譯者序

我們很高興向各位讀者推薦Pahlavan教授的新書《無(wú)線接入與定位原理與技術(shù)》。

Kaveh Pahlavan教授是國(guó)際上知名的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與定位技術(shù)專家。他是美國(guó)伍斯特理工學(xué)院無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)研究中心主任，電子與通信工程系教授和計(jì)算機(jī)系教授，他也是芬蘭奧盧大學(xué)電信實(shí)驗(yàn)室和無(wú)線通信中心的訪問教授。他的研究領(lǐng)域是基于位置感知的寬帶傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)，出版了多部有關(guān)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的書籍。

本書凝聚了Pahlavan教授的研究精華。在書中，他以多年深厚的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究功底為依托，對(duì)目前主要的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和定位技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的闡述。本書分析了廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)和個(gè)域網(wǎng)中用來(lái)提供無(wú)線接入和定位的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和部署原則。本書第一部分講解了無(wú)線媒體的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層特性和媒體接入方法。第二部分探討了網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)計(jì)的原理，深入闡述了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用、操作及安全問題。第三部分則概括了無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，其中詳細(xì)介紹了無(wú)線局域網(wǎng)、低功率傳感器網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線以太網(wǎng)接入技術(shù)。第四部分論述了無(wú)線廣域網(wǎng)接入技術(shù)，內(nèi)容涵蓋TDMA蜂窩網(wǎng)、CDMA蜂窩網(wǎng)、OFDM和MIMO蜂窩網(wǎng)。第五部分詳細(xì)介紹了無(wú)線定位技術(shù)，在引入地理位置信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了射頻定位的基本原理，最后闡述了實(shí)際應(yīng)用中的定位技術(shù)。本書通過實(shí)際案例和圖表對(duì)原理、標(biāo)準(zhǔn)與核心技術(shù)進(jìn)行了輔助說(shuō)明，并設(shè)計(jì)了具有針對(duì)性的習(xí)題、思考題以供讀者參考學(xué)習(xí)，學(xué)生可以利用MATLAB仿真來(lái)解決這些問題。本書可用作高年級(jí)信息與通信工程專業(yè)本科生、研究生的教材，對(duì)從事無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)研究的教學(xué)和科研人員及工程技術(shù)人員也有很好的參考價(jià)值。同時(shí)適合對(duì)無(wú)線通信和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域感興趣的讀者自學(xué)。

本書第1章、第11章和第12章由王海翻譯，第2章至第5章由郭艷翻譯，第6章由胡磊翻譯，第7章由秦恒加翻譯，第8章和第9章由陳涓翻譯，第10章由莊潔瓊翻譯，第13章由謝劼劼翻譯，第14章由連良翻譯，第15章由蘇國(guó)強(qiáng)翻譯，第16章由王玉鑫翻譯。全文由王海、張娟統(tǒng)校。

由于譯者水平有限，本書中翻譯錯(cuò)誤和不當(dāng)之處在所難免，敬請(qǐng)讀者提出寶貴意見。來(lái)信請(qǐng)寄haiwang@ieee.org。

前言

工科領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，即從傳統(tǒng)的目標(biāo)式課程教學(xué)向多學(xué)科課程和交叉學(xué)科研究領(lǐng)域遷移，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力。這一現(xiàn)狀需要更加頻繁的課程更新和調(diào)整，以項(xiàng)目為導(dǎo)向提供教學(xué)內(nèi)容，以及在研究課題里形成跨學(xué)科協(xié)作的能力。這種形式的成功轉(zhuǎn)型需要?jiǎng)?chuàng)業(yè)精神以及前瞻能力，以適應(yīng)這些頻繁的變化和業(yè)界的經(jīng)驗(yàn)，將變革引向新興的交叉學(xué)科領(lǐng)域。無(wú)線接入和定位是在過去幾十年里出現(xiàn)的一個(gè)極好的樣板，它是多學(xué)科研究和學(xué)術(shù)領(lǐng)域融合的標(biāo)桿。無(wú)線接入和定位的教學(xué)內(nèi)容包含諸如信號(hào)處理、數(shù)字通信、排隊(duì)論、檢測(cè)和估算理論，以及導(dǎo)航等多個(gè)學(xué)科。無(wú)線接入和定位的課程內(nèi)容對(duì)傳統(tǒng)的電子和計(jì)算機(jī)工程（ECE）與計(jì)算機(jī)科學(xué)（CS）學(xué)生以及新出現(xiàn)的多學(xué)科交叉領(lǐng)域如機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)工程，甚至傳統(tǒng)的機(jī)械和土木工程領(lǐng)域都有益處。傳統(tǒng)的機(jī)械和土木工程也像ECE一樣，正在向交叉學(xué)科課程遷移。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)在這些多學(xué)科和交叉學(xué)科領(lǐng)域的工程項(xiàng)目里將起到重要的作用，無(wú)線接入和定位在將所有這些系統(tǒng)集成在一起時(shí)至關(guān)重要。因此，有必要在院校里開設(shè)課程，采用詳細(xì)的教材實(shí)施無(wú)線接入和定位原則這一多學(xué)科課題的教學(xué)。

要準(zhǔn)備一本適合在院校教學(xué)的涉及多學(xué)科領(lǐng)域的課程教材，需要從多個(gè)學(xué)科的大量實(shí)踐環(huán)節(jié)里選擇適合的內(nèi)容，從而給用戶一個(gè)直觀的感受，以了解這些學(xué)科是如何工作和互相交互的。在本書中，為了達(dá)到此目標(biāo)，我們將描述重要的無(wú)線組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和定位技術(shù)，從邏輯上厘清其潛在的科學(xué)和工程問題，同時(shí)詳細(xì)描述成功轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)和工程案例。在一個(gè)擁有紛繁多樣技術(shù)規(guī)則的多學(xué)科領(lǐng)域里選擇詳細(xì)的技術(shù)素材非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是在教授無(wú)線接入和定位這一領(lǐng)域時(shí)更是如此，因?yàn)樵谶@個(gè)領(lǐng)域里，課堂上需要掌握的重點(diǎn)技能隨時(shí)間在不斷變更。

20世紀(jì)90年代，無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)的成功催生了一系列介紹廣域和局域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的教科書\[Pah95，Goo97，Wal99，Rap03，Pah02\]。這些教材的技術(shù)重點(diǎn)放在描述廣域蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，由電氣工程和計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域的教授編著，不同程度地側(cè)重于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的底層問題以及系統(tǒng)工程方面實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的描述。在過去十年里，無(wú)線定位的重要作用越來(lái)越凸顯，而前述教材卻沒有將無(wú)線定位技術(shù)的細(xì)節(jié)作為重點(diǎn)。因此，目前尚沒有一本教材綜合講述無(wú)線接入和定位技術(shù)。無(wú)線接入和定位在應(yīng)用以及設(shè)計(jì)和工作模式上高度相關(guān)，在理解物理層實(shí)現(xiàn)和理解無(wú)線電波的環(huán)境傳播原理上，兩種技術(shù)均有非常多的共同點(diǎn)。

本書詳細(xì)闡述了無(wú)線接入和定位技術(shù)。本書的新穎之處在于重點(diǎn)研究了在不同網(wǎng)絡(luò)里的無(wú)線電傳播與物理層問題，這些問題與如何形成和發(fā)送分組、接收到的信號(hào)如何被用作無(wú)線電定位有關(guān)。本書的結(jié)構(gòu)和順序最初來(lái)源于第一作者在馬薩諸塞州伍斯特工學(xué)院（WPI）為研究生院授課時(shí)使用的系列講稿，名為無(wú)線接入與定位。第一作者還在不同的會(huì)議和大學(xué)里講授過這兩個(gè)專題的短課程。本書的合著者在匹茲堡大學(xué)為信息科學(xué)和電信專業(yè)的一年級(jí)研究生和低年級(jí)/高年級(jí)本科生講授過書中部分內(nèi)容。

本書的結(jié)構(gòu)組織如下。首先概述基于公共交換電話網(wǎng)（PSTN）以及基于因特網(wǎng)的用于傳輸面向話音和面向數(shù)據(jù)信息的無(wú)線接入技術(shù)發(fā)展，然后概述無(wú)線定位技術(shù)。接下來(lái)分為四個(gè)部分，每個(gè)部分包含數(shù)章。第一部分包含第2章到第4章，解釋了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)和分析原則。在第2章中，我們?cè)谠摬糠值拈_頭描述了無(wú)線信道在室內(nèi)和市區(qū)內(nèi)的多徑傳輸特性，這一特性對(duì)于新出現(xiàn)的智能無(wú)線終端的無(wú)線接入和定位都適用。然后解釋了信號(hào)的多徑到達(dá)將如何影響波形的傳輸，從而影響無(wú)線接入和定位。在第3章、第4章中，我們將分別討論比特信息如何傳輸，以及分組信息如何形成并傳輸。本書的第二部分專門討論設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的原則，本部分包含三章，即第5~7章，分別講述這些網(wǎng)絡(luò)的部署、運(yùn)行和安全。

第三部分專門討論無(wú)線局域接入技術(shù)。本部分的章節(jié)覆蓋了傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)（第8章）和低功率傳感器技術(shù)（第9章）以及面向吉比特?zé)o線接入的技術(shù)（第10章）。本書的第四部分描述了廣域無(wú)線蜂窩網(wǎng)采用的技術(shù)，其中的三章分別討論TDMA技術(shù)（第11章），CDMA技術(shù)（第12章），以及在2G、3G和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用的OFDM/MIMO技術(shù)（第13章）。第五部分討論無(wú)線定位技術(shù)，其中的三章分別描述系統(tǒng)問題（第14章）、無(wú)線定位的原則（第15章）以及這些技術(shù)的實(shí)用問題（第16章）。

本書的結(jié)構(gòu)劃分，使得不同學(xué)科的教師能夠靈活地選取必需的教學(xué)內(nèi)容。我們認(rèn)為，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)難點(diǎn)在于第2~5章以及第15、16章，這些章節(jié)概括性地提供了各種技術(shù)和算法的數(shù)學(xué)描述。本書的其余章節(jié)從數(shù)學(xué)上看起來(lái)簡(jiǎn)單一些，但是包含了系統(tǒng)如何工作的更多細(xì)節(jié)。為了使學(xué)生更容易理解難點(diǎn)部分，教師可以對(duì)這些主題適當(dāng)進(jìn)行穿插融合。舉例來(lái)說(shuō)，本書的第一作者曾經(jīng)在本科生的一門無(wú)線網(wǎng)絡(luò)課程中講授了相似的內(nèi)容： 首先介紹信道行為（第2章），接下來(lái)在講解TDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)（第11章）之前介紹了指定的接入方法（第4章），然后，介紹擴(kuò)頻調(diào)制和編碼技術(shù)（第3章）以及CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)（第4章和第12章的一部分），最后在論述無(wú)線局域網(wǎng)（第8章）之前先講述了多維星座圖（第3章）。他所開的關(guān)于無(wú)線接入和定位的新研究生課程則深入闡述第1~5章和第14~16章。

實(shí)際上，我們相信這是一個(gè)能夠幫助學(xué)生理解無(wú)線接入與定位基礎(chǔ)概念的有效方法。因此，根據(jù)對(duì)內(nèi)容的取舍、所涵蓋范圍的深度和學(xué)生、老師的不同背景，本書可以用作為計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子與通信工程、機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械或土木工程高年級(jí)本科生以及一、二年級(jí)研究生開設(shè)的一門或兩門系列課程的教材。

作者第一次產(chǎn)生編寫本書的想法是在2007年，當(dāng)時(shí)要修訂作者以前出版的Principles of Wireless Network： A unified Approach一書，將其擴(kuò)展以包含新出現(xiàn)的無(wú)線定位技術(shù)。當(dāng)本書于2013年新年前剛剛完成時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)本書已經(jīng)與前書有了本質(zhì)的區(qū)別，因此決定將其作為一本獨(dú)立的書籍出版，并給其起了一個(gè)更恰當(dāng)?shù)臅�名《無(wú)線接入與定位原理與技術(shù)》。

本書第一作者的大部分寫作是其2011年春季學(xué)期離開馬薩諸塞州伍斯特市的伍斯特理工學(xué)院，而在馬薩諸塞州劍橋市的哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院渡過的學(xué)術(shù)假期里完成的。在此對(duì)伍斯特理工學(xué)院和哈佛大學(xué)給他提供這一機(jī)會(huì)表示深深感謝。特別感謝哈佛大學(xué)的Vahid Tarokh教授及時(shí)地安排訪學(xué)，感謝哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)Cherry A.Murray批準(zhǔn)作者的訪學(xué)。同時(shí)也感謝WPI ECE系主任Fred Looft教授，以及WPI的John A. Orr 教務(wù)長(zhǎng)，感謝他們對(duì)作者在學(xué)術(shù)假期里從事本書撰寫的支持。

有關(guān)定位和體域網(wǎng)的大量新素材取自于WPI無(wú)線信息網(wǎng)絡(luò)研究中心（CWINS）學(xué)生的研究工作。我們非常有幸感謝這些學(xué)生和同事的貢獻(xiàn)，以協(xié)助我們理解無(wú)線信道的特點(diǎn)及其在無(wú)線接入和定位技術(shù)上的應(yīng)用。作者要特別感謝CWINS的Xinrong Li 博士、Bardia Alavi博士、Nayef Alsindi博士、Mohammad Heidari博士、Ferit Akgul 博士、Muzzafer Kannaan博士、Yunxing Ye博士和Umair Kan，WPI的Sergey Makarov教授、Turfs 大學(xué)的Pratap Misra教授，以及Ted Morgan先生和Skyhook 無(wú)線通信公司的Farshid Alizadeh博士，他們直接或間接地幫助作者擴(kuò)展了這方面的知識(shí)，并協(xié)助作者明晰了在準(zhǔn)備本書新素材上的思路。我們還需要特別感謝美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF），國(guó)防遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局（DARPA），國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)委員會(huì)（NIST）、國(guó)防部（DoD）以上均是美國(guó)的機(jī)構(gòu)