无线移动通信实验报告

1、无线移动通信实验·报告无线移动通信实验报告实验项目蜂窝移动通信实验学生姓名指导教师专业班级完成日期2013年5月20日 电子信息工程系信息科学与工程学院中南大学·信息科学与工程学院目录第一部分 移动通信实验系统1第三章 信道编码实验1实验一 分组码交织与解分组码解交织1实验四 扰码与解扰4第四章 调制解调实验6实验一 GMSK调制解调实验6实验二 QPSK调制解调实验10实验三 CDMA扩频调制实验14实验四 CDMA解扩实验17第五章 系统实验19实验一 GSM移动台开机登陆和关机实验19实验二 移动性管理实验24实验三 移动台主叫实验31实验四 移动台被叫实验38第二部

2、分 GSM基站实验系统43实验一 基站配置管理实验43实验二 移动台入网过程实验43实验三 移动台主叫实验44实验四 移动台被叫实验49中南大学·信息科学与工程学院第一部分 移动通信实验系统第三章 信道编码实验实验一 分组码交织与解分组码解交织一、 实验目的1、了解分组码的编码原理和利用伴随式译码的基本方法；2、掌握简单的交织和解交织的基本原理和方法；3、了解利用交织和编码结合的方法纠突发差错的原理。二、预备知识1、分组码的编码原理和译码的基本方法；2、交织和解交织的基本原理和方法；三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、实验原理1 交织在纠突发差错中的原理数

3、字信号在传输过程中，会受到各种噪声和干扰的影响，使接收端产生错误判决，造成误码（差错）。差错的类型主要有二种。 1）.随机差错信道中各码元是否出现差错，与其前、后码元是否差错无关，每个码元独立地按一定的概率产生差错。从统计规律看，可以认为这种随机差错是由加性高斯白噪声AWGN引起的，主要的描述参数是误码率。2）.突发差错差错成片出现，一个差错片称为一个突发差错。突发差错总是以差错码元开头、以差错码元结尾，头尾之间并不是每个码元都错，而是码元差错概率大到超过了某个标准值。通信系统中的突发差错是由突发噪声引起的，比如雷电、强脉冲、时变信道的衰落等。存储系统中，磁带磁盘物理介质的缺陷、读写头的接触不

4、良等造成的差错均为突发差错。对突发差错，本身有多种纠突发差错的编码方式，如GSM移动通信中所用FIRE码。也可以简单地利用交织的方式打乱成片的突发差错，与一般的纠错编码相结合，也能达到很好的纠突发差错的效果。最简单的交错器是一个n´m的存储阵列，码流按行输入后按列输出。图3. 1是一个适用于码长N=7的5´7行列交错器的示意图，从图中看到，码流的顺序1,2,3,7,8经交错器后变为1,8,15,22,29,2,9。现假设信道中产生了5个连续的差错，如果不交错，这5个差错集中在1个或2个码字上，很可能就不可纠。采用交错方法，则去交错后差错分摊在5个码字上，每码字仅一个。765

5、4321141312111098212019181716152827262524232235343332313029 7654321141312111098212019181716152827262524232235343332313029 2 29 22 15 8 1图3. 1 5´7行列交错器工作原理示意图2 利用交织与分组编码结合纠突发差错的实验我们首先设计能纠一位差错的（7，4）系统线性分组码。输入信息bit为：u3,u2,u1,u0。(7，4) 线性分组码，其生成矩阵是：G =编码后数据为c6,c5,c4,c3,c2,c1,c0,该编码是系统编码，所以，其中c3,c2,c1

6、,c0= u3,u2,u1,u0其编码电路设计如图3.2 ：图3.2 该线性分组码在无交织时，一个7比特收码中如果错2位比特将不能正确译码。然后，我们设计一个8×7交织器以后，让八个（7，4）分组码经过交织器后输出到信道，进行传输。在信道传输的过程中，如果发生一个长度小于8bit的突发差错，在接收端解交织以后，错误比特将分摊在多个码字上，每码字仅一个差错，在分组码的纠错范围以内，突发差错可以完全纠正过来。7654321141312111098212019181716152827262524232235343332313029424140393837364948474645444356

7、555453525150 7654321141312111098212019181716152827262524232235343332313029424140393837364948474645444356555453525150 交织器（行入列出）去交织器（列入行出）图3. 3五、 实验步骤1、 将实验箱和计算机通过串行口连接好，为实验箱上电。2、 将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在“实验选择”栏中选择“分组码交织”实验，点击确认键。从而进入此实验界面。3、 在实验界面点右下方“操作”一栏中的 “生成数据”，让系统自动生成待编码的随机比特。也可在界面上直接双击所显示的bit，修改

8、其值。（信息的显示为图形显示比特显示）。4、 在界面上点击下发“原始数据”，该数据将被送入单片机（或CPLD）进行分组码编码和7×8交织，然后经过编码和交织后的数据被送回学生平台并显示在“编码数据”栏。5、 学生可以在噪声图样一栏加入一个突发差错，然后点击“加噪声”，再点击下发“加噪数据”，将加入噪声的信息比特送到单片机（或CPLD）进行分组码解码和解交织。6、 解码和解交织以后的数据被回显在解码数据一栏，同时，不能纠正的误码比特在“错误统计”显示。六、 实验结果及分析：信道中各码元是否出现差错，与其前、后码元是否差错无关，每个码元独立地按一定的概率产生差错。从统计规律看，可以认为这

9、种随机差错是由加性高斯白噪声AWGN引起的，主要的描述参数是误码率。 通过对线性分组码中的线性分组码的编码编程实现，了解到线性分组码的构成方式是把信息序列分成每k个码元一段，并由这k个码元按一定规则产生r 个校验位，组成长度为n=k+r的码字，用(n，k)表示。信息码元与校验位之间为线性关系。并且知道了线性分组码的编码过程信息码元与校验位之间的线性关系实现起来是十分简单的. 对于码组长度为n、信息码元为k位、监督码元为rnk位的分组码，如果满足2r1n，则有可能构造出纠正一位或一位以上错误的线性码。就像本设计的（6，3）分组码的（n，k）中，n=6，k = 3，r3能纠正一位误码，检测到两位误

10、码。实验四 扰码与解扰一、实验目的1、了解扰码的目的和基本原理；2、掌握伪随机序列m序列的实现方法；二、预备知识1、扰码的基本原理和用途；2、m序列的产生方法。三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、实验原理扰码不属于信道编码的范畴，起不到纠错的功能，但是，扰码也是通信中经常采取的一种重要手段，扰码的作用主要有：第一，进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1”和连“0”而包含大的低频成分，不适应信道的传输特性。解决办法之一是采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。第二，扰码还能改善位定时的恢复质量，可以使信号频

11、谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。第三，利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随机序列模2相加，就可将原信息变成不可理解的另一序列。这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。在接收端将接收信号再加上（模2和）同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息。实现加扰和解扰，需要产生伪随机二进制序列（PRBS），再与输入数据逐个比特作模2加运算。PRBS也称为m序列，这种m序列与数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来

12、规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去扰，恢复成原数据流。本次实验所用的m序列是由8位线性移位寄存器实现的，扰码和解扰所用的m序列是相同的。m序列的反馈多项式为：五、 实验步骤1、 将实验箱和计算机通过串行口连接好，为实验箱上电。2、 将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在“实验选择”栏中选择“扰码”实验，点击确认键。从而进入此实验界面。3、 在实验界面上点“生成数据”，让系统生成待编码的随机比特。也可在界面上直接双击所显示的bit，修改其值。4、 在界面上点击下发“原始数据”，该数据将被送入单片机（或CPLD）进行扰码然后经过扰码的数据被送回学生平台并显示在“编码数据”栏。5、

13、 点击“编码数据”，将经过扰码的信息比特送到单片机（或CPLD）进行解扰码。6、 解扰后的数据送回后，显示在解码数据一栏。7、 利用CPLD实现m序列码时，学生自己编写m序列功能部分的程序，综合适配后，下载到CPLD中，然后重复16步骤，进行验证。六、 实验结果及分析： 扰码加扰和解扰其实就是利用了扰码的正交性。一般使用的扰码是伪随机序列码，只要在接收端有相同扰码的发生器，就能实现解码的功能。扰码通俗来讲，加扰后的信号，可以降低噪声对有效信号的影响，将噪声能量分配开来。第四章 调制解调实验实验一 GMSK调制解调实验一、 实验目的1、了解GMSK技术在移动通信系统中的应用；2、掌握GMSK调制

14、解调数据传输过程；3、掌握GMSK解调数据传输过程；4、掌握高斯成形滤波器的实现原理；二、 预备知识1、字信号传输的工作方式与工作过程2、GMSK调制的基本工作原理3、高斯低通滤波器4、QPSK解调的基本工作原理三、 实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；3、示波器 一台；四、 实验原理 实验采用调相法。用高斯滤波器作为MSK的前置滤波器，原理框图如图4. 1所示。高斯低通滤波器的冲击响应满足4. 1式， 4. 1图4. 1 GMSK调制解调原理框图其中表示函数，是低通滤波器的带宽，T是码元时间，为归一化带宽，通过计算，得到高斯滤波器特性如图4.2.1。图4.2.2 高斯低通

15、滤波器冲击响应假设A点一组输入数据为1,0,1,1,1,0,1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0，经过差分编码后B点输出为-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1，通过高斯低通滤波器后，C点输出波形为：（从绿线开始，前面是位同步码，以下相同）图4.2.2 高斯滤波器输出附加相位通过积分获得，所以D点输出为：图4.2.3 附加相位对积分输出的附加相位信号求和函数可以分别获得I路和Q路的基带信号，其中I路的波形为E：图4.2.4 I路基带信号 J点为调制输出波形：图4.2.5 调制信号F点为延时信号与原信号相乘：图4.2.

16、6 差分解调信号差分信号通过低通滤波器，滤除高频分量，获得G点输出：图4.2.7 低通滤波器输出信号对G点信号进行位同步，并判决后输出H，差分译码获得解调结果。五、实验步骤1、启动实验箱，在主界面上选择实验 “GMSK调制”，进入“GMSK调制”界面。2、点击“系统模型”按钮，弹出“GMSK调制原理框图”窗口，熟悉GMSK调制原理；关闭该窗口。3、输入原始数据。原始数据产生方式有两种：自动和手动。选中“自动”方式时，原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。4、点击“初始化”按钮，调制过程开始；5、根据系统模

17、型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。6、也可以选择通过示波器观察各信号点。先将示波器的输入端与实验板上“观察端M”（在实验箱最右边偏上的位置，为D/A转换器的输出口）连接，根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），在示波器上观察调制过程中信号点的波形。六、 实验结果及分析： 为了适应无线信道的特性，由该调制方式所产生的已调波应具有以下两个特点：第一，包络恒定或包络起伏很小。第二，具有最小功率谱占用

18、率。高斯最小频移键控（GMSK）调制方式正好具有上述特性。GMSK调制使在给定的带宽和射频信道条件下数据吞吐量最大。GMSK是当前现代数字调制技术领域研究的一个热点。 设计主要研究GMSK的调制特性，通过不同信噪比时的误码率绘制误码率曲线分析与比较为信号选择合适的调制、解调方式。尽管本设计能完成调制信号频谱、眼图及波形观察以及误码率曲线的绘制，但由于频谱仪参数设置方面的问题，使频谱图与理想形态有所差别，有待改进。实验二 QPSK调制解调实验一、实验目的1、了解QPSK技术在移动通信系统中的应用2、掌握QPSK调制解调数据传输过程；3、了解QPSK的载波恢复和位定时恢复的基本方法4、掌握QPSK

19、解调数据传输过程；5、掌握升余弦成形滤波原理二、预备知识1、数字信号传输的工作方式与工作过程2、QPSK的基本工作原理3、升余弦成形滤波软件4、QPSK解调的基本工作原理5、载波同步和位同步的基本方法三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；3、示波器 一台；四、 实验原理QPSK调制解调的实现原理框图如图。图4.3 QPSK调制解调原理框图A 点为发送数据；B串/并变换发送数据长度为128bit，经过交织器输出的数据为一路串行数据，需要进行串/并变换，产生两路并行数据各为64bit。C差分编码：为了防止相位模糊现象，采用差分编码，并进行QPSK映射。差分编码的公式： QPS

20、K映射采用如下方式：图4.4 QPSK映射图D滤波与调制模块方波会在时间上扩展，造成码间干扰，导致接收机在检测一个码元时发生错误的概率增大。所以在调制系统中需要对信号进行滤波，以减少失真和符号间干扰（ISI）。每一支路在进行调制之前进行Nyquist成形滤波使QPSK信号的功率谱限制在分配的带宽内。在这里，选择具有均方升余弦滚降特性的滤波器。具有升余滚降特性的H（）可表示为：，抽样作卷积。将滤波器的冲击响应函数列表，33个样值。取不同的窗函数，滤波器的频谱特性不同。这里选择哈明窗作为窗函数，这样可以避免产生吉布斯现象。取滚降系数=0.5，抽样步长Ts=Tc/10，每个码元采样10个点，阶数N=

21、33。图4.5为滤波器特性的仿真示意。图4.5成形滤波器特性滤波后信号调制到25kHz的载波上，两路相加从而完成信号调制。E接收到的已调信号为了实现正交解调，需要进行希尔伯特变换，获得两个分量I和Q。F能量判决与载波恢复在接收端能量判决，当超过设定的门限值后，可判断接收到有效信号。通过发送的训练序列来进行载波同步。图4.6显示载波同步的过程，载波误差逐渐收敛。 图4.6 载波同步误差角度收敛图在这里，我们简单的讨论一下同相正交解调的原理，来说明载波同步的方法。设两个正交的滤波器的输出为和，那么正交解调的过程用数学公式表示如下： 4.2.2若没有经过载波同步，本地载波与调制信号的载波会存在相位误

22、差，这里设为，计算可知： 4.2.3若载波已同步，即为0，那么，从而得到解调的结果；若，我们可以在训练阶段，使发送的an与bn相同，即上式中的，则可得到这一重要的结果。通过这个结果我们可以求出，调整载波相位，从而实现载波同步。G位定时位定时也即码同步。这里需要从每个码元的10个抽样点中选择合适的判决时刻。位定时误差的提取时刻可依据基带信号过零点。继载波同步训练序列之后，发送位定时训练序列（倒相序列）。采用下面位定时误差提取法：图4.7 位定时误差提取示意图，如果>0，则定时抽样脉冲向前调整；反之应向后调整。H信号同相正交解调当发送序列为：1,1,1,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1

23、,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,11,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1，对应的解调后得到的波形图4.2-13。 图4.8 解调的结果五、实验步骤1、启动实验箱，在主界面上选择实验 “QPSK调制”，进入“QPSK调制”界面。2、点击“系统模型”按钮，弹出“QPSK调制原理框图”窗口，熟悉QPSK调制原理；关闭该窗口。3、输入原始数据。原始数据产生方式有两种：自动和手动。选中“自动”方式时，原始数据由系统自动生成；未选中“自动”方式时，将会出现数据输入窗口，根据窗口

24、提示输入16进制原始数据，点击“返回”按钮完成输入。4、点击“初始化”按钮，调制过程开始；5、根据系统模型，在画面右上方选择需要观察的信号点对应的字母（如要观察发送数据的波形，点击字母“A”），观察调制过程中信号点的波形；可通过页面下方按钮选择“放大”、“缩小”或“移动”观察波形。六、 实验结果及分析：通过本次计算机通信课程设计，让我在除了课本的知识之外的知识有了更好的理解，对QPSK调制解调的工作原理有了更好的理解，在设计之前，收集了很多的材料，但当真正深入设计时，却也遇到了诸多的问题，让我体会到了设计的要求在于系统性，可行性，准确性，诸多问题的出现给我们的设计带来了难度，也同时是更大的一次

25、挑战。最后，在查阅了大量的资料咨询了许多同学后，终于得出了正确的结果，顺利完成了本次课程设计。这次课程设计让我明白，有时候，光有基础知识是不够的，实践是检验真理的唯一标准，我们在把知识付出实践的过程中，常常会遇到或多或少的困难。只要我们想办法，用心去思考，用行动去创造，困难都会迎刃而解。只有做到理论知识和实践相结合，才能真正做一个服务社会的人。最后再次真切的感谢陈科文老师。实验三 CDMA扩频调制实验一、实验目的1、了解扩频调制的基本概念；2、掌握PN码的概念以及m序列的生成方法；3、掌握扩频调制过程中信号频谱的变化规律。二、预备知识1、不同多址接入方式（TDMA、FDMA、CDMA）的区别；

26、2、扩频码的种类与应用；3、扩频码的基本性质。三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、实验原理m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位器产生的周期最长的一种序列。如果把两个m序列发生器产生的优选对序列模二相加，则产生一个新的码序列，即Gold码序列。实验中三种可选的扩频序列分别是长度为15的m序列、长度为31的m序列以及长度为31的Gold序列。1.长度为15的m序列由4级移存器产生，反馈电路如图4.9所示。 2.长度为31的m序列由5级移存器产生，反馈电路如图4.10所示。图 4.10 长度为31的m序列的生成需要说明的是：反馈电路如何连接由m

27、序列生成多项式确定，生成多项式不同，反馈电路的连接方式也不同。图4.10仅为可产生长度为31的m序列的反馈电路连接方式之一。3. 长度为31的Gold序列: m序列发生器 n级m序列发生器 n级 初态设置时钟Gold码图4.11Gold码发生器Gold序列是Gold于 1967年提出的，它是用一对优选的周期和速率均相同的m序列模二加后得到的。其构成原理如图4.11所示。两个m序列发生器的级数相同，即。如果两个m序列相对相移不同，所得到的是不同的Gold码序列。对n级m序列，共有个不同相位，所以通过模二加后可得到个Gold码序列，这些码序列的周期均为。以长度为31的Gold序列为例，其生成器如图

28、4.12所示，其中和为m序列的生成多项式。图4.12 长度为31的Gold序列生成器 所以生成长度为31的Gold序列为： 0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,1,0五、实验步骤1、在主界面上选择实验 “扩频调制”实验；2、.选择“手动输入”或“随即生成”产生原始数据；3、可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m序列”，或者“长度为31的gold序列”;4、观察扩频后的数据，并可用频谱分析仪器观察频谱变化；红色曲线表示原始信号，绿色曲线表示扩频信号。我们可以发现，扩频后，频谱展宽。六、 实验结果及分析：G

29、old码是R. Gold提出的用优选对的复合码，所谓m序列优选对，是指在m序列集中，其互相关函数最大值的绝对值小于某个值的两条m序列。而Gold码是由两个长度相同、速率相同、但码字不同的m序列优选对模2加后得到的，具有良好的自相关性及互相关特性。因为一对序列优选对可产生条Gold码，所以Gold码的条数远远大于m序列。扩频通信系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码（差错控制）、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成。信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的传输效率。信道编码（差错控制）的目的是增加信息在信道传输轴格的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分的

30、目的是使经过信道编码后的符号能在适当的频段传输，通常使用的数字信号调制方式为振幅键控、移频键控、移相键控。扩频通信和解扩是为了提高系统的抗干扰能力而进行的信号频谱展宽和还原。可见，与传统通信系统相比较，该系统模型中多了扩频和解扩两个部分，经过解扩，在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。实验四 CDMA解扩实验一、实验目的1、了解CDMA解扩的基本概念；2、掌握解扩的基本方法；3、掌握解扩过程中信号频谱的变化规律。二、预备知识1、扩频的基本原理；2、扩频过程中信号频谱的变化；3、解扩过程中信号频谱的变化。三、验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、实验原理 扩频码序列同步是

31、扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机的本地扩频码与接收到的扩频码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，扩频码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术。 实验中，解扩码相位可以改变。当解扩码相位为“0”时表示解扩码和扩频码同步，无相位差，这时候观察到正确的解扩结果，且频谱恢复到原始信号的较窄的频谱；当解扩码相位不为“0”时，观察到解扩的结果不正确，频谱也不能正确恢复。五、实验步骤1、在主界面上选择“解扩”实验；2、选择“手动输入”或“随机生成”产生原始数

32、据；3、可选择“长度为15的m序列”，或者“长度为31的m序列”，或者“长度为31的gold序列”;4、设定解扩码相位，比较相位同步、不同步时解扩的结果。5、设定解扩码相位，观察“频谱分析仪”上信号频谱的变化。红色曲线表示原始信号的频谱，绿色曲线表示扩频信号的频谱，蓝色曲线表示解扩信号的频谱。六、 实验结果及分析： 扩频码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA系统要求接收机的本地扩频码与接收到的扩频码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，扩频码序列的同步是

33、CDMA扩频通信的关键技术。 实验中，解扩码相位可以改变。当解扩码相位为“0”时表示解扩码和扩频码同步，无相位差，这时候观察到正确的解扩结果，且频谱恢复到原始信号的较窄的频谱；当解扩码相位不为“0”时，观察到解扩的结果不正确，频谱也不能正确恢复。第五章 系统实验实验一 GSM移动台开机登陆和关机实验一、 实验目的1、了解GSM移动终端开机后接入网络进入工作状态的全过程；2、掌握GSM移动终端开机入网位置登记的信令过程；3、掌握GSM移动终端关机离开网络的信令过程。二、 预备知识1、GSM移动终端开机搜索网络的过程；2、GSM移动终端同基站建立RR连接的信令过程；3、GSM移动终端开机入网时IM

34、SI附着的信令；4、GSM移动终端关机时IMSI分离涉及到的信令。三、 实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、 实验原理1、移动台开机搜索网络的过程 当移动终端MS开机或者从盲区进入覆盖区时，手机将寻找PLMN（公共陆地移动网络）允许的所有频点，搜寻最强的BCCH载频，接收到FCCH信道信息，锁定到一个正确载频频率上。紧接着，MS开始解码SCH信道上与同步有关的信息。这时，MS也可以接收BCCH信道上有关小区信息的系统消息了。MS比较系统消息中所携带的本小区的LAI和手机中所存储的LAI。如果两者相同，则触发IMSI附着过程。否则，则触发正常位置更新。本实验主要进行IMS

35、I附着的信令过程，及其MSC/VLR数据库中对于此MS记录的改变情况。而正常的位置更新过程将在移动性管理实验中介绍。GSM网络中位置更新程序包括三类：IMSI附着、正常位置更新、周期性位置更新。从信令角度上看，周期性位置更新的信令过程同IMSI附着相似，目的是周期性向网络报告MS的可达性。有了周期性的位置更新，当移动台开机进入盲区的时候，MS就不会向网络进行周期性的位置更新，网络就将此MS标记为隐含关机状态，这时如果有其他的MS呼叫此MS，MSC/VLR就不会对此MS进行呼叫，而是直接告诉主呼的MSC/VLR，被叫MS不在服务区。从而避免了不必要的寻呼过程，节省了资源。2、IMSI附着的信令过

36、程介绍图5.1是MS进行IMSI附着的信令过程。由于IMSI附着是一个由MM层完成的特定程序。MM层消息交互的建立是以RR层连接建立为前提的。信令过程中，首先是MS收到来自基站（BS）的系统消息，其中包含了基站广播的本小区的LAI号，由于这个LAI号同MS中先前存储的LAI号相同。即表示MS上次关机时所处的位置区同现在开机时所处的位置区相同。从而MS开始IMSI附着的信令过程。首先，是MS和BS之间建立RR连接的过程。这个过程我们在4.1.4节中已做了具体的介绍。这里在（1）（2）（3）步中再做简单的介绍。（1）MS在RACH随机接入信道上发送CHANNEL REQUEST消息；（2）BS收到

37、CHANNEL REQUEST消息后，在下行的AGCH接入许可信道上发送IMMEDIATE ASSIGNMENT 消息，其中包括BS给MS分配的专用控制信道的物理信息。图5. 1 MS进行IMSI附着的信令过程（3）收到IMMEDIATE ASSIGNMENT信息，MS的调整到分配的专用信道上，发送SABM帧，其中包含的层3消息为LOCATION UPDATING REQUEST，这个消息中包含的参数有：位置更新的类型（可以是正常位置更新、IMSI附着或者周期性位置更新，则这里位置更新类型就是IMSI附着）；MS所在位置域的LAI；MS的IMSI。（4）BS收到包含有LOCATION UPDA

38、TING REQUEST内容的SABM帧后，所做的操作：向MS回发SABM的响应UA帧，UA帧的内容同SABM中的内容完成相同，MS收到内容与SABM完全相同的UA帧后，则MS的数据链路层进入证实传递模式BS将LOCATION UPDATING REQUEST消息转发给MSC/VLR。因为MM层的程序执行是由MSC/VLR完成的。（5）MSC/VLR收到LOCATION UPDATING REQUEST消息，则要进行位置更新程序。则位置更新程序之前，要进行MM层的一个公共程序，也就是鉴权程序，鉴权程序的目的是确认移动台通过空中接口传送的IMSI是否为合法的签约IMSI，即鉴别用户SIM卡的真实

39、性，防止无权用户接入网络。在每次位置登记，呼叫（主呼与被呼）建立，或执行某些补充业务的登记、删除前均需要鉴权。鉴权的执行过程如下：MSC/VLR向MS发送鉴权请求消息AUTHENTICATION REQUEST。在MSC/VLR中存储了来自AUC鉴权中心的用户三参数组（RAND、SRES、Kc）。SRES是由随机数RAND和密钥Ki通过A3算法得到的符号响应。MSC/VLR通过鉴权请求消息将随机数RAND发送给MS。MS的SIM卡中也存储有密钥Ki和A3算法的程序。因此MS收到RAND后，让随机数RAND和密钥Ki通过A3算法得到符号响应SRES，并且将SRES通过鉴权响应消息AUTHENTI

40、CATION RESPONSE发送给MSC/VLR。MSC/VLR比较SRES和SRES。若两者相同，则表示MS是合法的用户，鉴权成功；否则鉴权失败，向MS发送LOCATION UPDATING REJECT消息。为了保证空中接口数据的安全性，网络还可以在鉴权之后启动加密程序。在加密模式下，空中接口上的数据首先都要进行加密，接收端进行相应的解密，但这个过程并不是必须的。由网络运营商设备所决定。（6）鉴权过程完成之后，MSC/VLR对LOCATION UPDATING REQUEST消息进行处理。MSC/VLR在其维护的参数列表中寻找同LOCATION UPDATING REQUEST消息中包含

41、的IMSI相同的那行记录，将其中“是否附着”这一项标识为“已附着”；并向MS发送LOCATION UPDATING ACCEPT消息。（7）在LOCATION UPDATING ACCEPT消息或者LOCATION UPDATING REJECT消息发送完毕后，IMSI附着过程完成，开始链路释放的过程。MSC/VLR向BS发送CLEAR消息，BS收到CLEAR消息，则向MS发送CHANNEL RELEASE消息。MS收到CHANNEL RELEASE消息，则向BS发送数据链路层LAPDm的DISC帧。BS收到DISC帧后，将释放MSC与BS之间的链路；并向MS回送对于DISC帧响应的UA帧。M

42、S收到UA帧后，则进入空闲状态，释放RR连接。至此，整个IMSI附着过程完成。3、MS关机的信令过程介绍图5.2 是关机的信令过程。关机的过程同其他的过程相同，开始是MS和BS之间进行RR连接的建立过程。之后在MS发向MSC/VLR的SABM帧中就包含消息IMSI DETACH INDICATION。收到这条消息以后，MSC/VLR就将与此MS对应的记录改为“未附着”状态。图5.2 MS关机的信令过程MSC/VLR维护IMSI的附着与否，作用在于当别的MS呼叫此MS时，MSC/VLR对此MS寻呼之前，先查看是否附着这一位，若已附着则进行正常的寻呼，否则就不进行寻呼，直接告诉对方的MSC/VLR

43、此MS未开机或者不在服务区。五、实验步骤1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在主界面上双击“开机登陆”实验图标，进入此实验界面。2、点击界面上的“初始化”键。看到消息框中出现 “初始化”完成。3、点击界面上“查看参数列表”键，观察MS参数列表，可以查看到本MS对应的IMSI。再根据此IMSI去观察MSC/VLR中同本MS的IMSI相同的那条记录，可以看到在“是否附着”一栏中，目前的状态为“未附着”。4、点击界面上的“开机”开机键，观察消息框中显示的开机的信令过程。开机信令过程若正常结束，会弹出对话框“开机过程完成，已经完成IMSI附着，手机

44、处于空闲状态”。这时，再次观察MSC/VLR列表，可以看到同本MS的IMSI相同的那条记录中“是否附着”一栏，目前的状态变为“已附着”。5、到目前为止，正常的开机过程结束，紧接着点击界面上的“关机”键，观察消息框中显示的关机信令过程。关机信令过程若正常结束，会弹出对话框“关机结束”。这时，点击界面上“查看参数列表”键，再次观察MSC/VLR列表，可以看到同本MS的IMSI相同的那条记录中“是否附着”一栏，目前的状态变为“未附着”。6、由于从MS到达MSC/VLR的信令通过了MS和BS之间的无线信道、BS和MSC/VLR之间的有线信道，因此LOCATION UPDATING REQUEST消息出

45、错的情况会偶尔出现，若出现这种情况，IMSI附着会失败，信令会显示“LOCATION UPDATING REJECT”；IMSI附着失败的信令结束后，会弹出对话框：IMSI附着失败，可按“开机”键重新开始。这时，可按动“开机”键重新进行IMSI附着过程。7、以上所有的信令过程我们都是在正常模式下进行的，这时信令交互的速度比较快。为了更清晰的掌握信令的交互过程，我们可以选择界面上的“单步”键。然后按动“初始化”键。这样实验就进入单步执行状态。这时候，需要按动“下一步”按键，相应的信令交互才会出现。这时信令交互的进行由此键控制。从而使学生有充分的时间一边学习实验报告中关于信令交互过程的介绍，一边进

46、行实验。以上正常IMSI附着、关机和的信令过程都可以在单步的情况下再次进行。六、 实验结果及分析：实验二 移动性管理实验一、实验目的1、了解移动通信网络中移动性管理的作用及其实现。2、掌握VLR内部位置更新的信令过程及其对MSC/VLR参数列表的影响。3、掌握跨VLR位置更新的信令过程及其对MSC/VLR参数列表、HLR参数列表的影响。二、预备知识1、移动通信网络如何进行移动性管理。2、VLR内部的位置更新的原理及其信令流程。3、跨VLR位置更新的原理及其信令流程。三、实验仪器1、移动通信实验箱 一台；2、台式计算机 一台；四、实验原理移动性管理的实验，主要是让学生了解两种位置更新的信令流程以

47、及对应的VLR和HLR参数的改变。这两种位置更新是VLR内的位置更新和跨VLR的位置更新。本节将介绍移动通信网中移动性管理的作用；VLR内部位置更新和跨VLR位置更新的原理及其信令流程。1、移动通信网中移动性管理的作用同固定网络相比，移动通信网络中的用户总是处于不断运动状态的，其位置是不固定的。当有电话用户要同某移动用户通话时，移动通信网络必须能够知道此移动用户目前的大概位置，从而顺利地寻呼到此用户。即移动通信网络要始终跟踪移动用户的位置，这项工作就是由移动通信网络中的移动性管理功能块实现的，它是移动网络所特有的。为了确认移动台（MS）的位置，每个GSM PLMN（GSM公共陆地移动网络）的覆

48、盖区都被分为许多个位置区（LA），一个位置区可以包含一个或多个小区。一个MSC控制区域可以分为多个位置区，也可以一个MSC控制域就是一个LA。当移动台由一个位置区移动到另一个位置区时，必须在新的位置区进行登记，也就是说一旦移动台出于某种需要或发现其存储器中的LAI与接收到当前小区的LAI号发生了变化，就必须通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息。这个过程就是位置更新。当移动台从一个小区进入另一个小区，如果新旧小区处于同一个位置区，移动台是不需要进行位置更新的。只有新旧小区不处于同一个位置区的时候，才触发位置更新过程。用于标识移动台当前所处位置域的标识LAI会存储在目前移动台所处区域的MSC/

49、VLR中的VLR访问位置寄存器数据库中。当移动台的位置区改变的时候，而且新旧两个位置区是由相同的MSC/VLR控制的时候，进行的就是VLR内部的更新，这时候VLR中有此移动台的记录，接收到移动台的位置更新请求的时候，VLR只是将记录中的LAI项修改成新的位置区的LAI，不需要通知HLR。以上过程称为VLR内的位置更新过程。当移动台的位置区改变的时候，若新旧两个位置区处于不同的MSC/VLR控制的时候，进行的位置更新就是跨VLR的位置更新。比如当移动台从归属交换局（MSC-H）覆盖范围移动到被访交换局（MSC-V）覆盖范围时，就是通常所说的漫游，这时的位置更新过程就属于跨VLR的位置更新。这个更

50、新过程就比较复杂。新的VLR通过移动台的IMSI知道移动台的HLR地址，新的VLR将向移动台的HLR通知移动台的位置改变。若HLR检测到MS在新的VLR中有权限，将记录新的VLR号，并向旧VLR（PVLR）发送消息删除MS的“位置消息”。这样HLR就获得了MS的最新位置信息。新的VLR继续对MS进行鉴权和TMSI再分配。在实验一中提到，GSM网络位置更新程序包括三类：IMSI附着、周期性位置更新和正常位置更新。本节实验中进行的VLR内部的位置更新和跨VLR位置更新就属于正常位置更新。即移动台前后所处的位置域不相同。2、 VLR内部位置更新的原理及其信令流程VLR内部的位置更新是一类最简单的位置

51、更新程序，只在当前所在的VLR中进行，而不需通知HLR。VLR内部位置更新的信令流程如图5.3所示，从信令的流程可以看出来，它跟前面提到过的IMSI附着的信令过程非常相似。首先同样是信令信道的分配过程，之后在初始化过程中，移动台向网络发送SABM帧中携带LOCATION UPDATING REQUEST消息，但是这个消息中有一个标识位，表明此次接入需要完成的是“正常位置更新”；且该消息中包含MS的TMSI和LAI号。若MSC收到了此报文，则通知VLR执行位置更新处理。具体的处理过程是：更新VLR中对此MS的记录，存储新的LAI号码；并根据需要向移动台分配一个新的TMSI号。MSC/VLR向MS

52、发送LOCATION UPDATING ACCEPT消息，其中包含新分配的TMSI号。MS收到新的TMSI号后，向MSC/VLR发送TMSI RELOCATION COMPLETE消息。此后释放信道，VLR内位置更新结束。图5.3 VLR内位置更新信令流程3、跨VLR位置更新的原理及其信令流程当移动台的位置区改变的时候，若新旧两个位置区处于不同的MSC/VLR控制的时候，进行的位置更新就是跨VLR的位置更新。跨VLR位置更新的信令流程如图5.4所示。若移动台进入一个小区后发现所存储的LAI号与当前的LAI号不一致，则将其旧的LAI号和存储的TMSI号在LOCATION UPDATING REQ

53、UEST消息中通过MSC发送给VLR。MSC收到MS发送的LOCATION UPDATING REQUEST消息后，就要求VLR根据LOCATION UPDATING REQUEST消息中的参数来进行位置更新的操作。由于是跨VLR位置更新，新的VLR数据库中没有关于此MS对应的TMSI的记录，而这时新的VLR需要得到此MS的IMSI和鉴权参数，目的有两个，一个是利用IMSI向此MS的HLR进行位置更新操作；另一个是要对MS进行鉴权。信令流程图中PVLR表示以前MS所在区域的VLR。新的VLR从PVLR处得到IMSI和鉴权参数的操作如下：VLR根据旧的TMSI和LAI号码导出前一个VLR（PVLR）的地址，并向PVLR发送消息“MAP SEND IDENTIFICATION”消息。PVLR就会向新的VLR回发有关移动台的IMSI和鉴权参数。这些内容是包含在消息“MAP_SEND_IDENTIFICATION ACK”中。至此，新的VLR就得到了MS的