物联网通信及应用第7章习题
1.填空题
(1) OFDM即__________是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。
(2) ____是指移动用户的终端设备，可以分为车载型、便携型和手持型。其中手持型俗称“手机”。它由______控制，与基站间建立双向的无线电话电路并进行通话。
(3) 小区制是将_______划分为若干个小无线区，每个小无线区域分别设置一个基站，负责本区的_______的联络和控制。
(4) 如果采用全向天线对平面服务区进行覆盖，用_______代替圆作为无线小区的形状，可以得到更好的无缝覆盖效果。
(5) CDMA是指一种_________数字式通信技术，通过独特的代码序列建立信道，可用于二代和三代无线通信中的任何一种协议。
(6) 第四代移动通信技术发展到今天，包括______ 和_________两种制式。
2.选择题
(1) _________是无线电台站的一种形式，是指在定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发电台。
A.基站 B.移动台 C.MSC D.天馈系统
(2)大区制是指在一个服务区内________基站，负责移动通信的联络和控制。
A.有多 B.只有两个 C.最多两个 D.只有一个
(3)这种组网方式的容量比较_________， 也被称为集群移动通信。
A.大 B.小 C.固定 D.随机
(4)______是区别移动用户的标志，储存在SIM卡中，可用于区别移动用户的有效信息。
A. IMEI B. IMSI C. MSISDN D. MSRN
(5)采用__________技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量。
A.智能天线阵 B.小区制 C.初始同步 D.多用户检测
3.简答题
(1)大区制和小区制有什么区别?
(2)移动通信系统由哪几个部分组成?
(3)小区内不同的天线激励方式有什么区别?
(4)什么是IMEI?
(5)什么是IMSI?
(6)移动通信设备的识别程序是什么?
(7) EDGE技术的特点是什么?
(8) 3G通信技术的主要标准是什么?
(9) TDD与FDD的双工模式区别在哪里?
4.分析题
(1)蜂窝移动通信组网，为什么采用六边形小区形状?
(2)为什么不采用同等大小的方式进行无线小区划分?
(3) TD-LTE与FDD-LTE是真正的4G技术吗?
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第 7 章
1. 填空题
（1）正交频分复用
（2）移动台、移动用户
（3）整个服务区、移动通信
（4）圆内接正多边形
（5）扩频多址
（6）TD-LTE、FDD-LTE
2. 选择题
（1）A （2）D （3）B （4）B （5）A
3. 简答题
（1）基站数量不同：
大区制在一个服务区内只有一个基站，负责移动通信的联络和控制。
小区制将整个服务区划分为若干个小无线区，每个小无线区域分别设置一个基站，负
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责本区的移动通信的联络和控制。
容量不同：
大区制容量比较小，也被称为集群移动通信。
小区制容量比较大，也被称为蜂窝移动通信
天线不同：
大区制要求基站天线架设得高一些，发射功率大一些。
小区制移动台和基站的发射功率减小，同时也减小了相互干扰。
（2）一个基本的移动通信系统，由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（MSC）构成，MSC 通过中继线与市话网（PSTN）相连接，从而完成与市话网终端的通信。
（3）根据无线小区内信号激励的方式不同，天线的类型选择和安装位置也有不同。
采用全向天线，安装在小区中央，适用于中心激励方式。
采用定向天线，安装在小区顶点，适用于顶点激励方式。
（4）每一台移动设备均有一个唯一的移动台设备识别码被称为 IMEI。
（5）IMSI 是国际移动用户识别码，是区别移动用户的标志，储存在 SIM 卡中，可用于区别移动用户的有效信息。
（6）识别程序见下图。
（7）EDGE 技术是增强型数据速率 GSM 演进技术，是一种从 GSM 到 3G 的过渡技术，它主要是在 GSM 系统中采用了一种新的调制方法，即最先进的多时隙操作和 8PSK 调制技术。由于 8PSK 可将现有 GSM 网络采用的 GMSK 调制技术的符号携带信息空间从 1 扩展到3，从而使每个符号所包含的信息是原来的 3 倍。EDGE 技术有效地提高了 GPRS 信道编码效率及其高速移动数据标准，它的最高速率可达 384Kb/s，在一定程度上节约了网络投资，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。
由于 EDGE 是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，比 GPRS 更加优良，因此也有人称它为 2.75G 技术。
（8）三种主流 3G 技术标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA
（9）FDD 系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据，而 TDD 系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，较 FDD 双工方式，TDD 有着较高的频谱利用率。如下图所示为 TDD 与 FDD 的双工模式对比。
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4. 分析题
（1）正六边形小区的中心间隔最大，各基站间的干扰最小；交叠区面积最小，同频干扰最小；
交叠距离最小，便于实现跟踪交换；
覆盖面积最大，对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区制所需的小区数最少，即所需基站数少，最经济；
所需的频率个数最少，频率利用率高。
（2）如果服务区内用户的密度比较均匀，那么在划分小区的时候，可以将小区划分成同样大小的小区，每个小区内分配同样的信道数量，这样的小区分配方案是理想的，负载相对均衡。但是在实际应用中，这样的情况是不可能出现的。
同时，地形地貌、建筑环境、通信容量、频谱利用率等都是小区划分时所要考虑的因素，所以，在实际应用中，小区的划分是根据用户的密集程度再结合其他因素综合确定的。简单的划分方式，可以按照用户密集程度来进行。
（3）从严格意义上来讲，LTE 只是 3.9G，尽管被宣传为 4G 无线标准，但它其实并未被 3GPP 认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准 IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到 4G 的标准。
只有升级版的 LTE Advanced 才满足国际电信联盟对 4G 的要求。
第 8 章
1．填空题
（1）Machine to Machine，机器之间自动的数据交换，机器终端智能交互，物联网（2）数据终端、数据集成点和通信网络，数据终端，数据集成点，通信网络（3）3，萌芽期，成长期，成熟期
（4）中央主控处理模块，用户界面接口，无线通信模块，信息传感模块，能量供应模
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块
（5）面覆盖，点覆盖，栅栏覆盖
2．选择题
（1） C （2） C （3） ABCD （4） ABCD （5） ABC
3．简答题
（1）M2M 表达的是多种不同类型的通信技术有机的结合在一起：机器之间通信；机器控制通信；人机交互通信；移动互联通信。M2M 让机器，设备，应用处理过程与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息。它提供了设备实时地在系统之间、远程设备之间、或和个人之间建立无线连接，传输数据的手段。
（2）M2M 系统架构包括终端、系统以及应用三层。
第一层——M2M 终端
它具有接收远程 M2M 平台激活指令、本地故障报警、数据通信、远程升级、使用短消息/彩信/GPRS 等几种接口通信协议与 M2M 平台进行通信。
第二层——M2M 管理系统
它为客户提供统一的移动行业终端管理、终端设备鉴权，支持多种网络接入方式，提供标准化的接口，使得数据传输简单直接，提供数据路由、监控、用户鉴权、内容计费等管理功能。
第三层——应用系统
该层是 M2M 终端获得了信息以后，本身并不处理这些信息，而是将这些信息集中到应用平台上来，由应用系统来实现业务逻辑，把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。
（3）M2M 涉及 5 个重要的技术部分，包括智能化机器、M2M 硬件、通信网络、中间件和应用。
（4）无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络。
（5）WSN 是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，其目的是借助于节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息，并对这些信息进行处理，目的是无论何时、何地和在何种环境条件下都可以对大量信息进行获取。从 WSN 的硬件上分析，WSN 节点包括采集数据的模块、处理数据的模块、无线收发数据的模块，这些设备节点具有成本低、功耗低、种类丰富等特点。从软件设计上，这些节点内置的传感器可以对所在区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数进行探测，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。
（6）按照无线传感器网络节点的功能，每个节点包括 4 个基本单元，具体包括获取数据信息的模块、处理信息数据的模块、传输数据信息的模块以及管理电源模块。
各基本组成单元功能如下。
获取数据信息的模块：在特定区域内，通过传感器节点感知环境内的数据信息，并借助模数转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号交给处理器运算处理。
处理信息数据的模块：在这个模块中，处理器可以对数字信号进行预处理、数据的运算、数据的管理等工作。
传输数据信息的模快：借助无线收发的协议，使得当前节点与其他节点进行数据信息的交互，同时可以交换不同网络间的信令或收发节点获取到的数据信息。
管理电源模块：该模块可以为网络中的节点提供电能的支持，考虑到传感器节点在不同环境下的体积大小限制，管理电源模块可以由一些微型电池组成，这些电池的能力也限制了传感器节点的使用。另外，在特定的环境中，一些传感器节点可以集成如太阳能转换为电能
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的模块，这可以满足在对传感器节点电量要求高的环境下能量的持续供应。
（7）与传统的通信网络不同，无线传感器网络在很多方面都有特殊性：包括网络核心功能、不同应用场景、涉及的硬件技术等。这些特殊性也决定了其独特的优势：如在数据收集能力、成本等方面的优势，同时也使得其在安全性、可靠性等方面面临许多需要解决的问题和挑战。
（8）智能家居是采用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、嵌入式技术等，并融合个性化需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。
（9）智慧城市是通过综合运用现代科学技术、整合信息资源、统筹业务应用系统，加强城市规划、建设和管理的新模式。智慧城市综合运用以物联网、云计算和公共信息平台为代表的现代科学技术和手段，通过对城市信息资源的全面感知、全面整合、全面挖掘、全面分析、全面共享和全面协同，提高城市管理和服务水平。
（10）M2M 是简单相连：基本上完成了信息采集的简单功能，基本上不是一个网络的概念，仅是一个个信息孤岛，尚未完全连在一起，所以不叫物联网，还是一个很简单的传感器的应用；
M2M 没有有效管控：即便是联到了一些通信网络上，利用通信的承载网作为回传，但实际上就是一个很简单的互联，没有进行有效地管控；
M2M 没有协同：现在的机对机都是分散到各个行业的应用，规模化和协同化还是比较少见的，整个的产业链也没有形成；
M2M 成本高：从终端的角度来讲，目前没有规模化，终端成本还居高不下，离大规模运营，还是有下降的空间。
（11）M2M 技术发展总体策略：政府推动 M2M 规模化发展，M2M 规模化发展的关键
是 M2M 终端制造批量化、M2M 平台对终端管理标准化、M2M 应用逻辑集中化，具体如下：关键技术 1—M2M 通信协议。推进机器通信协议统一，实现终端管理标准化，降低运
营成本；
关键技术 2—M2M 终端。规范 M2M 终端接口，实现终端制造批量化，降低部署成本；关键技术 3 —M2M 平台与应用系统。通过应用逻辑的集中化，建设标准化、可定制的
M2M 应用平台；
关键技术 4—基于两网融合的 M2M 技术，两网融合是 M2M 技术的发展方向。
4．设计题
（1）从组成上来讲，至少有三部分：一是设备端，二是云端（主要指公有云），三是监控端。如下图所示。
①设备端架构设计
设备端主要负责数据采集，工艺逻辑执行及控制。无论底层的设备数量有多少，通信协
议有多复杂，考虑到项目安全等等因素，往往和云端通信，汇集在一个设备上，这样的设备的角色往往是物联网网关，除了专门负责和云端进行通信外，有时候也会对原始数据进行一定的处理，执行一些业务逻辑相关的代码。 和云端通信有很多协议可选，常见的有基于 HTTP 协议的 Get 或 Put 方法，从服务器获取一些设置及状态，及向服务器推送采集到的数据。但是对数据量相对比较大，实时性要求高的，往往是直接的 Socket TCP/UDP 通信，这样传输的代价相对较低，但是对编程设计方面要求比较高。
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② 云端架构设计
云端一般包含三部分：Web 前台+ Web 后台+中间件；作为工业级的物联网项目，Web前台一般会显示这几部分内容，一是工艺画面，和现场实际的设备和工艺流程一一对应，画面可以实时反映工业现场运行的情况。二是各种数据报表、曲线数据的保存、查询和打印等。三是运行日志，保存各种运行情况，以备查询。四是显示系统诊断信息，便于系统出现问题的时候，及时判断问题所在。Web 后台相对复杂一些，一般完成三部分内容的工作，如果是设备端基于 HTTP 协议通信，往往需要处理 Get 和 Put 请求。由于前台有实时画面，所以 Web 后台有时候也需要向前台界面传输实时数据，目前有些实时数据是通过 Web Socket 协议进行传输，也可以由专门的程序来处理。还有一部分功能比较重要，就是要建立设备数据和各种报表，曲线，日志的对应关系，以便于适用尽可能多的现场。在工业级物联网项目中，一般中间件必不可少，其主要功能就是负责和现场设备进行通信，获取数据或发送相关控制指令。此外还有一个比较重要的功能，由于中间件程序一般是作为系统的一个服务程序或普通应用程序，生命周期较长，可以长时间连续运行，可以处理一些相对复杂的业务逻辑、数据换算及数据转储。
③ 监控端架构设计
监控端一般包含 PC、手机或平板监控。对一般项目而言，也许通过 Web 前台就可以掌控一切了，但是在移动互联网的时代，如果对应的手机或平板上没有对应的 APP，那这个项目就感觉有了一个很大的缺憾。有了手机或平板 APP，就可以身在任何地方，都可以相对方便的监控现场。从功能上划分，架构可以相对简单的分为两层，一就是 UI 界面显示及操作层，二就是数据通信层，实现和服务器信息交互。
（2）基于无线传感网络的环境温度监测系统的设计。分布在监测区域的传感器节点将所采集到的温度数据发送给相邻的路由节点，路由节点将所接收的数据进行融合后并由多跳路由协议再转发给靠近采集节点的汇聚节点，由于本系统是应用于野外环境温度监测，汇聚节点无法通过以太网直接与上位机相连，故采用 GPRS 网络作为系统长距离传输方式。汇聚节点经过融合处理将接收到的数据经 GPRS 网络发送到监控中心。监控中心也通过类似的过程对监控区域进行管理。基于无线传感网络的环境温度检测系统如下图所示。
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基于无线传感网络的环境温度监测系统主要实现采集节点对环境中温度的采集和处理，采集节点和汇聚节点间的通信，汇聚节点对数据的存储与处理，以及汇聚节点与远程终端间的通信，实现远距离环境温度采集、传输与监控。在保证良好的网络效能基础上，通过合理选用各模块，并综合运用休眠唤醒机制、动态路由等降低功耗，延长网络寿命。该系统对于不同节点可选用不同的供电模式具有成本低，功耗低，部署灵活等优点。
（3）本方案主要包括家庭的智能照明系统、安防系统、门禁系统、智能空调控制、智能窗帘控制、带红外智能家电控制、环境检测系统、背景音乐系统，及其控制和操作等。利用先进的计算机技术、网络通信及现代控制技术作为核心，把一切智能系统有机结合起来，并进行集中（远程）控制和管理，从而创造出安全、时尚、节能、环保的居住环境，为用户提供一个现代化、智能化的生活空间。
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“智能家居应用系统” 主要分为：智能照明、电机控制、家电控制、智能安防、环境监控、视频监控、报警系统、远程访问八个模块。
智能照明：主要包括继电控制器、调光控制器和各种照明灯具。CPM 主机通过继电控制器来控制灯具的启停以及通过智能调光控制器来调节灯具的亮度。
电机控制：主要包括电机控制器和电动窗帘、电动门、遮阳篷等电机设备。CPM 主机通过电机控制器来控制电动窗帘、电动门、遮阳篷等电机设备的启停开关等。
家电控制：主要包括红外控制器和空调、电视、背景音乐等能够用红外遥控器控制的家电设备。CPM 主机通过红外控制器对该类红外控制的家电进行开关、模式转换等控制。
环境监控：主要包括温湿度传感器、风速传感器、雨雪传感器、光照传感器、空气质量传感器、辐射传感器等传感设备。这些传感设备将各种环境信息直接上传给 CPM 主机，由 CPM 主机控制其他的设备进行动作联动。
智能安防：主要包括门禁控制器、烟雾传感器、煤气泄漏探测器、红外探测器、人体探测器等安全传感设备。这些传感设备将各种报警信息上传给 CPM 主机，由 CPM 主机通过报警模块执行报警输出。
视频监控：主要包括 DVR、摄像机。对敏感区域进行视频监控。
报警系统：主要包括声光报警、电话报警、短信报警等三种报警方式。具体报警由用户自行选择。
远程访问：主要为用户提供远程登录功能，远程登录可以采用电脑或智能终端 IPAD、 Iphone 等终端设备。数据传输方式为有线 Internet 公网、无线移动网、WIFI 等。
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