Как работят GSM мрежите или накратко за основите на комуникацията. мобилна връзка

Знаете ли какво се случва, след като наберете номера на приятел на мобилния си телефон? Как клетъчната мрежа го намира в планините на Андалусия или на брега на далечен Великденски остров? Защо понякога разговорът внезапно спира? Миналата седмица посетих компанията Beeline и се опитах да разбера как работят клетъчните комуникации...

Голяма територия от населената част на страната ни е покрита с базови станции (БС). На полето изглеждат като червено-бели кули, а в града са скрити по покривите на нежилищни сгради. Всяка станция улавя сигнали от мобилни телефони на разстояние до 35 километра и комуникира с мобилния телефон чрез сервизен или гласов канал.

След като наберете номера на приятел, вашият телефон се свързва с най-близката до вас базова станция (BS) чрез обслужващ канал и ви моли да разпределите гласов канал. Базовата станция изпраща заявка до контролера (BSC), който я препраща към комутатора (MSC). Ако вашият приятел е абонат на същата клетъчна мрежа, тогава комутаторът ще провери Регистъра за домашно местоположение (HLR), ще разбере къде се намира в момента извиканият абонат (у дома, в Турция или Аляска) и ще прехвърли повикването към подходящ превключвател от мястото, където е изпратен, ще бъде изпратен до контролера и след това до базовата станция. Базовата станция ще се свърже с вашия мобилен телефон и ще ви свърже с вашия приятел. Ако вашият приятел е в друга мрежа или се обаждате на стационарен телефон, вашият комутатор ще се свърже със съответния комутатор в другата мрежа. Труден? Нека да разгледаме по-отблизо. Базовата станция е чифт железни шкафове, заключени в добре климатизирана стая. Като се има предвид, че навън в Москва беше +40, исках да живея известно време в тази стая. Обикновено базовата станция се намира или на тавана на сграда, или в контейнер на покрива:

2.

Антената на базовата станция е разделена на няколко сектора, всеки от които "свети" в своя посока. Вертикалната антена комуникира с телефони, кръглата антена свързва базовата станция с контролера:

3.

Всеки сектор може да обработва до 72 повиквания едновременно, в зависимост от настройката и конфигурацията. Една базова станция може да се състои от 6 сектора, така че една базова станция може да обработи до 432 повиквания, но станцията обикновено има инсталирани по-малко предаватели и сектори. Клетъчните оператори предпочитат да инсталират повече BS, за да подобрят качеството на комуникацията. Базовата станция може да работи в три ленти: 900 MHz - сигналът на тази честота се разпространява по-далеч и прониква по-добре в сградите 1800 MHz - сигналът преминава на по-къси разстояния, но ви позволява да инсталирате по-голям брой предаватели в 1 сектор 2100 MHz - 3G мрежа Ето как изглежда шкафът с 3G оборудване:

4.

900 MHz предаватели са инсталирани на базови станции в полета и села, а в града, където базовите станции са забити като таралежови игли, комуникацията се осъществява главно на честота 1800 MHz, въпреки че всяка базова станция може да има предаватели и от трите диапазона едновременно.

5.

6.

Сигнал с честота 900 MHz може да достигне до 35 километра, въпреки че "обхватът" на някои базови станции, разположени по магистрали, може да достигне до 70 километра, поради намаляването на броя на едновременно обслужваните абонати на станцията наполовина . Съответно нашият телефон с малката си вградена антена може също да предава сигнал на разстояние до 70 километра... Всички базови станции са проектирани да осигурят оптимално радиопокритие на нивото на земята. Следователно, въпреки обхвата от 35 километра, радиосигналът просто не се изпраща до височината на полета на самолета. Някои авиокомпании обаче вече са започнали да инсталират базови станции с ниска мощност на своите самолети, които осигуряват покритие в рамките на самолета. Такава BS е свързана към наземна клетъчна мрежа чрез сателитен канал. Системата е допълнена от контролен панел, който позволява на екипажа да включва и изключва системата, както и определени видове услуги, например изключване на гласа при нощни полети. Телефонът може да измерва силата на сигнала от 32 базови станции едновременно. Изпраща информация за 6-те най-добри (като сила на сигнала) по обслужващия канал, а контролерът (BSC) решава към коя BS да прехвърли текущия разговор (Handover), ако сте в движение. Понякога телефонът може да направи грешка и да ви прехвърли към BS с по-лош сигнал, в който случай разговорът може да бъде прекъснат. Може също така да се окаже, че в базовата станция, която телефонът ви е избрал, всички гласови линии са заети. В този случай разговорът също ще бъде прекъснат. Казаха ми и за така наречения „проблем на горния етаж“. Ако живеете в мезонет, тогава понякога, когато се премествате от една стая в друга, разговорът може да бъде прекъснат. Това се случва, защото в една стая телефонът може да "види" една BS, а във втората - друга, ако гледа от другата страна на къщата, и в същото време тези 2 базови станции се намират на голямо разстояние от помежду си и не са регистрирани като „съседни“ от мобилния оператор. В този случай разговорът няма да бъде прехвърлен от една BS към друга:

Комуникацията в метрото се осъществява по същия начин, както на улицата: базова станция - контролер - комутатор, с единствената разлика, че там се използват малки базови станции, а в тунела покритието се осигурява не от обикновена антена, а чрез специален излъчващ кабел. Както писах по-горе, една BS може да проведе до 432 разговора едновременно. Обикновено тази мощност е достатъчна, но например по време на някои празници BS може да не успее да се справи с броя на хората, които искат да се обадят. Обикновено това се случва на Нова година, когато всички започват да си честитят. SMS се предават по обслужващи канали. На 8 март и 23 февруари хората предпочитат да се поздравяват чрез SMS, изпращайки забавни стихове, а телефоните често не могат да се съгласят с BS за разпределението на гласов канал. Разказаха ми интересен случай. От един район на Москва абонатите започнаха да получават оплаквания, че не могат да се свържат с никого. Техническите специалисти започнаха да го разбират. Повечето гласови канали бяха безплатни, а всички обслужващи канали бяха заети. Оказа се, че до този бакалавър има институт, в който текат изпити и студентите постоянно си разменят есемеси. Телефонът разделя дългите SMS на няколко къси и изпраща всеки поотделно. Персоналът на техническото обслужване съветва изпращането на такива поздравления чрез MMS. Ще бъде по-бързо и по-евтино. От базовата станция обаждането отива към контролера. Изглежда толкова скучно, колкото и самата BS - това е просто набор от шкафове:

7.

В зависимост от оборудването, контролерът може да обслужва до 60 базови станции. Комуникацията между BS и контролера (BSC) може да се осъществява по радиорелеен канал или по оптика. Контролерът управлява работата на радиоканалите, вкл. контролира движението на абоната и предаването на сигнала от една BS към друга. Превключвателят изглежда много по-интересен:

8.

9.

Всеки комутатор обслужва от 2 до 30 контролера. Заема голяма зала, изпълнена с различни шкафове с оборудване:

10.

11.

12.

Превключвателят контролира трафика. Помните ли старите филми, в които хората първо набраха „момичето“ и след това тя ги свърза с друг абонат чрез превключване на кабели? Съвременните превключватели правят същото:

13.

За да контролира мрежата, Beeline разполага с няколко коли, които нежно наричат ​​„таралежи“. Те се движат из града и измерват нивото на сигнала на собствената си мрежа, както и нивото на мрежата на колегите си от Голямата тройка:

14.

Целият покрив на такава кола е покрит с антени:

15.

Вътре има оборудване, което прави стотици разговори и взема информация:

16.

24-часов мониторинг на комутатори и контролери се извършва от Центъра за управление на мисиите на Центъра за управление на мрежата (NCC):

17.

Има 3 основни области за наблюдение на клетъчната мрежа: процент на аварии, статистика и обратна връзка от абонатите. Точно както в самолетите, цялото клетъчно мрежово оборудване има сензори, които изпращат сигнал до централната система за управление и извеждат информация към компютрите на диспечерите. Ако някое оборудване се повреди, светлината на монитора ще започне да „мига“. CCS също така проследява статистика за всички превключватели и контролери. Той го анализира, сравнявайки го с предишни периоди (час, ден, седмица и т.н.). Ако статистиката на някой от възлите започне да се различава рязко от предишните индикатори, тогава светлината на монитора отново ще започне да „мига“. Обратната връзка се получава от операторите за обслужване на клиенти. Ако те не могат да разрешат проблема, обаждането се прехвърля към техник. Ако той се окаже безсилен, тогава в компанията се създава „инцидент“, който се разрешава от инженерите, участващи в работата на съответното оборудване. Превключвателите се наблюдават 24/7 от 2 инженера:

18.

Графиката показва активността на московските комутатори. Ясно се вижда, че почти никой не се обажда през нощта:

19.

Контролът върху контролерите (простете тавтологията) се осъществява от втория етаж на Центъра за управление на мрежата:

22.

21.

Малко е тъжно, че по-голямата част от хората, когато ги попитат: „Как работи клетъчната комуникация?“ отговарят „по въздуха“ или дори „Не знам“.

Продължавайки тази тема, имах забавен разговор с приятел на тема мобилни комуникации. Това се случи точно няколко дни преди празнуването на всички сигналисти и телекомуникатори Празник "Ден на радиото".Случи се така, че поради пламенната си жизнена позиция моят приятел повярва в това мобилната комуникация работи без кабели изобщо чрез сателит. Изключително благодарение на радиовълните. Отначало не можах да го убедя. Но след кратък разговор всичко си дойде на мястото.

След тази приятелска „лекция“ се появи идеята да напиша на прост език за това как работят клетъчните комуникации. Всичко е както е.

Когато наберете номер и започнете да звъните, или някой ви се обади, тогава вашият мобилен телефон комуникира чрез радиоканалот една от антените на най-близката базова станция. Къде са тези базови станции, ще попитате?

обръщам внимание на промишлени сгради, градски високи сгради и специални кули. Върху тях са разположени големи сиви правоъгълни блокове с изпъкнали антени с различни форми. Но тези антени не са телевизионни или сателитни, а трансивърклетъчни оператори. Те са насочени в различни посоки, за да осигурят комуникация на абонатите от всички посоки. В крайна сметка не знаем откъде ще дойде сигналът и къде ще ни отведе нещастният абонат със слушалката? На професионален жаргон антените се наричат ​​още "сектори". Като правило те са зададени от едно до дванадесет.

От антената сигналът се предава по кабел директно към блока за управление на станцията. Заедно те образуват базовата станция [антени и контролен блок]. Няколко базови станции, чиито антени обслужват отделна зона, например градски район или малък град, са свързани към специално звено - контролер. Към един контролер обикновено се свързват до 15 базови станции.

От своя страна контролерите, от които също може да има няколко, са свързани чрез кабели към „мозъчния тръст“ - превключвател. Превключвателят осигурява изход и вход на сигнали към градски телефонни линии, към други клетъчни оператори, както и междуградски и международни комуникационни оператори.

В малките мрежи се използва само един комутатор; в по-големите мрежи, обслужващи повече от милион абонати наведнъж, могат да се използват два, три или повече комутатора, отново свързани с кабели.

Защо такава сложност? Читателите ще попитат. Изглежда, можете просто да свържете антените към превключвателя и всичко ще работи. И ето базови станции, комутатори, куп кабели... Но не е толкова просто.

Когато човек се движи по улицата пеша или с кола, влак и др. и в същото време говори по телефона, важно е да се гарантира непрекъснатост на комуникацията.Сигналистите наричат ​​процеса на предаване на услугата в мобилните мрежи термин "предаване".Необходимо е своевременно да превключвате телефона на абоната от една базова станция на друга, от един контролер на друг и т.н.

Ако базовите станции бяха директно свързани към комутатора, тогава всички тези превключването трябва да се управлява от превключвателя. И „бедният“ вече има какво да прави. Многостепенният мрежов дизайн дава възможност за равномерно разпределение на натоварването върху техническото оборудване. Това намалява вероятността от повреда на оборудването и произтичаща от това загуба на комуникация. Все пак всички сме заинтересованив непрекъсната комуникация, нали?

И така, след като стигна до превключвателя, нашето обаждане се прехвърля къмслед това - към мрежата на друг мобилен оператор, градски междуградски и международни комуникации. Разбира се, това се случва чрез високоскоростни кабелни комуникационни канали. Обаждането пристига на централатадруг оператор. В същото време последният „знае“ на коя територия [в зоната на покритие, кой контролер] в момента се намира желаният абонат. Превключвателят предава телефонно обаждане до определен контролер, който съдържа информация в зоната на покритие на коя базова станция се намира получателят на обаждането. Контролерът изпраща сигнал до тази единична базова станция, а тя от своя страна „разпитва“, тоест се обажда на мобилния телефон. Тръба започва да звъни странно.

Целият този дълъг и сложен процес всъщност отнема 2-3 секунди!

По същия начин телефонните разговори се извършват в различни градове в Русия, Европа и света. За контакт комутаторите на различни телекомуникационни оператори използват високоскоростни оптични комуникационни канали. Благодарение на тях един телефонен сигнал изминава стотици хиляди километри за секунди.

Благодаря на великия Александър Попов, че даде на света радио!Ако не беше той, може би сега щяхме да сме лишени от много от предимствата на цивилизацията.

Хората отдавна са се научили да общуват от разстояние. В древни времена пратеник е изпращан с новини, а по-късно са писани писма. Сега, за да кажете няколко думи на далечен приятел, можете просто да му се обадите. Основното е да имате мобилен телефон със себе си. Но как се свързват помежду си, ако дори нямат кабели? В тази история ще ви разкажа как работи телефонът.

Какво е?

Мобилният телефон прилича повече на уоки-токи, отколкото на обикновен кабелен телефон. Радиовълните се използват за предаване на сигнала.

Разликата е, че уоки-токитата са свързани към една и съща антена и могат да се свързват само като уловят сигнал от нея. Мобилните телефони не са заключени към конкретна станция. Докато се движат, те са свързани с антената, от която се получава най-силен сигнал, така че можем да използваме комуникации почти навсякъде по света, без да сменим SIM картата. Антени или базови станции се изграждат по целия свят, скрити в билбордове, часовници, стълбове и дори дървета. Всеки от тях отговаря за собствената си зона, която има формата на шестоъгълник. На диаграмите тези територии, граничещи една с друга, приличат на пчелна пита. Оттук и името - клетъчна комуникация.

Кой беше първият?

Кой мислите, че пръв проговори по мобилен телефон? Разбира се, това беше служител на Motorola, която ги пусна. През 1973 г., докато е на една от улиците на Ню Йорк, той се обажда и се хвали, че се обажда на основния си конкурент от необичаен телефон по това време. Този телефон се превърна в прототип на първия мобилен телефон, който се появи по рафтовете на магазините 10 години по-късно.

За да работи телефонът, трябва да поставите SIM карта в него. Той съдържа информация за абоната, тоест за лицето, което го използва. Мобилният телефон започва да проверява всички налични честоти, има около 160 от тях, записани на SIM картата, това са сигналите на вашата мрежа.

След като наберете номера на ваш приятел, телефонът ви предава информация за вас към антената с най-силен сигнал. Вашият оператор (например MTS или Beeline) ви разпознава, намира безплатен канал, по който може да се проведе вашият разговор, и ви свързва. Всичко това отнема само няколко секунди.

Самият разговор е доста сложен технически процес. Гласът ни се разделя на сегменти от 20 милисекунди и се преобразува в цифров формат, след което се кодира от специална система. Шифрованите сигнали се обработват отново, за да се премахне външният шум.

Сега клетъчен телефонНе е само за приказки. Едно малко устройство може да побере такива прости механизми като обикновен часовник, будилник, калкулатор, календар, фенерче, както и сложни камери, достъп до интернет, плейър и много други.

Комуникацията между мобилните телефони или клетъчните телефони, както още ги наричат, се осъществява не чрез кабели, както в конвенционалната телефонна система, а чрез радиовълни. За да се обадите на мобилен телефон, трябва да наберете номера както обикновено. Така радиосъобщението пристига до базова станция, контролирана от клетъчната телефонна компания.

На станция, която обслужва всички повиквания в рамките на даден радиус или зона, контролното устройство открива повикване по отворен радиоканал. Освен това той изпраща сигнал до автоматичната телефонна централа на клетъчната мрежа. Чрез четене на специални кодове, предавани от телефона,

Автоматичната телефонна централа следи движението на автомобила в района на първа станция. Ако по време на разговор автомобилът премине зона и попадне в следващата, разговорът автоматично се прехвърля към базовата станция, работеща в тази зона. При провеждане на разговор по мобилен телефон, повикващият се свързва с автоматична клетъчна телефонна централа, която локализира мобилния телефон, иска отворен радиоканал от контролера на веригата и комуникира - чрез базовата станция - с желания номер. Тогава мобилният телефон звъни. Когато шофьорът вдигне телефона, веригата е завършена.

Работа на базовата станция

Всяка базова станция получава сигнали, излъчвани в радиус от три до шест мили. За да се избегне шум, базовите станции със съвпадащи граници трябва да работят на различни честотни канали. Но дори в рамките на един и същи град, станции, доста отдалечени една от друга, могат лесно да работят на един и същи канал.

Местната телефонна система, която обслужва както домове, така и фирми, се основава на проводници, преминаващи под земята и над земята и свързани с автоматична централа.

Местоположение и канал

Автоматичната телефонна централа засича местоположението на движещото се превозно средство, докато контролерът на веригата насочва повикването към комуникационния канал.

Зона за обаждания

Когато превозното средство се движи извън обхвата на най-отдалечената базова станция, водачът вече не може да използва клетъчни комуникации. Ако се осъществи обаждане по пътя към границата на зоната, сигналът става все по-слаб и накрая изчезва напълно.

По пътя от гара на гара

По време на целия мобилен разговор автоматичната телефонна централа за клетъчни комуникации записва местоположението на движеща се кола въз основа на силата на радиосигналите, излъчвани от нея. Когато сигналът стане твърде слаб, автоматичната телефонна централа предупреждава базовата станция, която от своя страна прехвърля разговора към близка станция за обслужване.

Колко от нас се чудят какво се случва, след като натиснем бутона за повикване на мобилния си телефон? Как работят клетъчните мрежи?

Най-вероятно не. Най-често набираме федералния номер на събеседника на автоматична машина, като правило, по работа, така че какво има и как работи не ни интересува в конкретен момент. Но това са удивителни неща. Как можете да наречете човек, който е в планината или в средата на океана? Защо можем да се чуваме зле по време на разговор или дори да бъдем напълно прекъснати? Нашата статия ще се опита да хвърли светлина върху принципа на работа на клетъчните комуникации.

И така, по-голямата част от гъсто населената територия на Русия е покрита с така наречените BS, които без съкращение се наричат ​​базови станции. Мнозина биха могли да им обърнат внимание, докато пътуват между градовете. В открито поле базовите станции са по-скоро като кули, които са червени и бели на цвят. Но в града такива BS са замислено поставени на покривите на нежилищни високи сгради. Тези кули са в състояние да уловят сигнал от всеки мобилен телефон, намиращ се в радиус от не повече от 35 километра. „Комуникацията“ между BS и телефона се осъществява чрез специална услуга или гласов канал.

Веднага след като човек набере номера, от който се нуждае, на мобилно устройство, устройството намира най-близката до него базова станция за специален обслужващ канал и я моли да разпредели гласов канал. След като получи заявка от устройството, кулата изпраща заявка до така наречения контролер, който ще наричаме накратко BSC. Същият този контролер пренасочва заявката към комутатора. Интелигентният превключвател на MSC ще определи към кой оператор е свързан извиканият абонат.

Ако се окаже, че е направено обаждане до телефон в една мрежа, например от абонат на Beeline до друг абонат на този оператор или в MTS, в рамките на Megafon и т.н., тогава превключвателят ще започне да открива местоположението на повикания абонат. Благодарение на Home Location Register, превключвателят ще намери къде се намира човекът, от който се нуждаете. Той може да бъде навсякъде, у дома, на работа, в дачата или дори в друга държава. Това няма да попречи на комутатора да прехвърли повикването към съответния комутатор. И тогава „плетеницата“ ще започне да се „развива“. Това означава, че повикване от превключвателя „респондент“ ще отиде до контролера „респондент“, след това към неговата базова станция и съответно към мобилния телефон.

Ако комутаторът установи, че извиканият абонат принадлежи на друг оператор, той ще изпрати заявка до комутатора на друга мрежа.
Съгласете се, схемата е доста проста, но трудна за представяне. Как една “умна” базова станция намира телефон, изпраща заявка и суичът сам определя оператора и другия суич. Какво точно е базова станция? Оказва се, че това са няколко железни шкафа, които се намират или под самия покрив на сградата, на тавана или в специален контейнер. Основното условие е помещението да е добре климатизирано.

Логично е, че BS има антена, която му помага да "хваща" комуникации. BS антената се състои от няколко части (сектора), всеки от които отговаря за територията. Частта от антената, която е разположена вертикално, отговаря за комуникацията с мобилни телефони, а кръглата е предназначена за комуникация с контролера.

Един сектор може едновременно да приема обаждания от седемдесет телефонни апарата. Ако вземем предвид, че една BS може да се състои от шест сектора, то в същото време тя може лесно да обработи 6*72=432 разговора.

По правило тази мощност на базовата станция е достатъчна. Разбира се, случват се ситуации, когато цялото население на нашата страна започне да се обажда по едно и също време. Нова година е. За някои е достатъчно просто да кажат заветната фраза „Честита Нова година!“ в телефона, докато други са готови да говорят през часовника с неограничена тарифа от Communications Corporation, обсъждайки гости и планове за цялата нощ.

Въпреки това, независимо от продължителността на разговора, базовите станции не могат да се справят и може да бъде много трудно да се достигне до абоната. Но през делничните дни, по-голямата част от годината, BS от шест сектора е напълно достатъчна, особено след като за оптимално натоварване операторът избира станции в съответствие с населението на територията. Някои оператори предпочитат големи базови станции, за да подобрят качеството на предоставяните комуникации.

Има три диапазона, в които BS може да работи и които определят броя на поддържаните устройства и изминатото разстояние. В диапазона 900 MHz станцията е в състояние да покрие голяма площ, но в диапазона 1800 MHz разстоянието ще бъде значително намалено, но броят на свързаните предаватели ще се увеличи. Третата лента на 2100 MHz вече предполага ново поколение комуникации - 3G.
Ясно е, че в слабо населените райони е по-целесъобразно да се инсталира базова станция на 900 MHz, но в града 1800 MHz е подходящо, за да проникнете по-добре през дебели бетонни стени и ще ви трябват десет пъти повече от тези BS от в село. Имайте предвид, че една BS може да поддържа три ленти наведнъж.

Станциите в режим 900 MHz покриват зона с радиус от 35 км, но ако в момента обслужват малко телефони, могат да „пробият“ до 70 км. Естествено, нашите мобилни телефони могат да „намерят“ BS дори на разстояние от 70 км. Базовите станции са проектирани да покриват земната повърхност колкото е възможно повече и да осигуряват комуникации на голям брой хора на земята, следователно, докато е възможно да се уловят сигнали на разстояние от най-малко 35 километра, същото разстояние, но в небето, базовите станции не „пробиват“.

За да осигурят на пътниците си клетъчна комуникация, някои авиокомпании започват да поставят малки BS на борда на самолетите. Комуникацията между „небесната” базова станция и „земната” базова станция се осъществява чрез сателитен канал. Тъй като работата на мобилните устройства може да попречи на процеса на полет, бордовата BS може лесно да се включва / изключва и има няколко режима на работа, включително напълно деактивиране на предаването на гласови съобщения. По време на полет телефонът ви може случайно да бъде прехвърлен към базова станция с по-лош сигнал или без свободни канали. В този случай разговорът ще бъде прекъснат. Всичко това са тънкостите на клетъчната комуникация в небето в движение.

Освен самолетите, обитателите на мезонети също се сблъскват с някои проблеми. Дори неограничена тарифа и VIP условия от клетъчен оператор няма да помогнат в случай на различни BS. Жител на апартамент на висок етаж, премествайки се от една стая в друга, ще загуби контакт. Това може да се случи поради факта, че телефонът в една стая „вижда“ една BS, а в друга „открива“ друга. Следователно по време на разговор връзката се прекъсва, тъй като тези BS са разположени на относително разстояние една от друга и дори не се считат за „съседни“ от един оператор.