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1、 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22 GSM移动通信系统32.1 概述32.1.1 GSM的发展历史32.1.2 GSM系统的特点42.2 GSM移动通信系统的结构与主要接口及其协议52.2.1 GSM系统的结构与功能52.2.2 GSM系统的主要接口及其相关信令协议103 GSM移动通信系统的相关技术153.1 GSM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2
2、33.5 GSM系统的用户管理2435. 1 位置管理243.5.2越区切换273.5.3 GSM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5
3、26.1 主要结论526.2 对本课题的展望52致 谢54参考文献55附 录 A56构建基于虚拟仪器的网络虚拟实验室56附 录 B60本论文设计的仿真代码：60 .专业.专注. 1 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
4、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
5、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
6、，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(Graphic User Interface-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
7、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
8、部分的仿真和分析。 本文分为四个章节，具体容如下：第一章 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。第二章 介绍GSM移动通系统的结构、特点、接口及其协议。第三章 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。第四章 介绍虚拟实验室的相关概念及仿真设计第五章 介绍越区切换的仿真过程及结果分析第六章 简约阐述了本文的主要结论和此项课题的研究前景。2 GSM移动通信系统2.1 概述2.1.1 GSM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
9、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
10、们将GSM重新命名为“Global System for Mobile Communication”,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
11、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
12、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。2.1.2 GSM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。1 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
13、供的GSM系统或子系统能互连；2 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；3 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
14、功能趋势发展。2.2 GSM移动通信系统的结构与主要接口及其协议2.2.1 GSM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。OPERATERUS
15、EREXTERNALNETWORKSOSSNSSBSSMS图2.1 GSM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2.2 GSM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
