Introduction to Wireless and Mobile Systems

Cover Page......Page 1
Title Page......Page 2
Copyright Page......Page 4
Dedication......Page 5
About Authors......Page 6
Preface to the Third Edition......Page 20
Preface to the Second Edition......Page 22
Preface to the First Edition......Page 24
Acknowledgments for the First Edition......Page 28
Contents......Page 7
1.1 History of Cellular Systems......Page 29
1.2 Characteristics of Cellular Systems......Page 38
1.3 Fundamentals of Cellular Systems......Page 42
1.4 Cellular System Infrastructure......Page 47
1.5 Satellite Systems......Page 50
1.6 Network Protocols......Page 51
1.7 Ad Hoc Networks......Page 52
1.8 Sensor Networks......Page 53
1.10 Recent Advances......Page 54
1.12 References......Page 55
1.13 Problems......Page 57
2.2.1 Random Variables......Page 58
2.2.2 Cumulative Distribution Function......Page 59
2.2.4 Expected Value, nth Moment, nth Central Moment, and Variance......Page 60
2.2.5 Some Important Distributions......Page 62
2.2.6 Multiple Random Variables......Page 64
2.3.1 Poisson Arrival Model......Page 67
2.4.2 Basic Queuing Theory......Page 69
2.4.4 Little’s Law......Page 70
2.4.6 Birth–Death Process......Page 71
2.4.7 M/M/1/∞ Queuing System......Page 72
2.4.8 M/M/S/∞ Queuing System......Page 74
2.4.9 M/G/1/∞ Queuing System......Page 76
2.7 Problems......Page 82
3.2 Types of Radio Waves......Page 86
3.3 Propagation Mechanisms......Page 87
3.4 Free Space Propagation......Page 88
3.5 Land Propagation......Page 90
3.6 Path Loss......Page 91
3.7 Slow Fading......Page 93
3.8.1 Statistical Characteristics of Envelope......Page 95
3.8.2 Characteristics of Instantaneous Amplitude......Page 98
3.9 Doppler Effect......Page 99
3.10 Delay Spread......Page 100
3.11 Intersymbol Interference......Page 101
3.12 Coherence Bandwidth......Page 102
3.14 Summary......Page 103
3.16 Experiments......Page 104
3.18 Problems......Page 106
4.1 Introduction......Page 109
4.2 Linear Block Codes......Page 110
4.3 Cyclic Codes......Page 115
4.4 Cyclic Redundancy Check (CRC)......Page 116
4.5 Convolutional Codes......Page 117
4.6 Interleaver......Page 119
4.7 Turbo Codes......Page 121
4.8.1 Stop-And-Wait ARQ Scheme......Page 122
4.8.2 Go-Back-N ARQ Scheme......Page 124
4.8.3 Selective-Repeat ARQ Scheme......Page 125
4.10 References......Page 127
4.11 Experiments......Page 128
4.13 Problems......Page 130
5.2 Cell Area......Page 134
5.3 Signal Strength and Cell Parameters......Page 136
5.4 Capacity of a Cell......Page 140
5.5 Frequency Reuse......Page 142
5.6 How to Form a Cluster......Page 143
5.7 Cochannel Interference......Page 146
5.8 Cell Splitting......Page 147
5.9 Cell Sectoring......Page 148
5.12 Experiments......Page 151
5.14 Problems......Page 153
6.1 Introduction......Page 158
6.2 Multiple Radio Access Protocols......Page 159
6.3 Contention-Based Protocols......Page 160
6.3.1 Pure ALOHA......Page 161
6.3.2 Slotted ALOHA......Page 162
6.3.3 CSMA......Page 164
6.3.4 CSMA/CD......Page 167
6.3.5 CSMA/CA......Page 169
6.5 References......Page 173
6.6 Experiments......Page 175
6.8 Problems......Page 176
7.2 Concepts and Models for Multiple Divisions......Page 179
7.2.1 FDMA......Page 180
7.2.2 TDMA......Page 182
7.2.3 CDMA......Page 184
7.2.4 OFDM......Page 190
7.2.5 SDMA......Page 191
7.2.6 Comparison of Multiple Division Techniques......Page 193
7.3.1 AM......Page 194
7.3.3 FSK......Page 195
7.3.5 QPSK......Page 196
7.3.6 π/4QPSK......Page 197
7.3.8 16QAM......Page 199
7.5 References......Page 200
7.6 Experiments......Page 201
7.8 Problems......Page 202
8.1 Introduction......Page 205
8.2 Static Allocation versus Dynamic Allocation......Page 206
8.3 Fixed Channel Allocation (FCA)......Page 207
8.3.2 Complex Borrowing Schemes......Page 208
8.4.1 Centralized Dynamic Channel Allocation Schemes......Page 210
8.4.2 Distributed Dynamic Channel Allocation Schemes......Page 211
8.5.1 Hybrid Channel Allocation (HCA) Schemes......Page 212
8.6.1 Channel Allocation in One-Dimensional Systems......Page 213
8.6.2 Reuse Partitioning–Based Channel Allocation......Page 214
8.6.3 Overlapped Cells–Based Channel Allocation......Page 215
8.7.1 Basic Modeling......Page 217
8.7.2 Modeling for Channel Reservation......Page 219
8.8 Summary......Page 220
8.10 Experiments......Page 221
8.12 Problems......Page 223
9.1 Introduction......Page 228
9.1.1 Layer 1: Physical Layer......Page 229
9.1.4 Layer 4: Transport Layer......Page 230
9.2 TCP/IP Protocol......Page 231
9.2.2 Network Layer......Page 232
9.2.3 TCP......Page 234
9.2.5 Routing Using Bellman-Ford Algorithm......Page 235
9.3.3 Solutions for Wireless Environment......Page 236
9.4.1 Transition from IPv4 to IPv6......Page 240
9.4.3 Features of IPv6......Page 241
9.4.4 Differences between IPv6 and IPv4......Page 242
9.6 References......Page 243
9.7 Experiment......Page 244
9.8 Open-Ended Project......Page 245
9.9 Problems......Page 246
10.2 Cellular System Infrastructure......Page 248
10.3 Registration......Page 250
10.4.1 Parameters Influencing Handoff......Page 253
10.4.2 Handoff Underlying Support......Page 254
10.5 Roaming Support......Page 256
10.5.1 Home Agents, Foreign Agents, and Mobile IP......Page 258
10.5.2 Rerouting in Backbone Routers......Page 260
10.6 Multicasting......Page 261
10.7.1 Encryption Techniques......Page 264
10.7.2 Authentication......Page 267
10.7.3 Wireless System Security......Page 269
10.8 Firewalls and System Security......Page 272
10.9 Summary......Page 273
10.10 References......Page 274
10.11 Experiments......Page 275
10.13 Problems......Page 278
11.2 AMPS......Page 282
11.2.1 Characteristics of AMPS......Page 283
11.2.2 Operation of AMPS......Page 284
11.2.3 General Working of AMPS Phone System......Page 286
11.3.1 Introduction......Page 287
11.3.2 Support Operations......Page 289
11.4 GSM......Page 290
11.4.1 Frequency Bands and Channels......Page 291
11.4.3 Identity Numbers Used by a GSM System......Page 293
11.4.4 Interfaces, Planes, and Layers of GSM......Page 296
11.4.5 Handoff......Page 298
11.5 PCS......Page 299
11.5.1 Chronology of PCS Development......Page 300
11.5.2 Bellcore View of PCS......Page 302
11.6 IS-95......Page 304
11.6.1 Power Control......Page 308
11.7.1 International Spectrum Allocation......Page 309
11.7.2 Services Provided by Third-Generation Cellular Systems......Page 310
11.7.4 Multimedia Messaging Service (MMS)......Page 311
11.7.5 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)......Page 312
11.10 Problems......Page 318
12.2 Types of Satellite Systems......Page 321
12.4 Satellite System Infrastructure......Page 327
12.5 Call Setup......Page 331
12.6 Global Positioning System......Page 333
12.6.1 Limitations of GPS......Page 336
12.6.2 Beneficiaries of GPS......Page 338
12.7 A-GPS and E 911......Page 340
12.10 Experiment......Page 341
12.11 Open-Ended Project......Page 342
12.12 Problems......Page 343
13.1 Introduction......Page 345
13.3 Applications......Page 347
13.4 Routing......Page 349
13.4.2 Routing Classification......Page 350
13.5.1 Destination-Sequenced Distance-Vector Routing......Page 351
13.5.2 Cluster Head Gateway Switch Routing......Page 352
13.5.3 Wireless Routing Protocol......Page 353
13.6.1 Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing......Page 354
13.6.2 Dynamic Source Routing......Page 356
13.6.3 Temporarily Ordered Routing Algorithm......Page 357
13.6.4 Associativity-Based Routing......Page 360
13.6.5 Signal Stability-Based Routing......Page 361
13.7.1 Zone Routing......Page 362
13.7.3 Landmark Routing (LANMAR) for MANET with Group Mobility......Page 363
13.7.4 Location-Aided Routing......Page 364
13.7.6 Relative Distance Microdiscovery Ad Hoc Routing......Page 366
13.7.7 Power Aware Routing......Page 367
13.7.8 Multipath Routing Protocols......Page 368
13.8 Vehicular Area Network (VANET)......Page 377
13.9 Security Issues in Mobile Ad Hoc Networks (MANETs)......Page 379
13.9.1 Security Approaches......Page 381
13.9.2 Requirements for an Intrusion Detection System for Mobile Ad Hoc Networks......Page 382
13.9.3 Intrusion Detection Architecture Based on a Static Stationary Database......Page 385
13.10.1 ns-2......Page 390
13.10.2 Other Network Simulators......Page 392
13.11 Summary......Page 393
13.12 References......Page 394
13.13 Experiments......Page 399
13.15 Problems......Page 401
14.1 Introduction......Page 405
14.1.2 Other Applications of Wireless Sensor Networks......Page 409
14.2 Fixed Wireless Sensor Networks......Page 410
14.3 Wireless Sensor Networks......Page 411
14.4 Sensor Deployment......Page 413
14.4.1 Randomly Deployed Sensor Networks......Page 414
14.4.2 Regularly Deployed Sensor Networks......Page 415
14.5.1 Classification of Sensor Networks......Page 416
14.5.2 Fundamentals of MAC Protocol for Wireless Sensor Networks......Page 417
14.5.3 Flat Routing in Sensor Networks......Page 418
14.6 Design Issues in Sensor Networks......Page 427
14.6.2 Collaborative Information Processing......Page 428
14.6.4 Multipath Routing in Sensor Networks......Page 429
14.6.5 Service Differentiation......Page 431
14.6.6 Multipath Routing–Based Service Differentiation......Page 432
14.6.7 Energy Hole Problem......Page 433
14.6.8 Data Aggregation and Operating System......Page 435
14.7 Secured Communication......Page 437
14.7.1 Symmetric Key–Based Encryption......Page 438
14.7.2 Intrusion Detection Schemes......Page 440
14.9 References......Page 444
14.10 Experiments......Page 451
14.12 Problems......Page 454
15.1 Introduction......Page 460
15.2.1 IEEE 802.11......Page 461
15.2.2 An Overview of IEEE 802.11 Series Protocols......Page 464
15.3 Enhancement for IEEE 802.11 WLANs......Page 465
15.3.1 Issues in MAC Protocols......Page 467
15.3.2 ETSI HiperLAN......Page 469
15.3.3 HomeRF......Page 472
15.4.1 IEEE 802.16 based WiMAX......Page 474
15.5 Mesh Networks......Page 482
15.5.1 Ricochet......Page 484
15.6.1 Introduction......Page 486
15.6.2 IEEE 802.15.1 (Bluetooth)......Page 487
15.6.3 IEEE 802.15.3......Page 493
15.6.4 IEEE 802.15.4......Page 496
15.7 ZigBee......Page 501
15.9 References......Page 503
15.10 Experiments......Page 506
15.12 Problems......Page 508
16.1 Introduction......Page 511
16.2.1 Introduction......Page 512
16.2.2 Technical Features......Page 513
16.2.3 Challenges......Page 516
16.2.4 Concluding Remarks......Page 517
16.3.1 UWB System Characteristics......Page 518
16.3.3 Current Status and Applications of UWB Technology......Page 519
16.3.4 Difference Between UWB and Spread Spectrum Techniques......Page 520
16.3.7 Challenges for UWB Technology......Page 521
16.4 Push-to-Talk (PTT) Technology for SMS......Page 522
16.4.3 PTT in Non-iDEN Cellular Networks: PoC......Page 523
16.4.4 Limitations of Current Services......Page 524
16.5 RFID......Page 525
16.6 Cognitive Radio......Page 526
16.7 Multimedia Services Requirements......Page 528
16.7.1 Media Codecs......Page 529
16.7.4 Media Control Protocols......Page 530
16.7.6 Multimedia Messaging Service......Page 531
16.7.7 Multimedia Transmission in MANETs......Page 532
16.8 Heterogeneous Wireless Networks......Page 533
16.9.1 Mobility Management......Page 536
16.9.2 Resource Management......Page 538
16.9.3 Recent Advances in Resource Management......Page 540
16.10.1 Recent Advances in Multicast over Mobile IP......Page 541
16.10.2 Reliable Wireless Multicast Protocols......Page 543
16.10.3 Broadcasting, Multicasting, and Geocasting in Ad Hoc Networks......Page 544
16.11 Directional and Smart Antennas......Page 548
16.11.2 Smart Antennas and Beamforming......Page 549
16.11.3 Smart Antennas and SDMA......Page 550
16.12 WiMAX and Major Standards......Page 552
16.12.2 IEEE 802.16m......Page 553
16.13 Low-Power Design......Page 554
16.14.1 HTML Versus Markup Language......Page 556
16.15 DDoS Attack Detection......Page 557
16.15.1 Covariance Analysis Method......Page 559
16.16 Summary......Page 562
16.17 References......Page 563
16.18 Open-Ended Problem......Page 570
16.19 Problems......Page 571
A Erlang B Table......Page 573
Acronyms......Page 579
Index......Page 590