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

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

8.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

8.1.2 Physical Layer Cooperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

8.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

8.2.1 Wide Area Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

8.2.2 Multiple Flows and Flow Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

8.2.3 Cooperative Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

8.3 Learning About the Environment: Network State Information . . . . 205

8.3.1 NSI Overhead Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

8.3.2 NSIMetric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

8.4 Finding the Optimal Cooperative Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

8.4.1 Routing Cooperative Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

8.4.2 Trellis Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

8.4.3 Timing, Interference, and Duplexing Management . . . . . . 209

8.4.4 Traversal Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

8.5 Network Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

8.5.1 Filling the Trellis: Gathering States, Edges, and NSI . . . . 211

8.5.2 Filling the Trellis: Metanodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

8.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

Contents xiii

9 Interference Rejection and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Arun Batra, James R. Zeidler, John G. Proakis, and Laurence B. Milstein

9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

9.2 Self-Interference Among Cooperating Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 218

9.2.1 Interference Suppression to Enable Spectrum Sharing . . . 218

9.2.2 Effects of Interference on Channel State Estimation . . . . . 220

9.3 Interference Mitigation in Block-Modulated Multicarrier

Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

9.3.1 Interference Mitigation in an Uncoded Multicarrier

System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

9.3.2 Interference Mitigation in Coded Multicarrier Systems . . 233

9.3.3 Doppler Sensitivity of OFDM in Mobile Applications . . . 235

9.4 Interference Suppression in Broadcast MIMO Systems . . . . . . . . . . 236

9.4.1 Linear Precoding of the Transmitted Signals . . . . . . . . . . . 237

9.4.2 Nonlinear Precoding of the Transmitted Signals:

The QR Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

9.4.3 Vector Precoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

9.4.4 Lattice Reduction Method for Precoding . . . . . . . . . . . . . . 246

9.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

10 Cognitive Radio: From Theory to Practical Network Engineering . . 251

Ekram Hossain, Long Le, Natasha Devroye, and Mai Vu

10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

10.2 Information-Theoretic Limits of Cognitive Networks . . . . . . . . . . . 253

10.2.1 Cognitive Behavior: Interference Avoidance, Control,

and Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

10.2.2 Information-Theoretic Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

10.2.3 Interference Avoidance: Spectrum Interweave . . . . . . . . . . 255

10.2.4 Interference Control: Spectrum Underlay . . . . . . . . . . . . . . 256

10.2.5 Interference Mitigation: Spectrum Overlay . . . . . . . . . . . . 259

10.3 Cognitive Sensing with Side Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

10.4 Interference Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

10.4.1 A Network with Beacons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

10.4.2 A Network with Primary Exclusive Regions . . . . . . . . . . . 268

10.5 Practical Cognitive Network Engineering: Interference Control

Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

10.5.1 Single-Antenna Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

10.5.2 Multiple Antenna Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

10.6 Practical Cognitive Network Engineering: Interference

Avoidance Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

10.6.1 Single-Hop Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

10.6.2 Multi-hop Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

10.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

xiv Contents

11 Coded Bidirectional Relaying inWireless Networks . . . . . . . . . . . . . . 291

Petar Popovski and Toshiaki Koike-Akino

11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

11.2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

11.3 Two-Way Relaying with Decoding at the Relay . . . . . . . . . . . . . . . . 295

11.3.1 The Uplink Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

11.3.2 The Broadcast Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

11.3.3 Improved Broadcast Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

11.3.4 Numerical Illustration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

11.4 Two-Way Relaying Without Decoding at the Relay . . . . . . . . . . . . . 302

11.4.1 Amplify-and-Forward (AF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

11.4.2 Denoise-and-Forward (DNF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

11.4.3 Compress-and-Forward (CF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

11.4.4 Numerical Illustration and Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

11.5 Achieving the Two-Way Rates with Structured Codes . . . . . . . . . . . 307

11.5.1 Parity-Check Codes for Binary Symmetric Channels . . . . 307

11.5.2 Gaussian Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

11.6 Signaling Constellations for Finite Packet Lengths . . . . . . . . . . . . . . 312

11.6.1 XOR Denoising . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

11.6.2 Adaptive Denoising with Quintary Cardinality . . . . . . . . . 313

11.6.3 End-to-End Throughput Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

11.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

12 Minimum Cost Subgraph Algorithms for Static and Dynamic

Multicasts with Network Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

Fang Zhao, Muriel M´edard, Desmond Lun, and Asuman Ozdaglar

12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

12.2 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

12.2.1 Wireline Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

12.2.2 Wireless Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

12.3 Decentralized Min-cost Subgraph Algorithms for Static Multicast . 324

12.3.1 Subgradient Method for Decentralized Subgraph

Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

12.3.2 Convergence Rate Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

12.3.3 Initialization and Primal Solution Recovery . . . . . . . . . . . . 334

12.3.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

12.4 Min-cost Subgraph Algorithms for Dynamic Multicasts . . . . . . . . . 340

12.4.1 Nonrearrangeable Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

12.4.2 Rearrangeable Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

12.4.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

12.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

Contents xv

13 Ultra Mobile Broadband (UMB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

Masoud Olfat

13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

13.2 UMB Overall Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

13.3 UMB Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

13.3.1 Superframe Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

13.3.2 UMB FL Channelization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

13.3.3 Reverse Link in UMB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

13.4 UMB MAC Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

13.5 Other PHY/MAC-layer features in UMB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

13.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

14 Mobile WiMAX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Masoud Olfat

14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

14.2 Standardization Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

14.2.1 WiMAX Forum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

14.3 WiMAX Network Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

14.3.1 Network Reference Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

14.3.2 ASN profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

14.3.3 Mobility Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

14.4 Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

14.4.1 S-OFDMA Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

14.4.2 Subchannel Permutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

14.4.3 Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

14.4.4 Channel Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

14.4.5 Multiple Antenna Modes in Mobile WiMAX . . . . . . . . . . 409

14.4.6 Power Control and Link Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

14.5 Medium Access Control Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

14.5.1 Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

14.5.2 Power SavingMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

14.5.3 Multicast Broadcast Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

14.5.4 Handoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

14.5.5 Security and Authentication in WiMAX. . . . . . . . . . . . . . . 425

14.6 WiMAX Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

14.7 Future Work Toward IMT-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

14.7.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

15 An Overview of 3GPP Long-Term Evolution Radio Access

Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

Sassan Ahmadi

15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

15.1.1 Chronology of 3GPP Air Interface Technology

Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

xvi Contents

15.1.2 3GPP LTE System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

15.2 Overall Network Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

15.3 LTE Protocol Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

15.4 Overview of the LTE Physical Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

15.4.1 Multiple Access Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

15.4.2 Operating Frequencies and Bandwidths . . . . . . . . . . . . . . . 439

15.4.3 Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

15.4.4 Physical Resource Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

15.4.5 Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

15.4.6 Physical Channel Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

15.4.7 Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

15.4.8 Physical Control Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

15.4.9 Physical Random Access Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

15.4.10 Cell Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

15.4.11 Link Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

15.4.12 Multi-antenna Techniques in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

15.5 Overview of the LTE Layer 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

15.5.1 Logical and Transport Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

15.5.2 ARQ and HARQ in LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

15.5.3 Packet Data Convergence Sublayer (PDCP). . . . . . . . . . . . 458

15.6 Radio Resource Control Functions (RRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

15.7 Mobility Management and Handover in LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

15.8 LTE Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

15.9 Future Work Toward IMT-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

15.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467