移動通信技術及應用 課后習題答案匯總 許書君 第1-5章

第1章1.（1）移動通信（mobilecommunications）溝通移動用戶與固定點用戶之間或移動用戶之間的通信方式。通信雙方有一方或兩方處于運動中的通信。包括陸、海、空移動通信。采用的頻段遍及低頻、中頻、高頻、甚高頻和特高頻.（2）移動通信的特點：具有多徑衰落現(xiàn)象；強干擾條件下工作；具有多普勒效應；具有跟蹤交換技術；陰影效應；對設備要求嚴格。2.移動通信的工作方式有：（1）單工方式，又可分為同頻單工和異頻單工；該方式的優(yōu)點：移動臺之間可直接通信，無需基站轉(zhuǎn)發(fā)；設備簡單，功耗小。缺點：操作不便，如配合不當，會出現(xiàn)通話斷續(xù)；若在同一地區(qū)有多個電臺使用相同頻率，會造成嚴重干擾。（2）全雙工方式，特點通信雙方收發(fā)信機均可同時工作，在任一方發(fā)話的同時，也能收到對方的話音，無需“按—講”開關，類同于平時打市話，使用自然，操作方便；（3）半雙工方式，該方式的優(yōu)點：設備簡單、功耗小、克服了通話斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，但按鍵操作仍不大方便。3.我國數(shù)字蜂窩移動通信的工作頻率分配見P10表1-2及國內(nèi)5G頻譜分配情況。4.蜂窩移動通信系統(tǒng)的組成一般由移動臺（MS）、基站（BS）、移動交換中心（MSC）及與公用交換電話網(wǎng)（PSTN）相連的中繼線等單元組成，如圖1-6所示。5.蜂窩移動系統(tǒng)中常用的多址方式有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。頻分多址（FDMA）：FDMA把可以使用的總頻段劃分成為若干個占用較小帶寬的等間隔的頻道，這些頻道在頻域上互不重疊，每個頻道就是一個通信信道，分配給一個用戶。其寬度能傳輸一路話音或數(shù)據(jù)信息，而在相鄰頻道之間無明顯的串擾。該多址方式有如下幾個特點：（1）單路單載頻。每個頻道一對頻率，只可傳送一路語音，頻率利用率低，系統(tǒng)容量有限。（2）信息連續(xù)傳輸。系統(tǒng)分配給移動臺和基站一對FDMA信道，它們利用此頻道連續(xù)傳輸信號，直到通話結(jié)束，信道收回。（3）需要周密的頻率計劃，頻率分配工作復雜。（4）基站有多部不同頻率的收發(fā)信機同時工作，基站的硬件配置取決于頻率計劃和頻道配置。（5）技術成熟，設備簡單；但頻率利用率低，系統(tǒng)容量小。（6）單純的FDMA只能用于模擬蜂窩系統(tǒng)中。時分多址（TDMA）：在時分多址系統(tǒng)中，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙（幀或時隙互不重疊），每一個時隙就是一個通信信道，然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號。該多址方式有如下主要特點：（1）每載頻多路信道。TDMA系統(tǒng)在每一頻率上產(chǎn)生多個時隙，每個時隙就是一個信道，在基站控制分配下，可為任意一移動用戶提供電話或非話業(yè)務。（2）利用突發(fā)脈沖序列傳輸。移動臺信號功率的發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)射脈沖序列。（3）傳輸速率高，自適應均衡。每載頻含有時隙多，則頻率間隔寬，傳輸速率高，但數(shù)字傳輸帶來了時間色散，使時延擴展加大，故必須采用自適應均衡技術。（4）傳輸開銷大。由于TDMA分成時隙傳輸，使得收信機在每一突發(fā)脈沖序列上都得重新獲得同步。為了把一個時隙和另一個時隙分開，保護時間也是必須的。因此，TDMA系統(tǒng)通常比FDMA系統(tǒng)需要更多的開銷。

（5）對于新技術是開放的。例如當話音編碼算法的改進而降低比特速率時，TDMA系統(tǒng)的信道很容易重新配置以接納新技術。（6）共享設備的成本低。由于每個載頻為多個客戶提供服務，所以TDMA系統(tǒng)共享設備的每客戶平均成本與FDMA系統(tǒng)相比是大大降低了。（7）移動臺設計較復雜。它比FDMA系統(tǒng)移動臺完成更多的功能，需要復雜的數(shù)字信號處理。碼分多址（CDMA）：不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分的，而是用不同的碼型（也稱為地址碼）來區(qū)分，系統(tǒng)中所使用的地址碼必須相互（準）正交，以區(qū)別地址。在該方式中，碼型即為信道。該多址方式特點如下：（1）系統(tǒng)具有軟容量，能實現(xiàn)多媒體通信。（2）語音質(zhì)量高，抗干擾能力強。（3）無需防護間隔。（4）實現(xiàn)低功耗。（5）建網(wǎng)成本下降。空分多址（SDMA）：空分多址利用無線電波束在空間的不重疊分割構(gòu)成不同的信道，將這些空間信道分配給不同地址的用戶使用，空間波束與用戶具有一一對應關系，依波束的空間位置區(qū)分來自不同地址的用戶信號，從而完成的多址連接。在移動通信中，能實現(xiàn)空間分割的基本技術就是采用自適應陣列天線，在不同用戶方向上形成不同的波束。6.FDMA即為頻分多址，用頻率區(qū)分不同的用戶。FDD即為頻分雙工，用頻率區(qū)分收和發(fā)。單用戶單向通信帶寬需求為25kHz時，單用戶雙工通信則需要50kHz的帶寬。200路（200用戶）需要200*50kHz=10000kHz=10MHz的帶寬（不考慮雙工間隔、保護帶的情況）7.所謂分集技術是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立（攜帶同一個信息數(shù)據(jù)流）的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的方法。其基本思想是：將接收到的多徑信號分離成獨立的多路信號，然后將這些多路分離信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大，使接收的數(shù)字信號誤碼率最小。常用的分集技術有時間分集；頻率分集；空間分集；極化分集。8.移動通信的組網(wǎng)制式有大區(qū)制和小區(qū)制。大區(qū)制的主要優(yōu)點是建網(wǎng)簡單、投資少、見效快，在用戶數(shù)較少的地域非常合適。但為了避免相互之間的干擾，服務區(qū)內(nèi)的所有頻率均不能重復使用，因而這種體制的頻率利用率及用戶數(shù)都受到了限制。為了滿足用戶不斷增長的需求，在頻率有限的條件下，必須采用小區(qū)制的組網(wǎng)方式。小區(qū)制最大的優(yōu)點是有效地解決了頻道數(shù)量有限和用戶數(shù)增大之間的矛盾。其次是由于基站功率減小，也使相互之間的干擾減小了。所以公用移動電話網(wǎng)均采用這種體制。9.在研究無線區(qū)域服務網(wǎng)的劃分與組成時，涉及到無線區(qū)的形狀，它取決于電波傳播條件和地形地物，所以小區(qū)的劃分應根據(jù)環(huán)境和地形條件而定。為了研究方便，假定整個服務區(qū)的地形地物相同，并且基站采用全向天線，它的覆蓋區(qū)大體是一個圓，即無線區(qū)是圓形的。又考慮到多個小區(qū)彼此鄰接來覆蓋整個區(qū)域，用圓內(nèi)接正多邊形代替圓。圓內(nèi)接正多邊形彼此鄰接來覆蓋整個區(qū)域而沒有重疊和間隙的幾何形狀只有三種可能的選擇：正六邊形、正方形和正三角形.通過比較結(jié)果可以看出，正六邊形小區(qū)的中心距離最大，覆蓋面積也最大，重疊區(qū)面積最小，即對于同樣大小的服務區(qū)域，采用正六邊形構(gòu)成小區(qū)所需的小區(qū)數(shù)最少，從而所需的頻率個數(shù)也最少，因此采用正六邊形組網(wǎng)是最經(jīng)濟的方式。正六邊形構(gòu)成的網(wǎng)絡形同蜂窩，因此把小區(qū)形狀為六邊形的小區(qū)制移動通信稱為移動蜂窩網(wǎng)。區(qū)群的構(gòu)成應滿足兩個條件：①無線區(qū)群之間彼此鄰接并且無空隙地覆蓋整個面積；②相鄰無線區(qū)群中，同頻小區(qū)之間的距離相等且為最大。滿足上述兩個條件的區(qū)群形狀和區(qū)群個數(shù)不是任意的。可以證明，區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)滿足下式：10.多信道共用方式如圖1-37（b）所示。在這種方式下，該小區(qū)內(nèi)的10個信道被110個用戶共用。當k（k<10）個信道被占用時，其他需要通話的用戶可以選擇剩下的（10-k）中的任意一個空閑信道通信。多信道共用方式可大大提高信道利用率。第二章1.GSM系統(tǒng)的組成框圖及各部分功能P39圖2-1所示。2.A接口：BSC與MSC之間的接口為A接口，采用14位地址方式。其物理鏈接通過采用標準的2.048Mbit/s的PCM數(shù)字傳輸鏈路來實現(xiàn)。此接口主要傳遞呼叫處理、移動性管理、基站管理、移動臺管理等信息。Abis接口：是基站控制器BSC和基站收發(fā)信臺BTS之間的通信接口，Abis接口支持向客戶提供的所有服務，并支持對BTS無線設備的控制和無線頻率的分配。其物理鏈接通過采用標準的2.048Mbit/s或者64kbit/sPCM數(shù)字傳輸鏈路來實現(xiàn)。Um接口：又稱為空中接口，它是移動臺和基站收發(fā)信臺BTS之間的接口，用于移動臺和GSM系統(tǒng)設備間的互通，其物理鏈接通過無線鏈路實現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括無線資源管理、移動性管理和連接管理等。3.語音間斷傳輸?shù)哪康闹饕墙档拖到y(tǒng)中總的干擾電平以提高系統(tǒng)效率。4.913.6MHz，958.6MHz；893MHz，938MHz；5.GSM系統(tǒng)中邏輯信道的分類及各部分作用間P47圖2-9所示。6.邏輯信道如何映射到物理信道上，見P49.7.GSM系統(tǒng)中時隙幀結(jié)構(gòu)見P46圖2-7.8.位置更新的類型有不同MSC業(yè)務區(qū)間的位置更新、相同MSC不同位置區(qū)的位置更新。9.越區(qū)切換的類型有同一BSC內(nèi)不同小區(qū)之間的切換、同一MSC不同BSC間的切換和不同MSC之間的小區(qū)切換。10.CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)的主要由網(wǎng)絡交換子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）和移動臺(MS)三大部分組成。11.為了解決“遠近效應”問題，必須根據(jù)通信距離的不同，實時地調(diào)整發(fā)射機所需的功率，這就是“功率控制”。12.開環(huán)功率控制只是對MS發(fā)送電平的粗略估計，因此它的反應不能太快，也不能太慢。開環(huán)功率控制是為了補償平均路徑衰落的變化和陰影、拐彎等效應，它必須要有一個很大的動態(tài)范圍。根據(jù)CDMA空中接口標準，至少應達到±32dB的動態(tài)范圍。開環(huán)功率控制簡單、直接，不需在移動臺和基站之間交換控制信息，同時控制速度快并節(jié)省開銷。閉環(huán)功率控制是指由基站來檢測MS的信號強度或信噪比，根據(jù)測試結(jié)果與預定值比較，產(chǎn)生功率調(diào)整指令，MS根據(jù)基站發(fā)送的功率調(diào)整指令（功率控制比特攜帶的信息）來調(diào)整MS發(fā)射功率的過程。在這個過程中基站起著很重要的作用。閉環(huán)的設計目標是使基站對MS的開環(huán)功率估計迅速做出糾正，以使MS保持最理想的發(fā)射功率。這種對開環(huán)的迅速糾正解決了下行鏈路和上行鏈路間增益允許度和傳輸損耗不一樣的問題。13.在上行信道中，長度為242-1的m序列被用作對業(yè)務信道進行擾碼（注意不是被用作擴頻，在前向信道中使用正交的Walsh函數(shù)進行擴頻）。長度為215-1的m序列被用于對前向信道進行正交調(diào)制，不同的基站采用不同相位的m序列進行調(diào)制，其相位差至少為64個碼片，這樣最多可有512個不同的相位可用。在下行CDMA信道中，長度為242-1的m序列被用作直接擴頻，每個用戶被分配一個m序列的相位，這個相位是由用戶的ESN計算出來的，這些相位是隨機分別且不會重復的，這些用戶的反向信道之間基本是正交的。長度為215-1的PN碼也被用于對反向業(yè)務信道進行正交調(diào)制，但因為在反向因為信道上不需要標識屬于哪個基站，所以對于所有移動臺而言都使用同一相位的m序列，其相位偏置是0。14.略。第三章1.UMTS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型見P80圖3-2.2.UTRAN的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。UTRAN由一組無線網(wǎng)絡子系統(tǒng)（RNS：RadioNetworkSubsystem）組成，每一個RNS包括一個RNC和一個或多個NodeB，NodeB和RNC之間通過Iub接口進行通信，RNC之間通過Iur接口進行通信，RNC則通過Iu接口和核心網(wǎng)相連。3.核心網(wǎng)（CN）邏輯上分為CS域（電路交換域）、PS域（分組交換域），R5中又引入了IP多媒體子系統(tǒng)，包含了支持網(wǎng)絡特性和電信業(yè)務的物理實體，提供用戶位置信息的管理、網(wǎng)絡特性和業(yè)務的控制、信令和用戶產(chǎn)生的信息的傳送機制，負責建立終端和相關固定電話網(wǎng)絡之間，以及終端和終端之間的通信。4.采用擴頻通信的目的：(1)提高信號抗多徑傳輸效應的能力。由于擴譜調(diào)制采用的擴譜碼可以用來分離多徑信號，所以有可能提高抗多徑傳輸?shù)哪芰Α?2)提高抗窄帶干擾的能力，特別是對付有意的干擾。這些干擾信道的功率都集中在較窄的頻帶內(nèi)，所以對于寬帶的擴頻信號影響不大。(3)提高信號隱藏能力。將發(fā)射信號掩藏在背景噪聲中，可以有效的防止竊聽。擴頻信號的發(fā)射功率雖然不是很小，但是功率譜密度可以很小，使之低于噪聲的功率譜密度，所以使偵聽者很難發(fā)現(xiàn)。(4)提供多個用戶共用同一頻帶的能力。在一個很寬的頻帶中，可以容納多個用戶的擴譜信號，這些信號采用不同的擴頻碼，因此可以用碼分多址的原理，區(qū)分各個用戶的信號。5.每一TD-SCDMA子幀又分成長度為675μs的7個常規(guī)時隙和3個特殊時隙。這三個特殊時隙分別為下行導頻時隙（DwPTS）、保護時隙（GP）和上行導頻時隙（UpPTS）。在7個常規(guī)時隙中，TS0總是分配給下行鏈路，而TS1總是分配給上行鏈路。上行時隙和下行時隙之間由轉(zhuǎn)換點分開。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個5ms的子幀有兩個轉(zhuǎn)換點即上行鏈路（UL，UpLink）到下行鏈路（DL，DownLink），和下行鏈路到上行鏈路。通過靈活的配置上下行時隙的個數(shù)，使TD-SCDMA適用于上下行對稱及非對稱的業(yè)務模式。3個特殊時隙結(jié)構(gòu)見P100.6.在TD-SCDMA系統(tǒng)中，存在3種信道模式：邏輯信道，傳輸信道和物理信道。邏輯信道是MAC子層向上層（RLC子層）提供服務，它描述的是傳送什么類型的信息。傳輸信道作為物理層向高層提供的服務，它描述的是信息如何在空中接口上傳輸。TD-SCDMA通過物理信道直接把需要傳送的信息發(fā)送出去，也就是說在空中傳輸?shù)亩际俏锢硇诺莱休d的信息。7.信道映射關系見P109圖3-31.8.UMTS系統(tǒng)中的關鍵技術有時分雙工；軟件無線電；智能天線；多用戶檢測；同步技術；動態(tài)信道分配；接力切換第4章4G指第四代移動通信系統(tǒng)；LTE代表“長期演進；LTE俗稱3.9G，這說明LTE的技術指標已經(jīng)與4G非常接近了，有的地方將4G等同與LTE；LTE與4G相比較，除最大帶寬、上行峰值速率兩個指標略低于4G要求外，其他技術指標都已經(jīng)達到了4G標準的要求。還有LTE包括TDD-LTE和FDD-LTE兩種制式。OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing），是一種正交頻分復用技術，是由多載波技術MCM（Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來的，是一種無線環(huán)境下的特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作一種調(diào)制技術，也可以被當作一種復用技術。OFDM結(jié)合了多載波調(diào)制(MCM)和頻移鍵控(FSK)，通過串并變換將高速的數(shù)據(jù)流分解為N個并行的低速數(shù)據(jù)流，把低速的數(shù)據(jù)流分到在N個子載波上同時進行傳輸，在每個子載波上進行FSK。這些在N子載波上同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號，構(gòu)成一個OFDM符號。OFDM是通過大量窄帶子載波來實現(xiàn)多載波傳輸。子載波直接相互正交。信號帶寬小于信道的相應帶寬。LTE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4-3LTE空中接口的分層結(jié)構(gòu)如下圖所示，各接口功能見表4-1圖LTE空中接口的分層結(jié)構(gòu)LTE協(xié)議棧的三層主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。下圖給出了物理層周圍的E-UTRA無線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)。物理層與層2的媒體接入控制（MediaAccessControl，MAC）子層和層3的無線資源控制（RadioResourceControl，RRC）層具有接口。其中的圓圈表示不同層/子層間的服務接入點（ServiceAccessPoint，SAP）。物理層向MAC層提供傳輸信道（TransportChannel）。MAC提供不同的邏輯信道給層2的無線鏈路控制（RadioLinkControl，RLC）子層。圖LTE物理層無線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)LTE分別為FDD和TDD設計了各自的幀結(jié)構(gòu)。分別是圖4-4FDD幀結(jié)構(gòu)和圖4-6融合TDD結(jié)構(gòu)。MIMO技術，就是通過收發(fā)端的多天線技術來實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的傳輸，從而增加速率。MIMO大致可以分為3類，空間分集，空間復用和波束賦形。LTE和CDMA都是移動電信系統(tǒng)中使用的基本技術，但LTE即長期演進技術，是介于3G和4G通信標準之間的技術，而CDMA則是指第二代(2G)和第三代使用的一組協(xié)議代(3G)無線通信。CDMA使用擴頻多址技術進行傳輸，而LTE是使用正交頻分復用(OFDM)的第四代移動通信標準，該正交頻分復用在每個180kHz的許多窄載波上發(fā)送數(shù)據(jù)。LTE更好地處理多路徑信號，沒有信號干擾，并提高了靈活性和效率。產(chǎn)品特點：(1)面向TD-LTE，體系結(jié)構(gòu)先進。(2）采用資源池設計方式，提高硬件資源利用率和系統(tǒng)的容錯能力。(3）應用數(shù)字中頻技術提高信號處理能力。(4）扇區(qū)處理能力強，支持單個扇區(qū)的大功率覆蓋和大帶寬覆蓋。(5）智能風扇控制，提高風扇壽命，降低噪聲。(6）支持帶內(nèi)自適應濾波抗干擾。(7）支持RRU級聯(lián)，靈活擴展無線覆蓋