移动通信虚拟实验室的研究与总结毕业设计

.WORD版本.移动通信虚拟实验室的研究与总结毕业设计目录1绪论 11.1课题研究背景及研究意义 11.2论文构成及研究容 22GSM移动通信系统 32.1概述 32.1.1GSM的发展历史 32.1.2GSM系统的特点 42.2GSM移动通信系统的结构与主要接口及其协议 52.2.1GSM系统的结构与功能 52.2.2GSM系统的主要接口及其相关信令协议 103GSM移动通信系统的相关技术 153.1GSM系统中的 153.2移动通信的区域组成 183.3频率复用技术 203.3.1频率复用的概念 203.3.2频率复用的方式 213.4频率分配 223.4.1固定频道分配 223.4.2动态频道分配 233.5GSM系统的用户管理 243．5.1位置管理 243.5.2越区切换 273.5.3GSM的物理信道和逻辑信道 314虚拟实验室 344.1虚拟实验室的概念 344.2虚拟实验室的组成 344.3虚拟实验室的类型 354.3.1虚拟仪器实验室 354.3.2虚拟现实实验室 384.4虚拟实验系统的仿真设计 395越区切换的仿真 415.1研究越区切换的意义 415.2仿真小区的设置 415.3小区信道的频率分配 425.4仿真过程中所用参数设置 435.5越区切换的仿真 445.5.1信令流程 445.5.2仿真逻辑 455.5.3仿真执行过程 465.6仿真结果与分析 476结论与展望 526.1主要结论 526.2对本课题的展望 52致谢 54参考文献 55附录A 56构建基于虚拟仪器的网络虚拟实验室 56附录B 60本论文设计的仿真代码： 601绪论1.1课题研究背景及研究意义近年来，随着计算机、程控交换和数字通信技术的发展，移动通信汇集了有线通信和无线通信的最新技术成果，已成为现代通信的重要组成部分和未来个人通信的重要基础。特别是蜂窝小区技术的迅速发展，为实现完整的个人移动通信提供了可靠的传输手段和接续方式。据悉，国各高校都将移动通信技术、程控交换技术、微波通信技术等课程作为电子信息和通信工程专业的必修课，而这一类课程的教学实验已成为国高等院校亟待解决的问题，即通过建立移动通信虚拟实验室。在Internt通信平台上利用多媒体技术构建网上移动通信系统虚拟实验室，组成由虚拟移动台、虚拟基站、虚拟移动交换机、虚拟信道构成的虚拟移动通信系统，不仅可以很好的解决教学实验面临的难题，同时还可以在一定程度上超越传统的教学实验，将整个移动通信系统部的信号流程以及涉及到的相关通信设备，相互之间如何进行数据交换等环节淋漓尽致的展现在我们的眼前，更为IT行业开拓了一个脱离依靠笨重、落后的仪器来进行产品研发和测试等的崭新局面，因为通信行业是一个发展较为迅速的新兴行业，从而通过建立移动通信虚拟实验室，可以较大程度上减少相关实验器材因更新速度快而被迅速淘汰，为通信行业产值的快速提高铺平了道路。目前，国不少高校已纷纷使用LabVIEW，LabWindows/CVI等虚拟仪器编程语言，结合计算机高级语言VC、C等构建功能强大的移动通信虚拟实验室系统。如大学及邮电大学都对基于Web的移动通信虚拟实验室进行了研究；省还专门为移动通信虚拟实验室开辟了一个教育基金项目；不少个人也对移动通信系统中比较关键的环节进行的虚拟实现，比如：对优化整个移动通信系统的仿真、对移动通信系统中计费环节进行模拟实现、对移动通系统中信道的分配，移动台随机进行越区切换的概率、基站的分区和天线的角度设置等；还有不少企业或个人加入到对移动通信系统虚拟仿真器的设计行列。在移动通信虚拟实验室中，通过各种软件环境可以方便的添加控件来模拟通信系统中的相关设备，用户与虚拟实验设备之间的交互都是通过用户界面来进行的，通过直观的图形化用户界面(GraphicUserInterface-GUI)，用户可调用不同的实际项目，从而实现与“通信设备”的对话。实时的观察到移动台在各种状态下的数据交换，使我们对现代移动通信技术这门课程的理论知识有一个比较深层次的理解。对了解和掌握当代移动通信系统的相关关键技术也是很重要的。用现代计算机技术研究虚拟实验室及其在教学中的应用，是近几年国外实验教学和远程教学研究的热点。虚拟实验室一般具有透明性、资源共享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及安全性等特点，是传统实验室无法比拟的[3]。综上所述，研究和开发通用性强、仿真性能好、能指导和启发实验者的虚拟实验室系统具有相当的理论和实际价值。1.2论文构成及研究容本文首先介绍了建立移动通信虚拟实验室对教学的积极作用和对通信行业的贡献，以及通过与传统实验比较突显出它的功能和特点；然后再介绍GSM移动通信系统的一些基础知识以及在仿真章节中需要使用到的关键技术；进而介绍虚拟实验室的概念、组成、仿真设计等部分，目的是为了方便对移动通信虚拟实验室中虚拟实验室的理解；最后再介绍如何在虚拟实验室中研究移动通信系统中比较关键的技术部分，即移动台的越区切换，如何为虚拟实验室的仿真提供理论前提。最终给出移动通信系统中越区切换部分的仿真和分析。本文分为四个章节，具体容如下：介绍论文研究的背景和研究意义，并阐述了论文的构成和研究容。介绍GSM移动通系统的结构、特点、接口及其协议。介绍了通信系统中的一些关键技术如频率复用技术、频率分配、信道越区切换的准则和系统工作的流程。为第四章的仿真作前提理论知识。介绍虚拟实验室的相关概念及仿真设计介绍越区切换的仿真过程及结果分析简约阐述了本文的主要结论和此项课题的研究前景。2GSM移动通信系统2.1概述2.1.1GSM的发展历史移动通信是指通信双方或至少一方是在运动状态中进行信息传递的通信方式。移动通信不受时间和空间的限制，交流信息灵活迅速，被认为是实现通信理想目标的重要手段，具有广阔的发展前景。第一代模拟移动通信系统的容量有限，易受噪声干扰。更为严重的是，各个国家的模拟移动通信系统互不兼容。例如，NMT系统的移动台进入TACS系统区域时，由于二者使用的频谱和通信协议不同，用户无法通话。系统不兼容，还导致各个厂商分别发展自己的专用设备，无法实现规模生产，因而不利于降低成本。在这种情况下，欧洲各国都认为必须制定一个新的标准，来解决当时模拟移动通信存在的问题，GSM系统便应运而生了。GSM的原意是“移动通信特别小组”，随着设备的开发和数字蜂窝移动通信的建立，GSM逐步成为泛欧移动通信系统的代名词。1991年，欧洲的专家们将GSM重新命名为“GlobalSystemforMobileCommunication”,使之成为”全球移动通信系统“的简称。同年，移动特别小组根据英国的建议，完成了制定1800MHZ频段的公共欧洲电信业务的规，定名为DCS1800。该系统与GSM900具有相同的基本功能特性，因而该规只占用GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述，二者绝大部分是通用的，GSM900和DCS1800这两个系统都属于GSM系统。1993年，欧洲第一个DCS1800系统正式投入运营。GSM系统技术规中只对功能和接口制订了详细规，未对硬件做出规定。这样做的目的是尽可能的减少对设计者的限制，各运营商可以购买不同厂家的设备。GSM系统发展迅速，全球绝大多数移动运营商都采用了GSM制式。目前，GSM网络已覆盖200多个国家，总用户数超过10亿，GSM因此成为第二代最成熟的移动通信系统。随着GPRS的开通和大力发展，GSM网络已经平滑的过渡到2.5G移动通信系统。现在有85%的移动运营商选择GSM-GPRS-3G的发展道路。根据欧洲的计划，GSM将进一步过渡到WCDMA，这是目前最成熟的，也是今后主流的第三代移动通信系统。我国于1992年在建立和开通了第一个GSM演示系统，并于1993年9月正式开放业务。从那时起，全国各地大多用GSM系统，通过近十年的发展，GSM己成为我国国目前发最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝移动通信系统。截止到2006年底，我国GSM用户已接近4亿，中国移动通信公司成为世界上用户最多、网络规模最大的移动通信运营商。2.1.2GSM系统的特点GSM系统是完全按照欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM规研制而成的，任何GSM系统都必须符合GSM技术规。GSM系统是一种典型的开发式结构，它具有以下特点。GSM系统可以与其他公共通信网互通互连GSM系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连；国际漫游GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关；业务多样化GSM系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务及其与ISDN相关的业务；4.性高GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户和网络安全需求；5.组网结构方便灵活GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；6.用户终端设备进步快用户终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。2.2GSM移动通信系统的结构与主要接口及其协议2.2.1GSM系统的结构与功能GSM系统是由一系列完整的功能单元(或功能区域)构成的，系统的总体结构如图2.1和2.2所示，主要由移动台（MS）、基站子系统（BSS）、网络子系统（NSS）及操作维护子系统（OSS）四部分组成。其中，移动台，如用户携带的移动，是GSM系统中用户直接接触的唯一设备；基站子系统结合移动台共同控制无线链路；网络子系统用于实现移动用户间、移动用户与固定用户间的呼叫转移，完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能；操作维护子系统主要负责和维护整个系统的实现运行部分。OPERATEROPERATERUSEREXTERNALNETWORKSOSSNSSBSSMS图2.1GSM系统框图OSS：操作支持子系统BSS：基站子系统NSS：网路子系统NMC：网路管理中心DPPS：数据后处理系统SEMC：安全性管理中心PCS：用户识别卡个人化中心OMC：操作维护中心MSC：移动业务交换中心VLR：来访用户位置寄存器HLR：归属用户位置寄存器AUC：鉴权中心EIR：移动设备识别寄存器BSC：基站控制器BTS：基站收发信台PDN：公用数据网PSTN：公用网ISDN：综合业务数字网MS：移动台图2.2GSM移动通信系统的组成1.移动台（MS）移动台就是我们常说的“手机“，它是整个系统中直接由用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。移动台可以分为车载式、便携式和手持式三种。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。除了通过无线接口接入GSM系统的通常无线和处理功能外，移动台必须提供与使用者之间的接口。比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。或者提供与其它一些终端设备之间的接口。比如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。移动台由两部分组成，即移动终端和用户识别卡（SIM）。用户终端主要完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调以及信息的发射和接收。SIM卡即所谓的“身份证“，类似于我们现在用的IC卡。SIM存有认证用户身份所需的所有信息，并执行与信息安全相关的重要操作，以防止非法用户进入网络，SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据。只有插入SIM卡后，移动终端才能进入网络进行正常通信。当然，当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。SIM卡的应用使移动台并非固定地缚于一个用户，因此，GSM系统是通过SIM卡来识别移动用户的，这为将来发展个人通信打下了基础。2.基站子系统（BSS）基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。实际上，一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。需要说明的是，基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。因此，一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方面如图2.3所示。(1)基站收发信台（BTS）基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。基带单元主要用于必要的话音和数据速率适配以及信道编码等。载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机之间的耦合等。控制单元则用于BTS的操作与维护。另外，在BSC与BTS不设在同一处需采用Abis接口时，传输单元是必须增加的，以实现BSC与BTS之间的远端连接方式。如果BSC与BTS并置在同一处，只需采用BS接口时，传输单元是不需要的。BTS：基站收发信台BIE：基站设备接口BSC：基站控制器MSC：移动业务交换中心SM：子复用设备TC：码变换器图2.3一种典型的BSS组成方式(2)基站控制器（BSC）基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。BSC主要由下列部分构成：·朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分；·朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的BTS控制部分；·公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制；·交换部分。3.网路子系统（NSS）网路子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规的7号信令网路互相通信。(1)移动业务交换中心（MSC）移动业务交换中心（MSC）是网路的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC和面向固定网（公用网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。移动业务交换中心MSC可从三种数据库，即归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC可为移动用户提供一系列业务：·电信业务。例如：、紧急呼叫、传真和短消息服务等；·承载业务。例如：3.1KHz，同步数据0.3kbit/s～2.4kbit/s及分组组合和分解（PAD）等；·补充业务。例如：呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议和计费通知等。当然，作为网路的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它网路功能。对于容量比较大的移动通信网，一个网路子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR，为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫，无需知道移动用户所处的位置。此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心，称为GMSC，入口交换机负责获取位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（VMSC）。因此，GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。目前，GMSC功能就是在MSC中实现的。根据网路的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。(2)访问用户位置寄存器（VLR）访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域移动用户的，存储着进入其控制区域已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR从该移动用户的归属用户位置寄存（HLR）处获取并存储必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。因此，VLR可看作为一个动态用户数据库。VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。(3)归属用户位置寄存器（HLR）归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别、访问能力、用户类别和补充业务等数据。HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域相关动态信息数据。这样，任何入局呼叫可以即刻按选择路径送到被叫的用户。(4)鉴权中心（AUC）GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行等。因此，鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。(5)移动设备识别寄存器（EIR）移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网路正常运行的MS设备，都能采取及时的防措施，以确保网路所使用的移动设备的唯一性和安全性。4.操作支持子系统（OSS）操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其它电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中操作与维护管理。直接面向GSM系统BSS和NSS各个功能实体的操作维护中心（OMC）归入NSS部分。可以认为，操作支持子系统（OSS）已不包括与GSM系统的NSS和BSS部分密切相关的功能实体，而成为一个相对独立的管理和服务中心。主要包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用于用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、用于集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体。2.2.2GSM系统的主要接口及其相关信令协议为了保证网路运营部门能在充满竞争的市场条件下灵活选择不同供应商提供的数字蜂窝移动通信设备，GSM系统在制定技术规时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规而达到互通、组网的目的。为使GSM系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向ISDN的数据通信业务，必须建立规和统一的信令网路以传递与移动业务有关的数据和各种信令信息，因此，GSM系统引入7号信令系统和信令网路，也就是说GSM系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7号信令网路为基础的。1．主要接口GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。如图2.4所示。这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。图2.4GSM系统的主要接口(1)A接口A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。(2)Abis接口Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于BTS（不与BSC并置）与BSC之间的远端互连方式，物理通过采用标准的2.048Mb/s或64kbit/sPCM数字传输链路来实现。图2.5所示的BS接口作为Abis接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS(3)Um接口（空中接口）Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。2．网路子系统部接口网路子系统由移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）等功能实体组成，因此GSM技术规定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。其示意图如图2.5所示。MSCMSCVLRVLRMSCHLR/AUCEIRB接口B接口D接口F接口G接口C接口E接口图2.5网路子系统部接口示意图(1)D接口D接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区能建立和接收呼叫。实用化的GSM系统结构一般把VLR综合于移动业务交换中心（MSC）中，而把归属用户位置寄存器（HLR）与鉴权中心（AUC）综合在同一个物理实体。因此D接口的物理是通过移动业务交换中心（MSC）与归属用户位置寄存器（HLR）之间的标准2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。(2)B接口B接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的部接口。用于移动业务交换中心（MSC）向访问用户位置寄存器（VLR）询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知访问用户位置寄存器（VLR）有关移动台（MS）的位置更新信息等。(3)C接口C接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的接口。用于传递路由选择和管理信息。如果采用归属用户位置寄存器（HLR）作为计费中心，呼叫结束后建立或接收此呼叫的移动台（MS）所在的移动业务交换中心（MSC）应把计费信息传送给该移动用户当前归属的归属用户位置寄存器（HLR），一旦要建立一个至移动用户的呼叫时，入口移动业务交换中心（GMSC）应向被叫用户所属的归属用户位置寄存器（HLR）询问被叫移动台的漫游。C接口的物理方式与D接口相同。(4)E接口E接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心（MSC）之间的接口。当移动台（MS）在一个呼叫进行过程中，从一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域移动到相邻的另一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域时，为不中断通信需完成越区信道切换过程，此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。E接口的物理方式是通过移动业务交换中心（MSC）之间的标准2.048Mbit/sPCM数字传输链路实现的。(5)F接口F接口定义为移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口。用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。F接口的物理方式是通过移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现的。(6)G接口G接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配临时移动用户识别码（TMSI）的访问用户位置寄存器（VLR）询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。G接口的物理方式与E接口相同。3．GSM系统与其它公用电信网的接口其它公用电信网主要是指公用网（PSTN），综合业务数字网（ISDN），分组交换公用数据网（PSPDN）和电路交换公用数据网（CSPDN）。GSM系统通过MSC与这些公用电信网互连，其接口必须满足CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。根据我国现有公用网（PSTN）的发展现状和综合业务数字网（ISDN）的发展前景，GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口。其物理方式是通过MSC与PSTN或ISDN交换机之间标准2.048Mbit/s的PCM数字传输实现的。如果具备ISDN交换机，HLR与ISDN网之间可建立直接的信令接口，使ISDN交换机可以通过移动用户的ISDN直接向HLR询问移动台的位置信息，以建立至移动台当前所登记的MSC之间的呼叫路由。4.各接口的协议GSM系统各功能实体之间的接口定义明确，同样，GSM规对各个接口所使用的分层协议也作了详细的定义。协议是各功能实体之间共同的“语言“。通过各个接口相互传递有关的信息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传送信道。不同的接口可以采用不同形式的物理链路，完成各自特定的信息，这些都有相应的信令协议来实现。GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开放系统互连（OSI）参考模型的。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供自己特定的通信服务。如图2.６给出了GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图。图2.６系统主要接口的协议分层示意图3GSM移动通信系统的相关技术3.1GSM系统中的移动用户可以与市话网用户、综合业务数字网用户和其他移动用户进行接续呼叫，为了将一个呼叫接至某个移动用户，需要调用相应的实体。要能正确寻址，必须要有多种识别码。下面介绍GSM系统最常用的识别码，也为后续章节的仿真设计提供相应的理论基础知识。1.移动台国际ISDN码（ISDN）移动台国际ISDN码(MSISDN)是在公用网编号计划中唯一识别移动的签约，简单的说就是手机。采用E.164编码，如图３.１所示。NDCSNCCNDCSNCC图３.１MSISDN的组成示意图移动台识别，即手机，ITU-T建议结构为MSISDN=CC+NDC+SNCC：国家码，即在国际长途网中的，中国为86。NDC：国目的地码，即网络接入号。中国移动为135、136、137、、，中国联通为130、131、133。SN：用户，其中H1H2H3是HLR标识码，表明用户所属的HLR。MSISDN号不包括字冠，最长为15位数字，它是惟一的识别移动用户的签约，每次签约都接至一个HLR。MSISDN的CC+NDC+H1H2H3实质就是用户所属的HLR地址，这样在GMSC查询HLR时可直接利用MSISDN进行信令连接与控制部分(SCCP)的寻址。例如一个GSM移动用户的手机为8613501019346，86是国家码CC；135是NDC，用于标识网号；01019346是用户SN，9346用于识别归属区。2.国际移动用户识别码（IMSI）为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确的识别某个移动用户，必须给移动用户分配一个特定的识别码，这个识别码称为国际移动用户识别码（ISMI），分别存储在用户识别卡（SIM）、HLR和MSC/VLR上。IMSI在所在的用户漫游位置都有效，GSM网用它识别用户和对用户进行安全鉴别，以判定其是否有权建立呼叫或位置更新。ISMI也是15位长，但采用E.212编码，如图３.２所示。MSINMNC两位数字MCC3位数字MSINMNC两位数字MCC3位数字图３.2IMSI的组成它的组成如下：ISMI=MCC+MNC+MSINMCC：移动用户的国家，中国是460.MNC：移动网号，中国移动为00，中国联通为01.MSIN：移动用户识别码，在某一PLMNMS惟一的识别编码格式为H1H2H3H4SXXXXX。IMSI是国际上惟一的识别一个移动用户的，它的最大长度为15位数字。其中MCC3位数字，MNC两位数字，MSIN最多10位数字。3.BCCH绝对频道号按照GSM系统要求，在每个小区中必须有且只有一个载频用于发送一些广播消息。在这里用BCCHNO表示这个载频的绝对频道号。基站用BCCHNO对应的频率值向各小区发送广播消息，这些广播消息包括:频率同步和时间同步信息、基站的BSIC等。MS在移动过程中，不断监听本小区和相邻小区的BCCH载频，MS根据接收到的BCCH载频使MS与系统同步并判断出该载频所属基站的BSIC以供切换使用4基站识别码（BSIC）在GSM系统中，每个基站都分配有一个本地色码，称为基站识别码BSIC(BaseStationIdentifyCode)。若在某个物理位置上，移动台能同时收到两个小区的BCCH载频，且它们的频道号相同，则移动台以BSIC来区分它们。基站识别码(BSIC)由国家色码(NCC)和基站色码(BCC)组成，用于识别相邻国家的相邻基站，为6bit，其中：NCC=国家色码(3bit)，主要用来区分国界各侧的运营者(国区别不同的省)，为XY1Y2。X:运营者(移动X=1，联通=0)，Y1、Y2:分配见表３－１表３－１基站识别码中Y1和Y2的分配编码Y1Y2010、、、广西、、、北京、、、、、、、天津、、1新疆、、、、上海、、、、、、、BCC=基站色码(3bit),识别基站。由运营商设定。BSIC在每个小区的同步信道(SCH)上发送。其最主要的作用是:当移动台在通话过程中，MS必须对邻区BCCH载频的电平进行测量并报告给基站。同时在上行的测量报告中对每一个频率点，移动台必须给出它所测量到的该载频的BSIC。当在某种特定的环境下，即某小区的邻区中包含两个或两个以上的小区采用相同的BCCH载频时，基站可以依靠BSIC来区分这些小区，从而避免错误的越区切换，甚至切换失败。5.位置区识别码（LAI）位置区识别码（LAI）代表MSC业务区的不同位置区，用于移动用户的位置更新。LAI的组成如图３.３所示，表达为LAI=MCC+MNC+LACMCC：移动国家，用于识别一个国家。MNC：移动网号，用于识别国的GSM网号。LAC：位置区，用于识别一个GSM网中的位置区，LAC的最大长度为16位。一个GSMPLMN中最多可以定义65536各不同的位置区。BCCH绝对频道号MNCLACMCCMNCLACMCC图３.３LAI的组成6.小区全球识别码（CGI）作为一个全球性的蜂窝移动通信系统，GSM对每个国家的每一个GSM网络，乃至每个网络中的每一个位置区、每个基站和每个小区都进行了严格的编号，以保证全球围的每个小区都有唯一的即小区全球识别码与之对应。小区全球识别码(CGI)构成为:CGI=LAI+Cl在上式中LAI=MCC+MNC+LAC为位置区识别码，用于位置区识别、越区切换和位置更新。MCC、MNC的含义和IMSI中相同;CI为一个2字节的BCD编码，由各MSC自定。7.其他整个通信系统中还有其它的很多，比如移动用户漫游（MSRN）、临时移动用户识别码（TMSI）、国际移动台识别码（IMEI）、基站识别码（BSIC）、MSC/VLR、HLR、切换（HON）等。由于文章篇幅原因，在这里不再做一一讲解。3.2移动通信的区域组成建设GSM蜂窝移动通信系统时，由于基站设置多，必须合理的分布它的各个子系统。根据子系统的功能，将整个网络分成大小不同的区域，使各个区域的子系统能够有机的配合。GSM与其它的现代移动通信网都是在理论上以正六边形小区覆盖整个服务区为基础进行研究的，由于正六边形酷似蜂窝，故将这种小区制移动通信网称为蜂窝。因为蜂窝的优点之一就是我们最为关心的——提高了频率使用率。只有了解了蜂窝系统的各个区域，才能清楚信号传输与交换过程。为此，原CCITT（国际电报咨询委员会）将蜂窝网的区域划分为小区、位置区、MSC区、PLMN区和服务区等。小区GSM蜂窝系统的服务区由一个个的小区（cell）组成，小区是GSM系统最小的区域单位。每个小区有一个基站覆盖。小区的规模是可变的，人口越密集的地方，小区越小。当移动用户在网络中移动时，用户通过所在小区的基站接入业务。小区的准确形状依赖于该地区的地理情况，高山和高大的建筑物可能会阻挡信号。假设不考虑这些因素，无线电波的覆盖区域是以无线电收发信机为圆心的一个扇形区域。离基站越远信号强度就越弱，所以小区的边界是移动终端不再可靠发送和接收信号的界限。但是，无线电信号在边界处不会自动停止，这就有可能对相邻小区产生干扰。因此，小区的覆盖围与周围基站的位置及信号强度、噪声的干扰等因素有关。当一个小区周围没有任何基站小区的覆盖围远到信噪比高于手机灵敏度的任何区域。若小区周围有其他的基站，小区的边界为两个基站信号的交叉点。手机通过交叉点将要进行通话转接和位置更新。小区根据覆盖围的大小，可以分为许多类：◆全方向性小区：基站发射的信号在各个方向上的强度都相同的小区称为全方向性小区，一个全方向性小区只有一个基站，这种小区通常用于农村地区。——后续章节的仿真小区即是此处所讲的全方向性小区◆扇形小区：当基站收发信机天线采用定向天线时，基站区分为若干个扇区，如采用120度定向天线时，一个小区分为3个扇区；若采用60度定向天线时，一个小区分为6各扇区。◆宏小区：天线一般假设在高大建筑物的顶端。◆微小区：天线安装在特定的区域，如机场，隧道和地铁等场所。◆微微小区：天线一般安装在更小的小区，如大楼的一个楼层。位置区许多小区组成一个位置区（LA），在这个区域中，移动台可以任意移动但不需要进行位置更新。每个LA都有一个识别码（LAI），系统就是根据手机目前所在区域的LAI来确认其位置的。当系统需要与手机建立通话时，只需对该手机所在的LA进行呼叫即可。MSC区一个位置区只由一个MSC控制，但一个MSC能同时控制多个位置区。一个MSC所控制的所有位置区就构成了一个MSC区，如图3.4所示.ＢＴＳＢＴＳＢＴＳＢＴＳＢＴＳＢＴＳＢＳＣＢＳＣMSC图3.4位置区示意图当系统要跟某部手机建立通话时，MSC从访问位置寄存器（VLR）中查出该手机目前所在的位置区，然后将信号交换到该位置区的BSC上，由BSC送出信号对该位置区进行呼叫。（4）PLMN区运营商通常会同时经营多个，这些区域就构成了PLMN区。一个PLMN区实际上就是一家运营商经营的围，如图所示。PLMN区至少有一个归属寄存器（HLR），用来记录用户数据。VLR分布在各MSC区，同一个地区通常有数家运营商，它们的PLMN区可能会有一定的重叠。（5）服务区全球所有的PLMN区就构成了服务区。手机只要在服务区就可以系统提供的通信服务。由于全球基站数目不断增加，所以服务区也不断扩大。3.3频率复用技术3.3.1频率复用的概念GSM建网初期，要考虑成本、容量、地形、人口分布等情况，以此确定小区的规划方案，然后进行基站选址、建站、建设传输网络等。基站建设完成后，需要为其分配频率，但是频率资源是十分有限的，比如根据GSM体制的相关标准，我国GSM蜂窝移动通信系统主要使用900MHZ和1800MHZ两个频段，因此必须考虑频率复用的情况。频率复用距离必须足够大，才能不出现同频干扰。关于频率复用还要考虑的一个问题是邻频干扰，两个相邻的频点使用在相邻的小区，或在同一小区里因为两个频点之间没有足够的保护带宽，会造成信号相互干扰。频率复用是蜂窝移动通系统的核心概念。蜂窝结构的价值就是借助频率复用突破了频谱资源的限制，产生出无限的系统容量。频率复用技术是指同一组频率（信道）用于覆盖不同的小区，这些小区彼此之间通过设定有效的距离来避免相互干扰。图解释了蜂窝网频率复用的概念，图中字母相同的小区使用相同的信道频率。在典型的频率复用中要用到以下几个参数：◆D——使用相同的频段（也称为同一信道）的蜂窝区的最小中心间距。◆R——一个蜂窝小区的半径。◆d——相邻蜂窝小区的中心距离。◆N——一个复用模型的小区个数，术语称为复用因子（reusefactor）。频率复用因子k为1/N。◆C/I——同频干扰保护比。为了理解频率复用的概念，考虑一个共有S条可用双工信道的蜂窝系统。如小区都分配k条信道（k<N），并且S条信道在N小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，则可用无线信道的总数为S=kN共同使用全部可用频率的N个小区就是一簇。若簇在系统中共复制了M次，则双工信道的总数C为C=M*kN=M*S从上式可以看出，蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定围复制的次数成比例。通常，N的典型值为4、7或12。3.3.2频率复用的方式根据GSM体制，许多GSM运营商采用传统的4*3复用方式，即频率每隔12个小区复用一次。由于GSM系统本身采用了许多抗干扰技术，如跳频、自动功率控制、基于语音激活的非连续发射和天线分集等，将这些技术合理、有效的利用，将会C/I。因此，可以采用更密集的频率复用方式，也就是说，在一定带宽条件下提高单位面积的信道数，希望建立尽可能少的基站，每个基站设置尽可能多的收发信机，以此增加频率复用系数，提高频谱利用率。特别应指出的是，采用更、紧密的复用方式之后，频率的复用距离减少，使干扰增加，因此必须采用如跳频或不连续发射等技术，比较常用的更紧密的频率复用方式有3*3、2*6、1*3复用方式，伞状结构复用，普通同心圆复用及多重频率复用。——后续章节仿真设计中采用的是1*3的频率复用方式3.4频率分配在介绍频率分配之前，先介绍频率与频点的概念。在移动通信中，频率是指无线信号的发射频率，包括移动台发送给基站的上行信号和基站发送给移动台的下行信号；而频点是给固定频率编号。假设给定频率围为890~915MHZ，频率间隔200KHZ，按此间隔从890MHZ，890.2MHZ，890.4MHZ，890.6MHZ，...,915MHZ分为125个无线频率段，对每个频段进行编号，分别为1，2，3，…，125。这些对固定频率的编号就是我们所说的频点。频率（频道或波道）分配是频率复用的前提。频率分配有两层含义：一是频道分组，根据移动网的需要将全部信道分成若干组；二是频道指配，以固定的或动态的分配方法指配给蜂窝网的用户使用。下面主要讨论频道指配的方法。频道指配有两种方法：固定频道分配和动态频道分配。下面将分别介绍。3.4.1固定频道分配固定信道分配主要解决3个问题：确定频道组数和每组的频道数，以及频道的频率指配。这里只讨论蜂窝网固定频道分配。固定频道分配有两种：一是分区分组分配法；二是等频距分配法。分区分组分配法分区分组分配法应遵循的原则是尽量减少占用的总频段，以提高频段的利用率；同一区群不能使用相同的信道，以避免同频干扰；小区采用无三阶互调的相容信道组，以避免互调干扰。例如，给定的频段以等间距划分信道，按顺序分别标明各信道的为：1，2，3，…。若每个区群有7个小区，每个小区需6条信道，按上述原则分配，可得：第一组1514203436第二组2913182131第三组3819253340第四组41216223739第五组61027303241第六组71124262935第七组151723283842上述每一组信道分配给区群的一个小区，这里使用42条信道，而且只占用了这42条信道的频段，这是最佳的分配方案。信道分配的前提是要避免三阶互调，但未考虑同一信道组中的频率间隔，可能出现较大的邻道干扰，这是分区分组分配法的主要缺点。等频距分配法等频距分配法是按等频率间隔来配置信道的，只要选频选的足够大，就可以有效的避免邻道干扰。这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系，但因为频距大，干扰易于被接收机输入滤波器滤除，也就避免了互调干扰。等频距分配时可根据区的小区数N来确定同一信道组各个信道之间的频率间隔。例如，第一组用（1，1+N，1+2N，…），第二组用（2，2+N，2+2N，…）等。假设N=7，则信道的配置如下：第一组18152229第二组29162330第三组310172431第四组411182532第五组512192633第六组613202734第七组714212835这样，同一信道组的信道最小间隔为7，若频率间隔为25KHZ，则最大频率间隔为175KHZ，接收机的输入滤波器就可以有效的抑制邻道干扰和互调干扰。3.4.2动态频道分配动态频道分配是根据移动用户话务量随时间和位置的变化对频道进行分配。也就是说，不将信道固定的分配给某一小区，移动台可在小区使用系统的任何一个频道。这种分配方式的优点是可以使有限的频道资源得到充分的运用。例如，一般来说移动用户大多早上从住宅区向商业区移动，到了傍晚又返回到住宅区；发生交通事故或集会时会向某一处集中，此时这一小区的业务量就会突然猛增，若依然按照固定频道分配方式，原来配置的信道可能就不够用了。采用动态频道分配方式，可以从相邻小区的频道中挑选出空闲的。但是，采用动态分配频道方式，需要混合使用任意信道的天线共用设备，而且在每次呼叫时，需要采用高速处理横跨多个基站的庞大算法。3.5GSM系统的用户管理3．5.1位置管理1.移动台的状态移动台一般处于开机空闲（待机）、MS通信和MS关机3种状态之一，因此网络需要对这3种状态作出相应地处理。1）移动台（MS）关机，从网络中“分离”当MS切断电源关机时，MS即向网络发送最后一条信息，其中包括分理处理请求，MSC接收到后，即通知VLR在该MS对应的IMSI上作“分离”标记。而归属位置寄存器（HLR）并没有得到用户已脱离网络的通知。当用户被呼叫，HLR向MSC/VLR要漫游（MSNR）时，MSC/VLR通知HLR该MS已从网络分离，不再需要发送寻找该用户的寻呼信息。2）移动台（MS）开机（待机），网络对它作“附着”标记当MS开机（打开电源）后，他首先要在空中接口上搜索，以找到正确的BCCH载频，并通过FCCH和SCH将频率锁定并保持同步。该BCCH载波有广播信息和可能的寻呼信息。若位置需要更新，在位置更新后，MSC要对MS进行“附着”标记。如不进行位置更新，就直接进行“附着”标记。移动用户虽然开机但没有通信，在这种状态下，网络可以成功地寻呼到MS。MS开机后就会对周围进行测试，并连接到接收性能最好的广播信道上；当MS移动时，还要不断地测试周围信号的强度，总是锁定在某一广播信道上，这就叫漫游。MS还要通知网络其所处的位置区的变化，这个过程叫“位置更新”。3）移动台（MS）处于通信状态（MS忙）在MS处于通信状态下，无线网络就分配给MS一个业务信道传送话音或数据。当MS移动时，根据所接收的信号强度，在不中断通信的情况下转到其他信道上，这个过程被称为“切换”。为了决定MS是否需要切换以及如何切换，网络还要对来自MS和BTS的信号强度测试报告进行分析、判断，这叫“定位”。在MS处于空闲状态和忙状态的情况下，网络要对MS提供无线链路，用以完成网络和MS的信息传送。2.周期性位置更新若MS向网络发送“IMSI分离”消息，由于此时无线链路质量很差，GSM系统可能不能正确译码，仍认为MS处于附着状态。再如MS开机时，若移动到盲区，GSM也不知道，仍认为处于附着状态，此时若该MS被寻呼，系统就会不断发出寻呼消息，无效地占用无线资源。为了解决上述问题，GSM系统采用了强制登记的措施。例如现在通信网所要求MS每30分钟登记一次，这就是周期性登记。这样，若GSM系统没有收到某MS的周期性登记信息，它所处的VLR就以“隐分离”状态在该MS上做记录；只有当再次接收到正确的周期性登记信息后，才将它改写为“附着”状态。网络通过BCCH通知MS周期性登记的时间。3位置更新MS从一个位置区移动到另一个位置区时，由于它所处的位置区域发生了变化，就必须将这种变化通知给网络进行登记。也就是说，一旦MS发现其存储的LAI与接收到的LAI发生了变化，便进行登记，这个过程叫做“位置更新“。位置更新包括以下几种情况。不同位置区的位置更新移动台MS在同一位置区的不同小区间移动时，虽然锁定的BCCH载频不同，但没有位置区的变化，因此不需要位置更新。当MS在同一业务区，即与同一MSC连接的不同位置区（LAI）移动时，如图3.5所示，它从位置区LA2的小区3移向位置区LA1的小区4时，因为两个小区同属一个业务区，所以只是移动台MS接收信息。当MS从小区3移向小区4，它通过接收小区4的BCCH信号可知它已漫游到一个新的位置区，因为小区4的BCCH信号中有位置区识别码（LAI）。为了告知MS的实际位置，网络要通过空中接口连续发送位置区识别码（LAI），以便MS能知道自己目前所处的位置区。位置区的变化要通知网络的MSC，这被称为“强制登记”，MS要求接入网络来进行MSC/VLR的位置更新。此时，VLR中MS的位置就由原来的LA2改为LA1。cellcell1cell2cell3cell4cell5LA1LA2MSCBSCBSCMSCMSCBSCLA3VLRVLRHLR图3.5MS位置更新示意图不同业务区间的位置更新在图3.5中，移动台MS从小区3移向小区5时，位置区从LA2移到LA3，而LA2和LA3不属同一位置区，也不属于同一业务区，这种情况就属于同一业务区间的漫游。MS的业务区改变必须通知网络，以便能找到漫游的移动台，其过程如图3.6所示。HLRHLRVLRVLRMSCMSC1位置更新请求4位置更新证实3请求位置更新接受2位置更新请求6位置删除接受5位置删除（old）(new)图3.6不同MSC/VLR区间漫游时位置更新移动通信的一个主要问题是如何能随时找到移动用户，所以MS开机后就得报告网络它目前所处位置。当MS移动时位置区发生变化，它也应该及时通知网络，这就要求MS要进行位置更新，以便网络能准确找到它。当MS由小区3移动到小区5时，它在小区5锁定在BCCH载频上，从BCCH消息中得知此时它所处的位置区及所属业务区。首先时MS向网络发出位置更新请求，此信息通过空中接口传到LA3的BSC，再由它传送到新的MSC。第二步是由新的MSC向HLR发送位置更新请求信息。从HLR向新的MSC发回位置更新请求接收（过程3），这个消息通过LA3所属的BSC到新小区的BTS，再通过空中接口传送给MS，这就是位置更新证实（过程4）。此时MS已在新的MSC业务区，它必须删除旧的MSC中的位置信息，否则它的位置就有两处，无法准确找到它。此时由HLR向旧的MSC发送位置删除信息（过程5），旧的MSC得到此信息后，再VLR删除此移动用户的位置信息，并向HLR报告位置删除接受（过程6）。至此，MS已属新MSC/VLR中的一个用户。3.5.2越区切换1.越区切换的定义所谓越区切换（Hand-off）这一术语来自美国的蜂窝标准文档，ITU-T文档使用术语为越局切换（Hand-over）。越区切换对于任何蜂窝移动通信来说都是一项比较重要的任务。一旦呼叫建立，在通话期间就不需要再建立信道。因此，切换总是在语音信道上实现的。实现切换的意义与小区半径大小有关。例如，若小区半径为32km，面积为3217km2，在这个区域一次呼叫建立后，在通话结束前，有重叠区边界上的弱信号造成的使中断的机率很小，但是若在边缘地区通话中断，用户会很容易重新拨号，再接通。因此，网络必须完成用户通话期间的切换任务。越区切换是指在归属本地网移动台通信时，在保持通信不中断的情况下，从一条无线信道转移到另一条无线信道，即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。切换过程中为了保持通信的连续性，必须顺利完成，而且时间要求要比较短，自动进行且用户感觉不到；否则就会发生掉话的情况。该过程也称为自动链路转移。当MS切换到其它的本地网或在其他本地网切换时，则认为发生了“漫游”。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。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。2.越区切换的分类越区切换分为两大类：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新、旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新的基站建立可靠地连接之后再中断旧的链路。目前，GSM系统采用的是硬切换技术。越区切换准则在决定何时进行越区切换时，通常是根据移动台接收到的平均信号强度来确定的，也可以移动台处的信噪比（或信号干扰比）、误比特率等参数来确定。本文所使用的是根据相对信号强度准则来进行越区切换的，即在任何时间都选择具有最强接收信号的基站。这种切换的缺点是，在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引起太多不必要的切换。切换的流程1.越区切换可以分为以下几种情况：小区部切换：是指同一基站的物理信道之间的切换，包括同一载频或不同载频的时隙之间的切换。BSC部切换：是指同一BSC所控制的不同小区之间的切换。BSC之间的切换：是指同一MSC所控制的不同基站之间的信道切换。MSC之间的切换：是指同一服务区（PLMN）覆盖区的不同MSC之间的信道切换。PLMN之间的切换：这种情况相当于漫游。2.对几种情况进行具体的分析，是后续仿真章节的理论基础。（1）BSC的切换这是最简单的切换过程。BSC根据MS和BTS的测量报告，经分析处理后，确定此时MS所在区，即MS报告中最强信号的小区。BSC与新小区的BTS建立链路，并在新小区中给MS分配一个TCH供MS切换后使用。MS切换后，BSC向MSC报告，其流程如图3.7所示。此时MS仍属BSC1管辖。MS在切换后继续测量周围小区的信号强度，并接受新小区的信息。MSCMSCBSCMS切换执行切换完成切换命令测试报告图3.7BSC切换流程（2）同一业务区不同BSC之间的切换，这种切换过程的流程图如图3.8所示。BSC2(新)BSC2(新)MSCBSC1(旧)MS切换请求（建立新路径）切换请求切换请求证实（路径建立、允许切换）切换完成（MS接入新信道）切换完成执行切换命令消除命令释放原信道消除完成测试报告切换命令图3.8同一业务区不同BSC之间的切换流程（3）不同业务区之间的切换，切换过程的流程图如图3.9所示。VLRVLR(MSC-B)BSC3MSC-BMSC-ABSC2测试报告切换请求执行切换分配切换号码发送切换报告切换请求（建立新路径）允许切换无线信道证实IAMACM切换命令切换命令切换完成证实消息切换完成MS接入新信道发送结束信号ANS清除命令清除完成释放原信道结束信号切换报告图3.9不同业务区之间的切换

3.5.3GSM的物理信道和逻辑信道1.GSM信道的概念信号从天线发射出去就进入了无线信道。在GSM中，无线信道可以分为物理信道和逻辑信道，逻辑信道又可以分为业务信道和控制信道两种。所谓物理信道是指一个载频上一个TDMA帧的一个时隙，他相当于FDMA系统的一个频率，用户通过某一个载频上的一条信道就可以进入系统进行通信。GSM系统要传输不同类型的信息，包括业务信息和各种控制信息，物理信道上传输的信息容就称为逻辑信道。这些逻辑信道有的用于呼叫接续，有的用于通信，也有的用于系统的运行。逻辑信道必须映射到物理信道上才能传送，从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。2.GSM逻辑信道分类逻辑信道是以信息容的性质来界定的。GSM中的信道上传输的容分成业务信息（语音、数据等）和控制信息（控制呼叫进程的信令）两种，与之对应的逻辑信道称为话音信道（TCH）和控制信道（CCH）。GSM的逻辑信道分类如图所示。下面主要介绍后续章节中需要使用到的一些逻辑信道。（1）控制信道控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据，根据所完成的功能又把控制信道分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。控制信道负责基站对手机的控制，使手机能够知道目前所在的位置，执行手机的通话接续等。eq\o\ac(○,1)广播信道（BCH）。广播信道为BTS至MS的单向传输信道，它分为频率校正信道、同步信道和广播信道三种。eq\o\ac(○,2)频率校正信道（FCCH）：用于向移动台传送频率校正信号，使移动台能够调谐到相应的频率上，是下行单行信道，一点对多点进行的通信。FCCH的目的有两个：一是确认这是一个BCCH信道，二是保证与手机的频率保持一致。eq\o\ac(○,3)同步信道（SCH）：该信道向移动台传送帧同步（TDMA帧号）和基站识别码（BSIC）等信息，是下行单行信道，一点对多点的通信。eq\o\ac(○,4)广播控制信道（BCCH）：该信道向移动台传送小区中所有能用的消息，是下行单行信道，是一点对多点的通信。运营商都要为每个小区分配若干个载波频率，每个载波的频段间隔为200KHZ。在小区所有的载波频段中，必须选择一个来传送逻辑信道的各种控制信号。这个特殊的载波频率称为BCCH载波。GSM系统的许多功能都要通过BCCH载波上的控制信号来完成。例如，手机会自动搜索各个基站的信号强度，此时侦测的就是BCCH载波的信号强度。手机会试图连接到BCCH载波信号强度最强的基站，若连接失败，将连接信号次强的基站，直到连接上某个基站为止。所有基站都会以最大发射功率发送BCCH载波，这样基站附近的多个小区的手机能够同时接收到多个基站的信号，手机将接收到的各个基站的信号强度报告给所在小区的基站，为系统进行通话接续提供依据。位置更新时也会用到BCCH载波。手机会随时监听载波上的BCCH，BCCH传送位置区代码（LAI）。手机把目前的LAI存储在存中，当接收到不同的LAI时，系统会进行位置更新。（2）公共控制信道（CCCH）包括寻呼信道、随机接入信道和允许接入信道三种。（3）专用控制信道（DCCH），包括独立专用控制信道、慢速随路控制信道和快速随路控制信道由此可见，GSM通信系统为了传输所需的各种信令，设置了多种专用的控制信道。这样做的目的是为提供数字传输设置多种逻辑信道，增强系统的控功能以及保证语音质量。4虚拟实验室实验是教学过程中的一个重要环节,尤其对于理工科类院校,教育水平的高低与实验开展的好坏有直接的关系。近年来,随着学校规模的扩大,学生数量不断增加,传统的实验模式已经不能满足要求,主要表现在:学校实验经费不足,实验设备严重缺乏；学校实验场地空间有限,不能满足所有学生在实验室进行实验；远程教育不断发展,随之而来的远程教育中的实验已经成为我们面