Как работает сотовая сеть gsm

Как работает сотовая связь

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СОТОВОЙ СВЯЗИ

На большей части территории нашей страны размещается оборудование для сотовой связи, называется оно базовые станции. Их хорошо заметно на открытых площадях – в полях, между населенными пунктами. В городской черте их часто размещают на крышах зданий. Базовая станция способна уловить сигнал от смартфона на расстоянии до тридцати пяти километров, контакт между вышками осуществляется посредством специального служебного или голосового сигнала.

Активное развитие мобильной связи породило проблему, заключающуюся в ограничении частоты, а именно, рабочие каналы, расположенные близко, начали перекликаться, создавая помехи. Много лет наза была предложена идея, по которой определенный участок обслуживания оператором сотовой связи необходимо разбить на ячейки. Каждая ячейка обслуживается специальным передатчиком, предполагающим фиксированный частотный диапазон и радиус действия. Такая система исключает помехи при использовании той же частоты, но уже в другой соте. Чтобы разделить определенную площадь на равные участки наиболее оптимальной является фигура с шестью углами, напоминающая пчелиную соту, так как установленная в центе соты антенна с круговой диаграммой будет обеспечивать свободный устойчивый доступ ко всем точкам ячейки. У всех сот есть собственная полоса частот и обслуживающая базовая станция. Ячейки смежного расположения не используют одинаковые частоты, тем самым исключая перекрестные помехи и интерференции, и наоборот, соты, располагающиеся далеко друг от друга могут использовать идентичные частоты.

КАК РАБОТАЮТ БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ

Когда смартфон пребывает в режиме ожидания, его приёмный механизм сканирует каналы системы. Если пользователь собираясь совершить звонок набирает номер аппарат автоматически находит станцию, которая располагается к нему ближе и посылает запрос о выделении голосового канала. Те базовые станции, которые принимают ответный сигнал, перенаправляют его данные в центр коммутации, где происходит переключение разговора на ближайшую станцию к вызываемому абоненту с более высоким уровнем сигнала. В центре коммутации, также, определяют, какой оператор мобильной связи используется вызываемым абонентом.

В том случае, если звонок осуществляется между абонентами внутри одной сети, то в центре коммутации сразу происходит идентификация месторасположения вызываемого абонента, причем, неважно где находится человек: дома, в транспорте или в командировке в другой стране. Физическое месторасположение абонента ни коим образом не помешает соединению и осуществлению звонка. Если в центр коммутации поступает информация о том, что вызываемый абонент использует оператора другой связи, тогда запрос будет отправлен в центр коммутации другой сети. В общем-то, выходит, что система довольно проста, и как работает сотовая связь понятно. Интересным остается вопрос, как же выглядит устройство базовой станции: и здесь все просто – это всего лишь несколько металлических тумб, располагающихся на крышах зданий и для бесперебойной их работы достаточно качественной вентиляции.

ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ СВЯЗИ

Понятно, что в момент набора номера аппарат занимает незанятый канал с максимально возможным уровнем сигнала. Но, если в процессе разговора абонент начинает удаляться от базовой станции или условия расширения радиоволн ухудшатся – все это неблагоприятным образом скажется на связи и ее качестве. Логично, что ее улучшение происходит после переключения абонентов на другие, более устойчивые, каналы связи.

Каждая базовая станция имеет антенну, состоящую из нескольких элементов, так называемых секторов, отвечающих за «свою» площадь. Вертикальная составляющая антенны ответственна за связь с мобильными аппаратами, круглая – с контроллером. С учетом того, что одна станция чаще всего состоит из 6-ти секторов, и каждый из них способен принять минимум 70 звонков, после нехитрых вычислений выходит, что обслужить более 400 абонентов одновременно для нее не проблема. Такой производительности, зачастую, вполне достаточно. Но, случаются и внештатные ситуации, когда все абоненты всех операторов мобильной связи начинают звонить, например, на большие праздники (Новый Год), и базовые станции просто не справляются — начинаются перебои и помехи. Тем не менее для средней загрузки шести секторов более чем достаточно.

Следует отметить, что в зависимости от площади населенного пункта и плотности населения операторы мобильной связи устанавливают базовые станции с разным диапазоном частот:
• 900 МГц. Установка такой станции более целесообразна в небольших городках, поселках городского типа и т.д. В данном режиме базовая станция охватывает площадь радиусом порядка 35 км, или даже 70 км если на данный момент она обслуживает малое количество мобильных устройств.
• 1 800 МГц. Оптимальный вариант для больших городов, когда необходимо проникнуть сквозь толщину бетонной стены, однако, даже при таком диапазоне частот в городской черте базовых станций понадобится намного больше, чем в малонаселенных пунктах.
• 2 100 МГц. Это связь нового, более современного поколения 3G.

Одна базовая станция способна поддерживать сразу все возможные частотные диапазоны. Основная задача базовых станций заключается в том, чтобы покрыть максимальную площадь земли и обеспечить большое количество абонентов качественной связью. То есть улавливать сигналы на таких же расстояниях, но не на земле, а в воздушном пространстве базовые станции не могут.

Как работает сотовая сеть GSM

Мобильным телефоном сегодня никого не удивишь, некоторые имеют даже несколько устройств, но вот как работает сама связь, когда в наличии только беспроводной мобильный телефон, многие не знают и даже не догадываются. Об этом есть смысл рассказать поподробнее.

Итак, абонент, совершая звонок или принимая вызов от другого абонента, нажимает кнопку вызова, которая посылает команду телефону установить соединение по радиоканалу с одной из антенн с близкорасположенной базовой станции (Base Station или BS). Во всю систему сотовой связи входит большое число подобных станций, некий набор, каждая станция из этого набора при этом имеет от 1 до 12 приёмо-передающих антенн. Чтобы обеспечить качественный приём и передачу сигнала в радиусе своего действия, антенны имеют направленность в разные стороны.

Инженерно антенны являются прямоугольными конструкциями, которые легко можно заметить на специальных мачтах в городе и за городом или на крышах высотных зданий. Каждая из антенн вырабатывает специальный сигнал, который по кабелю передаётся в управляющий блок базовой станции (далее — БС). Таким образом, вся система БС представляет собой совокупность управляющего блока с некоторым количеством антенн.

Некоторые территории обслуживаются сразу несколькими базовыми станциями, которые вместе образуют контроллер локальной зоны (Local Area Controller или LAC). К одному LAC может быть подключено до 15 базовых станций на определённой территории. Все контроллеры локальной зоны имеют связь с Центром управления мобильным услугами (Mobile services Switching Center или MSC). Подобный Центр имеет все существующие на местности входящие и исходящие соединения с любыми видами как проводной, так и сотовой связи. Сотовые сети регионального значения стандарта GSM часто использует только один MSC. Крупнейшие же операторы (например, в России это МТС, Билайн, Мегафон), счёт абонентов, которых идёт на миллионы, используют несколько MSC, объединённых друг с другом.

Чтобы донести до читателя иерархию всей системы GSM, необходимо ввести такое понятие как хэндовер (handover), которое можно определить как функцию передачи обслуживания абонента в любых сотовых сетях по эстафетному принципу. Иными словами, в это понятие входит способность поддержания клиентом разговора, который находится в движении, то есть своевременное передача управления сигнала от телефона абонента из одного сектора БС в другой или из сферы контроля, закреплённой за одной БС или LAC в другую. Получается, что если бы сектора БС напрямую подключались к коммутатору, то последнему, несмотря на наличие и других задач, пришлось также и самостоятельно осуществлять хэндовер для всех абонентов текущей сотовой сети.

Чтобы обеспечить равномерную загрузку оборудования и снизить вероятность отказа оборудования от перегрузок, сотовая сеть GSM построена по многоуровневому принципу. Это реализовано следующим образом: если абонент перемещается из зоны обслуживания сектором БС в зону, обслуживаемым другим сектором, то передача или переключение сигнала осуществляется блоком управления данной БС. Устройства, вышестоящие по иерархии в схеме, то есть LAC или MSC вообще не задействуются. Соответственно при хэндовере между двумя различными базовыми станциями переключение осуществляет LAC без участия MSC и т.д.

За коммутатором в сети GSM закреплены те же функции, что и за АТС в проводных сетях. Коммутатор определяет адресатов звонка, отвечает за регуляцию дополнительных услуг и принимает решение, возможно ли данным абонентом сейчас осуществить звонок.

После нажатия на кнопку «включения» телефон абонента включился и что же происходит дальше? На любой SIM-карте имеется некий номер IMSI или International Subscriber Identification Number, который расшифровывается как «Международный опознавательный номер абонента». Подобный номер уникален для любого абонента мира, он нужен для точного определения или идентификации абонента. Как только телефон включается, то на БС отправляется сигнал, в котором зашифрован IMSI абонента. Сигнал затем передаётся на LAC, а потом и на коммутатор. В процессе следования сигнала по иерархии сотовой сети в работу включается ещё два устройства: HLR и VLR. Первое устройство, называемое «регистром домашних абонентов» (Home Location Register), хранит коды IMSI всех абонентов своей сети, второе — «регистр гостевых абонентов» (Visitor Location Register) обладает информацией вообще обо всех абонентах, которые в данный момент используют сеть этого мобильного оператора.

Шифрование, которое используется при передаче сигнала, содержащего код IMSI, в HLR обеспечивает Центр Аутентификации (AuC). На самом первом этапе обработки сигнала с кодом IMSI HLR ищет номер в своей базе, а затем выясняет, имеет ли данный абонент совершать звонки или номер временно заблокирован, к примеру, из-за задолженности. Только если проверка закончилась с положительным исходом, сигнал с кодом IMSI направляется в VLR, значит, клиент может совершать звонки или пользоваться другими услугами оператора.

Принцип работы сетей GSM

20.03.2012 | «Мобильные сети»

Часть 1: структура мобильных сетей

Все мы пользуемся мобильными телефонами, но при этом редко кто задумывается — как же они работают? В данной статье мы постараемся разобраться, как, собственно, реализуется связь относительно вашего мобильного оператора.

Когда вы осуществляете звонок своему собеседнику, или кто-то звонит вам, ваш телефон соединяется по радиоканалу с одной из антенн соседней базовой станции (БС, BS, Base Station).Каждая базовая станция сотовой связи (в простонародье — вышки сотовой связи) включает в себя от одной до двенадцати приемо-передающих антенн, имеющих направления в разные стороны с целью обеспечения качественной связью абонентов в радиусе своего действия. Такие антенны специалисты на своем жаргоне называют «секторами», представляющими собой серые прямоугольные конструкции, которые вы можете практически каждый день видеть на крышах зданий или специальных мачтах.

Сигнал от такой антенны поступает по кабелю прямо в управляющий блок базовой станции. Базовая станция является совокупностью секторов и управляющего блока. При этом определенную часть населенного пункта или территории обслуживают сразу несколько базовых станций, подключенных к специальному блоку – контроллеру локальной зоны (сокращенно LAC, Local Area Controller или просто «контроллер»). Как правило, один контроллер объединяет до 15 базовых станций определенного района.

Со своей стороны, контроллеры (их также может быть несколько) соединены с самым главным блоком — Центром управления мобильными услугами (MSC, Mobile services Switching Center), который для упрощения восприятия принято называть просто «коммутатором». Коммутатор, в свою очередь, осуществляет вход и выход на любые линии связи – как сотовой, так и проводной.

Если отобразить написанное в виде схемы, то получится следующее:GSM-сети небольшого масштаба (как правило, региональные) могут использовать всего один коммутатор. Крупные же, такие как наши операторы «большой тройки» МТС, Билайн или МегаФон, обслущивающие одновременно миллионы абонентов, используют сразу несколько объединенный между собой устройств MSC.

Давайте разберемся, зачем нужна столь сложная система и почему нельзя подключить антенны базовых станций к коммутатору напрямую? Для этого нужно рассказать про еще один термин, называемый на техническом языке handover (хэндовер). Он характеризует собой передачу обслуживания в мобильных сетях по эстафетному принципу. Иными словами, когда вы перемещаетесь по улице пешком или в транспортном средстве и говорите при этом по телефону, то, чтобы ваш разговор при этом не прерывался, следует своевременно переключать ваш аппарат из одного сектора БС в другой, из зоны действия одной базовой станции или контроллера локальной зоны в другую и т.д. Следовательно, если бы сектора базовых станций подключались к коммутатору напрямую, ему бы пришлось самому осуществлять данную процедуру хендовера всех своих абонентов, а у коммутатора и без того хватает задач. Поэтому для уменьшения вероятности отказов оборудования, связанных с его перегрузками, схема построения сотовых сетей GSM реализуется по многоуровнему принципу.

В итоге, если вы со своим телефоном перемещаетесь из зоны обслуживания одного сектора БС в зону действия другого, то данное перемещение осуществляет блок управления данной базовой станции, не касаясь при это более «высокостоящих» устройств – LAC и MSC. Если же хэндовер происходит между разными БС, то за него берется уже LAC и т. д.

Коммутатор – ни что иное, как основной «мозг» сетей GSM, поэтому его работу следует рассмотреть более детально. Коммутатор сотовой сети берет на себя примерно те же задачи, что и АТС в сетях проводных операторов. Именно он понимает, куда вы осуществляете звонок или кто звонит вам, регулирует работу дополнительных услуг и, собственно, решает – можете ли вы в настоящее время осуществить свой звонок или нет.

Теперь давайте разберемся, что же происходит, когда вы включаете свой телефон или смартфон?

Итак, вы нажали «волшебную кнопку» и ваш телефон включился. На SIM-карте вашего сотового оператора находится специальный номер, который носит название IMSI – International Subscriber Identification Number (Международный опознавательный номер абонента). Он является уникальным номером для кажой SIM-карты не только у вашего оператора МТС, Билайн, МегаФон и т.п., а уникальным номером для всех мобильных сетей в мире! Именно по нему операторы отличают абонентов между собой.

В момент включения телефона ваш аппарат посылает данный код IMSI на базовую станцию, которая передает его далее на LAC, он же, в свою очередь, отсылает его на коммутатор. При этом в нашу игру вступают два дополнительных устройства, свзанных непосредственно с коммутатором – HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register). В переводе на русский это, соответственно, Регистр домашних абонентов и Регистр гостевых абонентов. HLR хранит в себе IMSI всех абонентов своей сети. В VLR же содержится информация о тех абонентах, которые пользуются сетью данного оператора в настоящее время.

Номер IMSI передается в HLR с помощью системы шифрования (за этот процесс отвечает еще одно устройство AuC — Центр аутентификации). HLR при этом проверяет, существует ли в его базе абонент с данным номером, и если факт его наличия подтверждается, система смотрит, может ли он в настоящее время пользоваться услугами связи или, скажем, имеет финансовую блокировку. Если все нормально, то данный абонент отправляется в VLR и после этого получает возможность звонить и пользоваться другими услугами связи.

Для наглядности отобразим данную процедуру с помощью схемы:

Таким образом, мы коротко описали принцип работы сотовых сетей GSM. На самом деле, это описание достаточно поверхностно, т.к. если углубиться в технические детали подробнее, то материал бы получился во много раз объемнее и гораздо менее понятным для большинства читателей.

Во второй части мы продолжим знакомство с работой сетей GSM и рассмотрим, как и за что оператор списывает средства с нашего с вами счета.

Как работает сотовая связь. Часть 2: звонки и вышки

Уж точно не каждый понимает, как устроена мобильная связь. Именно поэтому мы решили рассказать о ней на страницах нашего сайта. Это вторая часть материала, которая расставит недостающие точки над «i». Да сегодня смартфоны впечатляют скоростью работы, дисплеями на миллионы цветов, громкими спикерами и набором из камер. Но без доступа к сотовым сетям они превращаются банальные тамагочи. Именно поэтому тема сотовых сетей не теряет в актуальности.

Для работы сотовых сетей нужно много базовых станций

Идеальная высота для размещения базовых станций — от 15 до 60 метров над землёй. Их цепляют на высотки, электростолбы и даже деревья. Это даёт возможность расширить сотовую с их помощью как на можно большее расстояние.

Антенны сотовых выше поделены на секторы, направленные в разные стороны. Каждый из них обслуживает сотни и тысячи звонков в минуту. Таких секторов на станции может быть до шести. Для мобильных операторов лучше, когда больше станций. Увеличение делений на каждой из них негативно влияет на качество связи, поэтому к такому подходу прибегают только в крайнем случае или на территориях, которые не заселены достаточно плотно.

Станции выглядят как продолговатые серые ящики, из которых торчат антенны. Они могут как принимать, так и транслировать сигналы — каждая из них обычно принадлежит отдельному сотовому оператору. Помимо этого, на базовых станциях можно увидеть радиорелейные тарелки, через которые они подключаются к своим владельцам. Антенны на них работают в разных частотных диапазонах, которые дают возможность покрыть как большое нежилое пространство, так и населённый город.

Логично, что работу такой большой и сложной системы должен кто-то регулировать. Так и есть — 24 часа в сутки и 7 дней в неделю за этим следит ЦКС (Центр Контроля Сети). Главная задача его работников — диагностика и устранение проблем. Для этого на каждой базовой станции расположены десятки датчиков, отправляющих данные специалистам. Если в одном из секторов происходит поломка, оператор видит это на своём мониторе как мигающую лампочку и отправляет команду на починку.

Сегодня специалисты собирают огромное количество данных о работе базовых станций. Их анализ даёт возможность находить неполадки ещё до того, как они повлияют на качество связи. Как правило, за каждой из них регулярно наблюдают по два сотрудника.

Говорят, если мобильный телефон не ловит сигнал сотовой вышки, его нужно поднять как можно выше. Подпрыгнуть с ним или на столб залезть. Эта тема обыграна в десятках комичных моментов в современном кино. Но это абсолютно не так.

Дело в том, что сигнал от сотовых вышек распространяется практически в одной плоскости. Именно поэтому гораздо эффективнее будет отойти на пару метров в сторону, так как это позволит телефону начать поиск новых станций поблизости. Помимо этого, сотовый сигнал сильно искажают массивные здания, так что если вы находитесь в городе, просто пройдите на соседнюю улицу, и делений на полосе связи вашего телефона сразу станет намного больше.

Кстати, привычные индикаторы сети работают абсолютно не так, как мы когда-то себе представляли. На самом деле, все эти палочки, полосочки и чёрточки указывают только на расстояние до сотовой вышки, но не на качество связи.

Что интересно, специальные базовые станции устанавливают даже в самолёты. Они связываются с оператором связи через спутники и дают возможность пассажирам оставаться на связи во время всего перелёта вне зависимости от его продолжительности.

Опасность от базовых станций сильно преувеличена

В сети ходит очень много мифов по поводу опасности мобильной связи. После установки очередной сотовой вышки то и дело появляются сообщения о грудах мёртвых тараканов, головных болях и даже массовых раковых заболеваниях.

Сотовые вышки передают сигнал на мобильные устройства, который находится в спектре где-то между FM-радиоволнами и микроволнами. От него есть неионизирующее излучение, которое не влияет на клеточную структуру. В природе также есть ионизирующее излучение, причиной которого становятся рентгеновские лучи и ультрафиолет. Оно уже может менять клеточную структуру, поэтому в большом объёме становится причиной раковых заболеваний — базовые станции тут не при чём.

Излучение базовых станций контролируют по плотности потока энергии, которая проходит сквозь наше с вами тело. На территории нашей страны её отслеживают по нормам «Электромагнитного излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)» — СанПиН 2.2.4/2.1.8.055 96. Если брать в учёт диапазон частот базовых станций, в России действует ограничение 1 мВт/м² — это в сотню раз меньше, чем в Европе и США. Поэтому о здоровье граждан у нас пекутся гораздо лучше.

Как показывают практические исследования в реальных условиях реальное излучение базовых станций до 15 раз меньше предельного значения уже на дистанции сотни метров — это в том случае, если антенна сотовой вышки смотрит прямо на вас.

Как оказывается, вред для здоровья могут нести только сотовые вышки, расположенные на пустырях. Входить на их территорию обычно нельзя — она ограждена специальным забором. Когда на них происходят ремонтные работы, все антенны отключают и только потом пускают сотрудников. Если видите такой объект в чистом поле, лучше не приближайтесь к нему на продолжительное время. Устроить пикник возле него — далеко не самая лучшая идея, и лучше выбрать какое-то более безопасное место.

Опасными также считаются компактные фемтосоты. Это такие базовые станции в формате мини, которые устанавливают в офисах, чтобы улучшить приём сигнала сотовой сети. Лучше всего находиться от них на дистанции больше одного или пары метров.

Соединение с абонентом осуществляется средствами коммутатора

Когда вы нажимаете кнопку вызова, ваше мобильное устройство тут же связывается с ближайшей базовой станцией, которая должна выделить ему свободный голосовой канал. Она отправляет его сначала на контроллер, а потом на коммутатор, который пытается найти необходимого абонента в домашней сети или за её пределами. В последнем случае подключаются компании-партнёры, которые таким же образом ищут необходимого пользователя внутри своей сети. Это звучит сложно, но на деле проще простого.

После этого с помощью коммутатора идёт соединение с конкретным абонентом, с которым вы можете поговорить через голосовую связь. Если не возникло никаких проблем, вам это должно выйти сделать вполне успешно.

Говорят, что эхо в трубке — верный признал прослушки. Данный миф настолько стар, что пришёл ещё от наших бабушек. Это неправда. Если вы слышите эхо во время разговора по телефону, это может обозначать что угодно, но не то, что кто-то вас прослушивает. Одна из причин возникновения эха — использование громкой связи одним из абонентов. В этом случае звук из телефона может отражаться от стен и возвращаться обратно. Также эхо может говорить о проблемах в работе системы шумоподавления.

Да, кстати и молнии мобильники не притягивают. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США доказало, что сотовые телефоны, также как и мелкие металлические предметы или ювелирные изделия, не могут привлекать молнии — всё же, они предпочитают бить в высокие объекты. Человек может оказаться в опасности, не потому что говорит по телефону, а потому что делает это в неподходящем месте — например, в поле, где является самым высоким объектом.

Кстати, сегодня работа мобильного интернета не так сильно отличается от голосовых вызовов. Вместо другого абонента ваш смартфон просто запрашивает у базовой станции доступ к всемирной паутине, и она ему его предоставляет.

Для потери связи с сетью есть четыре основных причины

Во-первых, помехи могут создавать неисправное устройство, старая SIM-карта и даже неправильный материал для чехла. Если кейс на вашем смартфоне выполнен с использованием обильного количества металла, то проблемы со звонками наверняка будут.

Во-вторых, разрывы соединения могут происходить в тех местах, где есть «дырки» в покрытии. Если ближайшие базовые станции находятся слишком далеко от вас, или вы находитесь слишком высоко или низко по отношению к ним. Обычно их строят таким образом, чтобы поле их покрытия ложилось внахлёст. Тем не менее, это не всегда возможно из-за географии местности и может быть нецелесообразно из-за общей мизерной заселённости определённого региона.

Вы сталкиваетесь с этим во время езды на автомобиле или поезде. Чем дальше от города, тем связь обычно хуже. На некоторых участках дороги её может вообще не быть, и в этом нет ничего странного ил сверхъестественного.

В-третьих, обрывы часто связаны с перенапряжением сети. Оно может возникнуть тогда, когда ближайшие к вам станции уже обрабатывают слишком много звонков. Наиболее типичный момент для этого — крупные праздники. Сколько раз такое бывало с каждым: звонишь старому другу, чтобы поздравить его с Новым Годом, а в ответ слышишь лишь тишину. Звонок сбрасывается, начинаются короткие гудки, и это повторяется снова и снова. Пока станция не разгрузится, позвонить не получится.

В-четвёртых, каждый оператор определяет для себя приоритетный режим работы — тип соединения, который предлагается клиентам в первую очередь. У местных компаний это 3G. Если он не может предоставить хотя бы его, связь может падать.

Без современной сотовой связи мир был бы абсолютно другим

Когда вспоминаешь жизнь без современной мобильной связи, становится страшно. Чтобы банально позвонить, нужно было находиться в помещении или использовать специальные таксофоны, разбросанные по городу. Общаться было реально сложно.

Без скоростного мобильного интернета и смартфоны бы вряд ли появились. Скорее всего, мы бы пользовались какими-то мультимедийными плеерами для фильмов, портативными приставками и кнопочными звонилками — мир был бы совсем не тем.