哈工大移动通信作业13章.docx
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哈工大移动通信作业13章
移动通信作业
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第一章
3、单工通信与双工通信有何区别？
各自有何优缺点？
答：
所谓单工通信是指双方电台交替地进行收信和发信。
单工通信常用于点到点通信，待机时，单工制工作方式双方设备的接收机均处于接听状态，其中A方需要通话时，先按下“按—讲”开关，关闭接收机，由B方接收；B方发话时也将按下“按—讲”开关，关闭接收机，由A方接收，从而实现双向通信。
这种工作方式收发信机可以使用同一副天线，而不需要天线共用器，设备简单，功耗小，但操作不方便。
在使用过程中，往往会出现通话断续现象。
双工通信是指通信双方，收发信机均同时工作，即任一方讲话时，都可以听到对方的语音，没有“按—讲”开关，双方通话像室内电话通话一样。
但是采用这种方式，在使用过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，故电能消耗大。
4、无线信道有几种双工方式各自的特点及优点分别是什么？
答：
蜂窝网使用两种双工制式，频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。
全双工：
一般使用同一对频道，以实施频分双工（FDD）工作方式。
这种工作方式虽然耗电量大，但使用方便，在移动通信系统中应该用广泛。
半双工：
一方使用双工方式，另一方使用双频单工方式。
这种方式，设备简单，功耗小，克服了通话断断续续的现象。
但其操作仍不太方便，主要用于专业移动通信系统中。
FDD利用两个不同的频率来区分收发信道。
即对于发送和接收两种信号，采用不同频率进行传输。
TDD利用同一频率但不同的时间段来区分收发信道。
即对于发送和接收两种信号，采用不同的时间（时隙）进行传输。
TDD双工方式的工作特点使TDD具有如下优势：
能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段；
可以通过调整上下行的时隙转换点，提高下行的时隙比例，能够很好地支持非对称业务；
具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用射频单元，降低了设备成本；
接受上下行数据时，不要需要收发隔离器，只需要一个开关即可，降低了设备的复杂度；
具有上下行信道互惠性，能够更好地采用传输预处理技术，能有效地降低移动终端的处理复杂性。
但是，TDD双工方式相较于FDD，也存在明显的不足：
快衰落对TDD系统具有更大的影响，TDD支持用户的移动速率不高，通常只能达到FDD移动台的一半甚至更低；
TDD系统收发信道同频，无法借助频率选择性进行干扰隔离，系统内和系统间存在干扰；
需要更复杂的网络规划和优化技术。
5、简述蜂窝网移动通信的发展和各个阶段的特点。
答：
20世纪70年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用信道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。
为了更有效的利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了移动通信发展史上具有里程碑式意义的小区制、蜂窝组网理论。
第一代蜂窝移动通信系统：
利用蜂窝组网技术提高频率资源利用率，采用蜂窝网络结构，克服大区制容量密度低、活动范围受限的问题。
但是它也存在许多缺点：
频谱利用率低；通信容量有限；通话质量一般，保密性差；制式太多，标准不一，互不兼容；不能提供非话数据业务，不能提供自动漫游等。
第二代蜂窝移动通信系统：
是蜂窝数字移动通信，是原有系统具有数字传输的种种优点，并克服了模拟系统所存在的许多缺陷；话音质量保密性能获得很大的提高，而且可以进行省际省内自动漫游。
第三代蜂窝移动通信系统：
第三代是第二代的演进和发展，而不是重新建设一个移动网。
在2G的基础上，3G增加了强大的多媒体功能，不仅能接收和发送话音、数据信息，而且还能接受和发送静、动态图像及其他数据业务；而且，3G克服了多径、时延扩展、多址干扰、远近效应、体制问题等技术难题，具有较高的频谱利用率，解决全世界存在的系统容量问题；系统设备价低，业务服务高质、低价，满足个人通信化要求。
第四代蜂窝移动通信系统：
4G是3G技术的进一步演化，是在传统通信网络和技术的基础上不断提高无线通信的网络效率和功能。
同时，它包含的不仅仅是一项技术，而是多种技术的融合。
不仅仅包括传统移动通信领域的技术，还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的技术。
8、简述移动通信的发展趋势和方向
答：
目前全世界手机用户已达45亿，移动通信已经基本实现了人与人之间的互联，并正在实现人与互联网的互联。
在实现人与互联网的互联以后，人类将迎来人与物。
物与物之间互联的物联网时代，一个无所不连的时代即将到来。
届时，手机的用途将大大增加，随时、随地，无所不在将成为移动通信的基本特征，手机的引用将取代手机的技术成为移动通信领域的主角，开发手机新用途将是未来竞争的焦点。
宽带化、智能化、个性化、媒体化、多功能化、环保化是世界移动通信发展的新趋势。
到那时，手机将不仅仅是一个通信工具，它会逐步深入到日常工作和生活中，并改变着人们的工作和生活方式。
后4G时代的移动通信，也将向着“个人通信”的目标大步迈进，使人类彻底摆脱现有通信网的束缚，达到无约束自由通信的最高境界。
附加题：
1、移动通信系统中专网和公网的基本概念是什么？
两者之间有什么区别？
答：
网络分类的方法很多。
可以从不同的角度观察网络系统、划分网络。
按使用范围划分可以划分为公用网和专用网。
公用网
一般是国家的邮电部门建造的网络."公用"的意思就是从所有愿意按邮电部门规定交纳费用的人都可以使用.因此,公用网也可以称为公众网，例如CHINANET、CERNET等！
公用网对所有的人提供服务，只要符合网络拥有者的要求就能使用这个网，也就是说它是为全社会所有的人提供服务的网络。
专用网
是某个部门为本单位的特殊工作的需要而建立的网络。
这种网络不向本单位以外的人提供服务.例如,军队,铁路,电力等系统均有本系统的专用网。
专用网为一个或几个部门所拥有，它只为拥有者提供服务，这种网络不向拥有者以外的人提供服务。
局域网一般都是专用网。
局域网通常都是为某个单位所拥有，非本单位的人一般都无法使用本单位安装的局域网。
当然，也有例外。
例如，某大学的国家重点实验室中的局域网就可以供所有到该重点实验室进行研究工作的外单位人员使用，因为国家重点实验室必须是开放的（但前来使用这种局域网的外单位人员需要办理一定的手续，而且人数也不会很多）。
显然，这样的局域网和一般的公用网不完全一样。
虚拟专用网
专用网也不一定都是局域网。
例如，军队拥有自己专用的军用通信网和计算机网。
这些网络不对军队以外的用户开放。
因此这些军用网络都是军队的专用网。
这些网络覆盖的地理范围很广，因此，这些军用专用网都是广域网。
同理，其他一些部门（如铁路、交通、电力等部门）的专用网也都是广域网。
电信公司建设的各种公用网都是为所有按章交费的用户提供服务的。
由于广域网覆盖的地理范围广，可向更多的用户提供服务，因此电信公司建造的公用网都是广域网。
从网络的数量上看，在全世界的网络中，绝大多数都是局域网，并且大多是专用的局域网。
两者区别在于：
用途
专用网
公用网
目标用户群
以团体为单位的，团体中的个体用户往往在工作上具有一定的联系，并分为不同的优先等级
以个体用户为单位的，通话对象具有随机性，系统内部用户之间是平等的，不区分优先级
业务特征
“一呼百应”的群组呼叫，通信作业一般以群组为单位，以调度台管理为特征
“一对一”通信，个体用户之间是平等的，被叫用户有权拒绝主叫用户的呼叫
组网模式
需要根据用户的工作区域进行组网，而不是根据业务量的大小决定组网的先后顺序
通过事先预测和事后统计观察根据业务量和用户地理分布进行网络组织
系统性能要求
在系统安全性、可靠性、通信接续时间、通信延时等方面都有更高的要求，适合于承载大量频繁的通信接续需要
适合于次数不多但接续时间较长通信的要求
系统功能
基本功能包括组呼、私密呼以及电话互连呼叫等。
补充功能包括调度区域选择、多优先级等，对于特殊用户还需提供双向鉴权、空中加密、端到端加密等功能
公众移动通信系统功能没有特殊要求
终端要求
除功能、性能的一般性要求外，从外观上，还要适应现场恶劣工作环境的需要，往往
很难做到外观的小巧、漂亮，从类型上，除手持终端外，还要求有车载和固定终端
除一般的功能、性能要求外，主要追求外观的精美、小巧等，而且主要是手持
终端运营管理
具备用户（指团体用户）自行管理的能力
由运营商统一进行网络建设、运营维护和日常用户管理
计费方式
与用户团体的终端用户数量、服务质量、业务区域范围、业务功能种类等因素有关
按照统一的资费政策基于个体用户的业务使用情况进行计费的
第二章
2、若发射机功率为100W，请将其转换成dBm和dBW。
如果发射机的天线增益为单位增益，载波频率为900MHz，求出在自由空间中距天线100m处的接收功率为多少dBm。
答：
3、解：
当
时：
当
时：
6、解：
由题意得：
，
7、多径衰落的原因是什么？
多径延时和相关带宽的关系是什么？
答：
这是由于传输到移动台的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。
因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。
不同相位的多个信号在接受端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。
这样接收信号的幅度将急剧变化，产生了多径衰落。
两者之间的关系：
时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄；反之越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。
8、多径延时和相关带宽对传输信号的带宽有什么影响？
答：
多径延时将会引起脉冲信号的时延扩展，时延扩展将会引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。
如输入信号的带宽远小于信道相干带宽，则输出信号频谱中。
谱分量幅度与相位关系就是确定的（不同时间可以有不同的常数因子）；反之，如输入信号的带宽大于相干带宽，则会引起输出信号的失真，对于数字通信将会引起误码。
时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄；反之越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。
9、什么是频率选择性衰落？
什么是快衰落？
它们出现的原因分别是什么？
答：
频率选择性衰落是指传输信道对信号不同的频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率分量的衰落不一致，引起信号波形失真。
频率选择性衰落是由信道中发送信号的时间色散引起的，信号会因色散而产生符号间干扰。
域中接收信号的不同频率会获得不同增益。
如果信道具有恒定增益且线性相位响应带宽小于发送信号带宽，则此信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。
产生频率选择性衰落的条件是：
，
快衰落：
当信道的相关时间比发送信号的周期短，且基带信号的带宽Bs小于多普勒扩展
时，信道冲激响应在符号周期内变化很快，从而导致信号失真，产生衰落，此衰落称为快衰落；信号经历快衰落的条件是：
，
。
10、阐述无线信道中路径传输性损耗、阴影衰落和多径衰落的特性。
说明承建的用于描述多径衰落的模型都有哪些，区别是什么？
答：
路径传输损耗：
随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散，距离越大损耗越大，是大尺度衰落
阴影衰落：
由于传播的地形起伏、建筑物以及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的衰落，是大尺度慢衰落。
一般表示为电波传输距离r的m次幂与表示阴影损耗的正态对数分量的乘积。
多径衰落：
到达信号以随机相位从不同方向到达，在接收点矢量合成，有时加强有时减弱。
基本特性表示在幅度的衰落和时延扩展。
是一种小尺度衰落。
用于描述多径衰落的模型有：
瑞利分布、莱斯分布和Nakagami-m分布。
瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接收统计时变特性的一种分布类型。
瑞利衰落信号的均值和中值仅相差0.55dB，采用中值而不是均值容易比较不同的衰落分布，这些不同的分布可能具有变化幅度很大的均值。
当存在一个主要的稳定的（非衰落）信号分量时，从不同路径随机到达的多径分量叠加在稳定的主要信号上，反映在包络检测器的输出端，就会在随机多径上附加一个直流分量。
主要信号到达接收端时会和许多若多径信号混合，从而形成莱斯分布。
但当主要信号减弱到与其他多径信号功率一样时，混合信号包络近似为瑞利分布。
当形状因子m较大时，Nakagami-m分布接近于高斯分布。
11、解：
由查表可得：
;
;
;
则
12、解：
则平均附加时延
时延扩展
相干带宽：
∴该系统在不使用均衡器的条件下，适合AMPS业务，不适合GSM业务。
第三章
2、语音编码有哪3种主要类型？
移动通信中主要采取哪种类型的语音压缩编码？
答：
语音压缩编码可以分为三类：
波形编码、参量编码和混合编码。
波形编码将语音信号作为一般的波形信号来处理，力图使重建语音的波形保持原语音信号的波形形状。
参量编码利用语音信号中的自然冗余和人类听觉系统的特征来压缩信号，它对语音信号的产生赋以特定的模型，通过对模型参数的提取和编码，力图使重建的语音信号具有尽可能高的自然度和可懂度。
混合编码将波形编码和参数编码相结合得到的，以达到波形编码高质量和参数编码低速率的优点。
其可以在2.4kbps-16kbps的较低速率下获得高质量的重建语音。
移动通信中主要采用RPE-LPE编码。
3、移动通信对数字语音编码的要求包括哪些？
答：
移动通信对数字语音编码的要求有如下几点：
1、速率较低，纯编码的速率应低于16kb/s。
2、在一定的编码速率下的音质尽可能的高。
3、编码时延要短，控制在几十毫秒以内。
4、编码算法要具有较好的抗误扰码性能，计算量小，性能稳定。
5、算法复杂度适中，编译码器应便于大规模集成。
4、简述RPE-LTP编码器5个主要部分作用。
答：
①预处理：
即去除直流分量和预加重。
②LPC分析：
按线性预测编码的原理求预测滤波器的系数。
这是按帧处理的，即每20ms为一帧（共160样点），每帧计算一次滤波器的系数。
③短时分析滤波：
对信号进行短时预测分析，产生短时残差信号。
④长时预测：
本来经过短时预测求出残差信号d就可以了，但在RPE中是用规则脉冲来代替残差信号的，因此直接用短时预测的残差信号d，未必是最佳效果，故再进行一次长期预测，以去掉其冗余并优化。
⑤规则脉冲编码：
是用一组位置上和幅度上都优化的脉冲序列来代替残差信号。
这种方法计算量要小得多，但结果的话音质量却相当好。
5、简述CELP的基本原理。
答：
CELP是利用码本来做激励源的编码方法。
即把残差信号可能出现的各种（量化过的）样值实现存储在存储器中。
这些样值组合按一定规则排列存在存储器中。
每一个样值组合有一地址码，故这个存储器称为码本。
收发各有一个同样的码本。
在线性与测试，对于残差信号，并不传输它本身，而是先在本方的码本中检查出与这个信号最接近的样值组合的地址码，然后将这个码本地址码经传输电路发送到对方。
对码本的要求：
•
（1）码本中的信号应与实际信号相近，即相差最少；
•
（2）在满足
（1）的前提条件下，码本容量最小。
这样地址码数目少，亦即编码的长度最小；
•（3）搜索码本（即检查码本，找出最接近的信号）的时间最短。
这意味着处理时间短，时间迟延小；
原理图如下图所示：
10、解：
（1）
（2）红线部分为所要求路径
（3）最有可能的发送信息序列：
11011.
12、Turbo码与一般分组码和卷积码相比，有哪些特点使它具有更好的抗噪声性能？
它有什么缺点是它在实际应用中受到什么限制？
答：
Turbo码由于有反馈的存在，递归卷积码编码器的冲击响应是一个无限序列。
由于递归性质，编码器称作递归系统卷积编码器（RSC），由于RSC比一般的非递归卷积码有更大的自由距离，因此有更大的抗干扰能力，误比特率更低。
在Turbo码的编码器中，交织器除了抵抗突发错误外，主要是改变码的重量分布，使重量窄带化，并尽量消除低码重字，从而改善Turbo码的性能。
另一个影响Turbo码性能的重要因素是交织器的长度N，随着N的增大，Turbo码的性能逐渐提高。
Turbo码通过迭代绕过了长码计算复杂的问题，但是这样做的代价就是时延，因为迭代译码必然会产生时延。
所以对实时性要求很高的场合，Turbo码应用受到限制。
附加题：
1码字的最小码距与纠检错能力的关系。
答：
一般情况下，码的检纠错能力与最小码距d0的关系为:
①为检测e个错码，要求最小码距d0≥e+1。
②为纠正t个错码，要求最小码距d0≥2t+1。
③为纠正t个错码，同时检测e个错码，要求最小码距d0=e+t+1。
2.试根据Turbo码的编码框图和解码框图简述其编码和解码的过程。
答：
编码过程：
编码器通常采用卷积码编码，输入的数据比特流u直接输入到编码器1，同时也把这些数据流经过交织器重新排列次序后输入到编码器2.由这两组编码器产生的奇偶校验比较，连同输入的信息比特组成Turbo码编码器输出。
在输入端完成一帧数据的编码后，两个编码器被迫回到零状态，此后循环往复。
解码过程：
Step1：
输入信息位、信息位校验位、信息位交织后的校验位。
Step2:
在第一次迭代时，由于第二分量译码器无输出，所以在第一分量译码器输入全为零的数。
Step3：
将全为零的比特位、信息位和信息位校验位输入第一分量译码器进行译码，输出为信息位的译码结果。
Step4：
将信息位的译码结果进行交织得到信息位译码结果的交织、将信息位进行交织得到信息位的交织结果。
Step5：
将信息位译码结果的交织、信息位的交织和信息位交织后的校验位输入第二分量译码器进行译码。
得到信息位交织的译码结果。
Step6：
将信息位交织的译码结果进行解交织和判决，得到译码结果，然后利用编码前曾添加的CRC校验位进行校验，如果无错则输出，否则将Step5得到的信息位交织的译码结果进行解交织送到第一分量译码器的输入端。
Step7：
重复Step3-6直至编码正确或迭代次数达到初始设定的次数。
（一定信噪比下的误比特率将随着迭代次数的增加而降低，但是在一定的迭代次数之后，译码性能将不再提高。
）
3.信道交织的原理是什么，主要解决什么问题？
答：
交织原理：
假定有一些4bit的消息分组，把4个相继分组中的第1个bit取出，并让这4个第1bit组成一个4bit分组，成为第1帧，对其余的2~4bit也做相同处理然后依次传输第1帧、第2帧…若在传输期间，第2帧丢失，如果没有交织，就会丢失一个信息分组，采用脚趾之后是每个消息分组中的第2bit丢失，再利用信道编码，全部消息分组中的消息仍可恢复。
交织的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码技术消除随机差错。
4.已知信道的相干时间为T=10ms，编码比特的传输速率为R=50kbit/s，对于（7,4）分组码交织器，欲使相邻编码比特之间的衰落独立，求平均交织时延及所需要的存储量。
解：
相干时间：
，
符号周期:
则交织深度：
，
交织时延：
。
5.对于下图所描绘的格图，已知初始状态S=00，信对于下图所描绘的格图知初始状态信息比特序列为U=[0110101101],请写出相应的状态序列和编码输出。
解：
状态序列为：
000010110110010010110110
编码输出：
00110101001000010100
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