Cellular and mobile communication: Mobile communication system
આ ઇ-પુસ્તક વિશે
1 Introductory Concepts 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Evolution of Mobile Radio Communications . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Present Day Mobile Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Fundamental Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Radio Transmission Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 How a Mobile Call is Actually Made? . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.1 Cellular Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.2 Operational Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.3 Making a Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Future Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Modern Wireless Communication Systems 11
2.1 1G: First Generation Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 2G: Second Generation Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 TDMA/FDD Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 CDMA/FDD Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 2.5G Mobile Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 3G: Third Generation Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 3G Standards and Access Technologies . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 3G W-CDMA (UMTS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 3G CDMA2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.4 3G TD-SCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Wireless Transmission Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.1 Wireless Local Loop (WLL) and LMDS . . . . . . . . . . . . 19
2.4.2 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.3 Wireless Local Area Networks (W-LAN) . . . . . . . . . . . . 20
2.4.4 WiMax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.5 Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.6 Wibree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Conclusion: Beyond 3G Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 The Cellular Engineering Fundamentals 23
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 What is a Cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Frequency Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Channel Assignment Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.1 Fixed Channel Assignment (FCA) . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2 Dynamic Channel Assignment (DCA) . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Hando Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.1 Factors In uencing Hando s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.2 Hando s In Di erent Generations . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.3 Hando Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5.4 A Few Practical Problems in Hando Scenario . . . . . . . . 33
3.6 Interference & System Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6.1 Co-channel interference (CCI). . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6.2 Adjacent Channel Interference (ACI) . . . . . . . . . . . . . . 37
3.7 Enhancing Capacity And Cell Coverage . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.7.1 The Key Trade-o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.7.2 Cell-Splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.7.3 Sectoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.7.4 Microcell Zone Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.8 Trunked Radio System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Free Space Radio Wave Propagation 54
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Free Space Propagation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Basic Methods of Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 Re ection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 Di raction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.3 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Two Ray Re ection Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Di raction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5.1 Knife-Edge Di raction Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.5.2 Fresnel Zones: the Concept of Di raction Loss . . . . . . . . 66
4.5.3 Knife-edge di raction model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6 Link Budget Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.6.1 Log-distance Path Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.6.2 Log Normal Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.7 Outdoor Propagation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.7.1 Okumura Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.7.2 Hata Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.8 Indoor Propagation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.8.1 Partition Losses Inside a Floor (Intra- oor) . . . . . . . . . . 72
4.8.2 Partition Losses Between Floors (Inter- oor) . . . . . . . . . 73
4.8.3 Log-distance Path Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Multipath Wave Propagation and Fading 75
5.1 Multipath Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Multipath & Small-Scale Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.1 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.2 Multipath Fading E ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.3 Factors In uencing Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Types of Small-Scale Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.1 Fading E ects due to Multipath Time Delay Spread . . . . . 77
5.3.2 Fading E ects due to Doppler Spread . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.3 Doppler Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.4 Impulse Response Model of a Multipath Channel . . . . . . . 80
5.3.5 Relation Between Bandwidth and Received Power . . . . . . 82
5.3.6 Linear Time Varying Channels (LTV) . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.7 Small-Scale Multipath Measurements . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Multipath Channel Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.1 Time Dispersion Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4.2 Frequency Dispersion Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5 Statistical models for multipath propagation . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5.1 NLoS Propagation: Rayleigh Fading Model . . . . . . . . . . 91
5.5.2 LoS Propagation: Rician Fading Model . . . . . . . . . . . . 93
5.5.3 Generalized Model: Nakagami Distribution . . . . . . . . . . 94
5.5.4 Second Order Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.6 Simulation of Rayleigh Fading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.6.1 Clarke's Model: without Doppler E ect . . . . . . . . . . . . 96
5.6.2 Clarke and Gans' Model: with Doppler E ect . . . . . . . . . 96
5.6.3 Rayleigh Simulator with Wide Range of Channel Conditions 97
5.6.4 Two-Ray Rayleigh Faded Model . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.6.5 Saleh and Valenzuela Indoor Statistical Model . . . . . . . . 98
5.6.6 SIRCIM/SMRCIM Indoor/Outdoor Statistical Models . . . . 98
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6 Transmitter and Receiver Techniques 101
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.1 Choice of Modulation Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2.2 Advantages of Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2.3 Linear and Non-linear Modulation Techniques . . . . . . . . . 103
6.2.4 Amplitude and Angle Modulation . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.5 Analog and Digital Modulation Techniques . . . . . . . . . . 104
6.3 Signal Space Representation of Digitally Modulated Signals . . . . . 104
6.4 Complex Representation of Linear Modulated Signals and Band Pass
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5 Linear Modulation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.1 Amplitude Modulation (DSBSC) . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.2 BPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5.3 QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5.4 O set-QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5.5 =4 DQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6 Line Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.7 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7.1 Nyquist pulse shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.7.2 Raised Cosine Roll-O Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.7.3 Realization of Pulse Shaping Filters . . . . . . . . . . . . . . 113
6.8 Nonlinear Modulation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.8.1 Angle Modulation (FM and PM) . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.8.2 BFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.9 GMSK Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.10 GMSK Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.11 Two Practical Issues of Concern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.11.1 Inter Channel Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.11.2 Power Ampli er Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.12 Receiver performance in multipath channels . . . . . . . . . . . . . . 122
6.12.1 Bit Error Rate and Symbol Error Rate . . . . . . . . . . . . . 123
6.13 Example of a Multicarrier Modulation: OFDM . . . . . . . . . . . . 123
6.13.1 Orthogonality of Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.13.2 Mathematical Description of OFDM . . . . . . . . . . . . . . 125
6.14 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.15 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7 Techniques to Mitigate Fading E ects 129
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2 Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2.1 A Mathematical Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2.2 Zero Forcing Equalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2.3 A Generic Adaptive Equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2.4 Choice of Algorithms for Adaptive Equalization . . . . . . . . 134
7.3 Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3.1 Di erent Types of Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.4 Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.4.1 Shannon's Channel Capacity Theorem . . . . . . . . . . . . . 143
7.4.2 Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.3 Convolutional Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.4 Concatenated Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8 Multiple Access Techniques 157
8.1 Multiple Access Techniques for Wireless Communication . . . . . . . 157
8.1.1 Narrowband Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.1.2 Wideband Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.2 Frequency Division Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.2.1 FDMA/FDD in AMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.2.2 FDMA/TDD in CT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.2.3 FDMA and Near-Far Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.3 Time Division Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3.1 TDMA/FDD in GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3.2 TDMA/TDD in DECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.4 Spread Spectrum Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.4.1 Frequency Hopped Multiple Access (FHMA) . . . . . . . . . 163
8.4.2 Code Division Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.4.3 CDMA and Self-interference Problem . . . . . . . . . . . . . 164
8.4.4 CDMA and Near-Far Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.4.5 Hybrid Spread Spectrum Techniques . . . . . . . . . . . . . . 165
8.5 Space Division Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
