移动通信实训室实训项目23.docx

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移动通信实训室实训项目23

第二部分系统实验

系统实验部分包括RZ6001型移动终端实验箱自环系统通信实验、移动系统信令交换实验和移动系统通信实验。

RZ6001型移动终端实验箱可以自己构成一个自环系统，完成语音、数据（短信）的自环通信。

同时数据还可以通过PC机接入RZ6001实验箱，在RZ6001实验箱完成自环以后又送回PC机。

对于语音的自环通信，实际上完成了对输入的语音进行A/D变换，压缩编码，扩频，无线发送，传播，无线接受，解压缩，D/A变换，然后输出语音信号。

对于数据的自环通信，实际上完成了对输入的数据，压缩编码，扩频，无线发送，传播，无线接受，解压缩，然后输出数据。

两台RZ6001型移动终端实验箱之间也能完成相应的语音何数据的传输。

多台RZ6001型移动终端实验箱与配套的基站RZ6002，交换机RZ6003组成一个移动通信系统之后，其中每台RZ6001型移动终端实验箱都可以和PC机上配套的“移动系统信令实验平台”软件一起完成对移动台开机，关机，主叫，被叫，挂机的信令交互实验。

通过信令交互实验，可以清晰地观察到每种情况下移动台与基站和交换机之间的信令交互过程，加深对移动通信系统的认识。

多台RZ6001型移动终端实验箱与配套的基站RZ6002，交换机RZ6003组成一个移动通信系统，可以完成移动台之间的语音和数据通信。

RZ6001型移动终端实验箱完成语音、数据的处理，和基站的信令交互；基站完成各终端的频率分配和信令分析、处理，以及和交换机之间一起完成跨基站的移动终端实验箱之间的通信，同时将本基站管理移动终端实验箱的状态送往交换机。

交换机终端完成跨基站之间的移动终端实验箱之间的通信管理，同时将各移动终端实验箱的状态送往PC机，PC机上配套移动系统软件对各移动终端实验箱的状态和数据进行显示、分类、存储和分析。

同时实验箱上还配置了一个GSM模块，利用它还可以和GSM公网的普通手机进行短消息收发和语音呼叫等实验。

第1章完成RZ6001型移动终端数据和语音自环系统通信实验

第2章完成移动系统的信令交互实验

第3章完成移动系统的通信实验

第4章完成GSM模块通信实验

第1章数据和话音业务通信实验

现代通信技术课程设计

RZ6001型移动终端实验箱可以自己构成一个自环系统，完成语音、数据（短信）的自环通信。

同时数据还可以通过PC机接入RZ6001实验箱，在RZ6001实验箱完成自环以后又送回PC机。

对于语音的自环通信，实际上完成了对输入的语音进行A/D变换，压缩编码，扩频，无线发送，传播，无线接收，解压缩，D/A变换，然后输出语音信号。

对于数据的自环通信，实际上完成了对输入的数据，压缩编码，扩频，无线发送，传播，无线接受，解压缩，然后输出数据。

实验一短信收发实验

一、实验目的

1.了解终端短信和数据通信的结构框图；

2．了解移动通信终端的短信收发过程。

二、实验内容

1．通过键盘和液晶选择和发送短信，观测接收结果。

三、实验原理

通讯发达的今天短信已经成为人们交流的重要手段，其中也蕴含着巨大的市场和经济利益。

主要过程就是用户将编制好的短信，通过移动信道，发送给接收方，接收方收到短信，再显示出来。

短信收发的结构框图如图1-1-1所示。

图1-1-1短信收发的结构框图

工作过程如下：

开机，DSP从FLASH加载程序代码。

（1）发送方：

1）通过键盘选择短信，由单片机通过中断通知DSP；

2）DSP将短信数据处理后通过串口MCBSP发送给D/A转换单元；

3）D/A转换单元将数字信号变换为模拟信号，然后上变频单元通过射频将语音信号发射出去。

（2）接收方

1）接收方的下变频单元，将接收的信号下变频给接收方的A/D单元；

2）A/D单元将模拟信号转换为数字信号，交给DSP的MCBSP；

3）DSP对短信处理后，通过中断通知单片机，单片机将接收的短信内容在液晶屏上显示出来。

四、实验步骤及任务

1．打开实验箱电源，等待实验箱初始化。

初始化结束后显示“初始化完成，请使用”，此时可以进行下面操作。

2．先按下键盘上“菜单”键，再按下数字键“6”选择“六.短信收发”，进入短信编辑方式选择状态；

按下“1”键进入“选择短信序号”方式，显示屏显示短信编号和内容：

可以通过“↑/确认”键和“↓/取消”键查看更多的短信。

按下相应的数字编号选择要发送的短信内容，并启动短信发送程序；

按下“2”键进入“编辑数字短信”方式，可以用键盘输入数字，输入完毕后按下“↑/确认”键，启动短信发送程序；

按下“3”键进入“编辑数字短信”方式，此时数字1~9分别代表字母A~I，可以用键盘输入字母，输入完毕后按下“↑/确认”键，启动短信发送程序；

3．在液晶的上方显示发送的短信内容。

如果接收到短信，在液晶的下方将显示收到的短信内容。

4．通过菜单选择短信收发实验，选择其他的短信内容，观测接收到的短信内容。

实验二数据接入CDMA信道的收发实验

一、实验目的

1.了解本实验箱和计算机的接口；

2．熟悉通过计算机来发送和接收短信的过程。

二、实验内容

1．掌握计算机和实验箱的连接方法；

2．了解计算机和实验箱通信过程；

3．通过计算机来发送和接收短信。

三、实验原理

PC机发送数据的结构框图如图1-2-1所示。

图1-2-1计算机和实验箱的连接框图

工作过程如下：

1．发送方

（1）PC机和RZ6001实验箱通过RS232串口连接；

（2）通过PC机端编写要发送的信息，通过串口传输给RZ6001实验箱；

（3）实验箱的单片机接收到信息，通知DSP，DSP通过CDMA编码，再通过射频发送。

2．接收方

（1）接收射频信号，下变频后，传递给DSP；

（2）DSP收到数据，进行CDMA译码，并传送给单片机；

（3）单片机将接收到的数据，传送给PC机，在PC机端显示处理。

3.移动GSM短信软件

移动GSM短信软件是与本实验箱配套的软件，用它可以实现在PC机编辑短消息并通过移动实验箱上的CDMA系统进行自环传输。

在做本实验时，软件界面如图1-2-2所示，在消息输入区编写要发送的短信内容，然后点击发送按钮。

图1-2-2移动GSM短信软件（PC短信发发送）

四、实验步骤与任务

1.将实验箱关机，在实验箱右下的A扩展接口安插上“GSM开发模块”。

用配套的RS232连接线连接“GSM开发模块”和计算机。

再打开移动实验箱电源，等待初始化完成；

2.按“GSM开发模块”左下角的“工作方式选择”按钮，使模块右上角“PC-SYS”对应的指示灯亮，此时计算机和实验箱上的主单片机连接；

3.先按下“菜单”键，再按下数字键“7”选择“七.PC短信收发”；

4.运行计算机上的“移动GSM短信软件”，得到如图1-2-2界面；否则在“仪器”菜单中选择“PC<－>SYS”或者点击“切换到PC<－>SYS”按钮；

5.在输入区编辑发送短信的内容，可以是中文或英文或数字，也可以是中英文混合；

6.观测实验箱液晶显示区发送和接收显示内容；

7.观测在计算机端的返回消息区中收到的短信，并与发送的短信比较。

注意：

1、输入的短信内容长度最长为8个汉字或16个英文字母与数字。

2、当输入中英文数字混合的短信时，在中文之间的英文或数字必须为偶数个，否则实验箱液晶显示区会出现乱码，但不会影响计算机的显示。

实验三移动终端语音自环通信实验

一、实验目的

1.了解移动通信终端的结构框图；

2．了解移动通信终端的语音通信过程；

3．了解各测试点的波形。

二、实验内容

1.测试移动终端实验箱语音通信各点的波形；

三、实验原理

移动通信终端的组成框图如图1-3-1所示。

图1-3-1移动通信终端的组成框图

工作过程如下：

加电后AMBE2000复位，配置AD73311，根据SW601拨动开关的位置，设置语音压缩速率及其他参数。

（1）发送方：

1）根据K501选择2K的正弦波或从麦克风输入的话音信号，可以通过W501调节发送的音量；

2）模拟信号通过A/D转换芯片AD73311转换为数字信号，并传递给AMBE2000；

3）AMBE2000根据预先的参数配置，进行语音压缩编码，并每20ms间隔发送24个字给DSP；

4）DSP接收到语音压缩数据，通过Walsh序列进行扩频和BPSK调制；

5）调制后的数据经过D/A转换，然后上变频，通过射频将语音信号发射出去。

（2）接收方

1）接收方将接收的信号下变频给接收方的A/D单元；

2）A/D单元将模拟信号转换为数字信号，交给DSP；

3）DSP对接收的数据进行解调和解扩，并传输给AMBE2000；

4）AMBE2000将接收的语音压缩数据做解压，并传递给AD73311；

5）AD73311将数字语音信号转换为模拟信号，并送到喇叭或耳机。

可以通过W502调节接收的音量。

四、实验步骤

1．打开实验箱电源，等待实验箱初始化。

初始化结束后显示“初始化完成，请使用”，此时可以进行下面操作；

2．先按下“菜单”键，再按下数字键“8”选择“八.本地语音通信”实验，进行移动终端实验箱的语音自环通信实验；

3．输入本机号码，可以听到拨号音和回铃音。

在振铃两次后，电话自动接通；

4．将K501拨到“SIN”，此时输入的模拟信号为2KHZ的正弦信号；在下述测试点观测发送信号的波形：

（1）通过测试点TP501可以观测输入模拟信号。

调节面板上的W501，可以改变输入信号的幅度；

（2）通过测试点TP504观测A/D转换后的信号；

（3）通过测试点TP603观测语音压缩后的信号；

（4）通过测试点TP307观测扩频后的信号；

5．在下述测试点观测接收信号的波形：

（1）通过测试点TP304观测接收端待解扩信号；

（2）通过测试点TP604观测接收端待解压缩信号；

（3）通过测试点TP505观测接收端解压缩后的数字信号；

（4）通过测试点TP506观测接收端D/A转换后的模拟信号，调节面板上的W502可以改变输出信号的幅度；

6．将K501拨到“MIC”，将输入的模拟信号设置为麦克风输入的话音信号，插入麦克风，对着麦克风说话，观测上述各测试点的信号，同时可以听到接收的语音信号。

注意：

在该实验中，SW601拨码开关必须设置为（2.4kbs）：

ON

DIP

█

█

█

█

█

█

█

█

1

2

3

4

5

6

7

8

五、实验任务

1．描述移动终端实验箱语音自环通信的整个过程；

2．测试从语音输入、语音模数转换、语音压缩、扩频等一系列测试点的波形。

实验四移动终端双机通信实验

不配置交换机和基站的系统才有本该实验。

如果配置基站和交换机，则对应实验九

一、实验目的

1.了解移动通信终端双机通信的结构框图；

2．了解移动通信终端双机通信中主被叫通信过程。

二、实验内容

1．用麦克风和耳机来测试移动双机通信中语音通信的性能；

2．通过键盘和液晶选择和发送短信，观测接收结果。

三、实验原理

实验一、实验二和实验三的语音和短信实验都是在一个实验箱之间进行的数据的自发自收。

实际上任意两个移动实验箱之间可以进行全双工通信，包括语音通信和短信通信，这类似于常见的对讲机功能。

如下图所示：

图1-4-1移动终端双机通信结构框图

在移动终端双机通信中，每个实验箱都分配一个固定的号码，该号码对应着相应的无线发射频道和无线接收频道。

本实验中，根据分配的号码，每个实验箱的接收频道是固定不变。

而发射频道则要在呼叫时根据接收信号实验箱的号码来确定的。

例如号码为X1的实验箱作为主叫和号码为Y1的实验箱进行通信，则X1的实验箱首先主动将自己的发射频道调整到Y1的接收频道，Y1接收到X1的呼叫信息后，也将Y1的发射频道调整到X1的接收频道。

这样X1和Y1两个实验箱就可以有两个信道进行语音和数据传输，因此就可以实现全双工通信。

在本实验中，SW601拨码开关必须设置为（2.4kbs）：

ON

DIP

█

█

█

█

█

█

█

█

1

2

3

4

5

6

7

8

设置完成后启动移动终端实验箱等待初始化完成。

之后主叫和被叫移动终端实验箱均进入系统双机通信实验。

1．语音通信

（1）主叫方和被叫方移动终端实验箱都选择双机通信实验并处于空闲状态；

（2）如有拨号则该移动终端实验箱成为主叫方，拨号完成后将主叫方的发射频道调整到被叫方的接收频道；

（3）被叫移动终端实验箱收到主叫号码后进行显示并振铃；

（4）被叫移动终端实验箱根据被叫用户选择接通或拒绝；

（5）如被叫用户选择接通，被叫也将自已的发射频道调整到主叫的接收频道，主叫和被叫建立通信链路；

（6）主叫和被叫用户可以通过麦克风进行全双工的语音通信；

（7）主叫和被叫用户在进行语音通信过程中可以选择结束语音通信，主叫和被叫撤消通信链路；

（8）通信链路撤消后原主叫和被叫移动终端实验箱均进入空闲状态，可以再次进行语音或数据通信；

（9）主叫和被叫语音数据的处理与“实验三移动终端语音自环通信实验”相同。

2．数据通信（短信收发）

（1）发送方和接收方均处于空闲状态；

（2）如有拨号则该移动终端实验箱成为发送方，拨号完成后发送方根据接收方设置发射频道；

（3）拨号完成后进行短信选择，短信选择完成后发送方根据设置的发送频道发送数据。

（4）接收方移动终端实验箱收到主叫号码和短信内容后分别显示，完成一次数据通信。

（5）完成一次数据通信后，发送方和接收方均回到空闲状态，可以再次进行语音或数据通信。

四、实验步骤

1．打开移动实验箱电源，等待实验箱初始化。

初始化结束后显示“初始化完成，请使用”，此时可以进行下面操作；

2．先按下键盘上“菜单”键再按下数字键“9”，进入“九双机综合通信”实验，显示屏上将显示2位数的本机号码，例如11；

3．输入2位被叫号码，例如12，可以听到拨号音和回铃音；

4．语音通信时：

（1）拨号完毕后按“电话”键表示请求与被叫进行语音通信；

（2）如果被叫移动终端实验箱也进入双机通信实验，则被叫移动终端实验箱会收到主叫号码并振铃；

（3）可以按下被叫移动终端实验箱的“↑/确认”键选择接通，此时主叫方移动终端实验箱和被叫方移动终端实验箱显示“通信中…”，之后主叫和被叫可以通过麦克风进行语音通信；

（4）如果按下被叫移动终端实验箱的“↓/取消”键则选择拒绝接通，此时主叫移动终端实验箱显示“被叫拒绝”；

（5）如果被叫移动终端实验箱的长时间（30秒）没有按键，则主叫移动终端实验箱显示“被叫无应答”；

（6）在主叫和被叫通过麦克风进行语音通信时，双方均可主动按下“↓/取消”键挂机并进入空闲状态，此时另一方显示“对方挂机”，之后也进入空闲状态；

（7）进入空闲状态后可以和其它移动实验箱进行通信。

5．短信通信时

（1）拨号完毕后按“短信”键表示将进行短信通信，并进入短信编辑方式选择状态；

（2）按下“1”键进入“选择短信序号”方式，显示屏显示短信编号和内容，可以通过“↑/确认”键和“↓/取消”键查看更多的短信。

按下相应的数字编号选择要发送的短信内容，并启动短信发送程序；

按下“2”键进入“编辑数字短信”方式，可以用键盘输入数字，输入完毕后按下“↑/确认”键，启动短信发送程序；

按下“3”键进入“编辑数字短信”方式，此时数字1~9分别代表字母A~I，可以用键盘输入字母，输入完毕后按下“↑/确认”键，启动短信发送程序；

（3）如果接收方移动终端实验箱进入双机通信实验，此时显示（以12发短信，13收短信为例）：

0．双机综合通信

本机号码：

13

接收短信：

12

按下“↑/确认”键，则接收方移动终端实验箱会收到短信内容并显示；此时发送方显示“发送成功”；

（4）如果接收方移动终端实验箱不在双机通信实验状态，发送方短信发送不成功。

五、实验任务

1．描述移动终端实验箱双机通信系统的频道分配原理；

2．描述移动终端实验箱双机通信系统中主被叫语音通信过程；

3．描述移动终端实验箱双机通信系统中短信通信过程。

第2章移动系统信令交互实验

2.1预备知识

在系统实验部分将围绕GSM移动通信系统的主要呼叫流程和主要信令流程开设四个实验：

移动台开机和关机信令交换实验；移动台主叫信令交换实验、移动台被叫信令交换实验、移动台移动性管理信令交换实验。

本节中将对GSM系统结构、GSM的接口信令协议栈、典型的呼叫处理过程及其涉及到的信令做简要的介绍，以利于顺利完成本部分的实验。

通过本部分的四个实验，学生将对GSM系统主要的信令流程有个全面的了解。

2.1GSM系统结构

蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统（BSS）和移动台（MS）三大部分组成。

GSM系统框图如图2-1所示，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）。

网络子系统是对通信业务进行管理，负责建立移动台和相关固定电话网络之间，以及移动台和移动台之间的通信。

基站子系统为移动台和网络子系统提供了进行信息传输的通路，并对该通路进行管理，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

移动台和基站子系统之间的接口为Um接口。

移动台部分（MS）包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。

图2-1GSM系统框图

下面简要介绍各实体的功能：

一、GSM移动台

GSM移动台包括移动台物理设备（即手机的裸机）和SIM卡两部分。

移动台的类型很多，除了人们最熟悉的手机之外还包括车载台、便携式移动台。

任何类型的GSM移动台都具备以下的基本功能：

◆无线接入GSM数字移动通信网，完成各种控制功能；

◆支持各种基本业务（电信业务和承载业务）和附加业务；

◆加密功能，可对用户数据及信令进行加密；

◆话音编解码和信道编解码功能；

◆辅助基站子系统完成APC（自动功率控制）、跳频及各种切换；

◆无线信道速率和用户数据速率之间的适配；

◆实现人机接口（MMI）所需的各种功能。

移动台的一个重要组成部分是用户识别模块，即人们常说的SIM卡。

SIM卡中存放着所有和用户有关的用户无线接口侧的信息，包括鉴权、加密信息。

使用GSM系统进行呼入和呼出的移动台必须插入SIM卡，只有在处理紧急呼叫时（如呼110和119），才可以在不插入SIM卡的情况下使用移动台。

SIM卡其实是一张符合ISO标准的IC卡，由CPU和存储器以及串行通信单元组成。

SIM卡中存放的主要有三类信息：

◆与SIM卡本身以及和持卡者有关的信息；

◆进行GSM网络操作所需的信息，如IMSI，TMSI，LAI，加密键Koch，用户密钥Kid，鉴权算法A3和加密算法A5和密钥生成算法A8等；

◆缩位拨号码、网络承载性能、移动台设备参数、短消息业务信息等。

二．基站子系统（BSS）

BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。

功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

基站子系统一方面通过BTS利用无线接口与移动台相连，负责信息的无线发送/接收和无线资源的管理；另一方面，通过BSC和网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间以及移动用户和固定电话网络用户之间的通信连接。

三．网络子系统（NSS）

网络子系统（NSS）由六个功能单元组成：

移动业务控制中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备标识寄存器（EIR）和操作维护中心（OMC）。

（1）移动业务控制中心（MSC）

MSC是整个网络子系统的核心。

首先，MSC是交换机，MSC通过A接口和其他MSC或PSTN建立连接、进行呼叫控制和计费。

MSC具有号码存储、呼叫处理、路由选择、回波抵消和超负荷控制等功能。

MSC可以从HLR，VLR和鉴权中心（AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需要的全部数据。

反之，MSC也根据其获取的最新信息请求更新数据库的部分数据。

MSC中的移动电话子系统（MTS）可用于实现用户的移动性，包括移动用户的呼叫建立与控制、位置更新、切换、VLR/HLR数据查询、移动应用协议（MAP）实现、信令连接、用户鉴权和话音加密等。

一个容量较大的移动通信系统中，其网络子系统中可能包含若干个MSC，VLR和HLR。

同时和移动网络以及固定网络连接，负责移动网至固定网，以及固定网到移动网呼叫转接功能的MSC叫做网关MSC（即GMSC）。

GMSC是移动通信网和其他网络互联的接口，是其他网络呼叫区域内移动用户的固定入口点。

（2）访问用户位置寄存器（VLR）

MSC通常和VLR集成在一起，VLR中存放的就是和其集成在一起的MSC管辖范围内的用户的相关信息。

VLR负责用户的位置登记和位置信息的更新，MSC根据用户在VLR中登记的位置，对其发起寻呼。

VLR中的数据是临时的（只有用户在其服务区内时，VLR中才保留该用户的数据），HLR中的数据则是相对固定不变的，但HLR中也有一个临时的数据库，用于存放用户的当前位置信息，在HLR中存放用户位置信息的目的是为了方便呼叫的转接。

（3）归属用户位置寄存器（HLR）

HLR是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制区内所有用户的相关数据。

一个MSC/VLR只能对应一个HLR，但一个HLR可以控制一个或者若干个MSC/VLR。

HLR中存储着该HLR控制区内所有移动用户的静态和动态数据，静态数据包括：

移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据；动态数据包括：

用户位置更新信息、漫游用户所在的MSC/VLR地址等，保证每个入局呼叫都能按最新的路径信息接续至被叫用户。

HLR为每个归属用户至少存储一个可用的三参数组（RAND，SRES，Koch）。

（4）鉴权中心（AUC）

GSM系统采取了许多特殊的安全措施，如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行加密等。

AUC中存储着鉴权算法和加密密钥，用来防止非法用户接入系统，并保证通过无线接口进行通信的用户数据的安全。

鉴权中心可以保证各种加密参数的安全性，并以加密形式在AUC和管理中心（OMC）之间传输这些参数。

鉴权中心可以根据HLR的请求，一次向HLR提供5组鉴权三参数组。

鉴权三参数组（RAND，SRES，Koch）是根据随机数RAND及Kid，再利用相应算法计算产生的，鉴权三参数组存储在HLR中，支持鉴权、保密功能。

（5）移动设备识别寄存器（EIR）

EIR中存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。

EIR中有三种清单：

白名单、黑名单和灰名单，分别列出准许使用的，失窃不准使用的、出现异常需要监视的移动设备的IMEI号码。

AUC根据MSC的要求，检查IMEI及其状态，并将结果报告MSC，确保入网设备不是被盗用的或者故障设备，确保注册用户的安全。

但这一设备在真正的运营的网络中未使用。

（6）运营与维护中心（OMC）

OMC用于对GSM系统进行集中操作与维护，允许远程接入对系统进行运行维护和管理，并提供和高层网络管理中心（NMC）之间通信的接口。

以上介绍了GSM系统结构。

为了真实再现GSM系统的主要呼叫流程和信令流程，本套实验设备将模拟移动台、基站子系统和网络子系统。

2.2GSM无线接口

一．信道的定义

在GSM中的信道可以分为物理信道和逻辑信道。

1．物理信道