................................................... 295
6.3.4. Комбинация вероятности нарушения связи со средней ве-
роятностью ошибки ...................................................... 301
6.4. Доплеровское расширение ................................................... 303
6.5. Межсимвольная интерференция .......................................... 306
Задачи ............................................................................. 309
Литература ........................................................................... 317
Глава 7
Разнесение сигналов на приеме и передаче ....................... 319
7.1. Реализация каналов снезависимыми замираниями ................. 320
7.2. Разнесение сигналов в приемнике ........................................ 322
7.2.1. Модель системы .......................................................... 322
7.2.2. Селективное объединение ............................................. 326
7.2.3. Пороговое объединение ................................................ 330
7.2.4. Суммирование дифференциально-взвешенных сигналов .... 333
7.2.5. Линейное объединение сигналов равной мощности ........... 337
7.3. Разнесение сигналов в передатчике ..................................... 339
7.3.1. Информация о канале, известная передатчику ................. 339
7.3.2. Схема Аламоути - передатчику неизвестна информация
о канале ..................................................................... 341
7.4. Анализ разнесения с помощью производящих функций
моментов ......................................................................... 343
7.4.1. Анализ разнесенного приема при дифференциальном
взвешивании MRC ....................................................... 344
7.4.2. Анализ разнесения при линейном ЕСС и селективном SC
сложении сигналов ....................................................... 349
7.4.3. Анализ разнесенного приема при некогерентной и диф-
ференциальной когерентной модуляции .......................... 350
задачи ............................................................................. 350
Литература ........................................................................... 353
Глава 8
Кодирование в беспроводных каналах .............................. 355
8.1. Обзор систем кодирования ................................................. 356
8.2. Линейные блочные коды ..................................................... 359
8.2.1. Двоичные линейные блочные коды ................................. 360
8.2.2. Порождающая матрица ................................................ 362
8.2.3. Матрица контроля четности и синдромный контроль ...... 364
8.2.4. Циклические коды ....................................................... 366
8.2.5.Декодирование с жестким решением .............................. 369
8.2.6.Вероятность ошибки при декодировании с жестким ре-
шением в канале с аддитивным белым шумом AWGN ...... 372
8.2.7. Вероятность ошибки при декодировании с мягким реше-
нием в канале с аддитивным белым шумом AWGN .......... 375
8.2.8. Примеры распространенных линейных блочных кодов ..... 377
8.2.9. Недвоичные блочные коды: код Рида-Соломона ............. 378
8.3. Сверточные коды .............................................................. 380
8.3.1. Характеристика кода: решетчатая диаграмма ................ 381
8.3.2.Декодирование методом максимального правдоподобия ... 384
8.3.3.Алгоритм Витерби ............................. , ........................ 388
8.3.4.Свойства расстояния ................................................... 390
8.3.5.Диаграммы состояния и передаточные функции ............. 391
8.3.6. Вероятность ошибки сверточных кодов .......................... 394
8.4. Каскадные коды ............................................................... 397
8.5. 'Турбо-коды ...................................................................... 398
8.6. Коды с проверкой на четность низкой плотности .................. 401
8.7. Кодовая модуляция ........................................................... 403
8.8. Кодирование и чередование в каналах с замираниями ............ 409
8.8.1. Блочное кодирование с чередованием ............................. 410
8.8.2. Сверточное кодирование с чередованием ........................ 413
8.8.3. Кодовая модуляция с чередованием символов/бит ............ 414
8.9. Коды с неравномерной защитой от ошибок ........................... 415
8.10. Совместное кодирование источника и канала ........................ 419
задачи ............................................................................. 421
Литература ........................................................................... 426
Глава 9
Адаптивная модуляция и кодирование .............................. 431
9.1. Система с адаптивной передачей ......................................... 432
9.2. Методы адаптации ............................................................ 435
9.2.1. Методы адаптации, основанные на изменении скорости
передачи .. , ......................................... " ....... , .............. 435
9.2.2. Методы адаптации, основанные на изменении мощности ...... 436
9.2.3. Различная вероятность ошибки ..................................... 438
9.2.4. Методы переменного кодирования ................................. 438
9.2.5. Гибридные методы ...................................................... 439
9.3. МКАМ с переменной скоростью и переменной мощностью ..... 440
9.3.1. Граничные значения вероятности ошибок ....................... 440
9.3.2. Схемы с адаптацией скорости и мощности ..................... 441
9.3.3. Инверсия в канале с фиксированной скоростью ............... 443
9.3.4. Адаптация при дискретной скорости ............................. 446
9.3.5.
9.3.6.
Средняя продолжительность зоны замираний ................. 452
Точная вероятность цифровой ошибки в сравнении с при-
ближенноЙ .................................................................. 455
9.3.7. Ошибка оценивания и задержка .................................... 457
9.3.8. Адаптивная кодовая модуляция ..................................... 460
9.4. Основные виды многоуровневой модуляции .......................... 463
Содержа'/tuе ~
9.4.1. Адаптация с непрерывной скоростью ............................. 463
9.4.2. Адаптация с дискретной скоростью ............................... 468
9.4.3. Среднее заданное значение коэффициента ошибок BER ... 469
9.5. Адаптивные методы при сочетании быстрых и медленных за-
мираниЙ ........................................................................... 474
задачи ............................................................................. 476
Литература ........................................................................... 481
Глава 10
Многоэлементные антенны и пространственно-времен-
ные методы передачи .......................................................... 484
10.1. Модель узкополосного канала М1МО ................................... 485
10.2. Параллельное разложение канала MIMO ............................... 487
10.3. Пропускная способность канала М1МО ................................ 490
10.3.1. Статичные каналы ...................................................... 490
10.3.2. Каналы с замираниями ................................................ 496
10.4. Выигрыш от разнесения в системах М1МО: формирование
диаграммы направленности антенны ................................... 503
10.5. Компромиссы между разнесенным приемом и мультиплекси-
рованием .......................................................................... 505
10.6. Пространственно-временная модуляция и кодирование ........... 507
10.6.1. Детектирование по максимуму правдоподобия и вероят-
ность парной ошибки ................................................... 508
10.6.2. Критерии ранга и определителя .................................... 510
10.6.3. Пространственно-временные решетчатые и блочные коды .... 510
10.6.4. Пространственное мультиплексирование и архитектуры
BLA8T ...................................................................... 511
10.7. Каналы М1МО с частотно-селективными замираниями .......... 515
10.8. Умные антенны ................................................................. 516
задачи ............................................................................. 518
Литература ........................................................................... 522
Глава 11
Выравнивание - коррекция каналов ................................. 527
11.1. Повышение корректором шума ........................................... 528
11.2. Типы выравнивателей ........................................................ 530
11.3. Сжатый спектр и условия передачи без межсимвольных иска-
жений 181 ......................................................................... 532
11.4. Линейные корректоры ....................................................... 536
~ Содержа'Нuе
11.4.1. Фильтры с обращением в нуль незначащих коэффициен-
тов (ZF) ..................................................................... 537
11.4.2. Корректоры с минимальной среднеквадратичной ошиб-
кой (MMSE) ............................................................... 539
11.5. Максимально правдоподобная оценка последовательности ...... 543
11.6. Выравнивание с решающей обратной связью ........................ 545
11.7. Другие методы выравнивания канала .................................. 547
11.8. Адаптивные фильтры: настройка и слежение ........................ 548
Задачи ............................................................................. 552
Литература ........................................................................... 558
Глава 12
Модуляция на нескольких несущих .................................... 560
12.1. Передача информации с использованием нескольких несущих. 562
12.2. Модуляция на нескольких несущих с перекрывающимися под-
каналами ......................................................................... 566
12.3. Ослабление замираний поднесущей ...................................... 569
12.3.1. Кодирование с чередованием по времени и частоте ......... 570
12.3.2. Коррекция частоты ..................................................... 570
12.3.3. Предварительное кодирование ...................................... 571
12.3.4. Адаптивная нагрузка ................................................... 571
12.4. Дискретная реализация модуляции на нескольких несущих ..... 573
12.4.1. ДПФ и его свойства .................................................... 573
12.4.2. Циклический префикс .................................................. 575
12.4.3. Мультиплексирование с ортогональным частотным раз-
делением каналов ~ ортогональное ЧРК-ОЧРК ............. 577
12.4.4. Матричное представление ОЧРК .................................. 580
12.4.5. Векторное кодирование ................................................ 583
12.5. Проблемы систем с несколькими несущими ........................... 587
12.5.1. Отношение пиковой и средней мощностей ...................... 587
12.5.2. Частотный и временной сдвиг ...................................... 589
12.6. Рассмотрение конкретного случая: стандарт локальных бес-
проводных сетей IEEE 802.11а ............................................ 591
Задачи ............................................................................. 593
Литература ........................................................................... 597
Глава 13
Широкополосные системы передачи .................................. 600
13.1. Принципы широкополосной передачи ................................... 600
13.2. Метод расширения спектра прямой последовательностью -
DSSS ............................................................................... 609
13.2.1. Модель системы DSSS ................................................. 609
13.2.2. Расширяющие коды для подавления межсимвольных помех ISI: случайные, псевдослучайные и m-последователь-
ности ......................................................................... 615
13.2.3. Синхронизация ........................................................... 620
13.2.4. Приемники RAKE ....................................................... 624
13.3. Расширение спектра методом скачкообразной перестройки
частоты (FHSS) ................................................................ 627
13.4. Многопользовательские многоканальные системы с модуля-
цией прямой последовательностью DSSS .............................. 630
13.4.1. Расширяющие коды в многопользовательской DSSS ......... 632
13.4.2. Нисходящие каналы ..................................................... 637
13.4.3. Каналы восходящего направления ................................. 644
13.4.4. Многоканальное детектирование ................................... 650
13.4.5. Многочастотная МДКР (CDMA) - MC-CDMA .............. 655
13.5. Многопользовательская - многоканальная система с расши-
рением спектра методом частотного скачка FHSS ................. 658
Задачи ............................................................................. 659
Литература ........................................................................... 667
Глава 14
Многопользовательские многоканальные системы .......... 670
14.1. Групповые (многопользовательские) каналы радиодоступа:
восходящий и нисходящий каналы ....................................... 671
14.2. Много станционный доступ ................................................. 673
14.2.1. Много станционный доступ с частотным разделением -
МДЧР (FDMA) ........................................................... 675
14.2.2. Много станционный доступ с временным разделением -
МДВР (TDMA) ........................................................... 677
14.2.3. Много станционный доступ с кодовым разделением-
МДКР (CDMA) .......................................................... 679
14.2.4. Много станционный доступ с пространственным разделением - МДПР (SDMA) ............................................... 681
14.2.5. Гибридные методы ...................................................... 682
14.3. Случайный доступ ............................................................ 683
14.3.1. Простой алгоритм ALOHA ........................................... 686
14.3.2. Синхронизированный алгоритм ALOHA ........................ 688
14.3.3. Многостанционный доступ с контролем несущей - CSMA .. 689
14.3.4. Планирование ............................................................. 691
14.4. Регулирование мощности ................................................... 692
14.5. Пропускная способность нисходящего (вещательного) канала ...... 696
14.5.1. Модель канала ............................................................ 697
14.5.2. Пропускная способность канала с аддитивным белым шу-
мом AWGN ................................................................ 699
14.5.3. Общие данные ............................................................ 707
14.5.4. Пропускная способность при замираниях ....................... 710
14.5.5. Пропускная способность многоэлементных антенн .......... 718
14.6. Пропускная способность канала восходящего направления
(многостанционный доступ) ............................................... 721
14.6.1. Пропускная способность канала с аддитивным белым
гауссовым шумом AWGN ............................................. 721
14.6.2. Емкость канала при замираниях ................................... 726
14.6.3. Емкость каналов с многоэлементными антеннами ............ 729
14.7. Двойственность восходящего и нисходящего направлений ка-
нала связи ........................................................................ 730
14.8. Разнесение каналов многих пользователей ............................ 736
14.9. Многопользовательские системы MIMO ............................... 740
задачи ............................................................................. 742
Литература ........................................................................... 747
Глава 15
Сотовые системы и беспроводные сети с базовой
инфраструктурой . ................................................................ 752
15.1. Основы сотовых систем ..................................................... 753
15.2. Повторное использование каналов ....................................... 757
15.3. Емкость соты и отношение сигнал-помеха ........................... 763
15.3.1. Ортогональные системы МДВР (TDMA) и МДЧР (FDMA) .. 765
15.3.2. Неортогональные системы МДКР (CDMA) .................... 769
15.4. Методы снижения помех .................................................... 771
15.5. Динамическое распределение ресурсов ................................. 774
15.5.1. Планирование ............................................................. 774
15.5.2. Динамическое распределение каналов ............................. 775
15.5.3. Регулирование мощности ............................................. 777
15.6. Основополагающие ограничения скорости ............................ 780
15.6.1. Пропускная способность Шеннона в сотовых сетях .......... 780
Содержаuuе ~
15.6.2. Эффективность использования спектральной области ...... 783
Задачи ............................................................................. 786
Литература ........................................................................... 790
Глава 16
Специализированные беспроводные сети .......................... 795
16.1. Приложения ...................................................................... 796
16.1.1. Сети передачи данных ................................................. 797
16.1.2. Сети зданий ............................................................... 799
16.1.3. Сети устройств ........................................................... 800
16.1.4. Сети датчиков ............................................................ 800
16.1.5. Распределенные системы управления ............................. 802
16.2. Принципы разработки и трудности ..................................... 803
16.3. Уровни протоколов ............................................................ 806
16.3.1. Разработка физического слоя ....................................... 808
16.3.2. Разработка уровня доступа .......................................... 810
16.3.3. Разработка сетевого уровня ......................................... 813
16.3.4. Разработка транспортного уровня ................................ 822
16.3.5. Разработка прикладного уровня ................................... 823
16.4. Межуровневое проектирование ........................................... 825
16.5. Предельная пропускная способность сети ............................. 829
16.6. Сети с ограничениями по энергопотреблению ....................... 832
16.6.1. Модуляция и кодирование ............................................ 833
16.6.2. Системы MIMO и MIMO с взаимодействием ................... 835
16.6.3. Доступ, маршрутизация и режим ожидания .................... 836
16.6.4. Межуровневое проектирование в условиях ограниченно-
го энергоснабжения ..................................................... 838
16.6.5. Пропускная способность на единицу энергии .................. 839
задачи ............................................................................. 841
Литература ........................................................................... 844
Приложение А
Представление полосовых сигналов и Каналов .................. 851
Приложение Б
Теория вероятностей, случайные величины и случай-
ные процессы ........................................................................ 856
Б.1. Теория вероятностей ......................................................... 856
Б.2. Случайные величины ......................................................... 857
Б.3. Случайные процессы ......................................................... 864
Б.4. Гауссовские процессы ........................................................ 869
Литература ........................................................................... 870
Приложение В
Матрицы: определения, операции и свойства ................... 871
В.1. Матрицы и векторы .......................................................... 871
В.2. Операции с матрицами и векторами .................................... 873
В.3. Разложение матриц ........................................................... 877
Литература ........................................................................... 879
Приложение Г
Обзор стандартов беспроводной связи .............................. 880
Г .1. Стандарты сотовой телефон:fIИ ........................................... 880
Г .1.1. Аналоговые системы первого поколения ......................... 880
Г.1.2. Цифровые системы второго поколения ........................... 882
Г.1.3. Эволюция систем второго поколения .............................. 885
Г .1.4. Системы третьего поколения ........................................ 887
Г.2. Беспроводные локальные сети ............................................. 889
Г.3. Стандарты беспроводных сетей ближней связи ..................... 891
Литература ........................................................................... 894
Предметный указатель ........................................................ 895