资 源 简 介
一本经典的无线通信书籍，值得大家收藏！前言无线通信是一个广阔而又充满生机的领域,在过去的几十年里涌现出无数令人兴奋的技术成果。夲书的目的是使读者对无线通信的基本原理有广泛的理解。这些原理包括无线系统的特性和性能极限,对其进行分析的方法和数学工具,还有与无线系统设计有关的深入理解和利弊权衡。同时用各种现实的和预想中的无线通信系统来引出和例证这些基本原理。本书可以用于无线通信领域高年级或研究生水平的教学,也可以作为该领域技术人员和科研人员的叁考书本书的结构第1章首先对无线通信进行综述,包括对历史的回顾和对未来的展望,以及对现有系统和标准的概览。第2章和第3章讲述了无线信道的特性,正是这些特性引出了无线系统设计中的很多挑战。其中,第2章的内容涵盖了无线信道中的路径损耗和阴影衰落特性,它们经过较长的距离才发生变化。第3章描述了多径导致的平衰落和频率选择性衰落,它们的变化距离短得多,只有信号波长数量级。第4章讨论无线信道的容量极限及达到该极限的传输方式。虽然在研究这些传输方式时没有考虑复杂度和时延问题,但它们同样对一些获得实际应用的技术具有重要意义,这些技术将在后面章节陆续介绍。第5章和第6章主要介绍无线通信中的数字调制技术及其性能。从中可见,袁落会明显降低性能,所以抗衰落技术对高性能无线通信系统是至关重要的。接下来的一些章节介绍了减轻平衰落和频率选择性落的主要技术。其中,第7章介绍了分集技术的基本原理,包括一种可以明显筒化性能分析的新数学工具。这些技术能够去除平衰落的大部分不利影响。第8章全面介绍了各种编码技术,包括已经成熟的分组编码、卷积编码和格码,以及级联码、 Turbo码、LDPC码方面的新进展。本章表明,虽然噪声信道编码技术几乎接近了理想性能,但无线系统编码的设计和性能分析方面依然存在许多待解决问题。第9章研究了平衰落中的自适应调制技术,它利用无线信道的时变特性使通信变得健壮且具有较高频谱效率。本章也将自适应调制技术及性能与平衰落信道的容量极限联系在一起。第10章介绍了多天线技术和空时通信系统,空间维的引入带来了高数据速率和对衰落的健壮性。第11章介绍了均衡,它的作用是在接收机中进行信号处理以补偿频率选择性衰落。第12章介绍多载波调制,它在抗频率选择性衰落方面比均衡更简单灵活。第13章介绍了单用户和多用户的扩频技术。这些技术不仅可以减轻频率选择性衰落的影响,还允许多个用户共享无线频谱。本书的最后3章着重介绍多用户系统和网络。第14章介绍了用于多用户共享无线信道的多址接入和随机接A技术,无论它们的数据流是连续的还是突发的。本章还涵盖了功率控制这种旨在减小多用户间干扰且确保各用户达到预期性能的机制。本章以多用户信道的容量极限及达到此极限的传输策略和信道共享技术结束。第15章涵盖了蜂窝系统的设计、优化和性能分析,以及与此类系统中功率控制和性能极限相关的高级主题。最2前言后,第16章介绍了自组织无线网络的基本原理和待解决问题。背景知识阅读本书的唯一要求是读者需要对概率论、随机过程及傅里叶分析有基本了解。如果有数字通信的背景会很有帮助,但本书也讲述了其中的基本原理,所以不是必需的。本书用三个附录概括了各章所需的主要背景知识。其中,附录A讨论了带通号和系统的等效低通模型,以简化带通系统的分析。附录B概述了全书涉及的概率论和随机过程的主要概念。附录C介绍了矩阵相关的定义、结论和性质,第10章和第12章运用了这些知识。附录D总结了现有无线系统的主要特性及其标准。本书特点由于人们在无线领域中已进行了大量研究,加之无线系统设计很复杂,我们要对本书涵盖的所有问题都进行详尽的介绍是不可能的。所以每章最后都提供大量的参考文献,其中的文献对该章内容有更详细的介绍。本书还包含了近100个实例来例证和强调关键的原理和权衡。另外,本书还收录了约300道课后习题。这些题目分为几大类,用来复习和巩固正文中的内容。其中一些习题旨在对一些关键概念进行例证或进一步深化,同时给出或说明基于这些概念的无线系统的属性;有些习题用来证明正文中给出但并未推导的结论;还有一些习题对典型无线系统中的参数和性能给出了教值解;有些习题还引人了书中未涉及的新概念或系统设计。教材使用可以针对课程长短、学生背景情况及课程侧重点将本书作为教材灵活使用。本书的核心部分在第1章至第6章。此后的每章都涵盖一个单独的专题,这些章节在授课中可以省略或在其他课程中介绍。学习本书需要有信号与系统(包括模拟与数字)和概率理论与随机过程的本科课程基础。如果学生有数字通信方面的先修或并修课程,也会有所裨益,这样的话第5章的内容及其他章节中重复的内容可以作为复习内容而快速学习。本书可以分为三个部分:第1章至第6章为核心内容,第7章至第13章为单用户无线系统设计,第14章至第16章为多用户无线网络。书中大部分内容可以分2至3个小学期或2个完整学期讲授。如果分3个小学期授课,则可以按照本书所分的3个部分学习并在最后做一个深入的研究课题。如果分2个完整学期,第一阶段可以学习第1章至第10章(单用户平衰落),第二阶段學习第1章至第16章(频率选择性衰落、多用户系统和无线网络)。对于只有1个小学期或完整学期课程安排的情况,重点可以放在单用户无线系统部分,即第1至第6章及第7章至第13章中的部分章节。如此,可以通过后续学期的选修课程讲述多用户系统和无线网络(第13章的部分内容和第14章至第16章)。我在斯坦福大学授课时使用了两学期的分法,其中第2学期每隔一年开办一次,包括一些附加文献资料和一些深入的研究。一个学期的课程也可以同时包含第1章至第6章的单用户系统和第13章至第16章的多用户系统,如果时间允许的话,还可以加入第7章至第12章中的一些专题。前言3配套网站(http://www.cambridge.org/9780521837163)提供了本书的补充资料,包括授课用的幻灯片、附加练习和勘误表。致谢完成一本书需要耗费大量的人力,我对在本书编写过程中所有帮助过我的朋友深表谢意。首先要感谢加州理工学院和斯坦福大学使用本书各版本初稿的10届学生,他们的建议、见识和经验对本书主题的选择、内容涵盖范围及语言语气都有很大价值。JohnProakis和其他几位匿名审稿人对本书的初稿提出了有价值、有深度的意见和建议,并指出了其中的遗漏和不足,这大大提高了最续稿的质量。我的在读研究生 Rajiv Agrawal、Shuguang Cui, Yifan Liang、 Xiangheng Liu、 Chris Ng和 Taesang Yoo非常认真地校对了初稿的许多章节,提出了新的观点,重新推导丁公式,检查了打印稿井指出了其中的错误和遗漏。已毕业的学生 Tim Holliday, Syed Jafar、 Nihar jindal、 Neelesh mehta、Stavros Toumpis和 Sriram vishwanath仔细地检查了各章并提出了有价值的建议。另外,我所有在读的和已毕业的学生(包括那些已经提过的和 Mohamed- Slim alouini,SoonGhee Chua、 Lifang Liz和 Kevin yu)的许多研究结论对本书的许多内容都是有力的支持,尤其在第4章、第7章、第9章、第10章、第14章和第16章中。习題解答是由 RajivAgrawal、, Grace gao和 Ankit Kumar编写的。我同样要感谢我的很多同事,他们在百忙中抽出时间来阅读并指正某些章节。他们的批评指正极为亲切、慷慨和诚恳。他们深邃而有价值的观点不仅极大地完善了本书,而且也让我在无线方面受益匪浅。我还要特别感谢 Jeff Andrews、 Tony Ephremides, Mike fitz, Dennis Goeckel、 Larry Greenstein、Ralf Koetter, P.R Kumar、 Muriel medard、 Larry Milstein、 Sergio Servetto、 Sergioverd和 Roy Yates为本书所做的贡献。 Don Cox无私奉献着他在工程方面的智慧,在无线系统的许多细节和设想上给了我很大启示。我也非常感谢多年与我共同进行研究的研究人员以及在 Maxim技术公司和AT&T尔实验室的同事们,他们开阔了我在无线通信和相关领域的视野。我非常感谢斯坦福大学的同事,学生和领导们,他们使本书诞生于充满活力且令人兴奋的教学和科研环境之中。我也很感激美国海军研究办公室和美国国家自然科学基金会在本书的整个编写过程中给予的资金支持。还要感谢我的助理 Joice DeBolt和PatOshiro,他们为了支持我的研究和教学,事无巨细地帮助我。我还想感谢加工编辑MattDare在整个出版过程中对一些细节的把握。本书策划编辑 Phil Meyler从10年前这本书的策划到现在都一直关注着它。他对此书的鼓励和热情始终如一,并宽容地接受了本书编写过程中出现的变化和延期。我想不会有更好的编辑能承担如此一项有所回报但又异常艰难、繁重的任务了。我还要特别谢两个人,他们自始至终支持着本书和我的事业。 Larry Greenstein通过他渊博的知识和科研经历,点燃了我最初对无线的兴趣,他是我的知识源泉和良师益友。 Pravin varaiya作为我的博土导师和我的榜样,他渊博的知识和惊人的严谨见识与热情深深地影响着我。他是我的动力和灵感之源。对于我的朋友和家人给予的关爱、支持和动力,我也深表感激。他们为我提供了一前个坚实的支撑网络,如果没有他们,这本书将不会完成。我要特别地感谢Remy,Peny和Lili,他们给了我关爱和支持,感谢我的母亲 Adrienne,她给了我爱并带给我创造力和写作的兴趣。我的父亲 Werner深刻地影响着这本书和我的生涯。他是一名资深教授,位成果颇丰的学者和作者,是机械工程和生物工程中许多领域的先驱。他给我从事工程学的建议,使我的事业得以起步,他也是我最主要的啦啦队长。他的自豪、关爱和鼓舞一直支持着我。我有幸帮助他完成最后论文,在本书中也沿袭了与他合作时所感受到的严谶、对细节和拼写错误的一丝不苟。最后,我无言以表达对丈夫 Arturo和孩子 Daniel、 Nicole的爱和感激。 Arturo对本书的编写和我事业的方方面面都给予了无限的支持,他为此做出了很多牺牲。他的鼓励爱护和奉献,使我在经历学术和家庭生活的起起落蕙时能继续前进。他是我所梦想的最好的丈夫和朋友,他使我的生活更加充实。 Daniel、 Nicole是我的阳光,我每天都因他们的愛和甜蜜而更加灿烂。能与这三个特别的人共同生活,我感到无比幸运。谨以此书献给他们。1,作者的父亲 Werner Goldsmith(1924-2003)是著名机械工程和生物工程学家,正EE会士。他们父女均荣膺正EE会士称号,在科技界一时传为佳话。—编者注目录第1章无线通信概述………1第4章无线信道的信道容量831.1无线通信的历史……………………14.1AWGN信道容量……841.2无线愿景…44.2平坦衰落信道的容量85L3技术问题1543频率选择性衰落信道的容量914现有无线系统…14习题10115无线谱…18参考文献……1041.6标准■■,■“■■山■■口■翻■·副!遭图第5章数字调制与检测………习题……251信号空间分析…107参考文献2252带通调制原理E世t+中曹·曹第2章路径损耗和阴影衰落…2353幅度/相位调制…L1921无线电波传播…………………2454频率调制2.2发送和接收信号模型…2555脉冲成形………*………13223自由空间路径损耗…………2656符号同步与载波恢复…………13424射线跟踪………………………28习题2.5经验路径损耗模型…………35参考文献14226简化的路径损耗模型………39第6章无线信道中数字调制的性能…14427阴影衰落4161AWGN信道!·+,,中中,“·中a“+·=·日“28路径损耗和阴影衰落的62Q函数的一种等效表示法…152混合模型63衰落信道……15229路径损耗和阴影衰落造成的64多普勒频移……161中断率…………………4465码间干扰l63210小区覆盖范围…4习题…………………………………*165习题……………………………47参考文献……………469参考文献……50第7章分集…中+日日中·……*…171第3章統计多径信道模型*5471独立衰落路径的实现17131时变信道的冲激响应……5472接收分集…17232窄带衰落模型……973发送分集………………………18233宽带衰落模型16974利用矩母函数分析分集18434离散时间模型……17习题………………………*18835空时信道模型…参考文献……190习题…………………19第8章无线信道中的编码………191参考文献………………………8181码设计概述……………………1912目录82线性分组码……………193116判决反馈均衡30783卷积码…………………………20511,7其他均衡方法………30884级联码11.8自适应均衡:训练和跟踪……3098.5 Turbo码………216习题曾··m·曾··"·曹「··曹曹曹曹86低密度校验码曹夏围,日,曹曹,!,围曹夏2l8参考文献L■1■L31487编码调制…218第12章多戴波调制…+*;+“+;*;“+31688衰落信道下的编码和交织222121多载波数据传輸…………………31689不等差错保护编码…………225122重叠子信道的多载波调制…3198.10信源信道联合编码………28123子载波衰落的抑制…………321习题…08124多载波调制的数字实现……323参考文献…………………232125多载波系统中的挑战332126个案研究:正EE80211a无线第9章自适应调制编码…236局域网标准………………3591自适应传输系统226习题………………………33692自适应技术………………238参考文献…3893速率可变功率可变的MQAM…240第13章扩频…14094一般的M进制调制……13.Ⅰ扩麵原理…134095结合快衰落和慢衰落的13,2直序扩频(DSSs)344自适应技术264133跳频扩频系统(FHsS)……354习题265134多用户DSS系统…………356叁考文献25813.5多用户FHSs系统…………372第10章多天线和空时通信270习题…………………………372参考文献…………37710.1窄带MIMO模型……270102MMO信道的并行分解……271第14章多用户系统………380103MIMO信道的容量…273141多用户信道:上行与下行…38104MIMO分集增益:波束成形…2814.2多址接入………38110.5分集和复用的折中………282143随机接入…………………387106空时调制与编码144功率控制………………9128310.7频率选择性MMO信道………288145下行(广播)信道容量……393108智能天线………………………288146上行(多址)信道容量………407l4.7上下行信道的对偶性4l2习题……………………290148多用户分集…415参考文献………………………………292149MMO多用户系统………416第11章均街…!曹·曹曹·曹里里盟296习题………4l71L1均衡器中的噪声增强参考文献……………………………419112均衠器的类型…卯7第15章蜂窝系统和架构式1L3折叠谱和无SI传输…29g无载网络…423114线性均衡…0115.1蜂窝系统的基本概念………423115最大似然序列估计……10515.2信道复用…425录3153SR和用户容量……430B2随机变量482154抗干扰技术…………………434B3随机过程………………486155动态资源分配……435B4高斯过程…489156基本速率极限+………438参考文献mFETTIaF1IrI1IIBfEII490习题………442参考文献附录C矩阵的定义、运算和性质491第16章无线自组织网络…………448C.1矩阵和向量:491161应用…………………………448C.2矩阵和向量的运算,492162设计原则和挑战………451C3矩阵分解…494163协议层:11,……1453参考文献164跨层设计…………………462附录D无线标准摘要………49716.5网络的容量极限…464D1蜂窝电话标准497l66能量受限网络…………………465D2无线局域网……501习题……………470D3无线短距离网络标准…503参考文献…………………………472参考文献,,,……504附录A带通信号和愷道的表示……478索引■曹!,!,围「………………………505附录B概率论.随机变量和随机过程……………………481B.1概率论国···,贾围·481第1章无线通信概述无论从什么角度看,无线通信都是通信产业中发展最快的一部分。正因为如此,无线通信受到媒体的普遍关注,公众对它充满了期待。在过去的10年中,蜂窝系统经历了指数性的快速增长,全球用户数已达20亿。在大多数发达国家,蜂窝电话已成为工作和日常生活中不可缺少的工具。在许多发展中国家,蜂窝系统也在迅速取代过时的有线系统。许多家庭、商务区和校园已经开通了无线局域网,它正在补充甚至替代有线网络。无线传感器网络、自动化高速公路、自动化工厂、智能家居,智能家电、远程医疗等新的应用正从研究设想变为现实。无线通信爆炸式的增长以及笔记本电脑和掌上电脑的大量普及,充分显示出无线网络有着光明的前景。不过,要想设计性能足以支持这些新兴应用并且健壮的无线网络,我们还面临着许多技术上的挑战。本章首先简要回顾无线通信的历史:从前工业化时期的狼烟,到今天的蜂窝系统、卫星系统及其他无线通信网络。然后进步详细讨论无线技术的愿景,包括有待解决的技术难题。本章还将介绍一些已有的或将要出现的无线通信系统和标准。这些系统和未来无线愿景的差异说明要实现这些无线愿景还有大量的工作要做。11无线通信的历史最早的无线通信出现在前工业化时期,这些系统使用狼烟、火炬、闪光镜、信号弹或旗语,在视距(距离,后来因望远镜而有所增加)内传输信息。为了能传输更复杂的消息,人们又精心设计出了用这些原始情号组成的复杂信号。为了能传得更远,人们在山顶、道路旁建立了一些接力观测站。直到1838年,这些原始的通信网才被塞缪尔莫尔斯( Samuel morse)发明的电报网替代,接着又被电话取代。在电话发明几十年后的1895年,马可尼( Marconi)首次从英国怀特岛( Isle of wight)到30km之外的一条拖船之间成功进行了无线传輪,现代意义下的无线通倌从此诞生。从这一天开始,无线通信技术迅速发展,使我们能够在更远的传输距离上实现更好的通信质量,更低的功耗更小的体积和更便宜的价格,使公网和专网的无线通信、无线电视、无线网络等成为现实。早期的无线通信传送的是模拟信号。今天大多数的无线通信系统传送的是由二进制比特组成的数字信号,这些比特或者直接来自于数据信号,或者是由模拟信号数字化得到。数字无线通信既可以连续发送比特流,也可以对比特进行分组后以数据包为单位进行发送。后一种情形称为分组无线电( packet radio),其特点是突发传输:数据包的发送可能是间歇性的,没有数据包发送的时候信道是空闲的。当然了,这不表示分组传输不能连续地传送数据包。第一个分组无线电网络是1971年夏威夷大学开发的ALOHANET。它把散布在4个岛上的了个校区的计算机节点通过无线传输连接到Oahu岛上的中央计算机。 ALOHANET采用星型拓扑结构,中央计算机置于拓扑中心,网中的
