无线通信原理与应用期末考试题.doc

第一章1 短距离无线通信的特点1) 无线发射功率在uW到100mW量级2) 通信距离在几厘米到几百米3) 应用场景众多，特别是频率资源稀缺情况4) 使用全向天线和线路板天线5) 不需申请频率资源使用许可证6) 无中心，自组网7) 电池供电2 频分复用和时分复用的特点和区别？频分复用（FDD）同时为用户和基站提供了无线电传输信道，这样可以在发送信号的同时接收到来的信号。在基站中，使用不同的发射天线和接收天线以对应分离的信道。然而在用户单元中，使用单个天线来传输和接收信号，并使用一种称为双工器的设备来实现同一天线上的信号传输与接收。对于FDD系统，发送和接收的信道频率至少要间隔标称频率的5%，以保证在廉价的制造成本下能够提供具备足够隔离度的双工器时分复用（TDD）方式即在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信道的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以通过存储用户数据然后突发的方式来实现单一信道上的全双工操作。TDD只在数字传输和数字调制时才可以使用，并且对定时很敏感。3 蜂窝移动电话系统的结构和各部分的作用？蜂窝电话系统为在无线覆盖范围内的、任何地点的用户提供公用电话交换网的无线接入。蜂窝系统能在有限的频带范围中于很大的地理范围内容纳大量用户，它提供了和有线电话系统相当的高通话质量。获得高容量的原因，是由于它将每个基站发射站的覆盖范围限制到称为“小区”的小块地理区域。这样，相距不远的另一个基站里可以使用相同的无线信道。一种称为“切换”的复杂的交换技术，确保了当用户从一个小区移动到另一个小区时不会中断通话。一个蜂窝移动电话系统包括移动台、基站和移动交换中心（MSC）。移动交换中心负责在蜂窝系统中将所有的移动用户连接到公用电话交换网上，有时MSC也称为移动电话交换局（MTSO）。每个移动用户通过无线链路和某一个基站通信，在通话过程中，可能会切换到其他任何一个基站。移动台包括收发器、天线和控制电路，可以安装在机动车辆上或作为便携手机使用。基站包括几个同时处理全双工通信的发射机、接收机以及支持多个发送和接受天线的塔。基站担当者“桥”的功能，将小区中所有的通话通过电话线或微波线路连接到MSC.MSC协调所有基站的操作，并将整个蜂窝系统连接到PSTN上。ss第二章1 比较1G、2G、3G的各自传输的特点及其相应的技术。1G主要用于模拟话音的传输，主要技术有NMT、AMPS、TACS2G主要用于数字语音和低速率数据(小于64Kbps)的传输，主要的技术有GSM、PDC、D-AMPS3G主要用于多媒体服务业务的传输，主要技术有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA第三章1 证明：在蜂窝系统中用六边形作为覆盖模型？提示：当考虑要覆盖整个区域而没有重叠和间隙的几何形状时，只有三种可能的选择：正方形、等边三角形和六边形。小区设计应能为不规则覆盖区域内的最弱信号的移动台服务，具有代表性的是处于小区边界的移动台。如果多边形中心与它的边界上最远点之间的距离是确定的，那么六边形在这三种几何形状中具有最大的面积2 一个 FDD 蜂窝电话系统，总带宽为33 MHz，使用两个25 kHz 作为双向的话音和控制信道，当系统为(a)4小区复用、(b)7小区复用、(c)12小区复用的情况时，计算每一小区中可用信道的数目。如果其中已有1 MHz 作为控制信道使用，确定在以上三种系统中，每一个小区的控制信道和话音信道的均匀分配方案。解：已知：总带宽 = 33 MHz信道带宽 = 25 kHz 2 单向信道 = 50 kHz/ 双向信道总的可用信道 = 33 000/50 = 660 个信道(a) N = 4每个小区的信道数目 = 660/4 165 个信道(b) N = 7每个小区的信道数目 = 660/7 95 个信道(c) N = 12每个小区的信道数目 = 660/12 55 个信道当控制信道占用1 MHz 频谱时，意味着控制信道占用了660 个可用信道中的1000/50 = 20 个，要均匀地分配控制和话音信道，只需简单地在任何地方给每个小区分配相同数目的信道。在这里，660 个信道必须均匀地分配给簇中的小区。实际上，只有640 个信道需要分配，因为控制信道是独立地分配给每一个小区的。(a) N = 4 时，每个小区可以有5 个控制信道和160 个话音信道。然而，在实际中，每个小区只需一个控制信道（控制信道的复用距离比话音信道的大）。因此，每个小区就分配一个控制信道和160 个话音信道。(b) N = 7 时，其中4 个小区的每一个可以有3 个控制信道和92 个话音信道，2 个小区的每一个可以有3 个控制信道和90 个话音信道，还有一个小区可以有2 个控制信道和92 个话音信道。然而，实际情况是每个小区有一个控制信道，其中的4 个小区各有91 个话音信道，另外3 个小区各有92 个信道。(c) N = 12 时，其中8 个小区的每一个可以有2 个控制信道和53 个话音信道，4 个小区的每一个可以有1 个控制信道和54 个话音信道。然而，在一个实际的系统中，每个小区有1 个控制信道，其中8 个小区各有53 个话音信道，另外4 个小区各有54 个话音信道。3 移动用户从一个小区切换到另一个小区时的呼叫处理方面会采用信道分配策略，那么信道分配策略的种类及其含义？信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。在固定的信道分配策略中，给每个小区分配一组事先确定好的话音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道。如果该小区中的所有信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服务。固定分配策略也有许多变种。其中一种方案称为借用策略，如果它自己的所有信道都已被占用，那么允许该小区从相邻小区中借用信道。由移动交换中心（MSC）来管理这样的借用过程，并且保证一个信道的借用不会中断或干扰接触小区的任何一个正在进行的呼叫。在动态的信道分配策略中，话音信道不是固定地分配给每个小区。相反，每次呼叫请求到来时，为它服务的基站就向MSC请求一个信道。交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道。这种算法考虑了该小区以后呼叫阻塞的可能性、候选信道使用的频率、信道的复用距离及其他的开销。因此，MSC 只分配符合以下条件的某一频率：这个小区没有使用该频率；而且，任何为了避免同频干扰而限定的最小频率复用距离内的小区也都没有使用该频率。动态的信道分配策略降低了阻塞的可能性，从而增加了系统的中继能力，因为系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。动态的信道分配策略要求MSC连续实时地收集关于信道占用情况、话务量分布情况、所有信道的无线信号强度指示等数据。这增加了系统的存储和计算量，但有利于提高信道的利用效率和减小呼叫阻塞的概率。4 为了保证蜂窝系统的前向信道具有良好性能，要求的信干比为 15 dB。求当路径衰减指数(a) n = 4、(b) n = 3 时，要获得最大的容量需要多大的频率复用因子和簇大小？假设第一层中有六个同频小区，并且它们与移动台之间的距离都相同。可用适当的近似。解：(a) n = 4首先，让我们考虑一个7 小区复用模型。根据式(3.4)，同频复用比例D/R = 4.583。根据式(3.9)，信噪比为S/I = (1/6)(4.583)4 = 75.3 = 18.66 dB由于它大于所要求的最小信噪比S/I，所以N = 7 可用。(b) n = 3首先，考虑一个7 小区复用模型。根据式(3.9)，信噪比为S/I = (1/6)(4.583)3 = 16.04 = 12.05 dB由于它小于所要求的最小信噪比S/I，所以要用一个更大的N。根据式(3.3)，下一个可用的N 值为12（i = j = 2）。根据式(3.4)可得相应的同频比例为D/R = 6.0根据式(3.3)，信噪比为S/I = (1/6)(6)3 = 36 = 15.56 dB由于它大于所要求的最小信噪比S/I，所以N = 12 可用。5 提高蜂窝系统容量的方法？提示：小区分裂、裂向、分布式天线系统s6 证明对于六边形系统，同频复用因子为，其中.证明：为了找到某一特定的小区的相距最近的同频小区，可以按照以下步骤进行：（1）沿着任何一条六边形链移动i个小区；（2）逆方向旋转60再移动j个小区。如图3.1所示。在移动过程中，是以小区的中心为拐点，沿着小区的最短路径移动的。图3.1 在蜂窝系统中定位同频小区，其中，N=19(i=3,j=2)因此，可以得到，即得证。7 假设你获得了美国蜂窝系统（许可证的申请费仅为500美元）的许可证。你的许可证可以覆盖140平方公里。假设每个基站的费用为50万美元，每个MTSO的费用为150万美元。另外，需要额外的50万美元作为广告和开始业务的费用。银行已经答应贷款600万美元，如果你想在4年内收入1000万美元，并且偿还贷款。（a）如果有600万美元，你可以安装多少个基站（即小区站点）？（b）假设地球是个平面，用户在地面上均匀分布，每个基站的覆盖区域可以假设为多大？假设为六边形蜂窝，小区半径为多少？（c）假设4年内每个用户平均每月支付50美元，假设当系统开通的第一天，就有一定数量的用户（并假设这些用户有一定的话务量）。每个新年的第一天，你的用户数码翻一番，为了在4年内能收入1000万美元，在系统开通的第一天，最少应该拥有多少用户？（d）根据c的答案，为了在4年内收入1000万美元，在你系统开通的第一天，没平方公里应该有多少用户？解：(a)已知贷款：，一个MTSO的费用：,每个基站的费用：，广告和开始业务费用：，则可以安装的基站个数：（b）因为N=8且许可可以覆盖140平方公里的范围，所以每个基站可以覆盖的范围为，由六边形的面积公式得：可得：，所以，小区的半径为。（c）设系统开通的第一天拥有的用户为X；因为4年每年翻一番，之后3年的用户为：2X、4X、8X,所以四年的总收入为：A=(X+2X+4X+8X)*50*12=9000X;若要使四年的收入达到1000万元，即：9000X=，可得X=1111.1，所以一天最少拥有1112名客户。（d）由（c）的结果得X=1112，所以每平方公里应该有的客户数量为： 第四章1证明：在自由空间模型下的路径损耗为，其中d的单位是km，f的单位是MHz。解：当包括天线增益时，自由空间的路径损耗为： 当不包括天线增益时，假设天线具有单位增益，其路径损耗为：其中，则由于d的单位是km，f的单位是MHz。即得证。2证明：在双线地面反射模型中，说明在什么情况下这一近似是合理的？ 图7.2 计算视距和地面反射路径差的映像方法方法一：使用上图所示的映像方法，视距和地面反射的路径差为：当T-R间距d远远大于时，可利用泰勒级数进行简化：即：方法二：由图可得： （1）=由于，则可得所以由泰勒级数可知，所以（1）式可以化简为：=3在双线地面反射模型中，假定要保持在6.261弧度一下。假设接收机高度为2m，小于5度，求解T-R距离和发射机天线高度的最小允许值。载频为900MHz。解：当时，可得由此可以推出由图p4.9可知，故由题可知，带入上式可得，从而可得的最小值为37.7m。4 假设室内路径损耗模型为：其中d的测量单位为m，当FAF为每楼层5dB时，计算相隔3个楼层的平均接受功率。假设发射机功率20dBm，发射和接受天线都为单位增益。发射机与接收机之间穿过楼层的直线距离为15m 解：根据题目意思得到如下公式：设定，则上式变为。又根据发射机的功率为，所以相隔3个楼层的接收功率是：。5 距离发射机100m、200m、1km和3km处分别得到接收功率的测量值。测量值由下表给出。在d0=100m处：(a)求对于路径损耗指数n的最小均方根误差估计；(b)计算标准偏差；(c)运用结果模型估计d=2km处的接收功率；(d)预测2km处电平大于-60dBm的概率；(e)在2km半径的小区内，接收信号大于-60dBm 的覆盖面积百分比，给定(d)中的结果；(f)估计d=1000m的接收功率。第五章1. 假设有一个传播信号，其信号成高斯（正态）分布，工作频率fc为1GHz，移动速度为60km/h,计算该信号移动20m需采样多少样值？解：已知 则, 时间上，取样样值间隔为：移动20m所用的总时间是：因此，所需样值数目为：个样值空间上，取样样值间隔为：因此，移动20m距离所需样值数目为： 个样值2 进行小尺度传播测量需要确定适当的空间取样间隔，以保证连续取样值之间有很强的时间相关性。在fc=1900MHz及v=50m/s情况下，移动10m需要多少个样值？假设测量能够在运动的车辆上实时进行，则进行这些测量需要多少时间？信道的多普勒扩展BD为多少？3 计算下图所给出的多径分布的平均附加时延、rms时延及最大附加时延（10dB）。设信道相干带宽取50%.S4 小尺度衰落的类型及其条件？移动无线信道中的时间色散和频率色散机制可能导致4种显著的效应，这些是由发送5通过图4-1计算电平通过率（LCR）和平均衰落持续时间（AFD），进而计算信号的误码率。图4-1 信号随时间变化的分布曲线图电平通过率（level crossing rate, LCR）：单位时间内接受信号电平以正斜率通过某一特定电平的次数。平均衰落持续时间（average fade duration, AFD）：信号电平低于某一特定电平的平均时间。由图4-1可知：LCR=6次/sGSM系统的数据速率是9.6kbps,那么GSM系统的码元周期是：则此区间的平均误码个数：每秒的误码个数：因此误码率：6证明沃尔什矩阵是正交的在正交编码理论中，阿达玛矩阵具有非常重要的作用，因为它的每一行和每一列都是一个正交码组。若将阿达玛矩阵中的各行按符号改变的次数由少到多排列，则得到沃尔什矩阵。下面来证明阿达玛矩阵的正交性。数学归纳法：阿达玛的数学推导公式如下所示：(1) n=1时，有最低阶的阿达玛矩阵，即（二阶的），如下式。则可以得出其每一行和每一列均为正交码。(2) n=2时，阿达玛矩阵为也可以得出其每一行和每一列均为正交码。(3) n=k时，阿达玛矩阵为，由上面推导可知，它是由阶的正交矩阵构成的，因此其每一行和每一列也均为正交码。综上所述，阿达玛为正交矩阵。而沃尔什码是将阿达玛矩阵中的各行按符号改变的次数由少到多排列的，那么沃尔什码也是正交码。即得证。7一个m级的移位寄存器产生的PN序列的长度是多少（IS-95中），对于长为的PN序列需要多少寄存器，的PN序列呢。PN序列（Pseudo-noise Sequence）伪噪声序列。这类序列具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。PN序列有多种，其中最基本常用的一种是最长线形反馈移位寄存器序列，也称作m序列，通常由反馈移位寄存器产生，有很好的自相关性和较好的互相关特性。在IS-95中反向信道中，选择了m序列的PN码作为地址码，利用了 不同相位m序列几乎正交的特性来为每个用户服务。长度为2n-1位的m序列可以用n级线性移位寄存器来产生。则，一个m级的移位寄存器产生的PN序列的长度是（IS-95中），对于长为的PN序列需要42个移位寄存器，长为的PN序列需要15个移位寄存器。CDMA中用到的PN序列可以分为长PN码（长码）和短PN码（短码），长PN码可用于区分不同的用户，短PN码用于区分不同的基站。8 影响小尺度衰落的因素？提示：多径传播、移动台的运动速度、环境物体的运动速度、信号的传输带宽。9 若一发射机发射载频为1850MHz，一辆汽车以每小时60英里的速度运动，计算在以下情况下接收机的载波频率：（a）汽车沿直线朝向发射机运动（b）汽车沿着背向发射机运动（c）汽车运动方向与入射角方向成直角第七章1 什么是分集技术？提示：分集技术是一中用于补偿信道衰落的技术，它通常使用二个或更多的接收天线来实现。通均衡器一样，分集技术改善了无线通信链路的质量，而且不用改善通用空中接口或者增加发射功率或带宽。不过均衡技术用来消弱符号间干扰的影响，而分集技术通常用来减少接收时由于移动造成的衰落的深度和持续时间。分集技术通常用在基站和移动接收机。最常用的分集技术是空间分集，即多个天线按照一定的策略被分隔开来，并被连到一个公共的接收系统其他的分集技术还包括天线极化分集、频率分集、时间分集。2 列举分集技术的例子，并说明各自的信噪比情况/提示：选择性分集：接收机定期检测每一路信号的信噪比，选择信噪比最大的信道的信号输出。最大比率合并：接收机定期检车，系统调整使输出的信噪比总和最大。等增益合并：每个支路的增益相同。第九章1 TDMA的帧结构格式？第十一章1 对于USDC系统，其前向链路和反向链路上的帧结构？2 USDC语音编码器输出的差错保护框图，以及输入输出端口速率？3 阐述GSM系统的体系结构及各部分的作用4 GSM中时隙时间的五种突发序列的帧结构，并说明TDMA帧、复帧、超帧、巨帧之间的关系。所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output（多入多出）的缩写，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。无线MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，无线MIMO系统