移动通信实验报告.doc

1、中 南 大 学移动通信实验报告课题名称： 移动通信实验报告 学 院： 信息科学与工程学院 班 级： 学 号： 姓 名： 指导老师： 目录1.GSM 基站实验部分1.1 移动台开机入网及关机实验1.2 移动台主叫实验1.3 移动台被叫实验2.移动通信系统实验2.1 信源编码实验2.2 分组码交织与解分组码解交织实验2.3 扰码与解扰2.4 QPSK 调制解调实验2.5 信道复用实验2.6 信道均衡实验3.实验总结GSM 基站实验部分1.1 移动台开机入网及关机实验一、 实验目的了解移动台（手机）的入网过程。了解移动台（手机）开关机的信令传递过程。了解移动台（手机）的位置更新过程二、 实验仪器GS

2、M 基站实验系统手机一部三、 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 IMSI 附着的信令过程，及其 MSC/VLR 数据库中对于此 MS 记录

3、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。3、 IMSI 附着的信令过程介绍图 4-2-

4、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 RA

5、CH 随机接入信道上发送 CHANNEL REQUEST 消息；（2 ） BS 收到 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。AGCH 请 求 IMSI附 着MS BS MSC/VLRCHANEL RQUESTIMEDIATE SIGNMETLOCATIO UPDATING REQUSTAUTHENTICATION REQUSTTETICTI RESPONSELOCATION UPDATING ACEPTCHANEL RELSEL2-DISCL2-UA

6、2- R连 接 建 立鉴 权 过 程R连 接 释 放SYTEM IFORMATIONBCHRCDCHCLEAR图 4-2-1 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 UPDATIN

7、G 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

8、 IMSI 是否为合法的签约 IMSI，即鉴别用户 SIM 卡的真实性，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

9、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 AUTHENTICATION 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/VL

10、R 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

11、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。MS 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。4、 MS 关机的信令过程介绍图 5.2.1-2 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

12、 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。请 求 IMSI分 离MS BS MSC/VLRCHANEL RQUESTIMEDIATE SIGNMETISI DETACH INDICATIONCHANEL RELASEL2-DISCL2-UAL2-UAR连 接 建 立R连 接 释 放RACHGCDCH CLEAR图 4-2-2 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

13、告诉对方的 MSC/VLR 此 MS 未开机或者不在服务区。5、位置更新过程M S B T S B S CM S CC H R E Q ( 1 )C H R Q D ( 2 )C H A C T ( 3 )I M M A S S ( 6 )C H A C T A C K ( 4 )I M M A S S C M D ( 5 )S A B M ( 7 )U A ( 1 0 )E S T I N D ( 8 )L O C U P D A T E R E Q ( 9 )A U T H R E Q ( 1 5 )A U T H R E Q ( 1 6 ) A U T H R S P ( 1 7 )A

14、U T H R S P ( 1 8 )I D E N T I T Y R E Q ( 1 1 )I D E N T I T Y R E Q ( 1 2 )I D E N T I T Y R S P ( 1 3 )I D E N T I T Y R S P ( 1 4 )C I P H M O D E C M D ( 2 0 )C I P H M O D E C M P ( 2 2 )C I P H M O D E C M P ( 2 3 )C I P H M O D E C M D ( 2 1 )C I P H M O D E C M D ( 1 9 )L O C U P D A T E A

15、C C ( 2 4 )L O C U P D A T E A C C E P T ( 2 5 )T M S I R E A L L C M P ( 2 6 )T M S I R E A L L C M P ( 2 7 )D E A C T S A C C H ( 3 0 )C L E A R C M D ( 2 8 )C H A N N E L R E L E A S E ( 2 9 )D I S C ( 3 1 )U A ( 3 2 )R E L I N D ( 3 3 )R F C H R E L ( 3 4 )R F C H R E L A C K ( 3 5 )C L E A R C

16、M P ( 3 6 )S C C P R E L ( 3 7 )S C C P R E L A C K ( 3 8 )图 4-2-3 手机位置更新流程手机首先从小区的 RACH 信道向 BTS 发送信道请求（CH REQ：Channel Request） ，BTS 收到处理后向 BSC 发送信道要求（CH RQD：Channel Required） ；BSC 收到后向 BTS 激活 SDCCH信道（CH ACT） ，BTS 激活信道后回确认消息（CH ACT ACK） ；BSC 收到后向 BTS 发立即指配命令（IMM ASS CMD） ，BTS 收到后在 AGCH 信道上向该手机发送立即指配

17、（IMM ASS） ，手机收到后发送 SABM，BTS 发送 UA 给手机。同时 BTS 向 BSC 发送信道建立指示（EST IND） ，其中包含手机的位置更新请求，BSC 将手机的位置更新请求通过 CR（LOC UPD REQ）发送给 MSC，MSC 收到后给 BSC 回 CC 消息。以上完成手机和 BTS 的 SDCCH 建链过程，并且从SDCCH 将位置更新信息发给 MSC，MSC 在进行可选的加密模式选择后向手机发送位置更新接受消息（LOC UPD ACCEPT） 。接着 MSC 向 BSC 发送清除消息（ Clear CMD） ；BSC 回清除完成（Clear COM） ，同时向

18、BTS 发送 SDCCH 释放消息（CH REL）以及 SACCH 信道去激活消息（DEACT SACCH） ；BTS 收到后向手机发送信道释放消息（CH REL） ，手机要求 BTS 释放无线链路（DISC） ，BTS 回释放确认（UA）同时向 BSC 报告信道释放指示；接着 BSC 向 BTS 发送无线信道释放（RF CHL REL） ，BTS 回确认消息（RF CHL REL ACK）完成整个无线信道的释放过程。1、 信道请求：MS 通过动态地在 RACH 信道（随机接入信道）上发送一个随机接入脉冲向一个（BTS）基站收发信台申请一条信道。在信道请求消息中包括了建立的原因，这个原因可能是

19、“应答寻呼” 、 “紧急呼叫”、 “其他业务（移动主叫，短消息业务） ”或“ 其他”，比如位置更新。此外，这条消息还包括随机参数，移动台（MS）随机的选 5 个比特作为随机参数。这些参数的作用是：当两个移动台同时接入网络时，网络能运用这些参数来区分这些移动台。2、 申请信道：基站收发信台向基站控制器发一条申请信道消息。通过这条消息，基站收发信台进一步向基站控制器传递由移动台发起的信道请求。实际上，申请信道消息中除了包含信道请求消息中的一些消息外，还包括通过基站收发信台加入的一些消息。基站收发信台一直在计算信道的数目，在这种情况下，上行的 CCCH（RACH-脉冲）信道的数量也被包括在内，申请参

20、数直接从信道请求消息中来。这样，初始时间提前量（接入延迟）就由基站收发信台加入到这条消息中。3、 信道激活：基站控制器向基站收发信台发送一条信道激活消息。收到从基站收发信台发来的申请信道消息后，基站控制器开始按照一定的条件为此次呼叫寻找和分配SDCCH 信道，其中最重要的是：分配给哪个基站收发信台以及此 SDCCH 的信道组合。此消息中包含的参数有：DTX 控制、信道的 ID（识别） 、信道描述和移动分配、移动台和基站的最大功率电平、基站控制器计算的有关此次接入的初始时间提前量。4、 信道激活证实：对信道激活消息的应答。当基站收发信台收到这条消息后，它开始发送和接受 SACCH 信道，在这条消

21、息中用到的参数是接收到的信道激活消息的功率电平。5、 立即指配命令：基站控制器告诉基站收发信台关于被使用的 SDCCH 信道。6、 立即指配：基站分系统通过 AGCH 信道告知移动台有关使用的 SDCCH 信道的情况。实际上，这条消息是一条从网络向移动台发的从 AGCH 信道转到先前定义的 SDCCH 信道工作的指令。在这条消息中，包括的参数有：寻呼方式、SDCCH 信道描述、随路SACCH、跳频、申请参数（与建立原因相同） 、初始时间提前量和频率分配（跳频应用） 。7、 位置更新请求：位置更新请求消息由 MS 向网络发送，用以请求位置更新。8、 位置更新请求（建立指示）：BTS 通过返回的建

22、立指示消息来确认立即指配命令。建立指示消息有两种用途。首先，建立指示消息从基站收发信台的角度出发，指出移动台目前正在 SDCCH 信道上。这样，基站收发信台向基站控制器发一消息，指示现在移动台的 CM 业务请求正在所描述的这种 SDCCH 信道上传送。另外，基站收发信台将识别这一连结并把接收到的第 3 层的消息加入到这条消息中。9、 位置更新请求：位置更新请求消息作为一个连接请求（CR）消息传向 MSC。10、 无编号确认（UA）：无编号确认通常是建立第二层 LAPDm 链路时的第二层确认。11、 识别请求：实际上这是用来检查 IMEI 的一个识别过程。 IMEI（国际移动设备识别码） 。这种

23、请求由设备识别寄存器（EIR）发起用以控制移动台的硬件部分。通常，不是每次呼叫建立都要做；典型值（在 VLR 内设置）是每 20 次呼叫建立检查一次。网络还要求用户的 IMSI 以防与网络端失去联系。举个例子，移动台想通过 TMSI 建立一次呼叫，但网络丢失了 TMSI。这种情况下，网络除了询问移动台外没有其它方法识别用户。识别请求作为一个连接确认（CC = Connection Confirm）消息发送。12、 识别请求：GSM 把识别请求消息传向移动台。13、 识别响应：移动台对识别请求发送包含移动识别消息的响应。14、 识别响应：消息继续被传向 MSC。15、 鉴权请求：移动交换中心发送

24、一条鉴权请求消息作为 CC（连接证实）消息给BSC。这条消息包括 RAND。16、 鉴权请求：BSC 通过 BTS 把消息传送给 MS。17、 鉴权响应：MS 以带符号的响应结果来响应鉴权请求。鉴权响应通过 BTS 被送往BSC。在 MS 鉴权过程中，使用两种算法 A3 和 A8。这些算法和 32-数字密钥被存储在 SIM卡中。当网络申请移动台的鉴权，AUC/VLR 发送 32 位十进制随机数字给 MS。MS 接着计算带符号的响应（SRES）并把它回送给 VLR。VLR 把接收到的 SRES 和从先前 AUC的鉴权组内部接收到的 SRES 作比较。如果这些 SRES 相同，鉴权成功， MS 可

25、以继续呼叫。你可以注意到，KI 的前 8 个数字被用来鉴权和 SRES 算法，剩下的 24 个数字被保留用作密钥算法。18、 鉴权响应：为了完成鉴权过程，从 MS 来的 SRES 的值在消息内部被送回 VLR。19、 加密模式命令：MSC 要求 BSC 从无线通路开始加密。假如网络想要在无线接口开始加密，需要在 A 接口发送消息。如果网络使用加密，那么 MS 在接收到此消息以后开始加密。20、 加密命令：BSC 把加密消息储存到它的存储器中然后向 BTS 发送一个加密命令来发起加密模式操作。21、 加密模式命令：GSM 告知 MS 加密的初始，开始接收被加密模式。22、 加密模式完成：MS 确

26、认加密命令。23、 加密模式完成：如果正在进行加密，而且这是在空中接口中的第一条加密的消息。GSM 确认加密命令，通知 MSC 移动台已经开始加密并开始以加密模式发送消息。24、 位置更新接受：MSC 发送位置更新接受消息给移动台以指示更新已经完成。25、 位置更新接受：位置更新接受消息被 GSM 传到移动台。26、 TMSI 再分配完成：当 MS 接收到 TMSI 再分配命令消息后，把 LAI 储存在 SIM 卡中。如果接收到的身份识别是 MS 的 IMSI，它就把先前储存的 TMSI 删除。如果接收到的身份是 TMSI，MS 把它存储在 SIM 中。在这两种情况下，MS 将发送一条 TMS

27、I 再分配完成消息给网络。27、 TMSI 再分配完成：TMSI 再分配完成消息送往 MSC。28、 清除命令：这个消息由 MSC 发出，用来释放所有相关的资源，也就是与这个通话过程相关的 GSMAP。29、 释放信道：使正在使用的 TCH 停止活动。这个消息是由 BSC 发向 MS 的。另外，它也被称为“第三层 的断开消息” 。在正常的呼叫建立情况下，呼叫原因为“正常” 。30、 DEACTIVE_SACCH（慢速随路控制信道）：BSC 向下行发送这个消息，BSC 禁止向MS 传送系统消息。事实上，此时已经没有在 SACCH 上接收 / 发送任何消息的必要了，因此它将被去活。31、 DISC

28、：MS 将发送第 2 层帧以拆除在上行方向上的连接，并通知 BTS 在 TCH/FACCH信道中停止此次业务连接。32、 UA：BTS 确认拆除帧，其结果：MS 重新开始监听 BCCH 信道，并且所有的无线接口将被释放。33、 释放指示：BTS 通知 BSC，MS 没有太多可利用的无线资源。34、 RF 信道释放：BSC 通知 BTS 释放其余无线资源。35、 RF 信道释放确认：所有空闲的无线资源被释放后，BTS 给 BSC 发送一确认消息，这些无线资源包括：TCH/FACCH 和 SACCH。36、 清除完成：此确认是 SCCP 数据（清除命令） ，此时 BSC 通知 MSC 所有与此次呼

29、叫有关的无线资源被释放。37、 SCCP 释放：当所有无线资源被释放，与此次呼叫有关的 GSMAP 连接不再需要。此消息通知 BSC 释放 SCCP 连接，并作为 RLSD 消息发送。38、 SCCP 释放确认：BSC 通知 MSC 有关此次呼叫的专用 SCCP 连接被释放，并作为RLC 消息发送。四、实验数据及分析五、实验总结1.2 移动台主叫实验一、实验目的1、掌握移动台主叫正常接续时的信令流程。2、了解移动台主叫时被叫号码为空号时的信令流程。3、了解移动台主叫时被叫用户关机或处于忙状态时的信令流程。4、了解移动台主叫时被叫用户振铃后长时间不接听的信令流程。二、实验仪器1、 GSM 基站实

30、验系统一台；2、手机二台；三、实验原理处于开机空闲状态的移动台要建立与另一个用户的通信，在用户看来他只要输入被叫用户的号码，再按发送键，移动台就开始启动程序直到电话拨通。实际上，移动台和网络需要经过许多步骤才能将呼叫建立起来。以移动台同移动台进行通信为例，就包括主叫移动台和主叫 MSC 建立信令连接、主叫 MSC 通过被叫电话号码对被叫用户进行选路，即寻找被叫所处的 MSC、被叫 MSC 寻呼被叫 MS 并建立信令连接过程等三个过程。本实验主要是让学生掌握移动通信中移动台主叫时 MS 和 MSC 之间的信令过程、以及为了完成通话连接，主叫 MSC 和被叫 MSC 之间的信令过程（即七号信令中的

31、部分消息） 。并通过作为被叫的移动通信实验箱的配合，去了解在出现被叫忙、被叫振铃未接电话等信令过程。本节先介绍一般的主叫信令流程。关于移动台被叫的信令过程以及通话链路释放信令过程我们将在下一个实验中进行。1、主叫信令流程移动用户做主叫时的信令过程从 MS 向 BTS 请求信道开始，到主叫用户 TCH 指配完成为止。一般来说，主叫经过几个大的阶段：接入阶段，鉴权加密阶段，TCH 指配阶段，取被叫用户路由信息阶段。接入阶段主要包括：信道请求，信道激活，信道激活响应，立即指配，业务请求等几个步骤。经过这个阶段，手机和 BTS（BSC ）建立了暂时固定的关系。鉴权加密阶段主要包括：鉴权请求，鉴权响应，加密模式命令，加密模式完成，呼叫建立等几个步骤。经过这个阶段，主叫用户的身份已经得到了确认，网络认为主叫用户是一个合法用户，允许继续处理该呼叫。取被叫用户路由信息阶段主要包括：向 HLR 请求路由信息；HLR 向 VLR 请求漫游号码； VLR 回送被叫用户的漫游号码； HLR 向 MSC 回送被叫用户的路由信息（MSRN） 。MSC 收到路由信息后，对被叫用户的路由信息进行分析，可以得到被叫用户的局向。然后进行话路接续。下面的图 5.2.3-1 是两个移动台建立通话并释放的整个信令过程。下面我们只介绍移动台主叫信令的流程。