Note for Cellular and Mobile Communications - CMC By JNTU Heroes

Topics ( 8 )

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Contents 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 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 1.5 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 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 Wireless Transmission Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 2.4 iii

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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 Handoff Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.1 Factors Influencing Handoffs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.5.2 Handoffs In Different Generations . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.5.3 Handoff Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5.4 A Few Practical Problems in Handoff Scenario . . . . . . . . 33 Interference & System Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6.1 Co-channel interference (CCI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6.2 Adjacent Channel Interference (ACI) . . . . . . . . . . . . . . 37 Enhancing Capacity And Cell Coverage . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.7.1 The Key Trade-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 3.5 3.6 3.7 iv

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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 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.2 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.3.3 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.4 Two Ray Reflection Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.5.1 Knife-Edge Diffraction Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.5.2 Fresnel Zones: the Concept of Diffraction Loss . . . . . . . . 66 4.5.3 Knife-edge diffraction model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Link Budget Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.6.1 Log-distance Path Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.6.2 Log Normal Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Outdoor Propagation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.7.1 Okumura Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.7.2 Hata Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Indoor Propagation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.8.1 Partition Losses Inside a Floor (Intra-floor) . . . . . . . . . . 72 4.8.2 Partition Losses Between Floors (Inter-floor) . . . . . . . . . 73 4.8.3 Log-distance Path Loss Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6 4.7 4.8 4.9 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 Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.3 Factors Influencing Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Types of Small-Scale Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.3.1 77 5.3 Fading Effects due to Multipath Time Delay Spread . . . . . v

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5.4 5.5 5.6 5.3.2 Fading Effects 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 Multipath Channel Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4.1 Time Dispersion Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.4.2 Frequency Dispersion Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . 89 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 Simulation of Rayleigh Fading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.6.1 Clarke’s Model: without Doppler Effect . . . . . . . . . . . . 96 5.6.2 Clarke and Gans’ Model: with Doppler Effect . . . . . . . . . 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 6.3 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 Signal Space Representation of Digitally Modulated Signals . . . . . 104 vi