现代移动通信 CDMA扩频与解扩呼叫实验.docx

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现代移动通信CDMA扩频与解扩呼叫实验

南京邮电大学

实验报告

实验名称__CDMA扩频与解扩

_呼叫实验_____

课程名称现代移动通信__

班级学号

姓名

开课时间2011/2012学年，第二学期

实验一CDMA扩频与解扩

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。

4.了解CDMA解扩的基本概念；

5.掌握解扩的基本方法；

6.掌握解扩过程中信号频谱的变化规律。

二、实验设备

1.移动通信实验机箱一台

2.微型计算机一台

三、实验原理

1.扩频实验原理

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，反馈器如图所示。

初始状态1000

1100

1110

1111

0111

1011

0101

1010

1101

0110

0011

1001

0100

0010

0001

……………………………….

1000

2.长度为31的m序列由5级移存器产生，反馈器如图所示。

3.长度为31的gold序列:

Gold码是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2.1.3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

，如图2.1.4所示。

两组数据为：

1000010000

0100001000

0010000100

1001000010

0100100001

1010011101

1101010011

0110110100

0011001010

1001100101

1100111111

1110010010

1111001001

1111111001

0111110001

0011110101

0001110111

1000110110

1100001011

0110011000

1011001100

1101100110

1110100011

0111011100

1011101110

0101100111

1010111110

0101001111

0010111010

0001001101

0000111011

……………………………………………………………………………….

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}

在硬件上，扩频调制是通过单片机和学生平台软件联合实现的。

在实验箱上没有测试点。

2．解扩实验原理

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。

与扩频实验类似，在实验箱上，解扩实验也没有测试点。

四、实验内容及步骤

1.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。

5.选择“解扩”实验；

6.设定解扩码相位，比较相位同步、不同步时解扩的结果。

7.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。

五、实验结果与分析

1．扩频序列为15m序列

1）解扩码相位为0

2）解扩码相位为3

3）解扩码相位为15（30）

实验分析：

红色曲线表示原始信号，绿色曲线表示扩频信号，蓝色曲线表示解扩信号。

我们可以发现，扩频后，频谱展宽。

当解扩码相位为0或15（30）时，能解扩围原来的信号，由此可知，只要是15的整倍数都可解扩；而为其他解扩码相位时，都不能解扩成原信号。

2.扩频序列为31gold序列

1）解扩码相位为0

2）解扩码相位为4

3）解扩码相位为31（62）

实验分析：

红色曲线表示原始信号，绿色曲线表示扩频信号，蓝色曲线表示解扩信号。

我们可以发现，扩频后，频谱展宽。

结果与15m序列相似，当解扩码相位为0或31（62）时，能解扩围原来的信号，由此可知，只要是31的整倍数都可解扩；而为其他解扩码相位时，都不能解扩成原信号。

六、思考题

1.试说明扩频码在移动通信中的应用。

答：

扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现抑制窄带干扰的目的，扩频越宽，窄带干扰的抑制能力就越强。

2.扩频码的种类有哪些？

有何特点？

如何产生

答：

扩频码的种类有：

m序列，Gold码，Walsh码。

OVSF码。

具有异域产生，具有随机性，周期长的特点。

m序列由线性反馈移存器产生，Gold码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。

Walsh码是完全正交的码集合，在同步情况下，任何两个不同序列号的Walsh码的相关性为零，由Walsh函数产生。

3.扩频后信号频谱发生怎样的变化？

答：

频谱展宽。

4.试说明解扩的基本原理；

答：

用一系列的本地伪随机码来提取扩频信号中的原始信号，该随机码要求与发送端的码字相同且严格同步。

5.为什么接收机中的扩频码需要准确同步？

答：

接收端需要产生一个与发送端相同的本地伪随机码用于解扩，它们不仅要求码字相同，还要求严格的同步。

6.正确解扩和不正确解扩后，信号的频谱有何变化？

请画图示意。

答：

正确解扩频谱图如图1，不正确解扩频谱如图2

图1图2

注：

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。

实验二呼叫实验

一、实验目的：

1.掌握移动台主、被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。

5.掌握通话结束呼叫释放时的信令流程。

6.了解被叫用户振铃后长时间不接听时移动台被叫的信令流程。

二、实验仪器：

1.移动通信实验箱一台

2.台式计算机一台

3.小交换机一台

三、实验原理：

1.移动台主叫实验

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。

当用户输入被叫号码完毕按下发送按钮后，MS将进行一系列动作，首先MS将在随机接入信道（RACH）向BSS发送信道请求消息CHANNELREQUEST，以便申请一个专用信道（SDCCH），BSC为其分配相应的信道成功后，在接入允许信道（AGCH）中通过立即分配消息IMMEDIATEASSIGNMENT消息通知MS为其分配的专用信道，随后MS将在为其分配的SDCCH上发送一个层三消息——CM业务请求消息CMSERVICEREQUEST，在该消息中CM业务类型为移动发起呼叫，该消息被BSS透明的传送至MSC，MSC收到CM业务请求消息后，通过处理接入请求消息通知VLR处理此次MS的接入业务请求，收到业务接入请求后，VLR将首先查看在数据库中该MS是否有鉴权三参组，如果有，将直接向MSC下发鉴权命令，否则，向相应的HLR/AUC请求鉴权参数，从HLR/AUC得到三参组，然后再向MSC下发鉴权命令。

MSC收到VLR发送的鉴权命令后，通过BSS向MS下发鉴权请求AUTHENTICATIONREQUEST，在该命令中含有鉴权参数，MS收到鉴权请求后，利用SIM卡中的IMSI和鉴权算法，得出鉴权结果，通过鉴权响应AUTHENTICATIONRESPONSE消息送达MSC，MSC将鉴权结果回送VLR，由VLR核对MS上报的鉴权结果和从HLR取得的鉴权参数中的结果，如果二者不一致，拒绝此次接入请求，此次呼叫失败；如果二者一致则鉴权通过，鉴权通过后若需要加密，VLR将首先向MSC下发加密命令，然后通知MSC该MS此次接入请求已获通过，MSC通过BSS通知MS业务请求获得通过，然后MSC向MS下发加密命令，该命令内含加密模式，MS收到此命令并完成加密后，回送加密完成消息，到此MS完成了整个接入阶段的工作。

经过接入阶段和鉴权加密过程后，主叫用户的合法身份已经得到确认，已经接入了网络，为继续进行呼叫，需要更为详细的信息，此时MS将发送一个SETUP消息，在此消息中，携带有被叫号码和主叫标识等更为详细的信息，MSC收到此消息后，首先向VLR查询该用户的相关业务信息，VLR根据此次业务类别和开户时MS已经申请的业务信息，决定此次呼叫是否可以继续，如果可以继续，则向MSC回送该用户数据，MSC收到该信息后，通过呼叫继续CALLPROCEEDING消息，经BSS通知MS呼叫在继续处理之中，然后，根据A接口电路情况，向BSC发送指配请求消息，在该消息中选定某条A接口电路，BSC收到该指令后，向BTS、MS指定无线资源，MS收到该指令后，占用成功回送分配完成消息，到此TCH指配阶段完成，本局的无线资源和A接口电路均已成功分配。

MSC收到MS上报的指配完成消息后，进行被叫分析，根据被叫号码，寻址到被叫的HLR，发送路由信息请求消息，HLR收到该消息后，根据被叫IMSI查询得到被叫所在的VLR，向被叫所在的VLR请求漫游号码，被叫所在的VLR在受到请求漫游号码消息后，为对应的MS分配MSRN，然后在请求漫游号码响应消息中回送给HLR，HLR得到该MSRN后，向主叫所在MSC发送路由信息响应消息，MSC从该消息中得到被叫的MSRN，根据MSRN进行局间中继选路，并向被叫所在的MSC发送IAM消息。

至此主叫信令流程基本结束。

在图5-10的示意图中主叫MSC获得被叫MS路由信息的过程做了简化。

（2）MSC之间使用到的七号信令消息的简单介绍

在GSM移动通信网络里，网络侧的各设备之间的连接都具有单一的接口。

比如MSC和HLR、VLR之间，以及MSC与MSC之间。

网络侧各实体间均用CCS7信令（即七号信令）支持相互间的信令交换。

CCS7信令方式的信令协议结构如下图所示。

各协议相同的底层功能层面是大家分享的，从最底层的物理传输层到第三层的MTP都是相同的。

MTP以上的协议就与所涉及的功能实体相关了。

在MSC之间或者MSC与其他外部设备之间，与呼叫有关的信令将使用ISUP，与呼叫无关的信令侧组合在MAP上。

在两个移动台进行呼叫的过程中，主叫MSC和被叫MSC的信令就是ISUP中规定的基本信令。

下面简单介绍这些信令。

a.ISUPINITIALADDRESSMESSAGE（IAM）：

IAM初始化消息是主叫MSC向被叫MSC发送的最早的一条信令。

当主叫MSC查询到被叫MSC的地址后，就向被叫MSC发送IAM消息，此消息中包含主叫号码、被叫号码和业务类型等。

被叫MSC根据这条消息就可以知道主叫的电话号码、以及被寻呼的被叫号码。

根据被叫号码被叫MSC可以在相应的位置区对被叫MS发起寻呼。

b.ISUPANSWERCOMPLETEMESSAGE（ACM）：

若被叫MS处于开机空闲状态，被叫MSC顺利寻呼到被叫MS，此次通话能够建立，且被叫MS开始振铃，则被叫MSC向主叫MSC发送ACM地址完成消息，表示被叫MSC接收呼叫。

主叫MSC收到ACM消息后，它的反应是将“提醒”（ALERTING）消息发给MS。

c.ISUPANSWERMESSAGE（ANC）消息：

如果被叫MS摘机，被叫MSC会向主叫MSC发回“应答”（ANSWER）消息，此时主叫与被叫之间的链路接通，主叫MSC将发给MS一条“连接”（CONNECT）消息，MS收到该消息后将停止待命指示，接着向系统返回“连接证实”（CONNECTACKNOWLEDGE），当系统收到此消息时，就开始计费。

呼叫建立过程完毕，双方进入通话阶段。

d.ISUPRELEASE消息：

这条消息是通知对方MSC释放MSC到MS之间的信道资源。

在通过连接建立过程中，当主叫MSC向被叫MAC发送IAM消息后，若因某种原因（如对端占线或被叫MS未开机）呼叫建立失败，则被叫MSC会向主叫MSC发送ISUPRELEASE消息。

通话正常结束后，主动挂机的一方，MS会向MSC发送DISCONNECT消息，这时MSC就会向对端的MSC发送ISUPRELEASE消息，收到此消息的对端MSC就会向MS发送DISCONNECT消息，开始链路释放。

另外一种异常情况是，当被叫长期振铃，被叫未摘机时，过一定的时候后，被叫MSC将开始释放被叫MSC与被叫MS之间的信道资源，并且向主叫MSC发送ISUPRELEASE消息，主叫MSC也开始主叫MSC与主叫MS之间的信道资源的释放。

（3）呼叫建立过程中出现的异常现象及其对应的信令

a.被叫号码无效时的情况：

主叫过程中，MSC收到SETUP消息后，能够知道被叫号码和主叫标识等更为详细的信息。

当主叫MSC分析SETUP消息发现其中的信息无效时，比如被叫号码为“未分配号码”、“号码已改变”、“无效号码格式（长度不完全）时，MSC将向主叫MS发送ReleaseComplete消息，启动清除程序，释放MSC和MS之间的信令链路。

信令流程如图所示：

b.被叫忙或者未开机时的情况：

此情况的信令流程如图所示：

被叫的MSC收到主叫MSC发送来的初始化地址消息ISUPINITIALADDRESS后，被叫MSC将根据初始化地址消息中包含的被叫用户的信息进行查询。

如果此时被叫忙或者未开机，则向主叫MSC发送ISUPRELEASE消息，收到此消息的主叫MSC则向主叫MS发送DISCONNECT消息，进行链路的释放。

c.被叫无应答的情况下的信令流程：

被叫的电话振铃，但是被叫长时间没有应答时的信令流程如图所示：

被叫MSC收到主叫MSC发送的初始化地址消息后，寻呼被叫MS并建立和MS之间的信令链路。

若被叫MS振铃，被叫MSC将向主叫MSC发送ISUPADDRESSCOMPLETE地址完成消息。

主叫MSC于是向主叫MS发送Alert消息，实际中，该消息一般由MS翻译成回铃音。

若在一定的时间内，被叫不摘机，被叫MSC将释放MSC和被叫MS之间的链路，并同时向主叫MSC发送ISUPRELEASE消息，主叫MSC收到ISUPRELEASE消息后，也将由网络发起MSC和MS之间的链路释放过程。

四、实验步骤：

1、记录正常呼叫的过程中，移动台主叫部分的信令流程：

2、记录被叫关机时，移动台主叫部分的信令流程：

3、记录被叫振铃后无应答时的，移动台主叫部分的信令流程：

4、记录被叫号码无效时，移动台主叫的信令流程：

5、记录正常呼叫的过程中，移动台被叫部分的信令流程：

6、记录通话结束后，呼叫链路释放的信令流程：

7、记录被叫振铃后无应答时的，移动台被叫部分的信令流程：

五、实验小结

深入了解了CDMA通信系统的扩频调制技术，理解了扩频和解扩的原理，了解了m序列和Gold序列产生的原理。

扩频是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，通过实验可以对比扩频前后信号的频谱，可知扩频后频谱扩展了。

通过呼叫实验，我了解到移动通信中移动台主、被叫时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，理解了呼叫的通信过程，包括其中信道的分配，各种异常情况下的信令过程。