现代移动通信 蔡跃明 第三版 习题参考答案

1 第一章思考题与习题 1 何为移动通信 移动通信有哪些特点 答 移动通信是指通信的双方至少有一方在移动中 或者停留在某一非预定的位置上 进行信息传输和交换 这包括移动体 车辆 船舶 飞机和行人 和移动体之间的通 信 移动体和固定点 固定无线电台和有线用户 之间的通信 移动通信的特点 1 无线电波传播复杂 2 移动台受到的干扰严重 3 无线电频谱资源有限 4 对移动设备的要求高 5 系统复杂 2 单工通信与双工通信有何特点 各有何优缺点 答 单工通信的特点 收发信机轮流工作 设备简单 省电 只允许一方发送时另一方 进行接收 优点 设备简单 省电 缺点 通信的时间长 使用不方便 双工通信的特点 收发信机可以同时工作 使用方便 电源的消耗大 优点 使 用方便 收发信机可以同时工作 缺点 发射机总是工作的 电源消耗大 3 常用的移动通信系统包括哪几种类型 答 蜂窝移动通信系统 无绳电话系统 集群移动通信系统 卫星移动通信系统 无线 LAN 等 4 移动通信系统由哪些功能实体组成 答 移动通信系统包括移动交换子系统 SS 操作管理子系统 OMS 和基站子系 统 BSS 通常包括移动台 MS 是一个完整的信息传输实体 无线接口的主要功能如下 1 用户与移动网之间的接口 Sm 接口 即人机接口 2 移动台与基站之间的接口 Um 接口 3 基站与移动交换中心之间的接口 A 接口 4 基站控制器 BSC 与基站收发信机 BTS 之间的接口 Abis 接口 5 移动交换中心 MSC 与访问位置寄存器 VLR 之间的接口 B 接口 6 移动交换中心 MSC 与原籍位置寄存器 HLR 之间的接口 C 接口 7 原籍位置寄存器 HLR 与访问位置寄存器 VLR 之间的接口 D 接口 8 移动交换中心之间的接口 E 接口 9 移动交换中心 MSC 与设备标志寄存器 EIR 之间的接口 F 接口 10 访问位置寄存器 VLR 之间的接口 G 接口 5 FDD 和 TDD 的概念和各自优势是什么 答 FDD 在某些系统中 按照频率划分上行链路和下行链路信道的方法 TDD 在某些系统中 上行链路和下行链路使用相同的频率 允许上行链路在在当前 时隙内使用该频率 而下行链路可以在下一时隙内使用该频率的方法 2 FDD 的优势 FDD 系统对于定时同步的要求远远低于 TDD 系统 更适用于大功率 远 距离的通信系统 TDD 的优势 不需要使用带通滤波器 非常适用于可变速率 非对称带宽系统 6 简述移动通信的发展过程与发展趋势 移动通信就正式商业运营而言 至今已有 30 多年 大致是每十年更新一代 第一代 以模拟蜂窝网为主要特征 第二代以数字化为主要特征 第三代以多媒体业务为主要特 征 第四代以宽带高速数据传输为主要特征 如下图所示 移动通信将向宽带化 分组 化 智能化 业务多样化和融合化的方向发展 7 移动通信的标准化组织主要有哪些 答 国际无线电标准化组织 欧洲通信标准化组织 北美地区的通信标准化组织 IEEE 802 标准委员会 中国通信标准化协会 3 第二章 思考题与习题 1 蜂窝移动通信中的典型电波传播方式有哪些 答 典型的电波传播方式有直射 反射 折射 绕射 散射等 当电波的直射路径上无障碍物时 电波直接到达接收天线 当电波的直射路径上存 在障碍物时 电波会绕过障碍物遮挡向前传播形成绕射波 当电波在平坦地面上传播时 因大地和大气是不同的介质而使入射波在界面上产生反射波 当电波入射到粗糙表面时 反射能量由于散射而散布于所有方向 形成散射波 2 自由空间中距离发射机距离为 d 的无线接收功率与那些因素有关 服从什么规律 答 距发射机 d 处天线的接收功率 其数学表达式 Friis 公式 为 其中 Pt 为发射功率 亦称有效发射功率 Pr d 是接收功率 为 T R 距离的幂函 数 Gt 是发射天线增益 Gr 是接收天线增益 d 是 T R 间距离 L 是与传播无关的系统 损耗因子 为波长 其规律是 与 成反比 距离越远 衰减越大 2d 与 成正比 与 f2成反比 频率越高 衰减越大 3 设发射机天线高度为 40m 接收机天线高度为 3 m 工作频率为 1800MHz 收发天线 增益均为 1 工作在市区 试画出两径模型在 1km 至 20km 范围的接收天线处的场强 可用总场强对 E0的分贝数表示 并给出距离发射机距离 d 处的无线接收功率的 规律 解 22 4 3 18 1 1 437 tr trtrhmfMHzhhddd 反 射 波 与 直 射 波 的 路 径 差 为 因为 又因为 jRe1E0 18051 fHzMzR 所 以 有 37 4 1 2 37 4 2 222 ddddcfd 此时接收到的场强为 e1 1 00 22jjeE GPrtr2 4 4 用分贝表示为 kmdkeEd dj 201 1lg 0 37 1 4 222 用 Matlab 画出变化曲线 由式 2 29 可知 其规律是 与 成反比 比自由空间衰减快得多 4d 与频率成无关 4 用两径模型的近似公式解上题 并分析近似公式的使用范围 解 用两径模型的近似公式 dcfd hrt 14020 此时接收到的场强为 Re1E00 jjeE 用分贝表示为 kmdkdj 21 lg 4 0 此时近似公式必须满足 hrt 因为 满 足 条 件 10 43mdMINmhrt 所以以上近似公式可用 5 什么是等效地球半径 为什么要引入等效地球半径 标准大气的等效地球半径是多 少 答 地球等效半径是指电波依然按直线方向行进 只是地球的实际半径 0R 6 37 106m 变成了等效半径 为了研究大气折射对电波传播的影响而引入等效地球半eR 径 因为等效地球半径系数 k 4 3 所以等效地球半径 850eRkm 6 设发射天线的高度为 200m 接收天线高度为 20m 求视距传播的极限距离 若发射 天线为 100m 视距传播的极限距离又是多少 解 视线传播的极限距离为 khRdrte7 6 20 10852 2 若发射天线的高度为 100m 则视线传播的极限距离为 kmhRdrte7 59 01 08 2 5 7 为什么说电波具有绕射能力 绕射能力与波长有什么关系 为什么 答 因为电波在传输过程中的波前的所有点都可以作为产生次级波的点源 这些次 级波组合起来形成传播方向上新的波前 绕射就是由次级波的传播进入阴影去而形成的 绕射能力与波长存在下面的关系 即波长越长 绕射能力越弱 这是因12 dh 为阻挡体对次级波的阻挡产生了绕射损耗 仅有一部分能量能绕过阻挡体 这里的绕射 损耗跟电波的频率有关 相对于同一个阻挡物来说 频率越大 绕射损耗越小 绕射能 力就比较强 频率越小 绕射损耗越大 绕射能力就越弱 8 相距 15km 的两个电台之间有一个 50m 高的建筑物 一个电台距建筑物 10km 两电台 天线高度均为 10m 电台工作频率为 900MHz 试求电波传播损耗 解 菲涅尔余隙 86121 30513 9dx 绕射参数 查表得附加损耗为 18 5dB150 3 则电波传播损耗为 8 2 4lg1520l9 18 53 fsLdBdBdB 9 如果其它参数与上题相同 仅工作频率为 50MHz 1900MHz 试求电波传输损耗 各是多少 解 当工作频率为 50MHz 时 菲涅尔余隙 86121 30514 dx 绕射参数 查表得附加损耗为 10dB150 4 则电波传播损耗为 8 32 lg1520l9 1025 fsLdBdBdB 当工作频率为 1900MHz 时 菲涅尔余隙 86121 3 9 5019xd 绕射参数 查表得附加损耗为 22dB150 74 9 6 则电波传播损耗为 18 5 32 40lg152l90 2137 05fsLdBdBdB 10 移动通信信道中电波传播的基本特点是什么 答 移动通信信道中电波传播的基本特点是 1 随信号传播距离而导致的传播损 耗 大尺度范围 2 由地形起伏 建筑物及其它障碍物对电波的遮蔽而引起的损耗 阴影衰落 3 因发射 绕射和散射等因素造成的多径传播而引起的接收信号幅度和 相位的随机变化 结果将导致严重的衰落 11 设工作频率分别为 900MHz 和 2200MHz 移动台行驶速度分别为 30m s 和 80m s 求 最大多普勒频移各是多少 试比较这些结果 解 当工作频率为 900MHz 行驶速度为 30m s 和 80m s 时的最大多普勒频移为 61830910 mff Hzc 62824 ff 当工作频率为 2200MHz 行驶速度为 30m s 和 80m s 时的最大多普勒频移为 6183010 mff Hzc 62825 7 ff 由以上的计算结果可以知道 最大多普勒频移与移动台的速度和工作频率有关 速度越大 最大多普勒频移越大 频率越大 最大多普勒频移 12 设移动台速度为 100m s 工作频率为 1000MHz 试求 1 分钟内信号包络衰减至信号 均方根 rms 电平的次数 平均衰落时间是多少 解 由题 所以 由式 3 56 计算出rmsR 1rmsR 0 915RmNf 而 所以 3 019 8f KHzf3 0 52745 ZNR 所以在 1 分钟之内信号包络衰减至信号均方根电平的次数为 1600次 R 7 平均衰落时间为 其中 RPrN 6321 01 2exp 1 eRdrprprms rmss sNRPrsR 3 52746 0 13 移动台以匀速行驶 并接收到 900MHz 的载频信号 测得信号电平低于 rms 电平 10dB 的平均衰落持续时间为 1ms 问移动台在 10s 钟内行驶多远 并求出 10s 钟内信号经 历了多少低于 rms 门限电平的衰落 解 由题中 得210rmsR 0952 1 2exp eRdprprss 因为 sNPRRrmsR95 所以 HZN2 95 由题意的 所以 由式 3 56 计算出rms 1rms 0 915RmNf 所以 由 和104 3795 Rf 3 1098f f 可得 sfm 6812 所以移动台在 10 秒内行驶了 326 812m 在 10s 内移动台经历了低于 rms 门限电平的衰落的次数为 95210次 RN 14 如果某种特殊调制在 时能提供合适的误比特率 BER 试确定下图 图 0 1sT P14 所示的无均衡器的最小符号周期 由此可得最大符号率 8 0 d B 1 0 d B 2 0 d B 3 0 d B rP 户内 5 0 7 5 1 0 0 a ns 0 d B 1 0 d B 2 0 d B 3 0 d B rP 户外 5 1 0 b s 00 图 2 26 习题 14 的两个功率时延分布 解 对于 a ns725 01 1 7 2 2222 8 149 0 5 5 0 所以 rms 时延扩展为 ns7 8 1492 由于 即 0 sT nss70 所以最小符号周期 s2min 对于 b 1 5 1 5 4 0 s 2222 2 0 3 1 所以 rms 时延扩展为 235 4 1 5s 由于 即1 0 sT ss 所以最小符号周期 mins 若同时满足 a 和 b 两个环境 则最小符号周期为 15s 15 信号通过移动信道时 在什么样情况下遭受到平坦衰落 在什么样情况下遭受到频 率选择性衰落 9 答 如果信道相关带宽远大于发送信号的带宽 则信号经历平坦衰落 如果信道的相 关带宽小于发送信号带宽 则信号经历频率选择性衰落 16 简述快衰落 慢衰落产生原因及条件 答 快衰落产生原因 信道的相关 相干 时间比发送信号的周期短 且信号的带 宽 小于多普勒扩展 信道冲击响应在符号周期内变化很快 从而导致信号失真 Bs DB 产生衰落 信号经历快衰落的条件是 scD TB 慢衰落产生的原因 信道的相关 相干 时间远远大于发送信号的周期 且信号的 带宽 远远大于多普勒扩展 信道冲击响应变化比要传送的信号码元的周期低很多 Bs 可以认为该信道是慢衰落信道 信号经历慢衰落的条件是 csBT 17 某移动通信系统 工作频率为 1800 MHz 基站天线高度为 40 m 天线增益为 6dB 移动台天线高度为 1 m 天线增益为 1 dB 在市区工作 传播路径为准平坦地形 通信距离为 10 km 试求 1 传播路径的中值路径损耗 2 若基站发射机送至 天线的信号功率为 10W 不考虑馈线损耗和共用器损耗 求移动台天线接收到的信号 功率 解 1 由传播路径的自由空间中电波传播损耗公式 32 40lg 20lg fsLdBdkmfMHz 可得自由空间中电波传播损耗 17 54dB 8l 1l fs 由基站天线高度增益因子图表可查的 hb 由移动台天线高度增益因子图表可查得 fHm 由准平坦地形大城市地区的基本中值损耗图表可得 dBA3 由传播路径的中值路径损耗公式 MfsmbmLfdhHf 可得 BLM54 168435 17 10 2 由 和 MfsmbmLAfdHhf 可得 dmTR LGP dBWLbM 54 1654 180 lg 10 18 设某系统工作在准平坦地区的大城市 工作频率为 900MHz 小区半径为 10km 基站 天线高 80m 天线增益为 6dB 移动台天线高度为 1 5m 天线增益为 0 dB 要使工 作在小区边缘的手持移动台的接收电平达 102dBm 基站发射机的功率至少应为多少 解 1 由传播路径的自由空间中电波传播损耗公式 32 40lg 20lg fsLdBdkmfMHz 可得自由空间中电波传播损耗 1 5249dB 9l 1l fs 由基站天线高度增益因子图表可查的 hb8 由移动台天线高度增益因子图表可查得 fHm3 由准平坦地形大城市地区的基本中值损耗图表可得 dBA7 29 由传播路径的中值路径损耗公式 MfsmbmLfdhHf 可得 BLM249 15837 2954 1 2 由 和 fsmbmAfdHhf 可得 dTR LGP dBWPLTmbM 13206249 15 lg 0 lg 10 WT4539 26 19 如果上题中其它参数保持不变 仅工作频率改为 1800MHz 计算结果又是如何 解 1 由传播路径的自由空间中电波传播损耗公式 32 40lg 20lg fsLdBdkmfMHz 可得自由空间中电波传播损耗 11 17 54dB 80lg 2 1l 04 32 fsL 由基站天线高度增益因子图表可查的 hHb8 由移动台天线高度增益因子图表可查得 fm3 由准平坦地形大城市地区的基本中值损耗图表可得 dBA7 29 由传播路径的中值路径损耗公式 MfsmbmLfdHhf 可得 BLM245 1837 291 54 2 由 和 fsmbmAfdHhf 可得 dTR LGP dBWPLTmbM 13206245 18 lg 0 lg 10 WT5 87 20 试给出 Jakes 模型的信道仿真结果 结果中应包括输出的波形以及响应的功率谱 见 matlab 文件 jake1 m 12 第三章 思考题与习题 1 组网技术包括哪些主要问题 答 1 干扰对系统性能的影响 2 区域覆盖对系统性能的影响 3 支撑网络有序运行的要素 4 越区切换和位置管理 5 无线资源的有效共享 2 为何会存在同频干扰 同频干扰会带来什么样的问题 答 同频干扰是指所有落在接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰 这 些无用信号和有用信号一样 在超外差接收机经放大 变频而落在中频通带内 接收系 统无法滤出无用信号 从而产生同频干扰 同频干扰会带来的问题 影响链路性能 频率复用方案的选择和系统的容量限制等问 题 3 什么叫同频复用 同频复用系数取决于哪些因素 答 在移动通信系统中 为了提高频率利用率 在相隔一定距离以外 可以使用同的频 率 这称为同频复用 影响同频复用系数的因素有 一个区群 簇 中小区的个数 区群的大小 小区的 大小 形状等 4 为何说最佳的小区形状是正六边形 答 小区形状的设计要求 小区无空隙 无重叠的覆盖整个服务区域 全向天线辐射的覆盖区为圆形 不能无空隙 无重叠的覆盖整个区域 在考虑交叠之后 实际上每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形 满足无空隙 无重叠条件的小区形状有 三种 正三角形 正方形和正六边形 而在服务区面积一定的情况下 正六边形小区的 形状最接近理想的圆形 用它覆盖整个服务区所需的基站数最少 也就最经济 5 证明对于六边形系统 同频复用系数为 23QNiji 其 中 证明 同频复用系数 的定义为在同频些小区距离 与小区半径 的比值 Q D R 同频小区的距离也就是两个同频小区的中心距离 对于正六边形系统它是这样确 定的 从一个小区的中心出发 沿着一边的中垂线数 个小区 在向顺时针转 再向前i 06 13 数 个小区 起点和终点的两个小区的距离就是同频小区的距离 由余弦定理可得j 又因为 所以 即得证 RijiD 32 ijiN 2 NRDQ3 6 设某小区移动通信网 每个区群有 4 个小区 每个小区有 5 个信道 试用分区分组 配置法完成群内小区的信道配置 见书上 15 16 页和 6 页 答 根据分区分组配置法进行信道配置要满足无三阶互调干扰的要求 利用无三阶互调 干扰的原理可知道只需在无三阶互调干扰的信道组中初选一组信道组 将初选的信道组 进行平移就可以得到 在这里我们选用 1 2 5 11 13 利用上述思想可以得到 第一组 1 2 5 11 13 第二组 8 9 12 18 20 第三组 3 4 7 15 17 第四组 6 10 16 22 23 7 什么叫中心激励 什么叫顶点激励 采用顶点激励方式有什么好处 两者在信道的 配置上有何不同 答 所谓的 中心激励 方式是指在每个小区中 基站可以设在小区的中央 用全向天 线形成圆形覆盖区 所谓的 顶点激励 方式是指将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上 每个基 站采用 3 副 扇形辐射的定向天线 分别覆盖 3 个相邻小区的各三分之一区域 每个o120 小区由 3 副 扇形天线共同覆盖 采用顶点激励方式的好处 1 减小系统的同信道干扰 2 在不同的地点采用 多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区 中心激励采用的是全向天线来形成圆形覆盖区 在信道配置式每个基站只需配置一 组信道 顶点激励采用的是 3 副 扇形辐射的定向天线 在信道配置时每个基站要配o120 置三组信道 8 试绘出单位无线区群的小区个数 N 4 时 3 个单位区 群彼此邻接时的结构图形 假定小区半径为 r 邻近 的无线区群的同频小区的中心间距如何确定 邻近的无线区群的同频小区的中心间距为 r32 9 设某蜂窝移动通信网的小区辐射半径为 8km 根据同频干扰抑制的要求 同频小区之 间的距离应大于 40 km 问该网的区群应如何组成 试画出区群的构成图 群内各小 区的信道配置以及相邻同信道小区的分布图 14 答 因为 所以有 即 又因为RND3 kmD40 8 403 RN35 且 N 应取最小的 所以有 N 3 iji 2 该网的区群是由三个六边形的小区构成的 如右图 采用顶点激励 每个基站配置三组信道 向三个方向辐射 则每个 区群需要 9 个信道组 群内各小区的信道配置以及相邻同信道小区 的分布图如下图 10 移动通信网的某个小区共有 100 个用户 平均每用户 C 5 次 天 180 秒 次 0t K 15 问为保证呼损率小于 5 需共用的信道数是几个 若允许呼损率达 20 共 用信道数可节省几个 解 每个用户忙时话务量为 37 3601 8ErlCTKA 这个小区的总的话务量为 5U 查 Erl 呼损表可得公用的信道数为 8 个 若允许的呼损率达 通过查表可得所 20 需的信道数为 5 个 由此可以节省三个信道 11 某基站共有 10 个信道 现容纳 300 个用户 每用户忙时话务量为 0 03Erl 问此时 的呼损率为多少 如用户数及忙时话务量不变 使呼损率降为 5 求所增加的信道数 解 该基站总的话务量为 由于共有 10 个信道 由 Erl 903 ErlA 公式 可得此时的呼损率为 如用户数及忙时话务量不变 使呼损率 niiAB0 816 降为 5 查表可得所需的信道数为 14 增加了 4 个信道 12 什么叫信令 信令的功能是什么 答 信令是与通信有关的一系列控制信号 信令可以指导终端 交换系统及传输系统协 同运行 在指定的终端之间建立临时通信信道 并维护网络本身正常运行 13 7 号信令的协议体系包括哪些协议 7 号信令网络包括哪些主要部分 15 答 7 号信令系统的协议体系包括 MTP SCCP TCAP MAP OMAP 和 ISDN UP 等部分 7 号信令网络是与现行 PSTN 平行的一个独立网络 它由三个部分组成 信令点 SP 信令链路和信令转移点 STP 14 通信网中交换的作用是什么 移动通信中的交换与有线通信网中的交换有何不同 答 交换网络的作用是在控制系统的控制下 将任一输入线与输出线接通 移动通信中的交换具有有线通信网中的交换的三个阶段 即呼叫建立 消息传输和释放 移动通信网络中使用的交换机与有线网络中的交换机的主要不同是除了要完成常规交换 机的所有功能外 它还负责移动性管理和无线资源管理 包括越区切换 漫游 用户位置 登记管理等 15 什么叫越区切换 越区切换包括哪些问题 软切换和硬切换的差别是什么 答 越区切换是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另 一个基站的过程 该过程也称为自动链路转移 越区切换包括三个方面的问题 越区切换的准则 也就是何时需要进行越区切换 越区切换如何控制 越区切换时信道分配 硬切换是指在新的链路建立之前 先中断旧的链路 而软切换是指既维持旧的链路 又同时建立新的链路 并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量 并于新基站建立 可靠连接之后再中断旧链路 16 假设称为 Radio Knob 的小区有 57 个信道 每个基站的有效辐射功率为 32W 小 区半径为 10km 呼损率 5 假设平均呼叫的时间为 2 分钟 每个用户每小时平均有 2 次呼叫 而且 假设小区已经达到了最大容量 必须分裂为 4 个新的微小区以提供 同区域内的 4 倍容量 a Radio Knob 的当前容量为多少 b 新小区的半径和发射功率为多少 c 为了保持系统内的同频复用不变 每个新小区需要多少信道 解 由题中给出的 n 57 通过查 Erl 表可以得到总的话务量为 50Erl 5 B 因为 C 2 次 小时 T 2 分 次 由此可以得到每个用户话务量为 15602ErlA 所以总的用户数为 7501 户 AU a Radio Knob 的当前容量为 户 34 b 旧的小区的半径为 10km 小区的面积为 282 598 R m S 新的小区的面积为 405910 新的小区的半径为 1k 发射机功率 P1 Po 16 2W 取 n 4 16 c 若保持 不变 则每个新小区仍有 57 个信道 NQ3 第四章 思考题与习题 1 移动通信对调制技术的要求有哪些 在移动通信中 由于信号传播的条件恶劣和快衰落的影响 接收信号的幅度会发生 急剧的变化 因此 在移动通信中必须采用一些抗干扰性能强 误码性能好 频谱利用 率高的调制技术 尽可能地提高单位频带内传输数据的比特速率以适用于移动通信的要 求 具体要求 抗干扰性能要强 如采用恒包络角调制方式以抗严重的多径衰落影响 要尽可能地提高频谱利用率 占用频带要窄 带外辐射要小 在占用频带宽的情况下 单位频谱所容纳的用户数要尽可能多 同频复用的距离小 具有良好的误码性能 能提供较高的传输速率 使用方便 成本低 2 已调信号的带宽是如何定义的 信号带宽的定义通常都是基于信号功率谱密度 PSD 的某种度量 对于已调 带通 信号 它的功率谱密度与基带信号的功率谱密度有关 假设一个基带信号 2exp R tfjtgtsc 其中的 是基带信号 设 的功率谱密度为 则带通信号的功率谱密度如下 tgPg 41 cgcgs fffP 信号的绝对带宽定义为信号的非零值功率谱在频率上占据的范围 最为简单和广泛使用 17 的带宽度量是零点 零点带宽 半功率带宽定义为功率谱密度下降到一半时或者比峰值低 3dB 时的频率范围 联邦通信委员会 FCC 采纳的定义为占用频带内有信号功率的 99 3 QPSK OQPSK 的星座图和相位转移图有何差异 如图所示 I Q 1 1 1 1 1 1 1 1 QPSK 相位星座图 OPSK 相位星座图 QPSK 信号的相位有 900 突变和 1800 突变 OQPSK 信号的相位只有 900 跳变 而没 有 1800 的相位跳变 4 QPSK 和 OQPSK 的最大相位变化量分别为多少 各自有哪些优缺点 OPSK 的最大相位变化量为 1800 OPSK 最大相位变化量为 900 发送 QPSK 信号时 常常经过带通滤波 带限后的 QPSK 已不能保持恒包络 相邻符号之间发生 1800 相移时 经带限后会出现包络过零的现象 反映在频谱方面 出现旁瓣和频谱加宽现象 OQPSK 因为没有的 1800 相位跳变 相对于 QPSK 出现的旁瓣较小 但是 OQPSK 信号不能接受 差分检测 这是因为 OQPSK 在差分检测中会引入码间干扰 5 简述 MSK 调制和 FSK 调制的区别与联系 最小频移键控 MSK 是一种特殊的连续相位的频移键控 CPFSK 事实上 MSK 是 2FSK 的一种特殊情况 它是调制系数为 0 5 的连续相位的 FSK 它具有正交信号的最小 频差 在相邻符号的交界处保持连续 6 设输入数据为 16kbps 载频为 32kHz 若输入序列为 0010100011100110 试画出 MSK 信号的波形 并计算其空号和传号对应的频率 18 空号对应频率为 5 7133 104 2cbfT 传号对应频率为 6 8673 103 7 设输入序列为 00110010101111000001 试画出 GMSK 在 0 2 时的相位轨迹 bBT 并与 MSK 的相位轨迹进行比较 t t Tb 0 2 2 19 图中 实线为 MSK 的相位轨迹 虚线为 GMSK 的相位轨迹 很显然 MSK 的相位路径 在码元转换时刻有相位转折点 而 GMSK 通过引入可控的码间串扰 平滑了相位路径 8 GMSK 与 MSK 信号相比 其频谱特性得以改善的原因是什么 MSK 信号可由 FM 调制器产生 由于输入二进制非归零脉冲序列具有较宽的频谱 从而导致已调信号的带外衰减慢 GMSK 信号首先将输入的信息比特流经过高斯低通滤 波以后再送入 FM 调制 经过高斯滤波改善已调信号的带外特性 使其衰减速度加快 GMSK 通过高斯滤波引入可控的码间干扰 即部分响应波形 来达到平滑相位路径的目 的 它消除了 MSK 相位路径在码元转换时刻的相位转折点 9 已知 GSM 系统 SNR 10dB 试求其带宽有效性 题目改为在 GMSK 调制方式下 0 25 SNR 10dB 试求其带宽有效性bBT SNR 10dB 得到 10 其信号功率占用百分比为 90 01 log EN 查表得到 0 57 那么带宽有效性 1 75 bit HzbBbRbRB 10 在正交振幅调制中 应按什么样的准则来设计信号结构 对于 QAM 调制而言 如何设计 QAM 信号的结构不仅影响到已调信号的功率谱特性 而且影响已调信号的解调及其性能 常用的设计准则是在信号功率相同的条件下 选择 信号空间中信号点之间距离最大的信号结构 当然还要考虑解调的复杂性 11 方型 QAM 星座与星型 QAM 星座有何异同 星型 QAM 星座的振幅环要比同等进制的方型 QAM 星座要少 相位种数也比方型少 改善了性能 有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪 12 扩频调制有哪些特点 扩频调制有哪几类 分别是什么 扩频调制系统具有许多优良的特性 系统的抗干扰性能非常好 特别适合于在无线 移动环境中应用 扩频系统有以下一些特点 具有选择地址 用户 的能力 信号的功率谱密度较低 所以信号具有较好的隐蔽性并且功率污染较小 20 比较容易进行数字加密 防止窃听 在共用信道中能实现码分多址复用 有很强的抗干扰性 可以在较低的信噪比条件下保证系统的传输质量 抗衰落的能力强 多用户共享相同的信道 无须进行频率规划 目前 最基本的展宽频谱的方法有两种 直接序列调制 简称直接扩频 DS 这种方法采用比特率非常高的数字编码的随 机序列去调制载波 使信号带宽远大于原始信号带宽 频率跳变调制 简称跳频 FH 这种方法则是用较低速率编码序列的指令去控制 载波的中心频率 使其离散地在一个给定频带内跳变 形成一个宽带的离散频率谱 对 于上述基本调制方法还可以进行不同的组合 形成各种混合系统 比如跳频 直扩系统等 13 PN 序列有哪些特征使得它具有类似噪声的性质 虽然 PN 序列是确定的 但是具有很多类似随机二进制序列的性质 例如 0 和 1 的数 目大致相同 将序列平移后和原序列的相关性很小 任意两个序列的互相关函数很小等 14 简要说明直接序列扩频和解扩的原理 直接序列扩频的实质是用一组编码序列调制载波 其调制过程可以简化为将信号通过 速率很高的伪随机序列进行调制将其频谱展宽 再进行射频调制 通常多采用 PSK 调制 其输出就是扩展频谱的射频信号 最后经天线辐射出去 而在接收端 射频信号经过混频后变为中频信号 将它与发送端相同的本地编码序列 反扩展 使得宽带信号恢复成窄带信号 这个过程就是解扩 解扩后的中频窄带信号经 普通信息解调器进行解调 恢复成原始的信码 15 简要说明跳频扩频和解扩的原理 跳频扩频技术通过看似随机的载波跳频达到传输数据的目的 而这只有相应的接收机 知道 跳频系统用信源数据去调制频率合成器产生的载频 得到射频信号 频率合成器 产生的载频受伪随机码的控制 按一定规律跳变 在接收端 接收到的信号与干扰经宽带滤波送至混频器 接收机的本振信号也是一频 率跳变信号 跳变规律是相同的 两个合成器产生的频率相对应 但对应的频率有一频 差 fI 正好为接收机的中频 只要收发双方的伪随机码同步 就可以使收发双方的跳频源 频率合成器产生的跳变频率同步 经混频后 就可得到一不变的中频信号 然后对此 中频信号进行解调 就可恢复出发送的信息 21 16 比较分析直接序列扩频和跳频的优缺点 1 抗强固频干扰 两种系统抗干扰的机理不同 直扩系统靠伪随机码的相关处理 降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的 而跳频系统是靠载频的随机跳变 将 干扰排斥在接收通道之外达到抗干扰目的 因此 跳频系统抗强固频干扰能力优于直扩 系统 2 抗衰落特别是抗选择性衰落直扩优于跳频 直扩系统的射频带宽很宽 小部分频谱 衰落不会使信号严重畸变 而跳频系统将导致部分频率受到影响 3 抗多径 由于直扩系统要用伪随机码的相关接收 只要多径时延大于一个伪随机码 的切普宽度 这种多径不会对直扩形成干扰 甚至可以利用多径分量 而跳频抗多径的 惟一办法是提高跳频速率 而实现高速跳频速率是较困难的 4 远 近 效应 远 近 效应对直扩系统影响很大 而对于跳频系统的影响就 小得多 这是因为接收机由于距离关系 干扰信号可能比有用信号要强得多 如果超过 干扰容限就会干扰接收机正常工作 而跳频采用躲避的方法 不在同一频率 接收机前 端对干扰的衰减很大 5 同步 由于直扩系统的伪随机码速率比跳频的伪随机码速率高地多 而且码也长得 多 因此直扩系统的同步精度要求高 同步时间长 入网慢 而跳频则快得多 17 为什么扩频信号能够有效地抑制窄带干扰 扩频系统通过相关接收 将干扰功率扩展到很宽的频带上去 使进入信号频带内的干 扰功率大大降低 提高了解调器输入端的信干比 从而提高系统的抗干扰性能 18 多载波调制的基本原理是什么 多载波调制的基本原理是 它将高速率的信息数据流经串 并变换 分割为若干路低 速数据流 然后每路低速数据流采用一个独立的载波调制并迭加在一起构成发送信号 在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收 获得低速率信息数据后 再通过 并 串变换得到原来的高速信号 19 为什么需要采用自适应编码调制 实际的无线信道具有两大特点 时变特性和衰落特性 因此 无线信道的信道容量也 是一个时变的随机变量 要最大限度地利用信道容量 只有使发送速率也是一个随信道 容量变化的量 也就是使编码调制方式具有自适应特性 自适应调制和编码 AMC 根 据信道的情况确定当前信道的容量 根据容量确定合适的编码调制方式等 以便最大限 度地发送信息 实现比较高的传输速率 22 第五章思考题与习题 1 分集技术的基本思想是什么 答 分集技术是一项典型的抗衰落技术 其基本思想是通过查找和利用自然界无线 传播环境中独立的 高度不相关的多径信号来提高多径衰落信道下的传输可靠性 2 合并方式有哪几种 哪一种可以获得最大的输出信噪比 为什么 答 合并方法主要有 选择合并 最大比合并 等增益合并 最大比合并能获得最大 信噪比 这是因为合并时对每一支路的信号都加以利用 而且给予不同的加权 信噪比 大的支路加权大 这一路在合并器输出中的贡献也就大 反之 信噪比小的支路加权小 贡献也就小 最大比合并输出可得到的最大信噪比为各支路信噪比之和 3 要求 DPSK 信号的误比特率为 时 若采用 的选择合并 要求信号平均信310 2M 噪比是多少 dB 没有分集时又是多少 采用最大比值合并时重复上述工作 解 1 由已知条件可知2310bP 因为二进制 DPSK 误码率与信噪比之间符合 012bNbPe 采用 的选择合并 信号平均信噪比2M 0ln4 1i bdB 2 没有分集时 310bP 0ln27 93bdBN 3 最大比合并输出可得到的最大信噪比为各支路信噪比之和 所以每一条支路的 信噪比 1 962i d 4 简述几种传统的自适应均衡算法的思想 23 答 1 LMS 自适应均衡算法 LMS 算法基于最小均方误差准则 使均衡器的输出信号与期望输出信号之间的均方 误差 最小 LMS 算法是线性自适应滤波算法 一般来说它包含两个过程 一2 Een 是滤波过程 包括计算线性滤波器输出对输入信号的响应 通过比较输出结果与期望响 应产生估计误差 二是自适应过程 根据估计误差自动调整滤波器参数 这两个过程一起工作组成一个反馈环 首先有一个横向滤波器 该部件的作用在于 完成滤波过程 其次有一个对横向滤波器抽头权重进行自适应控制过程的算法 算法的 迭代公式如下 T endn X W12ue 在滤波过程中 给定一个输入 横向滤波器产生一个输出 作为期望响 n x d 应 的估计 估计误差 定义为期望响应与实际滤波器输出之差 估计误差 dnen 与抽头输入向量 都被加到自适应控制部分 估计误差 步长参数 与抽eX eu 头输入 的积为均衡器系统的矫正量 它将在第 次迭代中应用于 1n nW 为自适应均衡器在时刻 的权系数向量 LMS 算法收敛的条件为 nWn 是输入信号自相关矩阵的最大特征值 max01 u a 2 RLS 自适应均衡算法 RLS 算法基于最小二乘准则 调整自适应滤波器的权系数向量 使估计误差的n 加权平方和 最小 RLS 算法对输入信号的自相关矩阵 的逆21 niiJe xR 进行递推估计更新 收敛速度快 其收敛性能与输入信号的频谱特性无关 但是 RLS 算法的计算复杂度很高 所需的存储量极大 不利于实时实现 倘若被估计的自相关矩 阵的逆失去了正定特性 这还将引起算法发散 为了减小 RLS 算法的计算复杂度 并保 留 RLS 算法收敛速度快的特点 产生了许多改进的 RLS 算法 如快速 RLS Fast RLS 算法 快速递推最小二乘格型 Fast Recursive Least Squares Lattice 算法等 这些算法的 计算复杂度低于 RLS 算法 但它们都存在数值稳定性问题 5 码片均衡的思想是什么 它有什么特点 24 答 码片均衡的思想是对接收到的码片波形在解扰 解扩之前进行码片级的自适应均 衡 它的特点是有效恢复了被多径信道破坏的用户之间的正交性 抑制了多址干扰 研 究表明 利用码片均衡原理实现的码片均衡器 其性能优于 RAKE 接收机 6 RLS 算法与 LMS 算法的主要异同点 答 LMS 算法使均衡器的输出信号与期望输出信号之间的均方误差 最小 2 Een 基于最小均方误差准则 优点是结构简单 鲁棒性强 其缺点是收敛速度很慢 RLS 算 法基于最小二乘准则 调整自适应滤波器的权系数向量 使估计误差的加权平方nW 和 最小 RLS 算法对输入信号的自相关矩阵 的逆进行递推21 niiJe xR 估计更新 因此收敛速度快 其收敛性能与输入信号的频谱特性无关 但是 RLS 算法的 计算复杂度很高 所需的存储量极大 不利于实时实现 倘若被估计的自相关矩阵的逆 失去了正定特性 还将引起算法发散 7 RAKE 接收机的工作原理是什么 答 由于在多径信号中含有可以利用的信息 所以 CDMA 接收机可以通过合并多径信 号来改善接收信号的信噪比 其实 RAKE 接收机所作的就是 通过多个相关检测器接收多 径信号中的各路信号 并把它们合并在一起 图题 5 1 1 所示为一个 RAKE 接收机 它是 专为 CDMA 系统设计的分集接收器 其理论基础就是 当传播时延超过一个码片周期时 多径信号实际上可被看作是互不相关的 0 mt 1 t tr中 频 或 基 带 CDMA多 径 信 号 相 关 器 1 求 和 积 分 积 分 比 较 输 出 相 关 器 2 相 关 器 L 图题 5 1 1 RAKE 接收机结构图 RAKE 接收机利用多个相关器分别检测多径信号中最强的 L 个支路信号 然后对每 个相关器的输出进行加权 以提供优于单路相关器的信号检测 然后再在此基础上进 行解调和判决 25 8 均衡器有哪些类型 答 均衡器按技术类型可以分为两类 线性和非线性 两类均衡器的差别主要在于 均衡器的输出是否用于反馈控制 均衡器按检测级别可分为 码片均衡器 符号均衡器 和序列均衡器三类 均衡器按其频谱效率可分为可分成三类 基于训练序列的均衡 盲 均衡 BE Blind Equalization 与半盲均衡 均衡器按其所处位置又可分为两类 预均衡 与均衡 均衡器通常都放在接收端 而预均衡器是放在发射端 均衡器按照采样间隔又 可分为符号间隔均衡与分数间隔均衡器 均衡器按变换域又可分为时域均衡与频域均衡 9 假定有一个两抽头的自适应均衡器如图题 5 1 所示 写出前三次迭代过程 1Z kysin 2 N 0w 1 k01kxwy kero k2cos dN 图题 5 1 一个两抽头的自适应均衡器 解 1 第一次迭代 sin2 kykN 1 1 01 kkkxwyy edx 2 第二次迭代 步长因子为 u00 1 key 11w 0 2 2 2 kkkxywyedx 3 第三次迭代 00 2 2kwuey 26 11 3 2 2kwuey 03 k kxw kkedx 10 假定一个移动通信系统的工作频率为 900 MHz 移动速度 v 80 km h 试求 1 信道的相干时间 2 假定符号速率为 24 3ks s 在不更新均衡器系数的情况下 最多可以传输多少个 符号 解 1 290 43 20 436 ms6cmcTffvf 2 最多可以传的符号数 4 3 2430 6415cNkbsT 11 空时编码抗衰落的原理是什么 答 空时编码 STC 是信道编码设计和发送分集的结合 其实质是空间和时间二维信号 处理的结合 在空间上将一个数据流在多个天线上发射 在时间上把信号在不同的时隙 内发射 从而建立了空间分离信号 空域 和时间分离信号 时域 之间的关系 27 第六章 思考题与习题 1 试说明多址接入方式的基本原理 以及什么是 FDMA TDMA 和 CDMA 方式 答 多址接入方式的基本原理利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址 为了实现多址信号之间互不干扰 无线电信号之间必须满足正交特性 当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时 称为频分多址 FDMA 方 式 当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时 称为时分多址 TDMA 方 式 当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时 称为码分多址 CDMA 方式 2 试说明 FDMA 系统的特点 答 FDMA 系统有以下特点 1 每信道占用一个载频 相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求 2 符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的 3 基站复杂庞大 重复设置收发信设备 4 FDMA 系统每载波单个信道的设计 使得在接收设备中必须使用带通滤波器允 许指定信道里的信号通过 滤除其它频率的信号 从而限制邻近信道间的相互干扰 5 越区切换较为复杂和困难 3 试说明 TDMA 系统的特点 答 TDMA 系统有以下特点 1 突发传输的速率高 远大于语音编码速率 每路编码速率设为 R bit s 共 N 个 时隙 则在这个载波上传输的速率将大于 NR bit s 这是因为 TDMA 系统中需要较高的 同步开销 同步技术是 TDMA 系统正常工作的重要保证 2 发射信号速率随 N 的增大而提高 如果达到 100 kbit s 以上 码间串扰就将加 大 必须采用自适应均衡 用以补偿传输失真 3 TDMA 用不同的时隙来发射和接收 因此 采用时分双工时 可不需要双工器 4 基站复杂性减小 5 抗干扰能力强 频率利用率高 系统容量较大 6 越区切换简单 4 蜂窝系统采用 CDMA 方式有哪些优越性 答 1 CDMA 系统的许多用户共享同一频率 2 通信容量大 3 容量的软特性 4 由于信号被扩展在一较宽频谱上 所以可减小多径衰落 5 在 CDMA 系统中 信道数据速率很高 28 6 平滑的软切换和有效的宏分集 7 低信号功率谱密度 5 设系统采用 FDMA 多址方式 信道带宽为 25kHz 问在 FDD 方式下 系统同时支持 100 路双向话音传输 则需要多大系统带宽 解 每一路信号占用一个信道 又由于系统采用的是 FDD 方式 上下行链路各采用 一个信道 所以上下行链路各需要的系统带宽为 25102 5kHzMz 6 什么是 m 序列 m 序列的性质有哪些 答 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称 它是由带线性反馈的移存器产生的 周期最长的一种序列 m 序列的性质 m 序列一个周期内 1 和 0 的码元数大致相等 1 比 0 只多一个 m 序列中连续为 1 或 0 的那些元素称为游程 在一个游程中元素的个数称 为游程长度 一个周期 内 长度为 1 的游程占总游程数的 1 2 长度为 2 的游2Pn 程占 1 4 长度为 3 的游程占 1 8 这样 长度为 k 1 k n 一 1 的游程占总游程数的 1 2k 在长度为 k 1 k 的游程中 连 1 的游程和 0 的游程各占一半 而且 只有一个包含 n 一 1 个 0 的游程 也只有一个包含 n 个 1 的游程 m 序列和其移位后的序列逐位模 2 加 所得的序列还是 m 序列 只是相位不同 m 序列发生器中的移位寄存器的各种状态 除全 0 外 其它状态在一个周期内只 出现一次 7 空分多址的特点是什么 空分多址可否与 FDMA TDMA 和 CDMA 相结合 为什么 答 空分多址的特点是 a 通过空间的分隔来区分不同的用户 b 利用无线的方向性波束将小区划分成不同的子空间来实现空间的正交分割 c 可以在不同的用户方向上形成不同的波束 d 可以增加系统容量 空分多址可以与 FDMA TDMA CDMA 相结合 因为在不同波束里的用户 干扰 很小 在同一波束覆盖范围的不同用户就跟一般的蜂窝系统的一个小区差不多 在这个 覆盖区域中 我们可以利于利用和 FDMA TDMA CDMA 相结合来进一步提高系统的 容量 8 何为 OFDMA 它有何特点 答 OFDMA 是每个用户分配一个 OFDM 符号中的一个子载波或一组子载波 以子 载波频率的不同来区分用户 是正交频分多址接入 OFDMA 是一种灵活的多址方式 它具有以下特点 1 OFDMA 系统可以不受小区内的干扰 2 OFDMA 可以灵活地适应带宽的要求 3 当用户的传输速率提高时 直扩 CDMA 的扩频增益有所降低 这样就会损失 扩频系统的优势 而 OFDMA 可与动态信道分配技术相结合 以支持高速率的数据传输 9 何为 OFDM TDMA 它有何特点 29 答 OFDM TDMA 是 OFDM 调制技术与 TDMA 多址技术相结合而用来实现多用户 OFDM 系统 OFDM TDMA 多址接入有如下特点 1 OFDM TDMA 方案在特定 OFDM 符号内将全部带宽分配给一个用户 该方案 不可避免地存在带宽资源浪费 频率利用率较低和灵活性差等不足 2 OFDM TDMA 方案的信令开销很大程度上取决于是否采用滤除具有较低信噪 比子载波的技术和自适应调制 编码技术 采用这些技术虽然可以改善性能但也会增加信 令开销 10 简述 OFDM 与 CDMA 结合的必要性 并说明不同结合形式的原理与特点 答 当用户的传输速率提高时 直扩 CDMA 的扩频增益有所降低 这样就会损失扩 频系统的优势 而 OFDM 可以解决信道的时间弥散性问题 CDMA 技术和 OFDM 技术 各有利弊 将二者结合起来 取长补短 以达到更好的通信传输效果 OFDM 与 CDMA 结合有以下三种形式 1 MC DS CDMA 原理是发送数据序列 假定这个序列已经过映射 调制 首 先经过串并变换变成 Nc 路并行输出 然后并行的每路数据由相同的短扩频码序列 扩频 最后对这 Nc 路数据进行 OFDM 调制 特点是每个符号在多载波上传送 可以应用分集合并技术 比其它多载波扩频系统的实现更复杂 2 MT CDMA 发射设备也利用给定扩频序列在时域扩频 但是 与 MC DS CDMA 不同的是串并转换后的数据先进行 OFDM 调制 然后再求和 最后再对 求和信号进行长扩频序列的时域扩频 特点是对上行传输链路比较有利 因为它 不需要用户间的同步 3 MC CDMA 系统采用频域扩频的方式 其基本过程是 每个信息符号由一个特 定的扩频码片进行扩频 然后将扩频以后的每个符号调制到一个子载波上 因此 若扩频码的长度为 则对应的这 个子载波传输的是相同的信息数据 cNc 特点 MC CDMA 具有最佳的频谱分布 抗干扰能力强 而且发射机的实现较 简单 应用长扩频码在降低自干扰和多址干扰上取得的效果 可以与传统的 CDMA 系统的特性相比 检测器可以非相关地独立进行 各个子载波在同一物理信道中心部 分的频谱叠加成分最多 频谱分布不均匀 导致调制信号要经历码间干扰和信道间干 扰 11 如果一个 GSM 时隙由六个尾比特 8 25 个保护比特 26 个训练比特和 2 组业务码组 组成 其中每一业务码组由 58 比特组成 试求帧效率 解 一个 GSM 时隙长为 比特 每一个时隙68 252156 N 个 传输的业务码比特为 116 个 所以帧的效率为 4 708 12 试述 CSMA 多址协议与 ALOHA 多址协议的区别与联系 答 ALOHA 协议是任何一个用户随时有数据分组要发送 它就立刻接入信道进行发送 发送结束后 在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答 如果在一个给定的时 间区间内 没有收到对方的认可应答 则重发刚发的数据分组 由于在同一信道上 多 个用户独立随机地发送分组 就会出现多个分组发生碰撞的情况 碰撞的分组经过随机 30 时延后重传 在 CSMA 协议中 每个节点在发送前 首先要侦听信道是否有分组在传输 若信道空闲 没有检测到载波 才可以发送 若信道忙 则按照设定的准则推迟发送 在 ALOHA 协议中 各个节点的发射是相互独立的 即各节点的发送与否与信道状态 无关 CSMA 协议是在 ALOHA 协议的基本原理的基础上 为了提高信道的通过量 减少碰 撞概率 而出现的一种多址协议 13 试证明 ALOHA 协议的最大通过率为